【摘要】 水資源短缺已成為制約全球社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸問題，改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)、社會的飛速發(fā)展，水資源供需之間的矛盾日益突出，建立節(jié)水型社會，發(fā)展節(jié)水型農(nóng)業(yè)勢在必行。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，在北方季節(jié)性凍土地區(qū)與多年凍土區(qū)，修建了大量的渠道防滲工程，但是由于渠道砼襯砌材料本身的缺陷及渠基凍土的凍脹作用，渠道砼襯砌的凍脹破壞非常普遍，使得襯砌渠道失去了防滲的意義，從而造成灌區(qū)維修管理費(fèi)用的增加，資金投資的增大，嚴(yán)重影響了水利工程效益的發(fā)揮，制約著灌區(qū)渠道防滲工程的健康發(fā)展。其主要原因是多數(shù)防滲襯砌工程設(shè)計(jì)時，未考慮渠基凍脹與渠道襯砌體之間的相互作用及砼襯砌的斷裂規(guī)律及其特點(diǎn)。因此，為了防止渠道砼襯砌體的凍脹破壞，除了研究凍脹力作用下砼襯砌渠道的受力變形，還必須研究在凍脹作用下存在初始裂紋砼襯砌板的凍脹斷裂規(guī)律。本文在查閱和分析大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，取得了以下成果：（1）通過的恰當(dāng)?shù)暮喕c假設(shè)，建立起了高地下水位，弧底梯形渠道凍脹破壞力學(xué)模型，結(jié)合砼襯砌板的抗裂條件，給出了其不同位置的內(nèi)力、脹裂位置等一系列計(jì)算方法，并基于此模型求出了地下水位較高時，弧底梯形渠道的水力及抗凍脹最佳斷面設(shè)計(jì)參數(shù)。（2）應(yīng)用線彈性斷裂力學(xué)，在已有的渠道砼襯砌凍脹結(jié)構(gòu)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，將砼襯砌板斷裂看作是（Ⅰ+Ⅱ）復(fù)合型裂紋的擴(kuò)展問題，建立了渠道陰坡、陽坡和渠底三個不同位置砼襯砌板的凍脹斷裂力學(xué)模型，提出了適用于渠道混凝土襯砌板的凍脹斷裂力學(xué)破壞準(zhǔn)則及砼襯砌板厚度設(shè)計(jì)方法。運(yùn)用此凍脹斷裂力學(xué)模型可以計(jì)算出陰坡、陽坡和渠底的砼襯砌板合理厚度，實(shí)例表明，渠道砼襯砌凍脹斷裂力學(xué)模型是符合工程實(shí)際的有效方法。（3）將渠道坡板與底板分別簡化為受三角形分布荷載和均布荷載作用下的三點(diǎn)彎曲梁，利用廣義斷裂力學(xué)理論與凍土力學(xué)計(jì)算出了一定厚度坡板和底板下的允許凍深，建立基于斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上的砼襯砌渠道凍脹斷裂預(yù)報模型；同時將溫度因素引入斷裂力學(xué)模型之中，計(jì)算出了渠道襯砌體不同部位裂紋擴(kuò)展的臨界溫度降幅，利用MATLAB編程求出出了溫度降幅與應(yīng)力強(qiáng)度因子之間的關(guān)系圖，從而提出了一種不同部位砼襯砌下允許凍深計(jì)算新方法和砼襯砌初始裂紋凍脹斷裂臨界擴(kuò)展溫度的判別標(biāo)準(zhǔn)。（4）將疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律Paris公式引入渠道砼襯砌板研究中來，同時與凍脹斷裂力學(xué)模型結(jié)合，利用斷裂力學(xué)理論和方法對于渠道不同部位砼襯砌板使用壽命進(jìn)行了分析，并通過擴(kuò)展有限元方法，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS對存在初始裂紋砼襯板在凍脹力作用下裂紋的張開過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，為以后的工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。 

第一章   緒論 

 

