婁宗科，莫騰飛，張曉紅，付小軍，何武全

·農(nóng)業(yè)水土工程·

模袋混凝土襯砌梯形渠道凍脹適應(yīng)性研究

婁宗科1，莫騰飛1，張曉紅2，付小軍3，何武全1

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100；2. 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)管理總局，臨河 015000；3. 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)解放閘管理局沙壕渠試驗(yàn)站，杭錦后旗 015400）

為探明開(kāi)放系統(tǒng)條件下梯形渠道渠基土凍脹對(duì)混凝土襯砌結(jié)構(gòu)破壞規(guī)律，該文在水熱力三場(chǎng)耦合理論的基礎(chǔ)上，考慮毛細(xì)作用及薄膜水遷移理論，采用動(dòng)態(tài)變化的上下溫度邊界，利用多場(chǎng)耦合軟件COMSOL模擬了渠基土67 d的凍脹過(guò)程，得出渠基土凍脹量。在此基礎(chǔ)上，考慮模袋對(duì)凍土與混凝土間接觸行為的影響，利用有限元軟件ABAQUS模擬凍土與普通混凝土、凍土與模袋混凝土間接觸力學(xué)行為，最終得出襯砌不同位置處應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)。結(jié)果表明：在距離渠底約1/3坡長(zhǎng)處、渠底中心處凍脹量較大，渠頂處凍脹量最小；普通混凝土所能適應(yīng)的最大不均勻凍脹量為2.98 cm；模袋混凝土的使用改變了凍土與混凝土間的接觸行為，應(yīng)力最大值約為普通混凝土的1/250，季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)采用模袋混凝土可顯著提高對(duì)不均勻凍脹量的適應(yīng)性。該模擬結(jié)果與工程實(shí)際結(jié)果吻合度較好，研究結(jié)果可為開(kāi)放系統(tǒng)下季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)梯形渠道的工程設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

混凝土；渠道；模袋；水熱力三場(chǎng)耦合；接觸力學(xué)行為；凍脹破壞

0 引 言

在中國(guó)，多年凍土約占國(guó)土面積的21.5%，季節(jié)性?xún)鐾良s占國(guó)土面積的53.5%[1]。在季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)，地表層普遍存在一層凍結(jié)—融化層，當(dāng)其作為地基時(shí)，凍結(jié)融化過(guò)程直接影響著上部建筑物的安全與穩(wěn)定[2]。

渠道工程中，混凝土渠道襯砌防滲可以極大的減小渠道滲漏損失，是中國(guó)目前應(yīng)用最廣泛的節(jié)水工程技術(shù)措施[3]。在中國(guó)北方大部分地區(qū)，大量的渠系水工建筑物因厚度小、自重輕等因素對(duì)凍脹問(wèn)題十分敏感[4]。冬季，渠基土中水分場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)相互作用、相互影響，共同產(chǎn)生了不均勻凍脹[5-6]，作用在渠道襯砌上，造成襯砌開(kāi)裂，是渠道灌溉工程的主要凍害形式。模袋混凝土是中國(guó)于1985年引入的一項(xiàng)技術(shù)，本身具有整體性能好、耐磨、抗化學(xué)腐蝕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，故被廣泛應(yīng)用于護(hù)底、護(hù)坡、防滲工程中[7-8]。到目前為止，對(duì)模袋混凝土的研究多集中在力學(xué)特性探討上[9-10]，在渠道工程中考慮模袋對(duì)接觸行為影響的研究較少。

近些年來(lái)，除了對(duì)渠道工程中上部襯砌結(jié)構(gòu)的大量研究外，渠基土水熱力三場(chǎng)耦合機(jī)理、渠基土與襯砌間的接觸作用也逐漸考慮在渠道數(shù)值模擬模型中。關(guān)于三場(chǎng)耦合模型在渠道工程中的運(yùn)用，劉月等[11]根據(jù)Clapeyron方程和達(dá)西定律利用三場(chǎng)耦合軟件將相變潛熱作為材料的等效熱容加入到熱傳導(dǎo)方程中進(jìn)行模擬；王正中等[12]基于水熱力三場(chǎng)耦合理論模擬研究30組不同尺寸襯砌渠道的凍脹的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)，揭示了襯砌凍脹破壞的尺寸效應(yīng)，上述研究重點(diǎn)均放在渠基土上，未考慮襯砌與渠基土間的接觸行為。關(guān)于混凝土襯砌板與凍土間的接觸非線(xiàn)性行為，目前為止也做了大量研究[13-14]，但在模擬過(guò)程中未能考慮水分遷移的影響。前人對(duì)于模型下邊界多采用恒溫層溫度邊界，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，考慮地下水位變化對(duì)溫度場(chǎng)的影響，采用動(dòng)態(tài)變化的下溫度邊界；在計(jì)算水分驅(qū)動(dòng)力時(shí)，同時(shí)考慮毛細(xì)作用及薄膜水遷移理論來(lái)模擬渠基土凍脹量增長(zhǎng)過(guò)程。

