基于ABAQUS軟件的矩形渠道凍脹數值模擬

李 斌

(阜康市九運街鎮農業(畜牧業)發展服務中心，新疆 阜康 831501)

0 引 言

在北方季節性凍土地區，冬季第四紀表土的凍結深度大，渠系工程普遍存在開裂、隆起、坍塌等現象，凍脹破壞問題嚴重，降低了渠化工程的利用率，縮短了渠道襯砌的正常使用壽命，后期渠化工程的修復將增加相當大建設成本[1]。渠道襯砌體下的土體凍脹是引起渠道襯砌凍脹破壞的主因，由于第四紀表層土體發生凍脹效應，將導致渠道襯砌體受到強烈的擠壓破壞作用。一般而言，渠道襯砌體下部位的第四紀表土層內的水分含量越高，則土體的凍脹量越大[1]。當渠基土所處位置的水位較高，甚至地下水位高于渠道底部時，渠道襯砌體的凍脹破壞問題最為嚴重。

1 工程概況

矩型渠具有易安裝、施工周期短、工作期限長、灌溉用水效率高、抗凍性強、工程成本低等優點，可顯著節約建設成本。在節水灌溉方面能提高、保證灌區糧食產量與安全，可帶來巨大的社會效益。常用的薄壁U型渠混凝土強度范圍在C15～C20，抗凍脹性低于F150，在寒區使用強度偏低，U型渠的混凝土強度指標與抗凍脹性指標很難在寒冬低溫條件下正常運行。為保證矩型渠低溫條件下正常運行，新疆阜康某地區薄壁U型渠的混凝土強度設計為C50，抗凍性設計為F300。圖1為矩型砼渠斷面圖，表1為矩型砼渠參數表。

圖1 矩型砼渠斷面圖

表1 矩型砼渠參數表

2 常用的防凍脹措施

針對渠道襯砌體的防凍脹工程措施，一種思路是從源頭上消除土體凍脹的成因，即對渠基土進行換填及加固處理；另一種思路是提高渠道襯砌適應變形和抗凍脹力的能力[3]。

2.1 渠基土的換填及加固處理

置換渠基土是把凍深范圍內的土體全部置換為非凍脹性土體。一般弱凍脹性材料的換填厚度根據水位深度、土壤類型確定。弱凍脹性材料一般為土砂礫石、風積砂，置換后的非凍脹性土體可以降低原土體的凍脹量。渠基土加固處理分為壓實處理和化學處理兩大類，壓實處理的原理是降低土壤孔隙率，增加密度，減弱水分滲透性；化學處理的原理是降低土體中水的結冰點或者增強土體的憎水性，具體方式是把氯化鈣、三磷酸鈉、氯化鈉等化工材料置埋入原土體層內[4]。

2.2 保溫隔熱措施

保溫隔熱措施是在渠道襯砌體底部及地表面鋪設具有導熱系數低、強度大、耐久性好、吸水率低等優點的保溫材料。常用的保溫隔熱材料有泡沫水泥、聚苯乙烯泡沫板、膨脹珍珠巖和爐渣。其中，EPS顆粒輕質土墊層(聚苯乙烯泡沫)具備導熱系數低、吸水率低和運輸方便等優點，能夠起到很好的保溫防凍脹作用，在季凍區應用較為廣泛。

EPS是一種化學穩定性強的高分子合成材料，是發泡聚苯乙烯(Expanded Polystyrene)的簡稱，采用聚苯乙烯樹脂加入發泡劑加熱軟化，產生氣體的發泡樹脂[5]。EPS材料具有輕質、低密度，同時兼具耐壓縮性、耐水性的優勢，同時EPS墊層施工簡單、快速、無需大型施工機械。

3 建立數值模型

3.1 ABAQUS軟件介紹

ABAQUS是SIMULIA公司開發的有限元軟件，是一種將偏微分方程(組)離散化的數值求解方法。ABAQUS功能強大，其內置金屬、橡膠、高分子材料、復合材料、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材料模型庫，既可以模擬復雜的非線性應力、位移問題，又可以模擬熱傳導、質量擴散、熱電耦合分析、聲學分析、流體滲透 、應力耦合分析[6]。本文采用ABAQUS有限元軟件求解出溫度場，之后再求解位移場。本文數值模擬溫度曲線的控制隨時間而變化屬于瞬態溫度場，分別對4種不同摻量EPS顆粒輕質土墊層的凍結特性進行數值模擬。

3.2 有限元模型

模型EPS(發泡聚苯乙烯)顆粒輕質土墊層厚度為1.5 m，渠道兩側土取0.92 m，鋼筋居中布置，其中分布筋與受力筋的規格型號分別為8φ4@ 260和9φ4@175。當進行溫度場模擬時，三維鋼筋部件設置surface屬性，鋼筋與矩形渠進行(tie)連接，進行位移場分析時，采用Rebar layer設置配筋層[7]，之后采用Embedded region命令將鋼筋嵌入混凝土矩形渠中。三維鋼筋網的有限元模型及模型整體有限元模型見圖2、圖3。

