高地下水位混凝土襯砌渠道凍脹損壞斷裂數(shù)值分析

(紹興平和工程項(xiàng)目管理有限公司，浙江 紹興 312300)

在解決渠道的凍脹問題方面，專家學(xué)者與研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)取得了大量的理論和實(shí)踐成果，提出了一些技術(shù)規(guī)范。在過去的幾十年里，渠道斷面已經(jīng)從單一的梯形形式轉(zhuǎn)變成U形斷面形式或弧底梯形形式[1-6]。同早期的渠道形式比較，灌區(qū)混凝土襯砌時(shí)的最佳選擇為弧底梯形渠道，因?yàn)閿嗝鏋榛〉滋菪蔚那谰哂休^高的結(jié)構(gòu)復(fù)位能力以及工程耐久能力，并具備凍脹力分布均勻、抗凍、結(jié)構(gòu)受力條件好等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)弧底梯形渠道的水流條件更好、輸沙更為便捷。本文重點(diǎn)分析在地下水位補(bǔ)給達(dá)到渠頂?shù)那闆r下，弧底梯形渠道如何受力，以便計(jì)算分析弧底梯形渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹程度，構(gòu)建凍脹力學(xué)模型，通過計(jì)算得出弧底梯形渠道的水利條件最好、抗凍脹性能最好的結(jié)論，并作為項(xiàng)目實(shí)施時(shí)襯砌體的設(shè)計(jì)、施工參照依據(jù)。

1 構(gòu)建渠道力學(xué)模型

當(dāng)襯砌板處于高次超靜定非線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的情況時(shí)，弧底梯形渠道發(fā)生凍脹損壞的原因比較復(fù)雜，不能構(gòu)建較為準(zhǔn)確的力學(xué)模型，所以要構(gòu)建相對(duì)完善的力學(xué)模型，只能采用假設(shè)方法，利用數(shù)學(xué)、力學(xué)的基礎(chǔ)理論。

圖1為弧底梯形渠道混凝土襯砌的斷面形式，設(shè)R代表弧的半徑，L代表渠坡的長(zhǎng)度，α代表坡角，2α代表弧底的中心角，b代表襯砌板厚度[7-10]。

經(jīng)過分析及假設(shè)后，沿渠坡的法向凍脹力呈線性，在坡角處凍脹力為最大值，用qmax表示；沿渠坡板的切向凍結(jié)力也呈線性分布，在坡角處凍脹力最大，用τmax表示；底板上抬時(shí)會(huì)有頂推力產(chǎn)生，沿渠坡板面方向的頂推力用Nx表示；渠坡頂處的方向凍結(jié)力作用于圖中點(diǎn)A處，產(chǎn)生的支反力用FA表示；底板的約束作用于圖中點(diǎn)B處，產(chǎn)生的支反力用Ny表示。簡(jiǎn)支梁受到5種作用力共同影響，如圖2所示。

圖2 弧底梯形渠道混凝土襯砌坡板的受力分析

2 模擬有限元的數(shù)據(jù)

運(yùn)用有限元軟件ADINA進(jìn)行模型簡(jiǎn)化處理，對(duì)弧底梯形渠道進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬。研究力學(xué)性能、模擬渠道抗凍脹數(shù)據(jù)時(shí)，要從兩個(gè)方面進(jìn)行，分別從瀝青混凝土和聚合物柔性增強(qiáng)涂層技術(shù)措施方面，以及設(shè)置不同縱縫結(jié)構(gòu)的相關(guān)措施方面，來檢測(cè)抗凍脹的程度，在此基礎(chǔ)上提出科學(xué)措施提高混凝土襯砌渠道的防凍脹能力。

2.1 原型渠道和相關(guān)參數(shù)

以某梯形與弧底梯形渠道為例，本文開展數(shù)據(jù)的模擬分析，表1中為相關(guān)參數(shù)。

表1 凍土的彈性模量及熱膨脹系數(shù)

其他材料的力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 其他材料的力學(xué)參數(shù)

2.2 構(gòu)建弧底梯形渠道的有限元模型

考慮到原型渠道的現(xiàn)實(shí)條件，本文以凍深作為邊界選取有限元模型。具體數(shù)據(jù)為陽坡邊界的法向凍深為10cm，渠頂距襯砌板的寬度設(shè)為10cm，另外，陰坡邊界的法向凍深為80cm，渠頂距襯砌板的寬度設(shè)為80cm。渠底到襯砌的距離從法向80cm，減少到渠底法向60cm，最后減少到47cm。模擬有限元的數(shù)據(jù)時(shí)把襯砌板和凍土看作一個(gè)整體，并利用映射網(wǎng)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(jié)果如圖3所示，節(jié)點(diǎn)共 836個(gè)。

圖3 劃分有限元單元

3 分析數(shù)據(jù)和結(jié)果

當(dāng)渠基土發(fā)生凍脹時(shí)，會(huì)受到土質(zhì)、襯砌體剛度、溫度、水分狀況等各項(xiàng)因子的干擾，因此進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬時(shí)往往不夠精準(zhǔn)，所以模擬之前應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)化各項(xiàng)因素，采取合適的假設(shè)，以便更快找到渠道發(fā)生凍脹受力、變形的規(guī)律。

3.1 計(jì)算流程

3.1.1 熱分析邊界條件并計(jì)算溫度場(chǎng)

在熱分析單元類型中選擇較為合適的，選擇原型渠道各個(gè)區(qū)域每個(gè)月平均表面溫度里12 月的溫度，作為熱邊界條件的上邊界條件，在兩側(cè)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(jié)溫度取值零度，范圍就是凍深。

3.1.2 計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)

