考虑双重剪切的开放系统梯形渠道Pasternak双参数冻土地基梁模型

Winkler冻土地基模型无法考虑土弹簧间相互作用,且需要预先假定切向冻结力分布。为克服这些不足之处,在现有模型基础上引入Pasternak剪切层反映冻土-衬砌间法向相互作用,引入切向弹簧组成的接触界面层反映冻土-衬砌间切向相互作用,构建考虑双重剪切的梯形渠道Pasternak双参数冻土地基模型。以塔里木灌区某渠道为例计算衬砌冻胀变形,并与材料力学法、Winkler模型计算值及观测值进行对比。结果表明:与材料力学法、Winkler模型相比,该文模型计算值更接近观测值。根据该模型估算的衬砌板易开裂范围也与灌区现场调查结果相符,表明模型适用性。通过参数研究分析了界面切向刚度kx对各处切向位移及切向冻结力分布的影响。结果表明:kx越小时,切向位移与切向冻结力趋于线性分布;kx较大时,两者均偏离线性分布且kx越大偏离越明显,线性分布假设不再适用。该模型可较充分地反映冻土与衬砌板间接触界面相互作用的基本特征,从而有效提高模型的计算精度。

考虑预制混凝土“设缝”作用的梯形渠道冻胀机制影响研究

寒区衬砌渠道输水能力下降主要是由常年冻融作用下衬砌结构发生冻胀破坏所致,针对渠道衬砌结构冻胀破坏问题提出渠坡板纵向设缝的抗冻措施与数值分析方法。本文通过将渠道衬砌板与冻土视为整体处理的方法构建混凝土衬砌渠道热力耦合冻胀模型,以甘肃省景泰灌区某混凝土衬砌渠道为研究对象,考虑不同设缝措施与纵缝填充的接触本构对3种工况进行抗冻影响因素分析。结果表明:渠底深部基本不受渠道整体几何边界的影响,但渠道边界尺寸和基土热流分布均对基土上部温度场变化具有显著影响。渠道阴坡、渠底和阳坡最大冻深分别为86.3、67.5、58.2 cm。通过合理设缝措施可使渠道阴坡法向冻胀力降低40.7%、底板冻胀量减小63.5%、切向冻胀力降低43.8%,使渠道断面冻胀分布趋于均匀,且模型分析与实测结果相符,表明本文构建模型的合理性。研究结果可为长距离输水渠道数值计算提供理论依据。

东北季冻区灌渠渠底土冻胀力影响因素分析

为研究东北寒区频发的渠道冻胀问题,针对黑龙江北安二龙山农场灌渠渠底冻胀情况,将其简化为一维冻胀模型,设计并制作了符合一维冻胀工况的试验装置,采用正交试验方法对影响渠底土冻胀力的因素进行分析,结果表明:平均冻胀温度是最主要的影响因素,冻胀力随温度的降低而升高,且在-40℃时(其他因素不变)法向冻胀力最大,为1.49MPa;含水率影响也比较显著,冻胀力随含水率增大而升高,但当含水率超过18%时冻胀力略有下降,含水率为18%时(其他因素不变)冻胀力最大,为1.45 MPa;当含水率为14%、平均冻胀温度为-40℃、预加压力为1 kN、土样孔隙率为62%时,冻胀力最大,冻胀最明显。

考虑地下水位影响的现浇混凝土梯形渠道冻胀破坏力学分析

地下水的补给与迁移是高地下水位渠道的冻胀破坏的主要影响因素。该文提出了一种考虑地下水位影响的梯形渠道衬砌冻胀力分布计算方法,推导出地下水位影响的渠道基土冻胀强度和冻结深度分布的计算公式,并得到现浇混凝土衬砌的截面最大弯矩和最易破坏截面位置的解析表达式。从整体与局部2个方面定量分析梯形渠道衬砌冻胀力分布的不均匀性,为渠道的抗冻性能评价和断面优化提供了定量指标,结果表明:渠深越浅,坡板倾角越小,冻胀力分布越均匀,越不易发生破坏,揭示了宽浅式梯形渠道抗冻性能良好的原因。以塔里木灌区某梯形渠道为原型,对不同地下水埋深的渠道冻胀特征和受力进行了分析,并与观测资料进行了对比,其中基土冻深的计算值与观测值之间的最大相对误差为3.5%,估算最大弯矩所在截面的位置为距离坡顶63.9%坡板长处,与灌区实地调查结果基本相符,表明了方法的实用性和合理性。最后,对高地下水位梯形渠道的冻害机理进行了分析,该研究可为高地下水位现浇混凝土梯形渠道衬砌的抗冻设计和相关研究提供参考。

