考虑冻胀反力系数动态变化的U形渠道弹性地基梁模型

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。

冻胀反力系数在渠道衬砌冻胀弹性地基梁模型中的应用

为了探究渠道基土在冻胀过程中的非线性变形特性对渠道衬砌冻胀的影响,基于冻土三轴试验结果,建立考虑围压和温度的邓肯-张本构模型,参考室内三轴试验测定基床系数方法,应用数值模拟法建立冻胀反力系数随被约束冻胀量变化的计算式,并基于有限差分法离散弹性地基梁平衡微分方程。模型考虑衬砌不同点因被约束冻胀量不同引起冻胀反力系数不同的取值问题,克服以往模型中冻胀反力系数取常量的不足。应用解析解验证模型的合理性,探究冻胀反力系数分别为变量与常量时在梯形渠道衬砌冻胀力学响应计算结果上的差异。结果表明,对于边坡和渠底衬砌板,常量冻胀反力系数计算出的最大冻胀反力是变量的1.43倍,计算出的弯矩最大值平均是变量的1.12倍。因此在采用弹性地基梁理论分析渠道衬砌冻胀问题时,若冻胀反力系数采用常量,不考虑冻土的非线性变形,会使得计算结果偏大。研究结果可为大型梯形渠道衬砌抗冻胀设计提供参考。