1.1  渠道抗凍脹研究意義 
水，是生命之源也是生態(tài)系統(tǒng)必不可少的環(huán)境要素。眾所周知，我國是一個水資源比較豐富卻人均占有量很少的國家，就國家水利部近些年調(diào)查的初步結(jié)果來看，我國水資源總量為 28 100 億 m3，人均水資源占有量不足世界平均水平的四分之一，已被聯(lián)合國列入全世界人均水資源為貧水的 13 個國家之一。特別是在這個人口增長速度極快、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的 21 世紀(jì)，全球性水資源短缺，社會中，工、農(nóng)業(yè)用水危機(jī)嚴(yán)峻，人類的生存已越來越依靠水資源，特別是在我國節(jié)水灌溉已經(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)所必備的技術(shù)，對于缺水的國家和地區(qū)，如何把有限的水資源得以充分的利用，是解決水資源緊缺的重要措施，世界各國都積極采取措施保護(hù)水資源，建設(shè)節(jié)水型社會，發(fā)展節(jié)水型農(nóng)業(yè)。 
我國自古到今都是一個農(nóng)業(yè)大國，節(jié)水工作的重點(diǎn)理所當(dāng)然應(yīng)著眼于在農(nóng)業(yè)節(jié)水上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國農(nóng)業(yè)用水量為3664.4億 m3，占全國年用水總量的63.2%，，其中農(nóng)田灌溉用水量占農(nóng)業(yè)用水的 90.2%，占全國總用水量的 58.1%。從用水布局上看，由東往西，農(nóng)業(yè)用水比重逐漸加大，甘肅、寧夏、新疆、內(nèi)蒙古等�。ㄗ灾螀^(qū)）農(nóng)業(yè)用水占總用水量 75%以上（秦為耀 2000）。灌溉渠道工程分布面廣、數(shù)量大、功能重要，與灌區(qū)群眾生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及新農(nóng)村建設(shè)息息相關(guān)。提高農(nóng)業(yè)用水的有效利用率，建設(shè)安全可靠的輸配水渠系，對于發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效用水，進(jìn)一步挖掘節(jié)水潛力，緩解水資源供需矛盾具有十分重要的意義（何武全 2002 ；李遠(yuǎn)華 1999）。 
新中國成立以來，國內(nèi)專家通過大量的試驗(yàn)與理論研究發(fā)現(xiàn)渠道防滲襯砌是減少輸水損失、提高輸水效率、保護(hù)岸坡穩(wěn)定、有效控制地下水位的普遍工程措施，在發(fā)展節(jié)水灌溉中占有十分重要的地位。研究表明，沒有襯砌的土渠，其滲漏損失約占總引水量的 30%～60%，由此可見，渠道防滲節(jié)水潛力巨大。以內(nèi)蒙古河套區(qū)為例，目前灌區(qū)引黃水量多達(dá)50 億立方米，但灌區(qū)渠系有效利用率僅為 42%，主要是渠道滲漏造成的。根據(jù)對內(nèi)蒙古河套灌區(qū)干、支、斗、農(nóng)四級渠道的測試結(jié)果，渠道水利用系數(shù)由襯砌前的0.719提高到0.934，提高了 21.5%，渠道防滲后的效果非常明顯。在目前和今后相當(dāng)長的時間內(nèi)，渠道防滲襯砌仍然是灌區(qū)主要的節(jié)水工程措施，不僅具有很大節(jié)水潛力，而且對推動西部地區(qū)農(nóng)業(yè)、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和改善生態(tài)環(huán)境將發(fā)揮極大作用（程滿金等 2003）。砼襯砌適用于所有的灌溉渠道，是目前應(yīng)用得最廣泛的節(jié)水灌溉工程技術(shù)措施。 

雖然，渠道防滲襯砌在很大程度上提高了渠道水的利用效率，促進(jìn)了節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展，但是，我國是凍土幅員遼闊，凍土地區(qū)和季節(jié)性凍土地區(qū)占國土面積的 3/5，加之我國水資源呈現(xiàn)南多北少的現(xiàn)狀，眾多大型灌區(qū)位于西北季節(jié)性凍土區(qū)或多年凍土區(qū)，由于不均勻凍脹作用導(dǎo)致襯砌體破壞是困擾灌區(qū)健康發(fā)展的一大難題。據(jù)統(tǒng)計(jì)全國 13 個�。ㄊ�、區(qū)）存在著比較嚴(yán)重的渠系建筑物凍脹問題。新疆維吾爾自治區(qū)的北疆渠道工程有半數(shù)以上的混凝土干、支渠均因凍脹受到不同程度的破壞（齊吉琳等 2003）。

