【摘要】：農業(yè)用水占全國總用水量約70%，其中大部分采用渠道輸送。研究表明，剛性襯砌防滲相對于無防滲襯砌的渠道可減少輸水損失水量60%~80%，并能大大提高輸水效率。但是在我國較為寒冷的北方寒旱灌區(qū)，冬季時渠基土中的水分在負溫梯度作用下向凍結鋒面遷移聚集并凍結，產生體積膨脹，也即基土凍脹。這種凍脹會受到混凝土襯砌板以及未凍土的約束從而產生相互作用力。尤其當這種作用力過大時，混凝土襯砌板會產生裂紋及裂縫，嚴重時更是能導致渠道襯砌整體結構受到破壞，其主要表現(xiàn)形式有襯砌板的裂縫、鼓脹、坍塌滑坡。這種凍脹破壞嚴重削弱了渠道襯砌結構的防滲能力，使原本緊缺的水資源被嚴重浪費，而這些地區(qū)又恰恰是我國缺水較為嚴重的地區(qū)。同時這種凍脹破壞問題不僅嚴重影響了渠道的輸水效率，浪費了水資源，而且破壞的渠道襯砌結構需要大量的人力、物力對其進行維修，甚至重新修建。因此對渠道凍脹破壞的機理及能夠有效削減凍脹破壞襯砌結構進行研究，對節(jié)約水資源和農業(yè)生產有著很重要的意義。本文在大量閱讀相關文獻的基礎上，對影響渠基凍土凍脹的主要因素，對影響渠道混凝土襯砌體凍脹破壞的主要因素、國內外渠道防滲抗凍脹技術發(fā)展的現(xiàn)狀及仍然存在的問題進行了探討和總結，在材料非線性理論及接觸非線性理論的基礎上，運用有限元數(shù)值模擬的技術對渠道凍脹的有關問題進行了仿真模擬研究，對當前的針對渠道凍脹問題的提出的有限元模型進行了一定的改進，然后采用參數(shù)化分析的方法對渠道襯砌結構橫向縱縫的位置及寬度對消減凍脹破壞的效果進行了研究與初探，本文創(chuàng)新點及主要內容如下： （1）從接觸非線性的角度出發(fā)，考慮渠道混凝土襯砌板與凍土之間的凍結接觸作用，將渠道混凝土襯砌板和渠基凍土視為不同部件，并在兩者接觸界面處設置符合凍土和混凝土凍結接觸特性的無厚度接觸單元，來模擬混凝土襯砌板和凍土之間的相互作用。結果表明設置滿足混凝土與凍土接觸非線性本構的模型能夠反映出混凝土襯砌板與凍土之間的有限凍結和滑移作用，并能判定混凝土襯砌板與凍土之間是否會發(fā)生脫開，，切實反映了混凝土襯砌板與凍土之間的滑移變形及凍脹破壞，準確地反映了混凝土襯砌渠道的破壞機理。與以往將渠道襯砌板和凍土整體建模相比，該模型得到的法向凍脹力及切向凍結力數(shù)值都有所減小，最大值減小約50%，且更切合實際，分布更均勻，均小于相應溫度下混凝土與凍土的最大凍結強度，其大小及分布更符合實際情況。 （2）考慮到渠道凍脹過程中，渠基凍土凍脹變位產生的位移較大，襯砌混凝土也可能會塑性屈服，混凝土本構采用簡單的線彈性模型并不能反映襯砌板受力變形的真實情況，本文采用了混凝土的彈塑性本構模型來模擬混凝土的受力情況，結果表明采用混凝土彈塑性模型的數(shù)值模型得到的結果中，渠道襯砌混凝土部分進入塑性階段，且該模型能夠以塑性應變反映混凝土襯砌板的應力狀態(tài)及破壞情況，其結果與工程實踐基本一致。從材料非線性的角度出發(fā)，考慮到完全彈性的渠道凍脹數(shù)值模型不能真實反映渠道凍脹情況下襯砌混凝土材料和凍土材料受力的真實情況，建立了同時考慮混凝土和凍土材料非線性的渠道凍脹模型對渠道凍脹問題進行研究，結果表明凍土和混凝土材料在渠道凍脹的極限破壞情況下都有一部分進入了塑性破壞階段，而非全部處于彈性階段，因此采用材料非線性的模型更能反映凍脹破壞時材料應力狀態(tài)的真實情況。采用非線性模型得到的法向凍脹力及切向凍結力在數(shù)值上比采用線彈性的模型的明顯減小，最大相差50%，因此對材料本構模型的線彈性簡化對結果會產生較大影響。 （3）在多年的渠道抗凍脹的工程實踐與規(guī)律總結過程中，規(guī)范中在渠道抗凍脹的規(guī)范中提出了“允許一定凍脹位移量”的工程設計標準和“回避、適應、削減或消除凍脹”的防凍害原則和技術措施。而縱縫具有釋放變形的作用，因此考慮渠道襯砌結構在不同位置設置縱縫以及不同縫寬對適應渠道凍脹的影響。結果表明，法向凍脹力在最優(yōu)位置時（靠近坡腳1/5板長處），法向凍脹力分布最為均勻，且其最大值最小，比最差設縫位置時小將近60%，且較大法向凍脹力的分布區(qū)間較最差位置時的要減少60%。縱縫越靠近渠頂，法向凍脹力值越大且較大值的分布面積越大，對緩解凍脹的作用能力越差。切向凍結力向凍結力也是在最優(yōu)位置時（靠近坡腳1/5板長處）大小及分布最為均勻，最大值相對于最差位置時的要減小約80%。但設縫位置對凍脹量的分布影響不大。縱縫的寬度對渠道襯砌板受到的法向凍脹力、切向凍結力以及凍脹量的影響都不大。
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技術路線圖

圖 2-1ABAQUS 二次開發(fā)與應用Fig.2-1 The secondary development of ABAQUS and its application2.3 基于 Fortran 的用戶子程序二次開發(fā)ABAQUS 提供了大量的用戶子程序（User subroutines）作為二次開發(fā)平臺，用戶可根據(jù)自己的需要定義符合特定問題的模型。這些用戶子程序基本覆蓋了建立模型的整個范疇、如用戶自定義載荷，用戶自定義材料和單元等(曹金鳳等 2011)。用戶子程序通常用 Fortran 語言編寫代碼，ABAQUS 也支持 C++語言。某一個具體問題中用戶可能用到多個用戶子程序，這時必須將它們放在同一文件中。運行包含用戶子程序的任務有兩種方法：第一種方法是在 ABAQUS/CAE 中進行，在任務模塊中執(zhí)行job-edit-job-name 命令，在彈出的 edit-job 對話框中切換到 general 選項卡，在 Usersubroutines file 下方的輸入框中設置用戶子程序即可，一般的用戶子程序采用 Fortran 編寫，因此其文件后綴名為.for。第二種方法時通過命令運行，其語法如下：abaqus job=Job-name user=用戶子程序文件名（.for）在不同模塊進行的用戶子程序定義都有對應的程序名，便于 ABAQUS 的接口對其
【學位授予單位】：西北農林科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TV672;TV698.26

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

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3 張長慶,苗天德,王家澄,苗麗娜,李亞峰;凍結黃土蠕變損傷的電鏡分析[J];冰川凍土;1995年S1期

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相關博士學位論文 前1條

1 李學軍;季節(jié)性凍融渠基土壤水分運移特性及大型弧線形渠道防滲抗凍脹理論與技術研究[D];西安理工大學;2008年

本文編號：2549281