一种土体冻胀对混凝土面板影响力的分析方法技术

本发明专利技术公开一种土体冻胀对混凝土面板影响力的分析方法，包括以下步骤：采集渠系建筑数据参数，建立渠道断面三维几何模型，确定三维几何模型计算参数，选取三维几何模型边界条件以及分析土体冻胀对混凝土面板的影响力；本发明专利技术对渠道典型断面进行三维数值模拟，并采用有限元方法，将理论计算所得渠道土体冻胀位移作为混凝土面板荷载，用以分析土体冻胀对混凝土面板变形和受力影响，实现对渠系建筑断面进行准确的衬砌冻胀和混凝土结构受力分析，相比传统分析方法更为精准，分析结果根据代表性，能为已建渠段的结构安全和待建工程顺利施工提供保障，并为渠道冻胀防治工作提供了重要参考和理论依据。考和理论依据。考和理论依据。

【技术实现步骤摘要】
一种土体冻胀对混凝土面板影响力的分析方法


[0001]本专利技术涉及土体冻胀分析
，尤其涉及一种土体冻胀对混凝土面板影响力的分析方法。

技术介绍

[0002]随着我国西北部地区快速发展，渠系工程数量也随之增多，其中混凝土面板堆石坝因具有安全性高、稳定性好以及施工简洁的优点而得到广泛应用，但由于冻土影响，冻土地区的渠系建筑往往受冻融循环作用而破坏，给寒冷地区的渠系施工造成较大的安全隐患，为了保证渠系工程中已建渠段的结构安全和待建工程顺利施工，需要对渠系建筑进行衬砌冻胀和混凝土面板结构受力分析。
[0003]渠道冻胀破坏是由于渠基土受冻体积膨胀顶托衬砌而形成，渠基土受冻体积膨胀必须具备以下条件：寒冷气候区持续的负温条件；土壤中自由水和毛细水的存在，并且有通畅的水分补给通道；寒冻风化的土表；土壤本身的物理力学性质，包括土的颗粒组成，矿物质成份等。在以上三个条件中，土壤中自由水和毛细水的存在是冻胀发生的的先决条件，也是必备条件。
[0004]目前，有关土体冻胀作用对混凝土面板影响力的研究还较少，而现有的一些分析方法大都流程复杂繁琐，无法对渠系建筑断面进行有效模拟，不能精准的分析出体冻胀对混凝土面板影响力，从而不能保证已建渠段的结构安全和待建工程顺利施工。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的在于提出一种土体冻胀对混凝土面板影响力的分析方法，解决现有的混凝土面板影响力分析方法流程复杂繁琐，无法对渠系建筑断面进行有效模拟，从而不能精准的分析出体冻胀对混凝土面板影响力的问题。
[0006]为了实现本专利技术的目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种土体冻胀对混凝土面板影响力的分析方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一：先选取渠道的典型断面作为分析样本，采集样本断面的冻土参数，对样本断面不同深度的冻结层和未冻结层分别进行取样，再对取样土体进行含水率分析，得到不同深度的冻结层和未冻结层的土体含水率，然后根据土体含水率计算土体的冻胀率；
[0008]步骤二：先对渠道典型断面进行勘查，并获取渠道典型断面的三维数值，再根据获取的三维数值绘制渠道典型断面图，接着根据渠道典型断面图进行三维数值模拟，并建立渠道的三维几何模型，然后对三维几何模型进行网格剖分，生成有限元模型；
[0009]步骤三：先对渠道典型断面的混凝土材料进行测试，获得混凝土材料的密度参数、弹模参数和泊松比参数作为模型计算参数，再根据渠道的土体性质以及渠道土体历史资料设置土体的密度参数、弹模参数和泊松比参数作为模型的计算参数；
[0010]步骤四：先对渠道典型断面的土体冻胀量进行计算，再根据冻胀量计算结果，在有限元模型中将土体冻胀量沿阴面渠坡冻胀位移为多段线分布，并将该冻胀量作为位移荷载
施加于土体和混凝土面板接触面处，然后结构约束施加于基础土体上，之后在ANSYS中采用位移加载方式，逐步施加位移荷载，最后将计算参数输入有限元模型并计算混凝土面板的位移场及应力场；
[0011]步骤五：将混凝土面板的位移场及应力场计算结果作为混凝土面板荷载，分析土体冻胀对混凝土面板变形和受力影响，即土体由冻胀产生的位移是否使混凝土面板内部产生超过其承受能力的应力和变形。
[0012]进一步改进在于：所述步骤一中，采集的冻土参数包括渠顶地表的冻土数据和斜坡端的冻土数据，所述渠顶地表的冻土数据为地面以下的冻结厚度，所述斜坡端的冻土数据为距渠底坡脚不同距离的冻结层垂直坡面厚度。
[0013]进一步改进在于：所述步骤一中，由土体含水率得到土体含水量，当土体含水量大于饱和含水量，土体的冻胀率计算公式为：
[0014]η＝k*G*ω/(1+Gω)
[0015]式中，η为冻胀率，ω为土体的含水量，k为水的冻胀率，k＝9.07％，G为土粒比重。
[0016]进一步改进在于：所述步骤一中，当土体的含水量介于起始冻胀含水量和饱和含水量之间时，土体的冻胀率计算公式为：