考虑冻土双向冻胀与衬砌板冻缩的大型渠道冻胀力学模型

由于大型渠道断面大、渠坡长,渠基冻土沿坡长方向的切向冻胀及衬砌板的冻缩变形不可忽略,该文把大型渠道衬砌板的冻胀破坏视为两者共同作用的结果,结合冻土的Winkler弹性地基假设,并考虑冻土冻胀变形的双向冻胀差异,提出一种开放系统梯形渠道衬砌板法向和切向冻胀力的计算方法及内力计算公式。基于弹性地基理论推导了衬砌板的冻缩应力表达式,并由迭加原理提出大型混凝土梯形渠道衬砌板的抗裂验算方法。以甘肃靖会灌区某梯形渠道为原型,分析了衬砌板各截面内力和冻缩应力的分布规律,进而确定了各截面最大拉应力的分布规律及危险截面位置。对综合考虑冻土双向冻胀和衬砌板冻缩及仅考虑法向冻胀的2种情形进行对比分析表明,基于前者的衬砌板最大拉应力为2.134 MPa,而基于后者计算的相应值仅为1.494 MPa,与前者相比偏小、偏不安全。因此,在大型渠道的抗冻胀设计中建议综合考虑冻土双向冻胀和衬砌板冻缩变形的影响。

两种单杆型圆弧拱塑料大棚平面内稳定性分析

针对单杆型圆弧拱塑料大棚平面内稳定性研究较少的现状,基于有限元平面梁大变形几何非线性屈曲理论,应用ANSYS有限元软件,研究了无边立柱及带边立柱两种形式单杆型圆弧拱塑料大棚骨架承受竖向均布荷载下的几何非线性屈曲性能。研究结果表明:在相同的几何参数条件下,无边柱骨架的极限承载力远高于带边柱骨架,且结构的破坏点集中于1/2跨、1/4跨和底部柱脚处;单杆型圆弧拱塑料大棚结构的极限承载力随着矢跨比的增加而增加;无边立柱骨架合理的矢跨比在0.3左右,带边柱单杆骨架无最优矢跨比;单杆型圆弧拱塑料大棚结构的极限承载力随着长细比的增加而减小;带边立柱单杆圆弧拱塑料大棚结构表现出更强的几何非线性。

寒区预制混凝土衬砌梯形渠道弹性冻土地基梁模型

基于Winkler弹性地基梁理论及有限杆单元的思想,以单块预制板为研究对象构建其挠曲线微分方程并求解;在此基础上,考虑冻土-结构接触界面及预制板间填缝处的协调变形与相互作用,引入端部边界条件及板间连续性条件,同时砂浆填缝处弯矩为零,将多块预制板联系起来,构建预制混凝土衬砌梯形渠道弹性冻土地基梁模型。再由切向静力平衡条件导出切向控制方程并求解,最终获得衬砌板各截面法向冻胀位移与切向位移的解析表达式。以新疆北部某梯形渠道为例,对衬砌各截面法向冻胀位移、切向位移、接触面法向应力、切向冻结力及上表面应力进行计算。结果表明:本文模型计算的法向冻胀位移与观测值符合良好,与弹性支承法、杆系有限元法计算结果相比更接近观测值。上表面应力估算的易开裂范围与实地调查结果基本相符,表明了模型的合理性。由于存在不连续断面即砂浆填缝,衬砌板法向冻胀位移、接触面法向应力、截面弯矩和上表面应力均存在一定的起伏,出现正负交替现象。顶推力作用下坡板各截面均存在切向位移,且自坡脚向坡顶非线性减小,在坡顶达到最小值。

渠道衬砌冻胀破坏研究现状与展望

灌渠衬砌冻胀破坏一直是制约季节性冻土区水利工程发展的瓶颈,关于这方面问题的研究大多停留在理论与现场实测的层面。针对北方寒区灌渠衬砌冻胀破坏理论及渠道衬砌冻胀破坏的研究现状与进展,分析我国在衬砌渠道冻胀破坏研究领域存在的主要问题,提出将各因素综合起来建立统一的力学与变形分析模型是灌渠衬砌冻胀研究的发展方向。