圖2 三維鋼筋網的有限元模型

圖3 矩形渠模型整體有限元模型

3.3 單元網格的劃分

合理的單元網格劃分不僅能提高模型的模擬精度，而且能縮短模擬時間[7]。由于矩形渠底拐角處彎矩較大，故在此處網格劃分時對渠底拐角處網格加密，網格尺寸設置為0.01 m，渠底板與渠兩側填土網格尺寸分別設置為0.027和0.06 m。模型沿Z方向的網格尺寸為0.1 m，分布筋為了盡量保持和模型網格一致，網格尺寸也為0.1 m；受力筋網格劃分方法與矩形渠一致，同樣底板拐角處加密網格，尺寸為0.18 m。見表2。

表2 模型各材料的熱學參數

續表2

4 模擬結果分析

分別對無墊層、2% EPS墊層、3% EPS墊層和4% EPS墊層4種情況下的最大凍深溫度場、最大融深溫度場、位移場進行模擬，比較不同摻量EPS顆粒輕質土情況下的凍脹量變化。

4.1 溫度場模擬分析

為了研究凍融循環過程中土體的凍結融化規律，對模型凍融過程中的最大凍深和最大融深溫度場進行模擬。見圖4-圖7。

圖4 原始墊層土模型溫度場

圖5 2% EPS顆粒輕質土墊層模型溫度場

圖6 3% EPS顆粒輕質土墊層模型溫度場

圖7 4% EPS顆粒輕質土墊層模型溫度場

由圖4-圖7可知，最大凍深溫度場模型從上到下溫度呈升高態勢；最大融深溫度場模型從上到下溫度先下降而后升高，且在墊土層內出現了低溫夾層。通過分析可知，渠基土的凍結融化過程屬于單向凍結、雙向融化。對比原始狀態土層，摻入EPS顆粒的輕質土墊層的土體凍深要顯著下降，表明EPS顆粒輕質土墊層產生了較為顯著的保溫效應。通過對比2% EPS墊層、3% EPS墊層和4% EPS墊層的模擬云圖可知，隨著EPS顆粒輕質土摻量提高，土體的凍結深度變小，表明提高EPS顆粒輕質土摻量比例，可以顯著降低土體的凍深，最終提高渠基土層的保溫效果。

4.2 凍結融化深度分析

為了更好分析凍結融化規律，根據溫度場云圖中的凍深和融深數據，繪制不同時段的凍深和融深值曲線圖，見圖8。

圖8 凍結融化曲線

由圖8凍結融化曲線圖可知，t=270 h時，對應有最大凍深值，隨后土體進入融化狀態，凍結深度呈現減小趨勢，融化深度慢慢增大。t=330 h時，凍結深度等于融化深度，標志著土體呈現出完全融化狀態。原始土墊層、2%EPS墊層、3%EPS墊層、4%EPS墊層最大凍深分別為108、98、78和66 cm，整體呈現出減小的態勢，表明EPS顆粒輕質土比例越高，土體凍深越小，保溫效果越好。

4.3 位移場分析

采用順序熱應力耦合理論計算模型的位移場，不同時刻模型的不同墊層凍脹融沉量對比見圖9。

由圖9可知，在整個凍融過程中，不同比例摻入量的EPS顆粒輕質土墊層，土體的凍脹量表現出相同發展態勢。t=20 h時，土體開始凍結，3種比例摻入量的EPS顆粒輕質土墊層都出現了凍脹量。原始土墊層、2%EPS墊層、3%EPS墊層、4%EPS墊層最大凍脹量分別為27.2、13.5、10.5和6.5 mm，殘余變形量分別為7.9、7.5、7.1和3.5 mm。不論是最大凍脹量還是殘余變形量，都隨著摻入EPS顆粒量比例的增大呈現下降趨勢。t=270～280 hd的時間范圍內出現了最大凍脹量，隨著時間延長，土體進而開始融化，直至完全融化。見表3。

圖9 凍脹量變化曲線

表3 不同摻量EPS顆粒輕質土模型的凍脹融沉量

5 結 論

1) 模型最大凍深溫度從上到下溫度呈升高態勢；最大融深溫度場模型從上到下溫度先下降而后升高。渠基土的凍結融化過程屬于單向凍結、雙向融化。對比原始狀態土層，摻入EPS顆粒的輕質土墊層的土體凍深要顯著下降。隨著EPS顆粒輕質土摻量提高，顯著降低了土體的凍深，提高了渠基土層的保溫效果。

2) 原始土墊層、2%EPS墊層、3%EPS墊層、4%EPS墊層最大凍深分別為108、98、78和66 cm，整體呈現出減小的態勢。EPS顆粒輕質土比例越高，土體凍深越小，保溫效果越好。

3) 原始土墊層、2%EPS墊層、3%EPS墊層、4%EPS墊層最大凍脹量分別為27.2、13.5、10.5和6.5 mm，殘余變形量分別為7.9、7.5、7.1和3.5 mm。不論是最大凍脹量還是殘余變形量，都隨著摻入EPS顆粒量比例的增大呈現下降趨勢。