1 凍脹模型及分析方法

渠基土在凍脹過(guò)程中水分場(chǎng)、溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)相互耦合。溫度場(chǎng)的變化使得未凍區(qū)的水分向凍結(jié)鋒面處遷移，同時(shí)產(chǎn)生大量的相變潛熱影響溫度場(chǎng)的分布；水分在溫度的作用下遷移，同時(shí)結(jié)冰形成冰透鏡體阻礙水分的遷移；在溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)的共同作用下，渠基土導(dǎo)熱系數(shù)、熱容、密度、孔隙比等特性參數(shù)均發(fā)生變化，水分結(jié)冰引發(fā)位移場(chǎng)的變化。溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)均可用偏微分方程表示，可通過(guò)COMSOL同時(shí)求解3個(gè)偏微分方程來(lái)模擬渠基土凍脹過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，將渠基土凍脹量模擬結(jié)果輸入ABAQUS有限元軟件中模擬混凝土襯砌與渠基土間的接觸力學(xué)行為。

1.1 基本假設(shè)

結(jié)合已有相關(guān)研究成果和工程實(shí)踐，為便于分析，作如下假定：

1）渠基凍土、未凍土、混凝土襯砌均為各向同性材料；

2）由于襯砌渠道沿輸水方向的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于斷面尺寸，并考慮到斷面的對(duì)稱(chēng)性，可認(rèn)為沿輸水方向的襯砌受力及渠基熱傳導(dǎo)過(guò)程均不發(fā)生變化，從而對(duì)渠道凍脹破壞的分析可簡(jiǎn)化為一個(gè)平面應(yīng)變問(wèn)題[15]；

3）不考慮水分向凍結(jié)區(qū)遷移帶來(lái)的熱量；

4）不考慮渠基上方上覆荷載作用，冰壓力取值為0。

1.2 熱傳導(dǎo)方程

在渠基土的傳熱過(guò)程中，對(duì)流換熱較小，可以忽略[16]。渠基土中瞬態(tài)熱傳導(dǎo)過(guò)程滿(mǎn)足如下偏微分方程

1.3 水分遷移控制方程

本文選用Richard方程模型來(lái)模擬非飽和土體中的水分遷移，在Richard方程中以壓力水頭的形式添加水分遷移驅(qū)動(dòng)力，Richard方程如下

滲透系數(shù)取值參照如下方程給出[17]

1.4 水分遷移驅(qū)動(dòng)力

關(guān)于土在凍結(jié)過(guò)程中的水分遷移驅(qū)動(dòng)力，到目前為止，還缺乏一種全面合理的解釋?zhuān)饕忻?xì)水遷移機(jī)制和薄膜水遷移機(jī)制2種主流理論，本文在計(jì)算水分遷移驅(qū)動(dòng)力時(shí)同時(shí)考慮薄膜水遷移機(jī)制及毛細(xì)作用。薄膜水遷移機(jī)制認(rèn)為土顆粒被水膜包圍，土中的凍脹過(guò)程造成了薄膜水的不均勻分布，水分趨向于向水膜薄的地區(qū)遷移。在一定條件下，未凍水含量和溫度是單值函數(shù)關(guān)系，故可認(rèn)為未凍水膜厚度和溫度存在函數(shù)關(guān)系。Konrad等[18]提出了溫度梯度與水分遷移通量的線(xiàn)性關(guān)系。Kay等[19]建議由溫度引起的水分遷移驅(qū)動(dòng)力可采用Clapeyron方程表示

本文主要以由溫度梯度引起的水分遷移作為水分遷移的主要驅(qū)動(dòng)力，對(duì)于毛細(xì)水遷移機(jī)制，毛細(xì)水的上升高度h可近似用下式計(jì)算[20]