高地下水位冻土区抛物线形渠道冻胀力学分析

考虑渠道断面各截面地下水位以及局部几何特性逐点不同的特殊性并结合Winkler假设,提出了高地下水位冻土区抛物线形渠道衬砌法向冻胀力与切向冻结力计算方法及截面内力计算公式.考虑曲梁曲率影响提出基于曲梁理论的截面正应力计算方法及抗裂验算公式.以河北某抛物线形渠道为例,分析衬砌截面轴力、弯矩及应力分布规律.结果表明:轴力自渠顶向渠底中部逐渐增大且均为压力;衬砌板主要在负弯矩作用下凸向内侧,仅在临近渠底时由负变正转而凸向外侧;由于存在拱效应,各截面均以压应力为主,仅渠坡中下部内侧及渠底中部附近外侧出现拉应力从而易导致开裂.分别应用直梁理论和曲梁理论计算衬砌板截面应力并进行对比分析.发现渠底中心附近曲率较大处两者相对误差可达11.78%,且直梁理论的计算结果量值偏小、安全性低,应当基于曲梁理论进行应力分析更加合理.

两种Rayleigh波频散曲线计算方法对比研究

Rayleigh波频散曲线是场地速度结构反演的重要前提,其准确性决定了无损法检测场地速度结构的精确程度。为寻求准确计算Rayleigh波频散曲线的方法,利用Knopoff法和标量传递法分别计算两种典型地质模型的基阶和4个高阶Rayleigh波频散曲线,并进行比较,结果表明,两种方法基阶频散曲线吻合较好,高阶频散曲线相差较大。基阶频散曲线可用于场地速度结构反演。

农业工程与土木工程交叉学科研究生课程体系研究

跨学科培养研究生是打造创新型复合人才的有效途径。在对现有交叉学科课程体系现状进行分析的基础上,结合黑龙江八一农垦大学工程学院农业工程与土木工程学科发展的交叉方向,以问卷调查结果为基础,构建了两个交叉学科的课程体系研究。

光纤健康监测方法在土木工程中的应用进展

本文基于土木工程特点,结合土木工程监测技术的相关要求,阐述光纤健康监测系统的组成,对国内外有关光纤健康监测的方法和技术应用现状进行梳理与总结,重点对光纤传感器进行介绍,最后指出光纤健康监测技术在土木工程中的发展方向,展望其应用前景。

联合Winkler-Pasternak模型的冬季输水梯形渠道冻胀力学分析

为克服现有冬季输水梯形渠道冻胀力学模型未充分考虑冻结区与水下非冻结区差异,以及未考虑土体连续性的不足,该研究根据冻土与非冻土剪切刚度的不同,冻结区采用Pasternak双参数弹性地基梁模型,而非冻结区采用Winkler模型,综合Pasternak模型考虑土体连续性及Winkler模型易于求解、所需参数少的优点,提出联合Winkler-Pasternak模型的冬季输水梯形渠道冻胀力学分析方法。以新疆玛纳斯河流域某冬季输水梯形渠道为例,计算渠坡衬砌板法向变形,并将本文模型、Winkler模型、Pasternak模型计算结果与观测值进行了对比分析,最后计算了衬砌板截面弯矩及上表面应力分布。结果表明:衬砌板法向变形可分为冻胀段、沉降段及冻胀-沉降过渡段三个部分,三种模型计算结果均能较好地反映衬砌板法向位移基本变化趋势,且本文模型计算结果与实测值更加接近,表明了模型合理性。衬砌板易开裂位置位于冻土区距离水位线10.0%~23.3%坡板长处,与工程实际相符。该研究可为寒区冬季输水梯形渠道抗冻胀设计提供科学参考与理论依据。

Pasternak冻土地基梯形渠道冻胀变形与内力计算

为克服现有Winkler模型未考虑渠基冻土连续性的不足,引入Pasternak剪切层描述独立土弹簧间的相互作用,进而提出Pasternak冻土地基上梯形渠道冻胀力学分析方法。对基土均匀冻胀且无顶盖板约束的梯形渠道导出接触面法向应力、衬砌板冻胀位移及截面内力分布的解析式。以甘肃省某梯形渠道为例,应用本文模型和Winkler模型计算各衬砌板冻胀位移分布及接触面法向应力分布,并结合观测值进行了对比。结果表明:本文模型计算结果与观测值符合良好,且相比Winkler模型计算结果更接近观测值,能更加准确地反映衬砌冻胀位移分布规律,表明模型合理性。该模型能较好地体现法向冻胀力随衬砌冻胀变形的释放与衰减;法向冻胀力作用于坡板中下部且呈非线性、差异分布;中上部有脱开、翘起趋势而受法向冻结力作用;底板则只受法向冻胀力作用。研究结果可为梯形渠道抗冻胀设计提供参考。