計(jì)算完熱分析后，將單元類型轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)靜力分析，設(shè)定位移邊界條件：在凍土兩邊的豎直段受到Y(jié)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(jié)向和Z向的雙約束(uY=0,uZ=0)外，其他的均受到Z向的垂直約束(uZ=0)；此外，上邊界發(fā)生的自由凍脹則沒有受到任何約束。在采用ADINA軟件來分析位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，加在模型上的荷載采用熱分析數(shù)據(jù)。

3.2 分析得出計(jì)算結(jié)果

3.2.1 位移場(chǎng)

從圖4可知，凍脹力的影響使得弧底梯形渠道變位最大的情況發(fā)生在陰坡，陽坡次之，變位最小的是渠底，模擬的結(jié)果和實(shí)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(zhuǎn)，凍脹變形發(fā)生的方向以及大小呈現(xiàn)出連續(xù)狀態(tài)，凍脹量的分布相對(duì)均勻。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，得到沿襯砌板長(zhǎng)方向上的凍脹量情況如圖5所示?？梢钥闯?，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(shí)際工程的情況相一致，誤差不超過5%，數(shù)據(jù)具有精確性。

圖4 渠道的位移場(chǎng)(單位：m )

圖5 弧底梯形渠道的變位數(shù)據(jù)模擬值展開(單位：m)

3.2.2 溫度場(chǎng)

圖6為模擬后得出的溫度等值線，從圖6中可知，渠道會(huì)受到東西走向的干擾，導(dǎo)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要小，而各坡的溫度分布規(guī)律相一致，凍深的分布狀況也具有相似性。

圖6 渠道的溫度場(chǎng)云(單位：℃)

3.2.3 應(yīng)力場(chǎng)

a. 主應(yīng)力。根據(jù)圖7結(jié)果可知襯砌板主應(yīng)力分布，最大拉應(yīng)力在陽坡板下端外側(cè)表面，渠底壓應(yīng)力的最大壓應(yīng)力位于渠底偏向陽坡一側(cè)。渠底弧形受力條件好，反拱作用明顯，能充分發(fā)揮混凝土的抗壓強(qiáng)度，抗凍脹能力強(qiáng)。按照求解結(jié)果，繪出基土凍脹引起襯砌板下表面各種應(yīng)力分布規(guī)律，如圖 8、圖9所示。

圖7 主應(yīng)力云(單位：Pa)

b. 法向凍脹力。

從圖8可知，在陰坡的上端法向凍脹力最大能達(dá)1.4MPa，下端的法向凍脹力比中端要大，可達(dá)3.0MPa；

同樣陽坡的法向凍結(jié)力分布也是如此，陽坡上端局部法向凍結(jié)力最大值為1.9MPa，下端比中端更大一些，最大值為3.9MPa；陽坡和陰坡的頂端都有顯著的應(yīng)力集中情況；渠底的法向凍脹力在靠近陽坡的地方達(dá)到最大值0.9MPa。

法向凍脹力的分布規(guī)律為弧底比兩坡小，在弧底的底部偏向陽面的一側(cè)，因?yàn)閮雒洸痪鶆蛳禂?shù)較大，導(dǎo)致凍脹量的差值比較大，因此凍脹力比較大；由于渠頂屬于雙向凍結(jié)，陽坡和陰坡的頂端都有顯著的應(yīng)力集中情況。

圖8 弧底梯形渠道法向凍脹力模擬值的展開(單位：Pa)

圖9 弧底梯形渠道切向凍脹力模擬值展開(單位：Pa)

c. 切向凍脹力。

從圖9得出，陰坡的切向凍脹力呈現(xiàn)出從上到下逐漸增加的趨勢(shì)，在底端斜下方最大值達(dá)3.0MPa，頂端的局部方向向上；陰坡的切向凍脹力呈現(xiàn)出從上到下逐漸增加的趨勢(shì)，在底端斜下方最大值達(dá)3.9MPa；弧底兩側(cè)的切向凍脹力呈現(xiàn)出減小到零的趨勢(shì)，方向沿斜下指向弧底。

在兩側(cè)渠坡和弧底相切的地方，切向凍脹力呈現(xiàn)最大值，因?yàn)榛〉浊邢虻募s束作用不強(qiáng)，導(dǎo)致切向凍結(jié)力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)襯砌體方向向陽坡微轉(zhuǎn)時(shí)，向陽一面的切向凍結(jié)力減小到零；由于陰坡坡頂?shù)臏囟炔桓撸瑢?dǎo)致該處局部的切向凍結(jié)力斜向上，使得凍土產(chǎn)生雙向凍結(jié)，可以自由凍脹，變形程度大，凍土凍結(jié)對(duì)襯砌體的約束作用也較大，向上變位則較小，因此切向凍結(jié)力方向?yàn)榫植肯蛏稀?/p>

4 結(jié) 論

本文研究前提為凍土作為線彈性材料是各向同性的，在分析二維有限元時(shí)可以將渠道襯砌體和凍土合為一個(gè)整體，在進(jìn)行合理的假設(shè)和簡(jiǎn)化處理之后，利用有限元軟件ADINA對(duì)弧底梯形渠道凍脹情況進(jìn)行熱應(yīng)力的耦合數(shù)據(jù)分析。研究發(fā)現(xiàn)：在有限元理論的基礎(chǔ)上，將實(shí)際渠道作為研究對(duì)象構(gòu)建起簡(jiǎn)化的應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)耦合模型，模擬三者對(duì)渠道凍脹影響的程度，該模型可以科學(xué)、準(zhǔn)確地反映出混凝土襯砌渠道凍脹在應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)中變化的情況，該模型可應(yīng)用到各種實(shí)際工程中，方法簡(jiǎn)捷、操作簡(jiǎn)單，在渠道的抗凍脹工程設(shè)計(jì)里也可以廣泛應(yīng)用。

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