L型渠道結(jié)構(gòu)凍脹數(shù)值模擬分析

李 斌

(阜康市九運(yùn)街鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)(畜牧業(yè))發(fā)展服務(wù)中心，新疆 阜康 831501)

0 引 言

新疆冬季低溫時(shí)期，渠系建筑物普遍存在開(kāi)裂、隆起、坍塌等凍脹破壞現(xiàn)象，預(yù)制板出現(xiàn)不同程度的架空、穿插、錯(cuò)位現(xiàn)象，嚴(yán)重影響渠道工程的綜合利用率，縮短了渠道襯砌的正常使用壽命，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。為了保證渠道工程安全過(guò)冬，必須了解渠道工程的凍脹破壞機(jī)理和防凍脹措施。一般而言，渠道襯砌的凍脹破壞力來(lái)源于渠基土體凍脹體積發(fā)生膨脹后對(duì)襯砌體的擠壓效應(yīng)。渠基土層內(nèi)的水分含量多少是引起渠道襯砌凍脹破壞的主要因素，水分含量越高，凍脹量越大，若渠基地下水位高于渠道底部，渠道凍脹破壞更為嚴(yán)重[2]。見(jiàn)圖1。

圖1 渠系建筑物凍脹破壞現(xiàn)象

1 工程概況

新疆阜康地區(qū)農(nóng)田水利工程中，多數(shù)干渠輸水量較大，冬季嚴(yán)寒季節(jié)時(shí)期對(duì)渠道的抗凍脹性能要求較高，但現(xiàn)有輸水渠冬季出現(xiàn)開(kāi)裂、隆起、坍塌的現(xiàn)象頻繁。為保證阜康地區(qū)渠道工程安全度冬，引進(jìn)了組合式L型渠道襯砌結(jié)構(gòu)。組合式L型渠道襯砌結(jié)構(gòu)由兩個(gè)獨(dú)立的L型部分和現(xiàn)澆底板組成，利用長(zhǎng)60 cm的錨固筋連接L型部分和現(xiàn)澆底板。本文采用 4% EPS顆粒輕質(zhì)土墊層作為保溫措施，渠底部鋪設(shè)厚20 cm墊層。預(yù)制L型砼結(jié)構(gòu)材質(zhì)為C50混凝土，底板澆筑C25混凝土。渠道內(nèi)布置HPB335鋼筋，鋼筋保護(hù)層設(shè)置為25 mm砼，現(xiàn)澆底板上下分別布置15根B10鋼筋。預(yù)制的L型渠與現(xiàn)澆底板之間由上下兩層各15根B16鋼筋連接，圖 2為組合式L型渠道斷面示意圖。

圖2 組合式L型渠道斷面(單位：mm)

2 凍脹破壞分析

凍脹主要由土的凍結(jié)造成體積膨脹，這是季節(jié)性凍土區(qū)常見(jiàn)病害。渠基土凍脹分為原位凍脹和分凝凍脹兩大類(lèi)，其中原位凍脹指凍結(jié)鋒面前進(jìn)過(guò)程和已凍土繼續(xù)降溫過(guò)程中，正凍土中的孔隙水或已凍土中的未凍水原位凍結(jié)，造成體積增大9%；分凝凍脹指土體凍結(jié)以后，由于土顆粒表面能的作用，土中始終存在未凍結(jié)的薄膜水。在溫度梯度的誘導(dǎo)下，薄膜水會(huì)從溫度高處向溫度低處遷移，正是由于水的抽吸作用使水分集聚在前進(jìn)的凍結(jié)鋒面后方并凍結(jié)，分凝成冰透鏡體。分凝凍脹過(guò)程造成體積增大1.09倍[3]?；炷烈r砌渠道凍脹破壞主要原因由渠基土的水分條件和土體凍結(jié)特性導(dǎo)致，其次是渠道襯砌的結(jié)構(gòu)形式和襯砌材料，現(xiàn)場(chǎng)氣候、地質(zhì)和水文條件的不同也會(huì)導(dǎo)致渠道的襯砌凍脹破壞程度不同。