式中由土顆粒的粒徑和表面粗糙程度等因素決定的系數(shù)，該地區(qū)土質(zhì)為亞黏土，參照文獻(xiàn)[21]一般黏性土孔隙比范圍0.55～1.0及毛細(xì)水上升高度經(jīng)驗(yàn)取值3～3.5 m，本次計(jì)算取10 mm2；為土體孔隙比；10為土顆粒有效粒徑，本文取0.005 mm。

1.5 應(yīng)力應(yīng)變控制方程

本構(gòu)方程

平衡微分方程

物理方程

幾何方程

當(dāng)<0℃時(shí)，由凍土凍脹引起的體積應(yīng)變

1.6 渠基土與襯砌間的接觸力學(xué)行為

當(dāng)混凝土兩側(cè)未設(shè)置模袋時(shí)，襯砌易發(fā)生凍脹破壞，為研究混凝土與凍土間的黏性本構(gòu)，本文主要采用ABAQUS中內(nèi)聚力模型[22]，包括線(xiàn)彈性階段及損傷演化下降段，彈性剛度參照文獻(xiàn)[13]取值，法向及切向峰值應(yīng)力參照文獻(xiàn)[23]取值；當(dāng)采用模袋混凝土襯砌時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)結(jié)果可知，凍脹破壞問(wèn)題可顯著改善，模袋混凝土本身并未發(fā)生凍脹破壞，產(chǎn)生裂紋。另外，與普通混凝土表面相比，模袋是土工織物，本身表面更為光潔可大幅度降低凍結(jié)力。因此，視襯砌與凍土間的接觸主要以接觸壓力及摩擦力為主，凍結(jié)力為0，采用ABAQUS中的修正硬接觸關(guān)系來(lái)模擬混凝土與凍土間的摩擦、滑移[24]，摩擦系數(shù)參照文獻(xiàn)[25]取0.5。

2 有限元模型計(jì)算及參數(shù)選取

2.1 渠道原型

本文以位于內(nèi)蒙古解放閘灌區(qū)杭錦后旗段渠道（圖 1）為原型進(jìn)行凍脹數(shù)值模擬，渠道采用C25混凝土襯砌，渠基土質(zhì)為亞黏土，土壤干密度為1.39 g/cm3，含水率為12%～15%。該渠道地處季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)，冬季溫度下降、秋澆壓鹽、停水晚，導(dǎo)致地下水位較高，加速了水分遷移并向凍結(jié)鋒面移動(dòng)，最終導(dǎo)致渠道襯砌發(fā)生凍脹破壞。凍脹量觀(guān)測(cè)通過(guò)在渠道東西坡上1/3、2/3處預(yù)埋高程點(diǎn)，并在東西渠堤上設(shè)置高程觀(guān)測(cè)基點(diǎn)，采用四等水準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，平均每15 d采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行一次預(yù)埋高程點(diǎn)的觀(guān)測(cè)。凍脹量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)從2017年12月6日到2018年2月24日，凍脹量最大出現(xiàn)在2018年2月10日，之后氣溫逐漸回升，凍土融化，故模擬從2017年12月6 日—2018年2月10日67d的凍脹過(guò)程。

圖1 原型渠道尺寸

圖2 外界環(huán)境溫度隨時(shí)間變化

2.2 下邊界條件

由圖3可以看出，地下水位線(xiàn)距離渠底較近，地下水位線(xiàn)的變化引起了渠底溫度場(chǎng)的變化，溫度梯度也隨時(shí)間變化。因此，本文根據(jù)不同時(shí)間溫度梯度選用等效原理來(lái)定義下邊界溫度，不同時(shí)間取不同的下邊界的溫度。左右邊界從襯砌邊緣分別向兩側(cè)延伸2.5 m，設(shè)置絕熱條件，下邊豎向位移為0，左右邊界水平向位移為0。以地面高程5.0 m為基準(zhǔn)點(diǎn)，下邊界地下水位線(xiàn)隨時(shí)間變化如圖3所示。

表1所示為下邊界等效溫度計(jì)算表。其中，高差為地面高程與地下水位線(xiàn)的高程差；視地下水位線(xiàn)高程處溫度為0，則溫差為地面溫度與地下水位線(xiàn)高程處溫度差值。通過(guò)溫差和高程差的比值可計(jì)算出不同時(shí)間土體溫度梯度。由于溫度梯度隨時(shí)間不斷變化，故模型下邊界無(wú)法用采用恒定溫度值。因此，以2018年2月10日地下水位線(xiàn)處溫度為0，推算不同時(shí)間相同高程處溫度值。其中，等效高差為不同時(shí)間地下水位線(xiàn)高程與2018年2月10日地下水位線(xiàn)高程差值，根據(jù)等效高差和溫度梯度的乘積可得出不同時(shí)間相同高程處等效溫度值。

