混凝土衬砌渠道冻胀非线性数值模拟研究及结构优化

发布时间：2019-10-14 13:54

【摘要】：农业用水占全国总用水量约70%，其中大部分采用渠道输送。研究表明，刚性衬砌防渗相对于无防渗衬砌的渠道可减少输水损失水量60%~80%，并能大大提高输水效率。但是在我国较为寒冷的北方寒旱灌区，冬季时渠基土中的水分在负温梯度作用下向冻结锋面迁移聚集并冻结，产生体积膨胀，也即基土冻胀。这种冻胀会受到混凝土衬砌板以及未冻土的约束从而产生相互作用力。尤其当这种作用力过大时，混凝土衬砌板会产生裂纹及裂缝，严重时更是能导致渠道衬砌整体结构受到破坏，其主要表现形式有衬砌板的裂缝、鼓胀、坍塌滑坡。这种冻胀破坏严重削弱了渠道衬砌结构的防渗能力，使原本紧缺的水资源被严重浪费，而这些地区又恰恰是我国缺水较为严重的地区。同时这种冻胀破坏问题不仅严重影响了渠道的输水效率，浪费了水资源，而且破坏的渠道衬砌结构需要大量的人力、物力对其进行维修，甚至重新修建。因此对渠道冻胀破坏的机理及能够有效削减冻胀破坏衬砌结构进行研究，对节约水资源和农业生产有着很重要的意义。本文在大量阅读相关文献的基础上，对影响渠基冻土冻胀的主要因素，对影响渠道混凝土衬砌体冻胀破坏的主要因素、国内外渠道防渗抗冻胀技术发展的现状及仍然存在的问题进行了探讨和总结，在材料非线性理论及接触非线性理论的基础上，运用有限元数值模拟的技术对渠道冻胀的有关问题进行了仿真模拟研究，对当前的针对渠道冻胀问题的提出的有限元模型进行了一定的改进，然后采用参数化分析的方法对渠道衬砌结构横向纵缝的位置及宽度对消减冻胀破坏的效果进行了研究与初探，本文创新点及主要内容如下：（1）从接触非线性的角度出发，考虑渠道混凝土衬砌板与冻土之间的冻结接触作用，将渠道混凝土衬砌板和渠基冻土视为不同部件，并在两者接触界面处设置符合冻土和混凝土冻结接触特性的无厚度接触单元，来模拟混凝土衬砌板和冻土之间的相互作用。结果表明设置满足混凝土与冻土接触非线性本构的模型能够反映出混凝土衬砌板与冻土之间的有限冻结和滑移作用，并能判定混凝土衬砌板与冻土之间是否会发生脱开，，切实反映了混凝土衬砌板与冻土之间的滑移变形及冻胀破坏，准确地反映了混凝土衬砌渠道的破坏机理。与以往将渠道衬砌板和冻土整体建模相比，该模型得到的法向冻胀力及切向冻结力数值都有所减小，最大值减小约50%，且更切合实际，分布更均匀，均小于相应温度下混凝土与冻土的最大冻结强度，其大小及分布更符合实际情况。（2）考虑到渠道冻胀过程中，渠基冻土冻胀变位产生的位移较大，衬砌混凝土也可能会塑性屈服，混凝土本构采用简单的线弹性模型并不能反映衬砌板受力变形的真实情况，本文采用了混凝土的弹塑性本构模型来模拟混凝土的受力情况，结果表明采用混凝土弹塑性模型的数值模型得到的结果中，渠道衬砌混凝土部分进入塑性阶段，且该模型能够以塑性应变反映混凝土衬砌板的应力状态及破坏情况，其结果与工程实践基本一致。从材料非线性的角度出发，考虑到完全弹性的渠道冻胀数值模型不能真实反映渠道冻胀情况下衬砌混凝土材料和冻土材料受力的真实情况，建立了同时考虑混凝土和冻土材料非线性的渠道冻胀模型对渠道冻胀问题进行研究，结果表明冻土和混凝土材料在渠道冻胀的极限破坏情况下都有一部分进入了塑性破坏阶段，而非全部处于弹性阶段，因此采用材料非线性的模型更能反映冻胀破坏时材料应力状态的真实情况。采用非线性模型得到的法向冻胀力及切向冻结力在数值上比采用线弹性的模型的明显减小，最大相差50%，因此对材料本构模型的线弹性简化对结果会产生较大影响。（3）在多年的渠道抗冻胀的工程实践与规律总结过程中，规范中在渠道抗冻胀的规范中提出了“允许一定冻胀位移量”的工程设计标准和“回避、适应、削减或消除冻胀”的防冻害原则和技术措施。而纵缝具有释放变形的作用，因此考虑渠道衬砌结构在不同位置设置纵缝以及不同缝宽对适应渠道冻胀的影响。结果表明，法向冻胀力在最优位置时（靠近坡脚1/5板长处），法向冻胀力分布最为均匀，且其最大值最小，比最差设缝位置时小将近60%，且较大法向冻胀力的分布区间较最差位置时的要减少60%。纵缝越靠近渠顶，法向冻胀力值越大且较大值的分布面积越大，对缓解冻胀的作用能力越差。切向冻结力向冻结力也是在最优位置时（靠近坡脚1/5板长处）大小及分布最为均匀，最大值相对于最差位置时的要减小约80%。但设缝位置对冻胀量的分布影响不大。纵缝的宽度对渠道衬砌板受到的法向冻胀力、切向冻结力以及冻胀量的影响都不大。
【图文】：

技术路线图

对话框,二次开发,用户子程序

图 2-1ABAQUS 二次开发与应用Fig.2-1 The secondary development of ABAQUS and its application2.3 基于 Fortran 的用户子程序二次开发ABAQUS 提供了大量的用户子程序（User subroutines）作为二次开发平台，用户可根据自己的需要定义符合特定问题的模型。这些用户子程序基本覆盖了建立模型的整个范畴、如用户自定义载荷，用户自定义材料和单元等(曹金凤等 2011)。用户子程序通常用 Fortran 语言编写代码，ABAQUS 也支持 C++语言。某一个具体问题中用户可能用到多个用户子程序，这时必须将它们放在同一文件中。运行包含用户子程序的任务有两种方法：第一种方法是在 ABAQUS/CAE 中进行，在任务模块中执行job-edit-job-name 命令，在弹出的 edit-job 对话框中切换到 general 选项卡，在 Usersubroutines file 下方的输入框中设置用户子程序即可，一般的用户子程序采用 Fortran 编写，因此其文件后缀名为.for。第二种方法时通过命令运行，其语法如下：abaqus job=Job-name user=用户子程序文件名（.for）在不同模块进行的用户子程序定义都有对应的程序名，便于 ABAQUS 的接口对其
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TV672;TV698.26

【参考文献】