 

1.2  砼襯砌渠道抗凍脹研究現(xiàn)狀 
1.2.1  渠道凍脹研究概況 
中國的凍脹研究從20世紀(jì)50年代末期開始。50年代初，由原水利部沈陽水工試驗(yàn)所成立了凍土研究小組和凍土試驗(yàn)室，開展了凍土熱學(xué)和物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)；同時，結(jié)合遼寧省大伙房水庫、清河水庫和黑龍江省紅領(lǐng)巾水庫等工程，進(jìn)行了凍融土的滲透、抗剪強(qiáng)度和壓縮性等室內(nèi)外試驗(yàn)。60 年代初至 70 年代末期，防治渠道凍害問題引起了東北和西北一些科研、設(shè)計(jì)和管理部門的重視，并開始進(jìn)行灌區(qū)水工建筑物凍害狀況調(diào)查，建立了野外凍土觀測場，開展對土的凍脹規(guī)律的研究，同時結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行了一些抗凍害措施的試驗(yàn)觀測。但對水工建筑物凍害破壞程度、形式、原因及凍害防治途徑有了基本認(rèn)識，并總結(jié)了一些如蓄水保溫、樁基涂層、一字形水閘等防治凍害措施和土的某些凍脹規(guī)律。在這個時期，水庫冰層膨脹推力對土壩護(hù)坡的破壞作用也引起了有關(guān)單位的重視，并采取了多種防治措施。自 20 世紀(jì) 70 年代末以來，水利工程中凍土和凍害防治研究迅速發(fā)展，1979 年在水電部科技司指導(dǎo)下，成立了包括我國東北、西北十余個省、市、自治區(qū)三十余個水利設(shè)計(jì)、科研、管理單位和院校參加的“水工建筑物抗凍技術(shù)科研協(xié)作組”和四十多個單位參加的“全國水工建筑物抗凍技術(shù)情報網(wǎng)”。到八十年代，為解決渠道防滲抗凍脹問題，國家又成立了“渠道防滲抗凍協(xié)會”和“全國渠道防滲科技情報網(wǎng)”，各地普遍進(jìn)行了水工建筑物凍害的調(diào)查與分析，進(jìn)一步肯定了我國北方凍害破壞問題的嚴(yán)重性。此外，各地建立了大量的野外和工程試驗(yàn)點(diǎn)，廣泛深入地進(jìn)行土的凍脹量、凍脹力、冰壓力、凍脹機(jī)理、凍脹預(yù)報和各類工程防凍脹措施的研究，取得了大量成果和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，提出了凍土工程分類、凍脹量和凍脹力的設(shè)計(jì)值和估算方法以及各類工程防凍脹破壞的有效的方法。其中不少研究成果和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)己經(jīng)在工程設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用，并取得了良好效果。1991年制定了“渠道防滲規(guī)范”和“渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范”，同時采用了“允許一定凍脹位移量”的工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，提出了“以適應(yīng)、削減或消除基土凍脹為主，以經(jīng)濟(jì)實(shí)用的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)為輔”的防凍害原則和技術(shù)措施，與國外相比，工程造價也大大降低。 

在國外發(fā)達(dá)國家，近年來多采用“抵抗”凍脹的技術(shù)措施，用鋼筋混凝土取代素混凝土，并采用砂礫料換填層、加固基礎(chǔ)、增設(shè)排水等措施襯砌渠道，如日本現(xiàn)在多采用鋼筋混凝土矩形渠槽加換填材料復(fù)合型式，美國、俄羅斯則多采用混凝土或鋼筋混凝土大型平板型式，都能有效抵抗凍脹，防滲防凍脹效果好，但工程造價高，一次性投入過大，不適用于我國當(dāng)前經(jīng)濟(jì)條件。因此，研究適合我國國情、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、防凍脹最佳的襯砌結(jié)構(gòu)型式和新材料具有重要意義，是今后發(fā)展的方向。 

 

第二章 高地下水位砼襯砌渠道凍脹破壞力學(xué)模型及應(yīng)用

 

