一种渠道冻胀破坏分析方法

1.本发明涉及冻胀破坏分析技术领域，尤其涉及一种渠道冻胀破坏分析方法。


背景技术：

2.近年来,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冻胀破坏分析。
3.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。
4.现有的渠道冻胀破坏分析方法大都步骤繁琐，操作复杂，且没有考虑不同降温条件下，渠道基土冻胀和衬砌受力规律，导致不能精准有效的分析出产生渠道冻胀破坏的原因，从而不能保证渠系工程中已建渠段的结构安全，并导致待建工程的施工受到阻碍。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的在于提出一种渠道冻胀破坏分析方法，解决现有的渠道冻胀破坏分析方法步骤繁琐，操作复杂以及不能精准有效的分析出产生渠道冻胀破坏原因的问题。
6.为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种渠道冻胀破坏分析方法，包括以下步骤：
7.步骤一：分别获取冻土渠道所在地区不同时间段的日最低气温、日平均气温以及历史典型冬季月平均气温，作为环境降温条件；
8.步骤二：获取冻土渠道混凝土的各相力学参数、冻土渠道基土的基本参数和冻融土的热力学以及力学参数，作为冻土渠道的材料参数；
9.步骤三：先测量冻土渠道断面的几何尺寸，再取渠底衬砌中点为模型整体坐标原点，并结合环境降温条件和材料参数建立冻土渠道的水-热-力三场耦合模型，作为冻土渠道断面的有限元模型，接着有限元模型进行网格划分，然后确定有限元模型的边界条件和初始条件，最后采用瞬态分析方法计算冻土渠道的冻结情况并设置有限元模型的计算荷载；
10.步骤四：先获取冻土渠道右岸阴坡基土表面对流换热系数和冻土渠道左岸阳坡与渠底对流换热系数，作为模型的温度场边界，再将温度场边界代入有限元模型，利用有限元模型对冻土渠道断面进行耦合复核计算，实现对渠道冻胀破坏的计算分析。
11.进一步改进在于：所述步骤一中，日平均温度取自每天的最高气温与最低气温的平均值，每天的最高气温、最低气温以及月平均气温均通过国家气象局官网查询。
12.进一步改进在于：所述步骤二中，混凝土的各相力学参数包括密度、弹性模量、泊松比、导热系数和体积比热容，基本参数包括干密度、饱和含水率、残余含水率和饱和渗透率，冻融土的热力学以及力学参数包括热传导率、体积比热容、弹性模量和泊松比。
13.进一步改进在于：所述步骤三中，所述水-热-力三场耦合模型应用大型商业多物理场耦合分析软件comsol建立，有限元模型采用四边形映射网格方法划分单元，与渠槽相邻的基土采用网格加密。
14.进一步改进在于：所述步骤三中，确定有限元模型边界条件时，模型的底部边界及左右两侧边界均采用定向铰支座约束，模型上表面采用热力学第二类边界条件描述基土与大气环境的热交换过程，模型的其它部分均为绝热、隔水边界。
15.进一步改进在于：所述第二类边界条件定义为：
16.q
l
＝hc(t
ext-t)
17.式中，q
l
为边界外法线方向的热通量，t
ext
和t分别为环境温度和边界温度，hc为对流换热系数。
18.进一步改进在于：所述步骤三中，确定有限元模型初始条件时，假设基土在入冬冻结前固结沉降完毕，计算时采用地应力平衡方法得到无自重变形条件下的初始应力分布，模型初始温度取日平均温度，初始含水率结合地勘成果，按数学平均的方法计算左、右岸各高程含水量，之后通过线性插值得到渠道左右岸的初始含水量分布，渠底以下基土初始含水量则取左右岸最低测点含水量的均值。
19.进一步改进在于：所述高程含水量计算公式为：
[0020][0021]
式中，w
0i
为高程i的初始含水量，wif和wiuf分别为i高程冻结层和未冻层的含水量，dif和diuf分别为i高程冻结层和未冻层取样厚度。
[0022]
本发明的有益效果为：本发明采用大型商业多物理场耦合分析软件comsol建立基于水-热-力耦合的冻土渠道典型断面冻胀有限元模型，并设计了冬季日最低温、日平均温度，以及典型年月平均温度三种对比工况，分析了不同降温条件下，渠道基土冻胀和衬砌受力规律，以及渠道的冻胀特性，实现对渠道冻胀破坏的精准有效分析，得出产生冻胀破坏的根本原因，便于为后续的渠道冻胀防治工作提供重要参考和理论依据，以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。
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。
[0024]
图1是本发明的方法流程示意图；
[0025]
图2是本发明的有限元模型网格图；
[0026]
图3是本发明实施例中不同对流换热系数计算得到的冻深过程示意图；
[0027]
图4是本发明实施例中的对流换热系数与计算得到的最大冻深的关系示意图。
具体实施方式
[0028]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0029]
参见图1、图2、图3、图4，本实施例提供了一种渠道冻胀破坏分析方法，包括以下步骤：
[0030]
通过国家气象局官网查询并分别选用冻土渠道所在地2020年11月1日～2021年1月15日的日最低气温、日平均气温，2019年11月1日～2020年1月15日最低气温，以及历史典型冬季月平均气温作为环境降温条件，作为环境降温条件分析研究渠段的冻胀特性，其中日平均温度取自每天的最高气温与最低气温的平均值；