环境温度对碎石层传热特性的影响研究

碎石层的传热机理研究对寒区路基改善技术的应用以及自然界中的“异常”冻土分布的解释有着重要的意义。很多研究者曾对碎石层进行了试验研究,但试验中的温度设置并无统一标准。相较于细颗粒土,粗颗粒材料中水分的影响较小,因此在试验中的温度设置对试验的结果起到了关键作用。为了对比不同的温度设置情况对碎石传热过程的影响,以不同的顶板温度、底板温度以及环境温度进行复合,并对不同组合情况应用COMSOL软件,在考虑碎石层多孔介质传热的情况下进行模拟。结果表明:即使在保温层包裹的情况下,环境温度依然能对温度剖面以及垂直方向上的热通量产生明显的影响。当环境温度与碎石层平均温度一致时,垂直方向上的热通量达到最小值,此时换热效率最低。因此,在此后的室内碎石层试验设计中,若需减少水平方向上的热量交换带来的影响,应尽量将环境温度设置在碎石层平均温度附近。工程中可通过降低碎石层侧边界温度来增强碎石层内外的热量交换,从而增强碎石层的换热效率。

旱寒区输水渠道防渗抗冻胀研究进展与前沿

渠道在农业灌溉和长距离调水工程中作为首选输水形式发挥着重要的作用。但因旱寒区输水渠道渗漏与冻胀互为因果形成恶性循环,导致渠道渗漏、冻胀、隆起、架空、失稳滑塌等冻融老化破坏普遍且严重,直接影响工程输水效率及渠道的安全运行与效益发挥。该研究着重从探究渠道冻融破坏机理而进行的室内试验和现场原型监测、工程力学模型、水-热-力耦合数值模型及防渗抗冻胀技术等方面论述了旱寒区输水渠道防渗抗冻胀的研究进展;在此基础上,指出了太阳辐射、冻融、盐渍化等复杂环境及冬季输水、水位骤降等运行工况下的渠道多场耦合破坏机理及相应的多场耦合数值模型、衬砌-冻土相互作用模型、失效准则与设计方法、防渗抗冻胀措施标准化及渠道灾变过程与防控技术等渠道防渗抗冻胀有待研究的问题和难点;探讨了完善和提升旱寒区渠道防渗抗冻胀的设计理论与方法、建立全生命周期内的灾变链动态演变预警模型等未来发展方向及趋势,为旱寒区输水渠道工程科学设计与安全高效运行提供指导。

冰盖输水衬砌渠道冰冻破坏统一力学模型

随着城市供水与生态需水要求的提高,寒冷地区输水渠道冬季运行成为常态,目前冬季运行渠道抗冰冻破坏尚无评价准则与结构设计方法。针对此,基于冬季不输水渠道衬砌结构冻胀破坏的弹性地基梁模型,考虑冰推力、冰约束及渠基土冻胀力对结构的共同作用,在结构破坏的极限平衡状态下,推导得到冬季输水渠道冰盖运行工况下衬砌结构内力计算、应力计算及抗裂准则的解析表达式。通过静冰荷载影响系数、静水压力影响系数和冰冻荷载耦合系数的变化,可统一冬季有无冰盖输水及停水3种典型工况下衬砌结构内力、应力分布计算,进一步提出寒区衬砌渠道冰-冻破坏统一力学模型。以新疆某梯形渠道为研究原型,通过对衬砌坡板内力、应力及冰拔力计算分析,得到冰-冻破坏截面位置和各截面受力的分布规律。对无冰盖输水、带冰盖输水和无冰盖不输水3种典型梯形渠道力学模型进行内力计算对比分析表明,截面最大拉应力极大值分别为4.186、2.447和2.208 MPa,冬季无冰盖输水渠道冰冻破坏最严重(控制工况),无冰盖不输水冰冻破坏最轻,而冰盖运行介于两者中间,三者冰冻破坏规律差异较大。因此,在冬季输水衬砌渠道抗冰-冻设计中建议综合考虑3种典型工况,并按其破坏规律和力学模型进行安全性评价。

