梯形砼衬砌渠道冻胀破坏力学模型及有限元分析

论文摘要

我国水资源严重缺乏,发展用水节约型农业是我国现代农业的主方向,然而水资源在输送过程中的损失相当严重,渠道衬砌是减少输水损失的有效方法之一。目前,在渠道衬砌方式中,混凝土衬砌渠道使用较广泛,然而,对于混凝土衬砌渠道所要面临的主要问题就是冻胀破坏问题,故而做好渠道防冻胀破坏工程是实现现代节水型农业的基本措施。然而,在冬季,由于渠系基土的冻胀作用,使得梯形混凝土衬砌渠道都遭受到不同程度地冻胀破坏,发生裂缝、膨胀、滑塌等现象,有的甚至完全失去了防渗的作用,从而造成灌区维修管理费用的增加,甚至重复投资进行改建和重修,严重影响了水利工程效益的发挥,制约着渠道防渗工程的发展。造成冻胀破坏主要是因为没有掌握梯形混凝土衬砌板冻胀破坏时应力应变的分布规律,进而不能采取相应的工程措施来防护。为了掌握这些规律和特点,本文做了以下研究工作:(1)本文查阅了冻土的组成成分及其它们之间相互作用的相关资料,分析了梯形混凝土衬砌渠道冻胀机理以及梯形混凝土衬砌渠道的冻胀破坏原因,为梯形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型的建立及其有限元分析打下了基础。(2)通过分析梯形混凝土衬砌渠道冻胀机理及其冻胀破坏原因,本文建立了梯形混凝土衬砌渠道冻胀破坏非对称简化模型,计算了力学模型中混凝土衬砌板所受的轴力、剪力和弯矩,以此来掌握梯形混凝土衬砌板的内力分布规律。(3)将渠基冻土视为各向同性的线弹性材料,把冻土和混凝土衬砌板作为一个整体,应用ANSYS分析,以甘肃省靖会总干渠梯形混凝土衬砌渠道为研究对象,进行热、应力及应变耦合分析,分析出了梯形渠道的温度、应力及变形分布规律,用于指导梯形混凝土衬砌渠道的设计和施工。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究冻胀破坏的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 冻胀理论研究进展
• 1.2.2 渠道冻胀防治技术与措施
• 1.2.3 存在问题
• 1.3 本文研究的主要内容
• 1.4 技术路线
• 第二章 混凝土渠道的冻胀机理
• 2.1 冻土的组成及其相互作用
• 2.1.1 固体矿物质颗粒
• 2.1.2 水
• 2.1.3 冰
• 2.1.4 气
• 2.1.5 次生矿物质颗粒、水和冰作用过程
• 2.2 混凝土渠道冻胀影响因素
• 2.2.1 温度的影响
• 2.2.2 土质的影响
• 2.2.3 水分的影响
• 2.3 混凝土渠道的冻胀机理
• 2.4 小结
• 第三章 梯形砼衬砌渠道冻胀破坏力学模型研究
• 3.1 梯形砼衬砌渠道冻胀破坏原因及其冻胀破坏特征
• 3.1.1 冻胀破坏原因
• 3.1.2 冻胀破坏特征
• 3.2 梯形砼衬砌渠道冻胀破坏力学模型
• 3.2.1 基本假设及简化
• 3.2.2 梯形渠道模型
• 3.3 梯形砼衬砌渠道冻胀破坏力学模型的求解
• 3.3.1 渠坡板计算简图
• 3.3.2 渠底板计算简图
• 3.4 结论与讨论
• 3.5 小结
• 第四章 梯形砼衬砌渠道冻胀破坏有限元分析
• 4.1 有限元的理论基础
• 4.1.1 变分法
• 4.1.2 加权残值法
• 4.1.3 直接刚度法
• 4.2 有限元ANSYS 分析
• 4.2.1 衬砌渠道冻胀本构方程
• 4.2.2 温度计算
• 4.2.3 应力应变计算
• 4.2.4 有限元ANSYS 分析过程
• 4.3 甘肃省靖会总干梯形渠道基本情况
• 4.4 甘肃省靖会总干梯形渠道有限元ANSYS 计算流程图
• 4.5 实体模型及单元划分
• 4.6 参数选取及基本假定
• 4.6.1 参数选取[50]
• 4.6.2 基本假定
• 4.7 计算过程
• 4.7.1 温度场计算
• 4.7.2 应力场计算
• 4.7.3 位移场计算
• 4.8 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介