[0031]
获取冻土渠道混凝土的各相力学参数、冻土渠道基土的基本参数和冻融土的热力学以及力学参数，作为冻土渠道的材料参数，其中混凝土的各相力学参数包括密度2400kg/m3、弹性模量28gpa、泊松比0.167、导热系数1.28w/(m
·
℃)和体积比热容2.328j/(m3·
℃)，冻土渠道基土的基本参数包括干密度、饱和含水率、残余含水率和饱和渗透率，如下表1所示，冻融土的热力学以及力学参数包括热传导率、体积比热容、弹性模量和泊松比，如下表2所示；
[0032]
先测量冻土渠道断面的几何尺寸，再取渠底衬砌中点为模型整体坐标原点，取渠道断面向两侧沿伸3m作为模型左右边界，取渠底向下5m作为模型下边界，应用大型商业多物理场耦合分析软件comsol并结合环境降温条件和材料参数建立冻土渠道的水-热-力三场耦合模型，作为冻土渠道断面的有限元模型，有限元模型采用四边形映射网格方法划分单元，共划分单元8224个，与渠槽相邻的基土采用网格加密，单元最大尺寸约2.5cm，接着有限元模型进行网格划分，有限元模型网格图如图2所示，然后确定有限元模型的边界条件和初始条件，确定有限元模型边界条件时，模型的底部边界及左右两侧边界均采用定向铰支座约束，模型上表面采用热力学第二类边界条件描述基土与大气环境的热交换过程，其中第二类边界条件定义为：
[0033]ql
＝hc(t
ext-t)
[0034]
式中，q
l
为边界外法线方向的热通量，t
ext
和t分别为环境温度和边界温度，hc为对流换热系数，模型的其它部分均为绝热、隔水边界，最后采用瞬态分析方法计算冻土渠道的冻结情况并设置有限元模型的计算荷载；
[0035]
模型计算时，假设基土在入冬冻结前已固结沉降完毕，计算时采用地应力平衡方法得到无自重变形条件下的初始应力分布；
[0036]
模型初始温度取2020年11月1日的日平均温度，初始含水率结合地勘成果，按数学平均的方法计算左、右岸各高程含水量，即
[0037][0038]
式中，w
0i
为高程i的初始含水量，wif和wiuf分别为i高程冻结层和未冻层的含水量，dif和diuf分别为i高程冻结层和未冻层取样厚度；
[0039]
计算得到的左、右岸各高程点的含水量见下表3，之后通过线性插值即可得到左右岸的初始含水量分布(即初始水分场)。渠底以下基土初始含水量则取左右岸最低测点含水量的均值，即27.55％；
[0040]
先获取冻土渠道右岸阴坡基土表面对流换热系数和冻土渠道左岸阳坡与渠底对流换热系数，作为模型的温度场边界，再将温度场边界代入有限元模型，利用有限元模型对冻土渠道断面进行耦合复核计算，实现对渠道冻胀破坏的计算分析。
[0041]
为试算得到对流换热系数hc的合理取值，建立铅直方向的一维基土水-热耦合模型，分析hc与冻深变化的规律；
[0042]
试算模型取土深5m，初始温度定义为16℃，初始含水量取右岸坡距坡脚的0.6m的未冻层含水量，即39.2％，环境温度取2020年11月1日～2021年1日15日的日最低温度值，对流换热系数的试算结果分别见图3和图4，计算结果表明，对流换热系数hc越大，冻深发展越快，对流换热系数hc与最大计算冻深基本呈线性关系；
[0043]
地勘断面开挖结果显示：
[0044]
渠顶地表：地面以下0.3m未冻结；
[0045]
斜坡段：距渠底坡脚4.8～1.9m段冻结层垂直坡面厚度0.20～0.22m；距渠底坡脚1.9～1.3m段冻结层垂直坡面厚度0.22～0.24m，其中距渠底坡脚1.4～1.5m段为粘性土层在坡面展布宽度；距渠底坡脚1.3～0.6m段冻结层垂直坡面厚度0.24～0.30m。
[0046]
因此，结合地勘的结果，由图4可得右岸基土与环境气温的对流换热系数取值范围为7.5～28w/(m2℃)，且右岸冻深自渠底至渠顶基本呈线性分布，因此，本次复核计算，阴坡基土的对流换热系数近似采用线性分布，通过渠道二维水热力耦合试算，选用较为满足地勘冻深的hc方程为：
[0047]
hc(y)＝28(1-0.26y)
[0048]
式中，y为以铅直向上为正的坐标轴，且y＝0对应渠底板表面高程。
[0049]
《渠系工程抗冻胀设计规范》3.1.4规定，考虑日照及遮荫程度的修正系数ψd，可根据工程地点所在维度及建筑物轴线走向，按下式计算：
[0050]
ψd＝α+(1-α)ψi[0051]
式中，ψi为典型断面(渠道走向n-s，底宽与深度之比b/h＝1.0，坡比m＝1.0)某部位的日照及遮阴程度修正系数，α为修正系数。
[0052]
由右岸对流换热系数hc的计算式，得到右岸阴面中部对应渠高y＝1.35m的对流换热系数h
c,右岸中
＝18.172w/(m2℃)，结合阴、阳坡及渠底ψd的相对比例关系，得到左岸阳坡的对流换热系数为h
c,左岸
＝6.36w/(m2℃)、渠底的对流换热系数为h
c,渠底
＝14.45w/(m2℃)。
[0053]
表1
[0054][0055]
表2
[0056] 热传导率λ体积比热容cv弹性模量e泊松比未冻土1.545.9
×
1061.5
×
1070.330冻土2.404.3
×
1064.6
×
1070.373
[0057]
表3
[0058][0059]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。