3 有限元模型建立

3.1 ABAQUS軟件介紹

ABAQUS是SIMULIA公司開(kāi)發(fā)的有限元軟件，是一種將偏微分方程(組)離散化的數(shù)值求解方法。ABAQUS功能強(qiáng)大其內(nèi)置金屬、橡膠、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等各類(lèi)材料模型庫(kù)，既可以模擬復(fù)雜的非線性應(yīng)力、位移問(wèn)題，又可以模擬熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、流體滲透、應(yīng)力耦合分析。ABAQUS軟件第一步對(duì)土體的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析土體凍脹規(guī)律[4]；第二步利用順序熱應(yīng)力耦合的方法，分析整個(gè)模型的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。本文的主要模擬內(nèi)容為凍融循環(huán)后的殘余變形及L型渠結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。

3.2 有限元模型

模型中土層厚、渠兩側(cè)渠土體寬分別為7.6和4.0 m，渠內(nèi)布置的鋼筋型號(hào)為HPB335。第一步模擬溫度場(chǎng)，鋼筋與L型渠結(jié)構(gòu)的連接采用tie方式；第二步是模擬位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)，鋼筋采用Embedded region命令嵌入混凝土L型渠結(jié)構(gòu)中[5]，L型渠結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖3。

鑒于L 型渠道渠底拐角處及渠底彎矩較大，故此處網(wǎng)格劃分必須加密，受力筋的網(wǎng)格劃分與L型渠一致，為保證土體的連續(xù)性，墊層網(wǎng)格分段劃分[6]。第一步將渠道底板溫度設(shè)置為8℃，先進(jìn)行凍融循環(huán)模擬，土體底部模型左右兩側(cè)Y向、X向均約束，模型前后Z向約束，鋼筋與L型渠間tie連接，鋼筋用Embedded region命令嵌入L型渠結(jié)構(gòu)中[7]。

圖3 L型渠結(jié)構(gòu)有限元模型

3.3 模型參數(shù)設(shè)置

L型渠道結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆底板結(jié)構(gòu)分別采用 C50 混凝土和C25 混凝土，鋼筋全部采用HPB335低碳鋼，屈服強(qiáng)度 3.0×108Pa ，墊層取4% EPS顆粒輕質(zhì)土材料。見(jiàn)表1。

表1 模型材料參數(shù)

4 模擬結(jié)果分析

采用4% EPS 顆粒輕質(zhì)土墊層作為模型的模擬保溫材料，模擬第一階段是模擬溫度場(chǎng)，為分析凍融深的變化規(guī)律，溫度場(chǎng)主要的研究類(lèi)型為模型的最大凍深和最大融深兩大類(lèi)；第二階段為了分析凍融循環(huán)后的殘余變形和殘余應(yīng)力，主要研究位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。由于L型渠經(jīng)歷多次凍融循環(huán)，本文進(jìn)一步分析多次凍融循環(huán)后L型渠的殘余變形及殘余應(yīng)力。

4.1 溫度場(chǎng)模擬

圖4與圖5為最大凍深和最大融深時(shí)模型的溫度場(chǎng)分布云圖。模型土體底部初溫設(shè)置為8℃，從圖4最大凍深模擬可知，渠道基層土體凍結(jié)呈現(xiàn)單向發(fā)展態(tài)勢(shì)，即渠道基層土體溫度自上而下表現(xiàn)出逐漸升高的態(tài)勢(shì)；從圖5最大融深模擬可知，渠道基層土體融化呈現(xiàn)雙向發(fā)展態(tài)勢(shì)，即渠道基層土體溫度自上而下表現(xiàn)出先降低后增大的態(tài)勢(shì)；當(dāng)采用4% EPS顆粒輕質(zhì)土保溫墊層后，此刻土體最大凍結(jié)深度為100 cm。

圖4 最大凍深溫度場(chǎng)

圖5 最大融深溫度場(chǎng)

由溫度場(chǎng)結(jié)果繪制整個(gè)凍融過(guò)程的凍結(jié)融化曲線，見(jiàn)圖6。由圖6可知，時(shí)間為20 h時(shí)，渠道基層土體出現(xiàn)凍結(jié)狀態(tài)，之后隨溫度降低，凍結(jié)深度逐漸增大；時(shí)間為270 h時(shí)，渠道基層土體出現(xiàn)100 cm的最大凍結(jié)深度，在這之后基層土體出現(xiàn)融化；時(shí)間為330 h時(shí)，渠道基層土體凍結(jié)深度等于融化深度，其中最大融深大約68.5 cm。溫度低于0℃時(shí)，土體開(kāi)始凍結(jié)，隨著溫度降低凍深逐漸增大，最大凍深接近0℃處。