寒区弧底梯形衬砌渠道冻胀破坏的尺寸效应研究

为探明地下水埋深、冻深及渠深对冻土地基上弧底梯形衬砌渠道冻胀破坏的影响规律,依据毛细理论将渠道冻胀分为封闭系统、半开放系统和开放系统;基于冻土水热力三场耦合理论,利用多场耦合软件COMSOL Multiphysics模拟研究了30组不同尺寸衬砌渠道的冻胀位移场和应力场。结果表明:规范建议的衬砌厚度内,渠道规模越大越窄深、冻深越大、地下水埋深越浅,则衬砌渠道冻胀破坏越严重。封闭系统,中小型衬砌渠道为渠底中心下表面拉裂,大型渠道为渠底中心下表面和距渠顶2/3坡长处上表面拉裂;半开放系统,中小型渠道为渠底中心上表面拉裂,大型渠道为渠底中心上表面和坡脚下表面拉裂;开放系统,小型渠道为渠底中心上表面拉裂,中型渠道为坡脚上表面拉裂,大型渠道为渠底中心下表面和距渠顶2/3坡长处上表面拉裂。该研究揭示了渠道衬砌冻胀破坏的尺寸效应,对弧底梯形衬砌渠道抗冻胀设计及衬砌结构合理设缝具有指导意义和定量化参考。

寒区河湖与灌排渠道模袋混凝土护岸冻胀破坏机理

我国北方寒区河湖与灌排渠道护岸冻胀破坏普遍严重。卵砾石护底模袋混凝土衬砌护岸因施工方便获得广泛应用。但目前针对这种复合衬砌结构的冻胀破坏机理尚不明确,难于规范化设计。本文基于冻土水热力三场耦合理论,考虑衬砌与基土的界面相互作用建立了河渠护岸衬砌冻胀数值分析模型。以宁夏西干渠工程为例,对卵砾石护底的模袋混凝土、卵砾石护底的普通混凝土以及全断面混凝土三种典型衬砌形式的弧脚梯形渠道进行冻胀破坏分析和对比研究。结果表明,卵砾石护底的排水作用可使边坡基土冻前体积含水率和冻后体积含冰率分别减少约27.8%和30%;模袋及卵砾石护底削减了冻结约束和底板约束,使坡板拉应力减少20%~70%,冻胀量削减约30%,不均匀冻胀量减少约50%;模袋混凝土护岸冻胀破坏表现出混凝土开裂、模袋达到比例极限、模袋达到极限强度的三个阶段,在混凝土开裂后模袋仍具备较强的承拉能力使护岸衬砌仍能承受冻胀发展并防止滑塌失稳破坏,当以模袋拉应力达到比例极限为失效准则时,抗冻胀能力提高约47.1%,负温抵抗能力提高约30%。此项研究可为我国北方寒区浅埋地下水河渠护岸采用卵砾石护底模袋混凝土衬砌提供设计手段与合理依据。

考虑冰盖生消和冰-结构-冻土协同作用的渠道弹性地基梁模型

冰-冻破坏是寒区冬季输水渠道结构破坏的主要原因,而目前尚缺乏准确的分析方法和评价准则。本文从冰盖生消过程中结冰初期、流冰期和封冻期3个阶段衬砌结构冰冻破坏机理出发,考虑在冰-结构-冻土协同作用下,基于弹性地基梁Winkler理论推导了衬砌结构的挠曲线微分方程,分别建立了3个阶段衬砌结构的冰冻破坏力学模型,并结合相应荷载组合和边界条件对模型求解获得了衬砌结构的挠度、内力和应力的解析表达。应用该模型对南水北调京石段某输水渠道进行冰冻破坏分析计算,结果表明:结冰初期、流冰期和封冻期3个阶段衬砌结构的法向冻胀位移最大值分别为10.62、13.89和5.05 cm,对应3个阶段衬砌结构的截面最大拉应力分别为3.63、4.11和2.05 MPa,且破坏位置均在冻结区坡板的中下部,与现场监测渠道冰冻破坏分布规律吻合。据此,建议寒区冬季输水渠道控制运用中应尽量缩短结冰初期、流冰期时间,延长第3阶段稳定封冻期时间,同时应合理控制地下水位和冰盖厚度。研究结果可为寒区冬季输水渠道抗冰冻设计提供理论依据和分析方法。