近 40 年來，眾多科研單位及其專家在渠道凍脹理論和實(shí)踐上進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，制定了許多相關(guān)技術(shù)規(guī)范，并取得了一系列的研究成果。在渠道斷面型式上，從以前的單一梯形斷面向弧底梯形渠道及U型斷面過渡。與一般的梯形渠道相比，弧底梯形渠道不僅水流條件好，便于輸沙；而且結(jié)構(gòu)受力條件好，凍脹力分布均勻，抗凍脹性能好；同時，結(jié)構(gòu)復(fù)位能力強(qiáng)，工程耐久性強(qiáng)，因而成為灌區(qū)混凝土襯砌公認(rèn)的抗凍脹首選斷面之一。除了斷面形式的完善外，部分專家（王正中 2004）針對襯砌板的凍脹破壞機(jī)理，利用工程力學(xué)及凍土力學(xué)中的相關(guān)知識，將弧底梯形渠道看作薄壁結(jié)構(gòu)，根據(jù)相關(guān)的假設(shè)建立了初步的力學(xué)模型，但是其并未考慮當(dāng)?shù)叵滤惠^高時渠道襯砌體斷面各個部位的受力特征，以及法向凍結(jié)力的作用點(diǎn)。為此，本章將根據(jù)相關(guān)假設(shè)對地下水位能補(bǔ)給到渠頂時的弧底梯形渠道的受力特征進(jìn)行進(jìn)一步的研究與探討，以期為高地下水位弧底梯形渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹的分析計(jì)算，并通過高地下水位弧底梯形渠道凍脹力學(xué)模型結(jié)合水利最佳斷面的思想計(jì)算渠道弧底梯形渠道水利最佳，抗凍脹最優(yōu)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)為實(shí)際工程中襯砌體的設(shè)計(jì)與建設(shè)提供參考。 

 

2.1  弧底梯形渠道凍脹破壞的特征 

弧底梯形混凝土襯砌渠道與一般的梯形渠道相比，不僅結(jié)構(gòu)的整體性強(qiáng)，而且由于渠底的法向凍脹力有所減小其較梯形渠道襯砌板發(fā)生凍脹破壞可能性有所減�。坏桥c梯形渠道襯砌體破壞的特征相似的是，渠道混凝土襯砌底板及邊坡板都是在凍脹力、凍結(jié)力、重力及底板與坡板相互約束力作用下發(fā)生破壞的，其機(jī)理非常復(fù)雜（王正中等 2008）。就渠道底板而言，凍脹力使其有上抬的趨勢，兩端受坡板的約束，凍脹變形呈中部大兩端小，故通常是中部彎折斷裂。渠坡板上部所受法向凍脹力較小，并與渠堤頂部牢固凍結(jié)在一起，主要受凍結(jié)力的約束，而下部所受法向凍脹力較大，主要受底板的約束;此時坡板上部及下部均受到約束且法向凍脹力呈上小下大分布，故導(dǎo)致板中下部凍脹變形較大，且通常會引起板隆起架空或彎矩大處發(fā)生斷裂。這樣根據(jù)力學(xué)模型計(jì)算襯砌坡板的最大彎矩作用點(diǎn)以及法向凍結(jié)力作用點(diǎn)就顯的極為重要。 

 

2.2  渠道力學(xué)模型 
綜上所述，弧底梯形渠道凍脹破壞機(jī)理極其復(fù)雜，且襯砌板又大多處在高次超靜定非線性的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)下，要想建立準(zhǔn)確的力學(xué)模型是不可能的，只有通過合理的假設(shè)和相關(guān)的力學(xué)、數(shù)學(xué)知識才能建立起完善的力學(xué)模型。 
2.2.1  基本假設(shè)及簡化 
(1)凍土及混凝土襯砌板均為線彈性材料，可應(yīng)用疊加原理。
(2)凍土的彈性模量遠(yuǎn)小于混凝土的彈性模量（一般為混凝土的 1/10 左右），凍土不參與襯砌板的彎曲變形，只對襯砌板施加凍脹力，并提供被動凍結(jié)約束。 