[0017]η＝(1+k)*ω*G/(1+e)
‑
e/(1+e)
[0018]式中，e为未冻胀前土体的孔隙比。
[0019]进一步改进在于：所述步骤二中，所述渠道的三维几何模型中，设有底板、两侧斜坡混凝土面板、齿槽、坡顶道路和斜坡半缝，其中排水孔无填充且斜坡半缝中未填充密封胶，所述两侧斜坡混凝土面板下方土体厚度的厚度为渠深的两倍。
[0020]进一步改进在于：对三维几何模型进行网格剖分时，三维几何模型两侧斜坡混凝土面板和齿槽周围采用加密网格，三维几何模型土体部分采用尺寸为25～150mm的网格进行剖分。
[0021]进一步改进在于：所述步骤四中，所述基础土体上施加结构约束的具体操作为：在土体底部施加固定约束，并在两侧土体施加垂直河流方向约束。
[0022]进一步改进在于：所述步骤四中，所述冻胀量等于冻胀率与冻胀深度的乘积，计算公式如下：
[0023]ΔH＝η*H
[0024]式中，H为冻土层深度，ΔH为冻胀量。
[0025]本专利技术的有益效果为：本专利技术对渠道典型断面进行三维数值模拟，并采用有限元方法，将理论计算所得渠道土体冻胀位移作为混凝土面板荷载，用以分析土体冻胀对混凝土面板变形和受力影响，实现对渠系建筑断面进行准确的衬砌冻胀和混凝土结构受力分析，相比传统分析方法更为精准，分析结果根据代表性，能为已建渠段的结构安全和待建工程顺利施工提供保障，并为渠道冻胀防治工作提供了重要参考和理论依据。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可
以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1是本专利技术的方法流程示意图；
[0028]图2是本专利技术的三维几何模型结构示意图；
[0029]图3是本专利技术的三维几何模型网格剖视示意图；
[0030]图4是本专利技术实施例中的冻胀量分布示意图。
具体实施方式
[0031]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0032]参见图1、图2、图3、图4，本实施例提供了一种土体冻胀对混凝土面板影响力的分析方法，包括以下步骤：
[0033]步骤一：先选取渠道的典型断面作为分析样本，采集样本断面的渠顶地表的冻土数据和斜坡端的冻土数据，其中渠顶地表的冻土数据为地面以下的冻结厚度，地面以下0.3m未冻结，斜坡端的冻土数据为距渠底坡脚不同距离的冻结层垂直坡面厚度，其中，距渠底坡脚4.8～1.9m段冻结层垂直坡面厚度为0.20～0.22m，距渠底坡脚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种土体冻胀对混凝土面板影响力的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：先选取渠道的典型断面作为分析样本，采集样本断面的冻土参数，对样本断面不同深度的冻结层和未冻结层分别进行取样，再对取样土体进行含水率分析，得到不同深度的冻结层和未冻结层的土体含水率，然后根据土体含水率计算土体的冻胀率；步骤二：先对渠道典型断面进行勘查，并获取渠道典型断面的三维数值，再根据获取的三维数值绘制渠道典型断面图，接着根据渠道典型断面图进行三维数值模拟，并建立渠道的三维几何模型，然后对三维几何模型进行网格剖分，生成有限元模型；步骤三：先对渠道典型断面的混凝土材料进行测试，获得混凝土材料的密度参数、弹模参数和泊松比参数作为模型计算参数，再根据渠道的土体性质以及渠道土体历史资料设置土体的密度参数、弹模参数和泊松比参数作为模型的计算参数；步骤四：先对渠道典型断面的土体冻胀量进行计算，再根据冻胀量计算结果，在有限元模型中将土体冻胀量沿阴面渠坡冻胀位移为多段线分布，并将该冻胀量作为位移荷载施加于土体和混凝土面板接触面处，然后结构约束施加于基础土体上，之后在ANSYS中采用位移加载方式，逐步施加位移荷载，最后将计算参数输入有限元模型并计算混凝土面板的位移场及应力场；步骤五：将混凝土面板的位移场及应力场计算结果作为混凝土面板荷载，分析土体冻胀对混凝土面板变形和受力影响，即土体由冻胀产生的位移是否使混凝土面板内部产生超过其承受能力的应力和变形。2.根据权利要求1所述的一种土体冻胀对混凝土面板影响力的分析方法，其特征在于：所述步骤一中，采集的冻土参数包括渠顶地表的冻土数据和斜坡端的冻土数据，所述渠顶地表的冻土数据为地面以下的冻结厚度，所述斜坡端的冻土数据为距渠底坡脚不同距离的冻结层垂...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建有，刘宾，石鹏超，邢海鹏，李浩鸣，张恩典，梁太利，秦济生，高宇龙，余娟，王娟，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：