圖6 一次凍融循環(huán)凍結(jié)融化曲線圖

4.2 位移場(chǎng)分析

引起L型渠結(jié)構(gòu)變形的主要原因：①由于土體的凍脹變形；②由于混凝土材料的凍脹變形。從圖7和圖8可知，土體凍脹量在渠道基層土體到達(dá)最大凍深前隨溫度降低呈現(xiàn)增大態(tài)勢(shì)。在凍土融化期間土體出現(xiàn)融化沉降狀況，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)凍縮現(xiàn)象，20 h時(shí)基層土層出現(xiàn)凍脹狀況，且隨溫度下降，凍脹量逐漸增大；270 h時(shí)基層土層的凍脹量達(dá)到18.7 mm，之后渠道基層土層進(jìn)入融化狀態(tài)，凍脹量開(kāi)始下低；當(dāng)時(shí)間大于300 h后土體凍脹量變化不大，表明第一個(gè)凍融循環(huán)結(jié)束，此時(shí)土體的殘余變形量達(dá)到7 mm。

圖7 一次凍融循環(huán)后的豎向位移圖

圖8 一次凍融循環(huán)凍脹量變化曲線

4.3 應(yīng)力場(chǎng)分析

預(yù)制L型渠道砼結(jié)構(gòu)混凝土標(biāo)號(hào)為C50，現(xiàn)澆底板混凝土標(biāo)號(hào)為C25。為了研究L型渠道在阜康地區(qū)冬季使用的安全性，主要研究分析預(yù)制L型結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆底板和鋼筋的應(yīng)力狀況。見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 渠內(nèi)鋼筋的軸向拉應(yīng)力

圖10 L型渠道結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

由圖9、圖10可知，L型渠道結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在底板上部位置，約0.65 MPa，而C25標(biāo)號(hào)的混凝土試驗(yàn)室內(nèi)測(cè)得的抗拉強(qiáng)度為1.28 MPa，所以現(xiàn)澆底板位置不會(huì)破壞，冬季低溫環(huán)境下使用較穩(wěn)定。L型結(jié)構(gòu)的底板拐角處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力約0.50 MPa，小于C50混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。綜上所述，L型渠殘余應(yīng)力值小于混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，可以保證冬季阜康低溫環(huán)境下渠道的安全可靠運(yùn)行。L型渠道內(nèi)軸向鋼筋為HPB335低碳鋼，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)得鋼筋的抗拉、抗壓強(qiáng)度值為300 MPa，模擬測(cè)得受力鋼筋最大軸向拉應(yīng)力值為10.9 MPa，分布筋受壓，最大壓應(yīng)力值為46.5 MPa。綜上所述，鋼筋的最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力值均小于300 MPa，即說(shuō)明鋼筋在凍融循環(huán)下無(wú)塑性變形，也保證了冬季阜康低溫環(huán)境下渠道的安全可靠運(yùn)行。

5 結(jié) 論

1) 采用4% EPS顆粒輕質(zhì)土保溫墊層后，渠道基層土體凍結(jié)呈現(xiàn)單向發(fā)展態(tài)勢(shì)，溫度自上而下表現(xiàn)出逐漸升高的態(tài)勢(shì)；渠道基層土體融化呈現(xiàn)雙向發(fā)展態(tài)勢(shì)，溫度自上而下表現(xiàn)出先降低后增大的態(tài)勢(shì)；土體最大凍結(jié)深度為100 cm。

2) 土體凍脹量在渠道基層土體到達(dá)最大凍深前隨溫度降低呈現(xiàn)增大態(tài)勢(shì)。在凍土融化期間土體出現(xiàn)融化沉降狀況，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)凍縮現(xiàn)象，基層土層最大凍脹量達(dá)到18.7 mm，凍融循環(huán)結(jié)束時(shí)土體的殘余變形量達(dá)到7 mm。

3) L型渠道結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在底板上部位置，約0.65 MPa，小于C25混凝土抗拉強(qiáng)度；L型結(jié)構(gòu)的底板拐角處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力約0.50 MPa，小于C50混凝土的強(qiáng)度。L型渠道內(nèi)軸向鋼筋最大軸向拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力值均小于鋼筋的抗拉、抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，可以保證冬季阜康低溫環(huán)境下渠道的安全可靠運(yùn)行。