(3)渠坡襯砌板頂部基土含水量達(dá)到起始凍的脹含水量或在低溫下地下水位能補(bǔ)給到渠頂處，渠坡頂部與基土牢固凍結(jié)為一體，坡角處受底板約束，渠坡板簡化為簡支梁。 

(4)渠床土體凍結(jié)前已經(jīng)固結(jié)完畢，不計(jì)未凍土的壓縮效應(yīng)。 

(5)法向凍脹力由法向凍脹量產(chǎn)生，并假設(shè)坡板上的法向凍脹力沿渠坡線性分布，在坡頂為零，坡角（坡板與弧底相接處）達(dá)到最大值，弧底法向凍結(jié)力均勻分布；切向凍結(jié)力沿坡長線性分布，在坡角處達(dá)到最大值，在弧底為線性分布，中心線上為零。 

(6)通過襯砌結(jié)構(gòu)整體上抬及微小側(cè)移的變位協(xié)調(diào)，將各向凍脹力及凍結(jié)力重新調(diào)整，近似的認(rèn)為外力及內(nèi)力近似接近對稱（王正中2004）。

在計(jì)算時要說明的是在未凍結(jié)前，坡板的重力由渠床基土及底板產(chǎn)生的頂推力平衡；但是當(dāng)凍結(jié)后，重力由凍結(jié)力和法向凍脹力及底板的約束反力平衡。所以渠坡凍結(jié)后的內(nèi)力計(jì)算不考慮重力影響。另一方面，從理論上講渠坡上端的支承反力（法向凍結(jié)力）合力點(diǎn)，不可能在渠坡板頂端A點(diǎn)，應(yīng)偏下一些，但具體位置尚無法確定，本研究中將加以說明。渠坡陰陽坡的計(jì)算簡圖按照相同計(jì)算，使計(jì)算更加安全。 
(1)本研究計(jì)算時是假定弧底梯形渠道混凝土襯砌不發(fā)生局部強(qiáng)度破壞的前提下渠道整體達(dá)到極限狀態(tài)的。事實(shí)上，由于結(jié)構(gòu)尺寸施工等原因，有可能使渠道未到達(dá)這個狀態(tài)前就強(qiáng)度不足而提前破壞，所以按以上模型求解的內(nèi)力是偏大偏安全的。

 (2)理論上講，渠道坡板所受的法向凍結(jié)力的作用點(diǎn)是不會作用在坡板頂端的。本研究在計(jì)算時所采用的力學(xué)模型將法向凍結(jié)力簡化為一個集中力來進(jìn)行計(jì)算，采用局部平衡與整體平衡相結(jié)合的方法，彌補(bǔ)了計(jì)算上的不足。 

 

第三章 砼襯砌渠道凍脹破壞斷裂力學(xué)模型及應(yīng)用 ..................... 23 
3.1 砼襯砌渠道凍脹力學(xué)模型基礎(chǔ) ................................. 23 
3.1.1 砼襯砌渠道凍脹機(jī)理及破壞特征 ............................ 23 
3.1.2 砼襯砌渠道凍脹力學(xué)模型 ........................................ 25 
3.2 砼襯砌渠道凍脹斷裂力學(xué)模型基礎(chǔ) .......................... 25 
3.2.1 斷裂力學(xué)理論 ...................................... 25 
3.2.2 斷裂力學(xué)破壞理論基礎(chǔ) ................................. 28 
3.3  砼襯砌渠道凍脹斷裂破壞一般準(zhǔn)則及其意義 ..................... 29 
 第四章 砼襯砌渠道凍脹斷裂破壞預(yù)報模型及壽命耐久性分析 ......... 39 
4.1 渠道砼襯砌廣義破壞準(zhǔn)則 ................................ 39 
4.2 渠道砼襯砌體坡板凍脹斷裂預(yù)報模型建立 ................. 40 
4.2.1 基本假設(shè) ........................................... 40 
4.2.2 渠坡板斷裂力學(xué)模型及其允許凍深 z 計(jì)算 ................. 40 
4.2.3 利用斷裂力學(xué)準(zhǔn)則計(jì)算渠坡板法向凍脹力最大值 Pmax ......... 41 
4.2.4 依據(jù)渠坡板附加壓力和凍脹力來求解渠坡板附加應(yīng)力系數(shù) Ks ..... 41 
4.2.5 依據(jù)附加應(yīng)力系數(shù) Ks 求解渠坡板底部各點(diǎn)的允許凍深 z .......... 42 
4.3 渠道砼襯砌體底板凍脹斷裂預(yù)報模型建立 ........................ 42 
第五章 渠道砼襯砌凍脹作用下裂紋開裂數(shù)值模擬研究 ............... 56 
5.1 理論模型建立 .................................................... 56 
5.1.1  基本假設(shè) ............................................ 56 
5.1.2 本構(gòu)方程 ............................................. 57 

