寒冷地区衬砌渠道基土换填深度研究

论文摘要

多年冻土的分布面积约占全球陆地面积的23%,主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地,其中我国的多年冻土分布面积约占世界多年冻土分布面积的10%,占我国国土面积的21.5%,是世界第三冻土大国,同时我国的多年冻土主要分布在中、低纬度的号称世界第三极的青藏高原上。季节冻土则普遍分布在纬度高于24。的地区,我国季节性冻土分布面积占国土面积的53.3%。因此,冻土也被视为宝贵的土地资源。在水利工程基础建设中,渠道工程是最基础也是应用最广泛的一种。在渠道设计过程中遇到的最主要的问题就是渠道的冻胀破坏。根据对已建成的渠道的观察,新疆防渗渠道局部出现冻胀破坏,轻者影响了渠道的防渗效果和衬砌的耐久性,重者导致渠道停水返修,进而直接影响农业生产。本文首先对季节性冻土地区混凝土衬砌渠道冻胀机理与破坏特征进行了描述,总结了渠道抗冻胀的意义所在、冻土的组成、国内外研究现状和冻土中水分迁移机理,然后应用ANSYS有限元软件建立梯形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型,结合工程实际,重点对梯形衬砌渠道冻胀进行热应力模拟,得到一些结论：(1)渠道的换填措施不会影响温度场的分布(2)渠道换填后的水平位移量较为平均,而无换填渠道的水平位移量则变化较大,不均匀(3)渠道在进行换填至80cm后,无论是阴坡板、阳坡板还是底板,冻胀量都得到明显的削减,冻胀力垂直于冻结锋面(4)混凝土渠道进行换填处理后,无论水平方向应力还是竖直方向应力都得到了削减,但无法改变阴阳两坡坡顶、渠道底板两侧均出现应力集中现象

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 渠道抗冻胀的意义
• 1.3 国内外研究进展
• 1.4 研究目标和内容
• 第二章 混凝土渠道基土冻胀的主要影响因素
• 2.1 冻土的基本组成
• 2.2 未冻水含量及其影响因素
• 2.2.1 土质对未冻水含量的影响
• 2.2.2 多晶冰中的未冻水含量
• 2.2.3 外载力对未冻水含量的影响
• 2.3 冻土中水分迁移机理分析
• 2.3.1 水分迁移的环境条件
• 2.3.2 水分迁移的特征
• 第三章 渠道换填深度理论与模型分析
• 3.1 土壤热传导力学模型
• 3.2 地中温度场和冻土深度计算
• 3.2.1 一维稳定温度场计算
• 3.2.2 土壤冻土深度与换填深度之间的关系
• 3.3 渠道冻胀有限元模型
• 3.3.1 本构方程
• 3.3.2 模型温度场的有限元分析
• 3.3.3 渠道冻胀应力应变求解
• 3.4 本章小结
• 第四章 温度场数值模拟与实例分析
• 4.1 原型渠道概况
• 4.2 有限元模拟过程
• 4.2.1 有限元建模
• 4.2.2 单元网格的划分
• 4.2.3 边界条件与参数选取
• 4.3 有限元分析
• 4.3.1 温度场分析
• 4.3.2 位移场分析
• 4.3.3 应力场分析
• 4.4 换填深度的选择
• 4.5 换填材料选择
• 4.6 本章小结
• 第五章 渠道抗冻胀技术与措施
• 5.1 改善渠道基土的温度场和水分场
• 5.1.1 采用保温隔热措施
• 5.1.2 基础换填处理
• 5.2 采用合理的衬砌结构形式
• 5.3 采用合理的运行管理模式
• 5.4 开发研制新型的防渗衬砌材料
• 5.4.1 固化剂
• 5.4.2 纤维混凝土
• 5.4.3 恺甲式纤维混凝土渠道复合防渗
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 导师评阅表