基于有限元分析的高地下水位砼襯砌渠道凍脹損壞斷裂研究

鄒志華

摘 要：在地下水水位比較高的地方，容易發生渠道凍脹的現象，因此在建造實施水利工程項目時，首先要克服渠道凍脹損壞的難點。在借鑒已有理論如凍土凍土力學、三場耦合、材料力學、彈性力學、滲流等理論之后，本研究分析了渠道基土凍脹以及襯砌結構，并構建了渠道砼襯砌凍脹損壞力學模型以及凍土的彈性本構模型，利用模型模擬來凍脹過程中三場耦合的數據，最后得到新型的防凍脹結構來預防渠道的凍害發生。

關鍵詞：砼襯砌渠道 高地下水位 凍脹損壞斷裂 數據模擬

1、構建力學模型

跟普通梯形渠道比較，弧底梯形混凝土襯砌渠道的結構具有整體性強的特點，渠道襯砌板因凍脹出現損壞的可能性隨著渠底的法向凍脹力減小而減小；渠道混凝土襯砌底板及邊坡板和梯形渠道襯砌體發生損壞的特點相似，在受到重力、凍結力、凍脹力、底板與坡板約束力等復雜的相互作用肌理下，就會發生損壞。對渠道底板來說，凍脹力會使底板上抬，在坡板的約束下，由于發生凍脹變形會出現中間大兩邊小的特點，因此會在中間出現彎曲甚至折斷的現象。

2、模擬有限元的數據

考慮到原型渠道的現實條件，本研究以凍深作為邊界選取有限元模型。具體數據為：陽坡邊界的法向凍深為十厘米，渠頂距襯砌板的寬度設為十厘米，另外，陰坡邊界的法向凍深為八十厘米，渠頂距襯砌板的寬度設為八十厘米。在渠底到襯砌的距離從法向八十厘米，到渠底法向六十厘米，最后減少到四十七厘米。模擬有限元的數據時把襯砌板和凍土看做一個整體，并利用映射網格劃分的方法來形成圖元，最后劃分模型的有限元單元，劃分的結果如下，節點共836個。

3、分析數據和結果

當渠基土發生凍脹時，會收到土質、襯砌體剛度、溫度、水分狀況等各項因子的干擾，因此進行數據模擬時往往不夠精準，所以模擬之前應當簡化各項因素，采取合適的假設，以便更快地找到渠道發生凍脹受力、變形的規律性。

3.1計算流程

3.1.1熱分析邊界條件并計算溫度場

在熱分析單元類型中選擇較為合適的，選擇原型渠道各個區域每個月平均表面溫度里面12月份的溫度，做為熱邊界條件的上邊界條件，在兩側渠頂以及混凝土襯砌體的表面施加該溫度；將下邊界的凍結溫度取值零度，范圍就是凍深[11-13]。

3.1.2計算應力場和位移場

計算完熱分析后，將單元類型轉換成結構靜力分析，設定位移邊界條件：在凍土兩邊的豎直段受到Y向的水平約束（uY=0），在凍土的下邊界，除了兩邊的斜坡段受到Y向和Z向的雙約束（uY=0，uZ=0）外，其它的均受到Z向的垂直約束（uZ=0）；此外，上邊界發生的自由凍脹則沒有收到任何約束。在采用ADINA軟件來分析位移場和應力場時，加在模型上的荷載采用的是熱分析的數據。

3.2分析得出的計算結果

3.2.1位移場

從下圖可知，凍脹力的影響使得弧底梯形渠道變位最大的情況發生在陰坡，陽坡第二，變位最小的是渠底，模擬的結果和實際工程的情況相吻合。而坡腳處突變的情況不作用在渠底，使得基土凍脹受到襯砌板約束的情況好轉，凍脹變形發生的方向以及大小夜呈現出連續的狀態，凍脹量的分布相對均勻。根據以上的計算結果，得到沿襯砌板長方向上的的凍脹量情況如下圖。從圖中可以看出，陽坡的最大凍脹量是3.6cm，陰坡的最大凍脹量是4.1cm，渠底的最大凍脹量是2.7cm，和實際工程的情況相一致，誤差不超過百分之五，數據具有精確性。

3.2.2溫度場

下圖為模擬后得出的溫度等值線，從圖中可知，渠道會受到東西走向的干擾，導致陽坡和陰坡的溫度存在較大的差別，陽坡的溫度梯度比陰坡的要小，而各坡的溫度分布規律相一致，凍深的分布狀況也具有相似性。

4、結論

在有限元理論的基礎上，將實際渠道作為研究對象構建起簡化的應力場、溫度場、位移場耦合模型，模擬這三者對渠道凍脹影響的程度數據，該模型可以科學、準確地反映出混凝土襯砌渠道凍脹在應力場、溫度場、位移場中變化的情況，該模型可應用到各種實際工程中，方法簡捷、操作簡單，在渠道的抗凍脹工程設計里也可以廣泛應用。

參考文獻

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