考虑渠基土水热力三场耦合的衬砌渠道冻胀数值模拟研究

发布时间：2017-10-09 05:43

  本文关键词：考虑渠基土水热力三场耦合的衬砌渠道冻胀数值模拟研究

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【摘要】：水是万物之源,是人类及一切生物赖以生存的命脉。然而水资源匮乏及浪费严重制约着我国经济的持续发展。我国农业用水约4000多亿立方米,其中灌溉用水3500亿~3900亿立方米,约占我国农业用水的90%,但灌溉用水的利用效率只有0.4~0.5,超过一半的灌溉用水被浪费。渠道防渗工程可以有效的减少灌溉用水在输送过程中的渗漏损失,提高灌溉用水的利用率。但是,在北方寒冷地区,渠道衬砌冻胀破坏频繁发生,造成防渗工程失效,降低防渗效果,同时严重影响渠道使用寿命。针对渠道衬砌问题,本文着重从衬砌渠道的温度、水分、应力三方面来进行探讨。首先仅考虑相变作用的影响,其次加入水分场,研究水热耦合过程中的水分变化规律,最后将水热耦合模块加入应力场中分析,研究衬砌板下渠基土冻融过程中水分场、温度场、应力场的变化规律以及相互作用关系对渠道衬砌板的影响,并将此模型应用于新型衬砌材料HAS固化粉煤灰做渠道衬砌材料时的情况,与混凝土做衬砌材料时的情况进行对比研究,分析其可行性。全文主要内容如下:(1)相变对于冻深及温度场的影响是极大的,对某一土柱分别在考虑和不考虑相变下对其温度场和冻深进行分析,并区别其不同点;基土换填对于西北、东北、华北等气候寒冷地区,是渠道抗冻胀的有效措施,基于规范,通过对换填80cm砂砾土的渠道进行考虑相变温度场和不考虑相变温度场的分析,得出在不考虑相变的情况下,当达到稳定状态时,温度差较大,冻深变化大,冻胀量大;在考虑相变的情况下,当达到稳定状态时,水冰相变释放潜热阻止温度的下降,冻胀变形小,冻胀量小的相关结论。(2)对上述土柱进行水、热耦合数值模拟后得出,土体在冻结后的水分在空间上的分布特征不同于冻结前,发生了水分重分布现象。通过分析不同时刻的温度分布规律后发现,前2h内,由于冻胀不充分,导致不同时刻温度沿土柱高度的分布曲线分布规律不明显,在3h以后,由于充分冻胀,温度场变化小,曲线几乎重合。对(3h~10h)这段时间内的水分迁移做了几何计算,得出迁移冰含量/原位冻结水含量=1.083,与理论值1.09(Tomas and He 1995)很接近,为准确分析土体冻胀提供了科学依据和技术支持。(3)将上述所得出的结论应用于渠道衬砌研究中,对新型衬砌材料HAS固化粉煤灰进行水、热、力三场耦合数值模拟,数值模拟时,把HAS固化粉煤灰衬砌材料看做弹塑性材料,采用ABAQUS自带本构模型库中的Mohr-Coulomb本构模型,对力学参数进行定义并且模拟分析其力学性能,同时研究水分分布对温度、冻深及应力的的影响,并与混凝土衬砌材料进行对比分析。利用最大拉应力理论和第三强度理论对衬砌结构的最危险点进行强度分析,由分析结果发现结构安全可靠,同时说明HAS固化粉煤灰用作渠道衬砌材料是切实可行的。
【关键词】：相变 迁移冰含量 原位冻结水 HAS固化粉煤灰
【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】：2015
【分类号】：TV672;TV698.26
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 研究背景及意义12-14
• 1.2 国内外研究现状14-19
• 1.2.1 冻土的冻胀理论14-15
• 1.2.1.1 毛细理论14
• 1.2.1.2 抽吸力理论14
• 1.2.1.3 Miller第二冻胀理论14-15
• 1.2.1.4 分凝势概念15
• 1.2.2 冻土本构研究15-16
• 1.2.3 冻土的三场耦合理论16-17
• 1.2.4 渠道抗冻胀措施17-19
• 1.2.4.1 防渗措施17-18
• 1.2.4.2 保温措施18
• 1.2.4.3 衬砌结构形式18-19
• 1.2.4.4 渠基土换填19
• 1.3 本文的主要研究内容及预期成果19-22
• 1.3.1 主要研究内容19
• 1.3.2 预期结果19-20
• 1.3.3 技术路线20-22
• 第二章 冻土水热力耦合关系22-28
• 2.1 冻土水、热、力三场耦合关系22
• 2.2 冻土相变温度场及基本方程22-23
• 2.3 冻土水分迁移及基本方程23-26
• 2.3.1 影响水分迁移的主要因素23-24
• 2.3.1.1 温度场对水分迁移的影响23-24
• 2.3.1.2 水分补给条件的影响24
• 2.3.2 水分迁移的原动力理论24-25
• 2.3.3 土水势及其分类25-26
• 2.3.4 冻土水分场基本方程26
• 2.4 冻土应力场基本方程26-28
• 2.4.1 冻土应力场基本方程26
• 2.4.2 土冻结过程中的力学特性26-27
• 2.4.2.1 法向冻胀力26
• 2.4.2.2 切向冻结力26-27
• 2.4.2.3 冻胀量概念27
• 2.4.3 冻土应力场影响因素27-28
• 2.4.3.1 土体温度变化对应力的影响27
• 2.4.3.2 水分迁移聚冰作用的影响27-28
• 第三章 冻土相变温度场的分析28-39
• 3.1 土柱模型建立28-29
• 3.1.1 土柱几何模型及初始条件设定28-29
• 3.1.2 计算模型的基本情况及参数选取29
• 3.2 计算原理方法29-30
• 3.3 结果分析30-33
• 3.4 考虑相变的渠道冻胀模拟33-35
• 3.5 计算结果分析35-37
• 3.6 结论37-39
• 第四章 考虑水分迁移的冻土柱水热耦合模型研究39-46
• 4.1 基本假设39
• 4.2 水热耦合的计算原理方法39-41
• 4.3 模型的建立41-42
• 4.4 结果分析42-45
• 4.4.1 温度场分析42
• 4.4.2 水分场分析42-45
• 4.5 结论45-46
• 第五章 基于水热力耦合的HAS固化粉煤灰渠道衬砌的冻胀数值模拟研究46-62
• 5.1 HAS固化剂性能47
• 5.1.1HAS固化剂的特点47
• 5.1.2 HAS固化粉煤灰作渠道衬砌新材料的优势47
• 5.2 力学模型的建立与假设47-48
• 5.3 本构方程48-51
• 5.3.1 冻土本构方程48
• 5.3.2 混凝土本构方程48-50
• 5.3.3 HAS固化粉煤灰本构方程50-51
• 5.4 水热力耦合计算原理方法51
• 5.5 有限元模型的建立51-55
• 5.5.1 渠道概况51-52
• 5.5.2 有限元模型及参数选取52-54
• 5.5.3 模型在ABAQUS中的应用及二次开发54-55
• 5.6 计算结果分析55-61
• 5.6.1 温度场55-57
• 5.6.2 水分场57-58
• 5.6.3 变形场58-59
• 5.6.4 法向冻胀力59-60
• 5.6.5 切向冻结力60-61
• 5.7 结论61-62
• 第六章 结论与展望62-64
• 6.1 结论62-63
• 6.2 展望63-64
• 参考文献64-68
• 致谢68-69
• 作者简介69

【参考文献】

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本文编号：998482