5.1.3 裂紋模型 ........................................... 57   

 

第五章     渠道砼襯砌凍脹作用下裂紋開裂數(shù)值模擬研究 

 

寒區(qū)及季節(jié)性凍土區(qū)占我國國土面積的75%，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及西部大開發(fā)的推進(jìn)，北方灌區(qū)已成為確保我國糧食安全的重要生產(chǎn)基地，但其渠道輸水率底一直是困擾渠道健康發(fā)展的難題，如輸水渠道襯砌率不到30%，滲漏損失非常嚴(yán)重；即使襯砌了的渠道也因凍脹破壞使渠系輸水損失近50%，灌溉用水浪費(fèi)十分嚴(yán)重，制約著灌區(qū)健康發(fā)展及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。渠道防滲抗凍脹襯砌是減少輸水損失、提高輸水效率、發(fā)展節(jié)水灌溉的重要措施。 
砼襯砌板屬于剛性襯砌材料，截面較薄，具有較高的抗壓強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度較低，適應(yīng)拉伸變形或不均勻變形的能力差，在凍脹力或熱應(yīng)力的作用下容易破壞，其襯砌板凍害一般分為5 種：表面侵蝕、鼓脹及裂縫、隆起、架空、滑塌和整體上抬。從其破壞形式可以看出，其中大多數(shù)破壞形式都是在凍脹力作用下致使其發(fā)生的破壞。近年來，國內(nèi)外專家針對襯砌板破壞進(jìn)行了深入的研究，并取得了一系列的研究成果（王正中 2004，2008）。但是目前襯砌體的設(shè)計(jì)中大多使用的經(jīng)驗(yàn)方法，加之混凝土材料的重要特征之一就是它的抗拉強(qiáng)度很低，且在很多情況下混凝土結(jié)構(gòu)是帶著裂縫工作的。對于渠道砼襯砌結(jié)構(gòu)，在法向凍脹力及切向凍結(jié)力共同作用下材料的初始裂紋處往往同時承受著彎曲與剪切的作用導(dǎo)致其發(fā)生開裂和破壞。由此看來，研究渠道砼襯砌結(jié)構(gòu)存在初始裂紋時，在各種凍脹力作用下，斷裂過程中裂紋的擴(kuò)展方向及變形襯砌板的破壞情況是尤為關(guān)鍵的。 

本章在第三章渠道砼襯砌凍脹破壞斷裂力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用基于 ABAQUS 軟件平臺的擴(kuò)展有限元方法對存在初始裂紋砼襯板在各種凍脹力作用下裂紋的張開過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，為以后砼襯砌體設(shè)計(jì)提供參考。 

 

5.1 理論模型建立 
5.1.1  基本假設(shè) 
（1）渠坡襯砌板頂部基土含水量達(dá)到起始含水量或在低溫下地下水位能補(bǔ)給到渠頂處。 
（2）砼襯砌板為線彈性材料且存在一定的初始裂紋，可應(yīng)用迭加原理。 
（3）凍土的彈性模量遠(yuǎn)下雨砼襯砌板的彈性模量（一般為砼板的1/10 左右），不參與襯砌板的彎曲變形，只對襯砌施加凍脹力，并提供被動凍結(jié)約束。 

（4）坡板頂部與基土牢固凍結(jié)成一體, 坡腳處受底板約束, 坡板結(jié)構(gòu)簡化為簡支梁。坡板頂點(diǎn)處沿坡面方向切向凍結(jié)力為零, 法向凍結(jié)力達(dá)到最大值; 在坡板的坡腳處切向凍結(jié)力達(dá)到最大值, 坡板上的切向凍結(jié)力沿坡長線性分布,該分布力由底板上抬產(chǎn)生的頂推力產(chǎn)生, 并與其平衡( 凍脹力為主動力而凍結(jié)力為被動力);渠底板兩端受坡板鉸性約束, 梯形分布法向凍脹力作用, 簡化為兩端簡支梁。 

