基于有限元法的刚柔混合衬砌渠道接触特性及稳定性研究

发布时间：2017-09-17 11:15

  本文关键词：基于有限元法的刚柔混合衬砌渠道接触特性及稳定性研究

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【摘要】：随着全球水资源的日趋紧张,我国的水资源也严重缺乏,目前发展节水、节能的农业灌溉技术是我国现代农业的主要方向,但水资源在输送的过程中损失比较严重,衬砌渠道是减少输水损失的主要措施。近年来,在渠道衬砌方式中,刚柔混合衬砌渠道发展迅速,使用较为广泛。然而,刚柔混合衬砌渠道也存在一些问题,主要是其接触特性在很大程度上决定了结构的变形、运动状况和应力分布及渠道的稳定性,衬砌渠道会产生滑塌及渠道边坡失稳等现象,甚至完全会失去防渗的作用,影响水利工程效益的发挥和制约渠道防渗工程的发展。本文结合刚性混凝土衬砌板-柔性复合土工膜混合衬砌渠道的特点,采用工程试验研究、理论分析与数值模拟相结合的研究方法,研究了大断面刚柔混合衬砌渠道接触特性与稳定性问题,分析复合土工膜与刚性混凝土衬砌板结构接触面和复合土工膜与渠基土壤结构接触面的应力和位移变形规律,得出刚柔混合衬砌渠道垫层保护层的稳定安全系数计算公式,该安全系数计算公式的计算结果与工程的实际情况符合度较好,可为大型渠道的设计、施工提供参考。具体内容如下:(1)刚柔混合衬砌渠道接触摩擦特性试验研究针对复合土工膜与渠道接触结构面之间的摩擦特性,采用TZY-1型土工合成材料综合测定仪测定了它们(复合土工膜与混凝土衬砌板、复合土工膜与渠基土壤保护层(粗砂、细沙))之间的摩擦角和粘聚力,为刚柔混合衬砌渠道的接触特性数值模拟和渠道的边坡稳定分析提供必要的材料参数。根据测得的结果,在工程的实际应用中,当采用摩擦角和粘聚力进行计算时,根据粗砂含水率的不同,摩擦角可以在26.33o-32.40o之间取值,粘聚力可以在6.57k Pa-7.85k Pa之间取值。(2)基于有限元法的刚柔混合衬砌渠道接触特性数值模拟基于有限元方法,基于ABAQUS软件,采用库仑摩擦(Coulomb Friction)模型来模拟复合土工膜与刚性混凝土衬砌板结构接触面和复合土工膜与渠基土壤结构接触面的接触特性,得到了其应力和位移变形场,并对其应力和位移变形规律进行了分析。根据模拟分析结果:正常输水情况下,位移变形图成对称分布,应力变形图也成对称分布,在渠道坡板与底板交界处较大,说明在交界接缝处产生应力集中现象;两侧坡板渠顶附近应力值也偏大,主应力值随渠道断面高程增加而减小,自重效应明显。渠水骤降情况下,位移变形图成对称分布,应力变形图也成对称分布,其中最大位移发生在渠底板以及渠坡与渠底板的交界处,在交界接缝处产生应力集中现象,这些与实际观测的结果相符合。(3)大断面刚柔混合衬砌渠道边坡稳定性分析以典型的工程为例,采用刚体极限平衡理论,得出了其边坡的稳定安全系数计算公式,该安全系数计算公式的计算结果和利用有限元ABAQUS对刚柔混合衬砌渠道接触特性的数值模拟分析刚柔混合衬砌渠道接触特性对边坡稳定性分析的结果相互印证,与工程的实际情况符合度较好,可为大型渠道的设计、施工提供参考。
【关键词】：刚柔混合衬砌渠道 接触特性 抗滑稳定 有限元分析
【学位授予单位】：石河子大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV672
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-16
• 1.1 研究背景及意义9-11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.3 研究的技术方案13-16
• 第二章 刚柔混合衬砌渠道接触摩擦特性试验研究16-25
• 2.1 试验设备16
• 2.2 试验材料16-17
• 2.3 试验方案17-18
• 2.4 试验原理18-19
• 2.5 试验方法19-20
• 2.6 试验结果20-24
• 2.7 本章小结24-25
• 第三章 刚柔混合衬砌渠道接触特性有限元分析25-44
• 3.1 接触分析有限元分析理论25-27
• 3.2 刚柔混合衬砌渠道接触特性有限元分析27-33
• 3.3 模型的建立33-36
• 3.4 工程算例36-42
• 3.5 本章小结42-44
• 第四章 刚柔混合衬砌渠道边坡稳定性研究44-52
• 4.1 正常输水时边坡稳定性研究45-47
• 4.2 当渠水骤然下降时边坡稳定性研究47-49
• 4.3 边坡稳定性研究—工程实例49-50
• 4.4 边坡稳定性分析应注意的问题50
• 4.5 结论50
• 4.6 本章小结50-52
• 第五章 结论与展望52-54
• 5.1 结论52-53
• 5.2 展望53-54
• 参考文献54-58
• 致谢58-59
• 作者简介59-60
• 在学期间主要参与的研究项目59
• 在学期间发表的文章59
• 获奖情况59-60
• 附件60

【参考文献】

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本文编号：869073