考虑冻胀反力系数动态变化的U形渠道弹性地基梁模型.pdf
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1、第 22 卷 第 2 期2023 年 6 月宁 夏 工 程 技 术Vol.22 No.2Ningxia Engineering TechnologyJun.2023考虑冻胀反力系数动态变化的 U 形渠道弹性地基梁模型闫玉祥1,唐少容1,2,3*(1.宁夏大学 土木与水利工程学院,宁夏 银川750021;2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心,宁夏 银川750021;3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心,宁夏 银川750021)摘 要:为了客观反映寒旱区渠道冻土和衬砌板间相互作用随土体温度的变化情况,利用冻土中土体和冰的体积含量、弹性模量、泊松比等地基特性与土体温度的关系,推导
2、出随土体温度动态变化的冻胀反力系数表达式,建立考虑冻胀反力系数动态变化的 U 形混凝土衬砌冻胀力学模型,并应用于某两拼式 U 形渠道。通过与现场观测结果和已有研究结果对比可知,建立的冻胀反力系数计算方法是合理可靠的,模型计算的冻胀量、冻胀反力及衬砌结构内力等分布规律与现场观测结果吻合较好,计算结果偏小,与渠道实际冻胀状况更为相符。冻胀反力系数的变化体现出渠道不同时刻、不同位置的冻胀效应差异,突破了已有研究中仅获取冻胀效应最大值的弊端。关键词:冻土;弹性地基梁;冻胀;冻胀反力系数中图分类号:TV698.1 文献标志码:A渠道是寒旱区基本农田水利设施,其冻胀破坏一直是影响灌区渠水利用和渠道边坡稳定
3、的主要问题之一。早期的研究将冻结力和冻胀力视为外力1,衬砌结构简化为两端简支的受弯构件2-6,认为衬砌内部产生的过大应力是渠道破坏的主要原因,这种基于极限状态的分析不能反映冻结力、冻胀力及冻胀变形随水分、温度等环境条件的变化过程,也忽略了衬砌结构与土体的相互影响。随后的研究将渠道看成由冻土和衬砌这两种刚度不同的材料组成的复合结构,令衬砌与冻土变形协调从而分析衬砌结构的受力特征,并采用有限元方法对衬砌的变形与应力进行计算,这样可以反映出衬砌结构受到的冻胀力和冻胀变形随时间与空间的变化7。但实际上,衬砌结构的翘起和滑塌等现象并不能得到解释。因此,渠道冻胀效应的研究应当考虑冻土与衬砌结构间的相互作用
4、。弹性地基梁理论是能够合理反映土体和上部结构间相互作用的方法8-9,近年来在渠道衬砌结构的冻胀问题研究中得到广泛应用。肖旻等10以冻胀量和冻胀力成正比为基本假设,推导出考虑渠道衬砌板冻胀后的挠曲线方程,给出内力的解析表达式,为渠道冻胀设计提供参考。李宗利等11基于基土自然冻胀量,建立渠道冻胀破坏的弹性地基梁力学模型,得到了与实际更为相符的冻胀量和冻胀力。汪菲12建立了基于弹性地基梁理论的U 形渠道冻胀力学模型。在渠道的弹性地基梁冻胀模型中,将基土冻胀反力和被约束冻胀量的比值13定义为冻胀反力系数,冻胀反力系数与土体的冻胀变形特性有关,而土体的冻胀特性受其温度、土体和冰颗粒的弹性模量及泊松比的影
5、响较大。林传年等14在不同温度及不同应变率下对饱和冻结中砂进行单轴压缩试验,获得了静载下饱和冻结中砂的弹性模量。宁建国等15从复合材料的细观力学机理出发研究冻土的材料特性,用混合律方法得到了冻土材料的等效弹性常数。王正中等16在分析冻土形成过程及其组构的前提下,从冻土细观结构特征出发,将冻土视为由冰层与干硬土层黏结组成的横观各向同性固体介质,根据复合材料力学理论,求出冻土各向同性面内及面外的弹性模量和泊松比。温度对土文章编号:1671-7244(2023)02-0148-05收稿日期:2022-03-06基金项目:宁夏自然科学基金项目(2021AAC03021);宁夏重点研发项目(2018BE
6、B04035);宁夏高等学校一流学科建设项目(NXYLXK2021A03)作者简介:闫玉祥(1998),男,硕士研究生,主要从事冻土地区结构设计与结构计算的研究()。*通信作者:唐少容(1982),女,副教授,博士,主要从事冻土地区结构设计及理论方面的教学和研究工作()。第 2 期闫玉祥等:考虑冻胀反力系数动态变化的U形渠道弹性地基梁模型体冻胀过程中水热迁移的影响非常显著。由于不同时刻渠道土体温度存在阴阳坡效应,阴阳坡和渠底的自然冻胀量及约束冻胀量均不断呈现差异化分布,冻胀反力系数也随时间和位置发生变化,最终渠道各部位的实际冻胀量和冻胀反力形成不均匀分布的状态,这正是渠道发生偏转、开裂甚至滑塌