 

 

 

第六章 結(jié)論與展望

 

6.1 本文結(jié)論 

本文針對砼襯砌渠道，詳細(xì)分析了渠道砼襯砌體中一般斷裂的裂紋種類、斷裂形式，國內(nèi)外渠道防滲抗凍脹發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題，砼襯砌體渠道凍脹破壞的機(jī)理及各種斷面形式渠道砼襯砌破壞特點(diǎn)，渠道砼襯砌體斷裂力學(xué)模型建立的必要性等；然后，在已有的渠道砼襯砌凍脹結(jié)構(gòu)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，考慮各種凍脹力的作用，依據(jù)合理的假設(shè)和簡化，運(yùn)用線彈性斷裂力學(xué)理論，將砼襯砌板斷裂看作是（Ⅰ+Ⅱ）復(fù)合型裂紋的擴(kuò)展問題，建立了渠道不同部位砼襯砌體的斷裂力學(xué)模型；隨后將該模型的相關(guān)理論與凍土力學(xué)、土力學(xué)相關(guān)理論結(jié)合建立了渠道砼襯砌凍脹預(yù)報模型，并將預(yù)測裂紋擴(kuò)展壽命的理論基礎(chǔ)引入對于渠道砼襯砌板研究中來，將其與凍脹破壞斷裂力學(xué)模型結(jié)合，利用斷裂力學(xué)理論和方法對于弧底梯形渠道砼襯砌板使用壽命進(jìn)行了分析，給出了砼襯砌板斷裂力學(xué)壽命估算的計(jì)算公式，為以后渠道砼襯砌體設(shè)計(jì)與抗凍脹提供科學(xué)合理的分析方法。 
主要結(jié)論如下： 
（1）渠道砼襯砌體凍脹力學(xué)模型與水力最佳斷面 
渠道砼襯砌凍脹破壞是由于襯砌底部各種凍脹力相互作用而導(dǎo)致的結(jié)果，不同的襯砌材料與襯砌結(jié)構(gòu)形式抵抗凍脹破壞的能力不同，渠道斷面形式由折線向曲線形式的過渡和發(fā)展，使得其水力條件更好，受力更加合理，但是對于弧底梯形渠道砼襯砌體來說當(dāng)?shù)叵滤惠^高時其法向凍結(jié)力的作用點(diǎn)，各個截面的破壞位置及斷面的設(shè)計(jì)參數(shù)一直是困擾著著襯砌體設(shè)計(jì)的難題，本文通過合理的簡化與假設(shè)，建立起了完善的高地下水位弧底梯形渠道凍脹力學(xué)模型，估算出其破壞位置是在距渠道底部 1/5 處，這與前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相符合的；
（2）渠道砼襯砌體凍脹破壞斷裂力學(xué)模型 渠

道砼襯砌體屬于剛性材料，由于材料屬性和施工等方面的原因，其本身存在著的缺陷，在未破壞前就存在著裂紋，我們把它們統(tǒng)稱為混凝土材料的初始裂紋，又因?yàn)榛炷敛牧线@些初始裂紋是隨機(jī)分布的，渠道砼襯砌體大多數(shù)凍脹破壞，都是在各種凍脹力共同作用下隨著初始裂紋的擴(kuò)展而發(fā)生的斷裂破壞；渠道砼襯砌體在凍脹力作用下開裂準(zhǔn)則與斷裂機(jī)理研究尚屬空白，加之目前襯砌體的設(shè)計(jì)中大多使用經(jīng)驗(yàn)的方法，從強(qiáng)度破壞的角度看還缺乏一個統(tǒng)一的強(qiáng)度模式和強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則,正因?yàn)闆]有理論指導(dǎo)襯砌體的設(shè)計(jì)，渠道設(shè)計(jì)不能滿足防凍脹破壞的要求。

 

參考文獻(xiàn)（略）

 

本文編號：19372