刚柔混合衬砌渠道冻胀机理研究

The domestic and international scholar have done a lot of research work on the frost-heave mechanism lining of rigid concrete canal and acquire a great achievement. However, the study of frost-heave mechanism on rigid-flexible complex lining canal which is still weak on the whole, especially in alpine region such as Xinjiang, the study of frost-heave mechanism on rigid-flexible complex lining canal under frost and thaw condition need to be further researched. The rigid-flexible complex lining canal under frost and thaw condition as the research object, according expansion and shrinking of produced by the freeze-thaw cycles and high temperature difference of frost-heave stress to research frost-heave mechanism on rigid-flexible complex lining canal. The rigid-flexible complex lining canal bring out frost-heave stress and thermal stress under frost and thaw condition, quantitative analysis the structural internal force and distribution law of lining structure, according prototype observation and numerical simulation to research frost-heave mechanism and frost heaving resistant mechanical mechanism on rigid-flexible complex lining canal. Mechanical model of frost heaving resistant for rigid-flexible complex lining canal is established, measures of frost heaving resistant are given.Correct understanding mechanism of frost heaving failure of canal, measure of prevent frost heave should be determined scientifically, the choice of reasonable anti-seepage and frozen-preventing design. The thesis will contribute certain theoretical values as well as engineering significance.

国内外很多专家对刚性混凝土衬砌渠道的冻胀机理做了大量的研究工作，并取得了卓有成效的研究成果。然而对于刚柔混合衬砌渠道冻胀机理的研究还显薄弱，尤其是在新疆这样的高寒地区，冻融循环环境下刚柔混合衬砌渠道冻胀机理的研究还有待于进一步探索。本课题以新疆冻融循环环境下的刚柔混合衬砌渠道为研究对象，从长期的冻融循环高温差膨胀与收缩产生的交替冻胀应力来研究刚柔混合衬砌渠道的冻胀机理；在冻融循环条件下刚柔混合衬砌结构产生冻胀，进行冻胀过程衬砌结构内力及分布规律的定量分析，以原型观测并结合数值模拟来研究冻融循环条件下刚柔混合衬砌渠道的冻胀机理和抗冻胀力学机理。建立新疆高寒地区刚柔混合衬砌渠道抗冻胀的力学模型，并给出防治渠道抗冻胀措施。正确认识渠道冻胀破坏规律，科学地选择防冻胀结构措施，进行合理的防渗抗冻胀设计。对于在新疆高寒冻融环境下刚柔混合衬砌渠道的施工和维护有一定的理论与工程意义。

本项目以新疆冻融循环环境下的刚柔混合衬砌渠道为研究对象，从长期的冻融循环高温差膨胀与收缩产生的交替冻胀应力出发，研究了刚柔混合衬砌渠道的冻胀机理。研究借助季节冻融条件下刚柔混合衬砌渠道的原型观测成果，揭示了刚柔混合衬砌渠道的渠基土壤水分、冻深、冻胀、温度、变形等的变化规律，揭示了气温、地温、渠基土壤水分、冻深及冻胀变化过程及其各参数之间的相互关系。在刚柔混合衬砌渠道原型观测成果基础之上，采用结构力学和弹塑性理论，建立了U形断面、梯形断面、弧底梯形断面刚柔混合衬砌渠道在冬季输水、冬季不输水工况下的冻胀破坏力学模型，求出了刚柔混合衬砌渠道衬砌板的内力、柔性塑膜与衬砌板的摩擦力及其塑膜所受的拉力，并结合抗裂条件给出了衬砌板抗冻胀破坏验算的一系列计算方法，并结合某具体工程，验证了计算方法的正确性和合理性，比较了3种断面衬砌结构的力学特性，提出了刚柔混合防渗衬砌渠道衬砌上所受的冻结力、冻胀力及混凝土衬砌板与塑膜相互约束力的大小及方向，从理论上揭示U形断面、梯形断面、弧底梯形断面刚柔混合防渗衬砌渠道抗冻胀性能的力学机理，探讨了刚柔混合衬砌渠道边坡稳定的控制时期、渗透水压力、最小安全系数、滑裂面位置及形式、混凝土与塑膜相互作用的关系，提出混合衬砌渠道边坡稳定性的计算方法，并在此基础上采用刚体极限平衡理论，得出了其垫层保护层的稳定安全系数计算公式，并对衬砌渠道保护层抗滑稳定性分析应注意的问题进行了探讨。在冻土本构模型研究的基础上，考虑冻土和衬砌板的相互作用，视渠基冻土和渠道复合衬砌结构为一个整体，将冻土分别按各向同性材料和横观各向同性材料，视基土冻胀为热胀的特殊情况，应用大型有限元程序，采用顺序耦合热应力分析模块对刚柔混合衬砌渠道冻胀进行了热应力耦合数值模拟，计算渠道的温度场、应力场和变形场，分析了一个完整冻融循环作用下渠道冻胀、温度、变形规律。结合灾变链式理论进行了合理的防渗抗冻胀设计。该研究工作对于在新疆高寒冻融环境下刚柔混合衬砌渠道的施工和维护有一定的理论与工程意义。