装配式U型混凝土渠道抗冻有限元模型及数值模拟研究

发布时间：2017-04-11 14:19

  本文关键词：装配式U型混凝土渠道抗冻有限元模型及数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文针对宁夏引黄灌区斗农渠冻害问题,以青铜峡市大坝镇蒋南村装配式U型混凝土渠道和宁夏大学北校区装配式U型混凝土渠道野外冻胀观测场为基地,在自动数据采集系统定时采集渠道不同部位的冻胀量、冻胀力和温度的基础上,系统地对装配式U型混凝土渠道冻胀破坏的有限元模型及其数值模拟进行了较为系统的研究,为灌区节水技术改造提供了理论依据。其研究结果如下：(1)通过野外模拟渠道冻胀观测试验得出,12月下旬至1月中旬,渠道基土冻胀量较大。观测期间,阳坡直段,阳坡弧段,阴坡直段,阴坡弧段渠道基土的最大冻胀量分别为1.95mm,1.35mm,2.39mm,1.48mm,且阴、阳坡同一观测部位,阳坡冻胀率先达到峰值。一天当中,渠道基土温度的变化对阴、阳不同部位所受冻胀力影响不一,渠坡直段既受压应力又受拉应力的交替作用,圆弧段主要承受较大的拉应力；观测期内,阳坡弧段的最大拉应力为14.2KPa,最大压应力为0.3KPa；阳坡直段的最大拉应力为9KPa,最大压应力为7KPa；阴坡弧段的最大拉应力为40.8 KPa,最大压应力为5.4 KPa;阴坡直段的最大拉应力为7.2 KPa,最大压应力为9.3 KPa。(2)通过不同结构U型混凝土渠道数值模拟计算得出,衬砌冻胀变位随U衬砌板倾角0-34度或厚度4-10cm的增大在减小,峰值出现在阴、阳坡直线段与圆弧段衔接处,且阴坡最大,阳坡次之,渠底最小。厚度在4-10cm范围内的同一倾角的U型衬砌板,圆弧段的冻胀变位幅度较小,几乎不随厚度的变化而变化；应力峰值出现在阴、阳坡直线段与圆弧段衔接处以及渠底,且阴坡峰值阳坡峰值渠底峰值；在0度～8度范围内衬砌的冻胀不均匀性的变化梯度较大,倾角的增大对衬砌冻胀不均匀性影响显著,当倾角在22-34度范围内时,对抵抗冻胀效果影响不明显,当倾角为8度-22度,倾角的增大对冻胀不均匀性影响适中,实际工程中以选择15度-22度为宜。(3)通过U型混凝土渠道热力耦合计算得出,未冻土层,随土层深度的增大,温度越趋近于一条平行的直线,几乎不受边界温度的影响；模拟测得阴坡坡顶、阴坡直段与圆弧段衔接处、渠底、阳坡直段与圆弧段衔接处、阳坡渠顶最大法向冻深分别为25.5cm,19.8 cm,13.1cm,12.2 cm,13.8 cm,与实测冻深接近,最大实际误差为6.4%：阴坡整体冻胀量大于阳坡,阴坡渠道基土冻胀量最大值为15.64mm,阳坡冻胀量最大值为7.0mm,圆弧段冻胀量相对较小(1.99mm～3.58mm)；弧段法向冻胀力表现形式为外拉内压,衬砌外侧法向冻胀力最大值为13.7MPa,衬砌内侧法向冻胀力最大值为38.9MPa,峰值均出现在渠底。弧段的切向冻结力较小,渠底为0,峰值出现在阴坡直段与弧段衔接处,值为19.3MPa。
【关键词】：U型渠道 数值模拟 冻胀破坏 ADINA 力学模型
【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV698.26
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 研究背景及意义8-9
• 1.2 防渗抗冻胀机理研究进展9-11
• 1.2.1 冻胀机理研究进展9-10
• 1.2.2 冻胀模型研究进展10
• 1.2.3 数值模拟技术研究进展10-11
• 1.3 防冻胀技术研究进展11-12
• 1.4 防渗抗冻胀衬砌结构研究进展12
• 1.5 目前存在的问题12-13
• 1.6 本文研究目的和内容及技术路线13-16
• 1.6.1 研究目的13
• 1.6.2 研究内容13-14
• 1.6.3 研究方法及技术路线14-16
• 第二章 野外冻胀观测试验研究16-23
• 2.1 材料与方法16-18
• 2.1.1 试验段资料16
• 2.1.2 试验方案及布置16-18
• 2.1.3 试验仪器参数18
• 2.2 试验结果分析18-22
• 2.2.1 气温18
• 2.2.2 冻胀量18-20
• 2.2.3 渠道基土温度对冻胀量的影响20
• 2.2.4 冻胀力20-22
• 2.3 本章小结22-23
• 第三章 混凝土衬砌渠道冻胀机理及冻胀破坏力学模型分析23-35
• 3.1 影响渠道衬砌冻胀破坏的因素23-26
• 3.1.1 渠道基土土质23-25
• 3.1.2 温度对渠道冻胀的影响25
• 3.1.3 水分条件25-26
• 3.1.4 衬砌断面形式26
• 3.2 不同断面结构形式混凝土渠道衬砌冻胀破坏特征26-28
• 3.2.1 梯形混凝土渠道衬砌冻胀破坏特征26
• 3.2.2 弧底梯形渠道衬砌冻胀破坏特征26-27
• 3.2.3 U型衬砌渠道冻胀破坏特征27
• 3.2.4 弧形坡脚梯形渠道冻胀破坏特征27-28
• 3.3 U型混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型28-32
• 3.3.1 U型混凝土衬砌渠道内力计算28-32
• 3.4 计算实例32-33
• 3.5 本章小结33-35
• 第四章 基于不同结构的混凝土渠道冻胀数值模拟35-49
• 4.1 基本假设35
• 4.2 混凝土材料本构关系35-36
• 4.3 力学模型的建立36-38
• 4.4 有限元模型的建立38-39
• 4.4.1 建模思路38
• 4.4.2 有限元模型建立及边界条件38-39
• 4.5 渠道冻胀数值模拟结果分析39-46
• 4.5.1 不同倾角、不同厚度衬砌渠道冻胀变位数值模拟分析39-41
• 4.5.2 不同倾角、不同厚度衬砌板应力场分析41-46
• 4.6 U型混凝土渠道不同部位应变结果分析46-47
• 4.7 本章小结47-49
• 第五章 U型混凝土渠道热力耦合数值模拟研究49-62
• 5.1 模拟渠道冻胀基本情况49-50
• 5.2 力学模型的建立50-52
• 5.2.1 基本假设50
• 5.2.2 热传导方程50-51
• 5.2.3 本构方程51-52
• 5.2.4 渠道热力耦合模型和边界条件52
• 5.3 计算结果分析52-60
• 5.3.1 温度场分析52-55
• 5.3.2 位移场分析55-57
• 5.3.3 应力场分析57-60
• 5.4 本章小结60-62
• 第六章 研究工作总结与展望62-65
• 6.1 总结62-63
• 6.2 展望63-65
• 附表65-73
• 参考文献73-77
• 致谢77-78
• 个人简介78

【参考文献】

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1 张茹;大U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型及数值模拟[D];西北农林科技大学;2007年

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本文编号：299280