7、的主要原因。本文根据土体温度变化导致渠道不同位置冻胀反力系数和冻胀效应的差异,推导出冻胀反力系数随土体温度变化的表达式,建立了 U 形渠道冻胀弹性地基梁模型,研究考虑衬砌板与基土间相互作用的渠道冻胀效应。1冻土的弹性常数冻土的弹性模量主要取决于颗粒成分、土体温度、含水量及外压力等诸多因素。基于土样冰点、冻土温度及冻土中的未冻水含量,考虑水结冰后的体积变成原来的 1.1 倍,冻土中的体积含冰量计算公式17为ci=Sr(Gs-d)Gs(1.1TTf-1.1)-1+Gs,T 122018020420180130201801242018010920180116 6kPa1817161514131012
8、11图4衬砌板冻胀反力分布图0.00.20.40.60.81.01.21.41.60.00.10.20.30.40.50.60.70.8./kNm-1L$L$FMKma弯矩沿渠道断面展开图 b弯矩沿渠道断面分布图图5衬砌板弯矩分布图151宁 夏 工 程 技 术第 22 卷和原型实际观测结果对比可知,该力学模型能够动态、客观地反映渠基土与混凝土衬砌间的相互作用情况,可体现出渠道衬砌的冻胀变形在不同时刻、不同位置的变化趋势,改变了以往研究中只能考虑最大冻胀量的状况。(2)本文建立的考虑冻胀反力系数变化的模型同样可以应用于寒旱区其他形式的渠道或工程,为寒旱区工程结构设计的经济性和安全性要求提供参考。
9、参考文献:1 宋玲,欧阳辉,余书超.混凝土防渗渠道冬季输水运行中冻胀与抗冻胀力验算J.农业工程学报,2015,31(18):114-120.2 王正中.梯形渠道砼衬砌冻胀破坏的力学模型研究J.农业工程学报,2004,20(3):24-29.3 王正中,李甲林,陈涛,等.弧底梯形渠道砼衬砌冻胀破坏的力学模型研究J.农业工程学报,2008,24(1):18-23.4 申向东,张玉佩,王丽萍.混凝土预制板衬砌梯形断面渠道的冻胀破坏受力分析J.农业工程学报,2012,28(16):80-85.5 李翠玲,王红雨.两拼式U形渠道混凝土衬砌结构冻胀破坏力学模型J.中国农村水利水电,2014(5):86-8
10、9,93.6 王江伟,王红雨.考虑土与板间摩擦力的两拼式U形复合衬砌渠道冻胀破坏力学模型J.中国农村水利水电,2016(5):145-149.7 王正中,芦琴,郭利霞,等.基于昼夜温度变化的混凝土衬砌渠道冻胀有限元分析J.农业工程学报,2009,25(7):1-7.8 SELVADURAL A P S.土与基础相互作用的弹性分析M.范文田等,译.北京:中国铁道出版社,1984.9 郭继武.地基基础设计简明手册M.北京:机械工业出版社,2008.10 肖旻,王正中,刘铨鸿,等.考虑冻土与结构相互作用的梯形渠道冻胀破坏弹性地基梁模型J.水利学报,2017,48(10):1229-1239.11 李
11、宗利,姚希望,杨乐,等.基于弹性地基梁理论的梯形渠道混凝土衬砌冻胀力学模型J.农业工程学报,2019,35(15):110-118.12 汪菲.考虑双向变形的U形混凝土衬砌渠道冻胀效应研究D.银川:宁夏大学,2021.13 李宗利,姚希望,李云波,等.冻胀反力系数在渠道衬砌冻胀弹性地基梁模型中的应用J.农业工程学报,2021,37(17):97-106.14 林传年,李海鹏,张俊兵,等.静载下饱和冻结中砂的弹性模量与温度及应变率的关系J.岩石力学与工程学报,2003,22(增刊2):2700-2702.15 宁建国,朱志武.含损伤的冻土本构模型及耦合问题数值分析J.力学学报,2007,39(1
12、):70-76.16 王正中,牟声远,牛永红,等.横观各向同性冻土弹性常数 及 强 度 预 测 J.岩 土 力 学,2008,29(增 刊 1):475-480.17 刘振亚,刘建坤,李旭,等.非饱和粉质黏土冻结温度和冻结变形特性试验研究J.岩土工程学报,2017,39(8):1381-1387.18 何鹏飞,马巍,穆彦虎,等.考虑冻胀力和冻结力作用的梯形渠道衬砌冻胀破坏弹性地基梁模型J.中南大学学报(自然科学版),2021,52(11):4148-4157.19 龙驭球.弹性地基梁的计算M.北京:人民教育出版社,1981.20 李方政.土体冻胀与地基梁相互作用的叠加法研究J.岩土力学,200
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