圖3 地下水位線(xiàn)隨時(shí)間變化

表1 下邊界等效溫度計(jì)算

2.3 有限元模型計(jì)算與參數(shù)選取

分別在有限元分析軟件中設(shè)置溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)3個(gè)物理場(chǎng)的接口，以求解微分方程的形式來(lái)模擬凍土中的物理現(xiàn)象。圖4所示為COMSOL中有限元模型，單元總數(shù)為1 176，其中四邊形單元數(shù)為1 172，三角形單元數(shù)為4。ABAQUS中有限元單元類(lèi)型為CPS4R，單元總數(shù)為3 454，其中四邊形單元數(shù)為3 452，三角形單元數(shù)為2。渠基土中溫度場(chǎng)的改變、毛細(xì)作用為水分遷移提供了源動(dòng)力，水分在遷移過(guò)程中凝結(jié)成冰，產(chǎn)生相變潛熱，反過(guò)來(lái)影響渠基土中的溫度場(chǎng)。渠基土在向下凍結(jié)過(guò)程中，凍脹引起土體的體積應(yīng)變，造成了土體性質(zhì)的改變，導(dǎo)熱系數(shù)、熱容、土的密度、孔隙比等參數(shù)均可設(shè)置為隨凍結(jié)過(guò)程不斷改變的變量。

圖4 渠道有限元網(wǎng)格

本文將混凝土、凍土、未凍土均看作各向同性材料，混凝土彈性模量取值為2.8×104MPa。凍土彈性模量隨溫度變化而變化，取值參照文獻(xiàn)[26]，未凍土彈性模量取15 MPa。

表2 材料計(jì)算參數(shù)

結(jié)合文獻(xiàn)[11,28]，表2為材料參數(shù)取值；混凝土損傷破壞準(zhǔn)則及物理力學(xué)參數(shù)取值參照文獻(xiàn)[14]。在有限元軟件中，混凝土材料定義了一種基于塑性的連續(xù)介質(zhì)損傷模型，可模擬混凝土材料的拉裂和壓碎等力學(xué)性能，該模型基于各向同性損傷彈性和結(jié)合各向同性拉伸和壓縮塑性的模式來(lái)表示混凝土的非彈性行為。其本構(gòu)方程為

3 結(jié)果與分析

3.1 基土法向凍脹量分布規(guī)律

距離渠底2/3坡長(zhǎng)、1/3坡長(zhǎng)處渠基土凍脹隨時(shí)間變化如圖5所示。由圖5可知，凍脹量隨時(shí)間變化模擬值與實(shí)測(cè)值趨勢(shì)基本相同，說(shuō)明采用動(dòng)態(tài)變化的上下溫度邊界是合理的。

圖5 凍脹量模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

基土各點(diǎn)法向凍脹量的分布規(guī)律如圖6所示。渠道相對(duì)周長(zhǎng)為渠基土各點(diǎn)距左側(cè)渠頂處水平距離與渠道水平總長(zhǎng)比值。取凍脹量實(shí)測(cè)值與模擬值間差值與實(shí)測(cè)值的比值作為相對(duì)誤差，西坡上1/3坡長(zhǎng)、下1/3坡長(zhǎng)、東坡下1/3坡長(zhǎng)處相對(duì)誤差分別為5.80%、0.00、3.95%。模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差較小，說(shuō)明本文計(jì)算法向凍脹量時(shí)所用的水熱力耦合模型是合理的。由圖6可以看出，基土凍脹量在距離渠底1/3坡長(zhǎng)處達(dá)到最大，其次為渠底襯砌中心，在渠頂處凍脹量最小，襯砌在渠坡、渠底處最大法向位移分別為8.37、7.77 cm，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本符合。渠基土凍脹量的大小與溫度、水分、土質(zhì)等諸多因素有關(guān)，負(fù)溫和水分對(duì)渠基土的共同作用造成了土體的凍脹。渠頂處溫度較低，水分含量少且補(bǔ)給不充足，凍脹量較??；渠底處設(shè)置混凝土襯砌，負(fù)溫傳導(dǎo)慢，溫度高，水分含量大且補(bǔ)給充足，凍脹量較?。辉诰嚯x襯砌板下邊界約1/3坡板長(zhǎng)處，溫度既可通過(guò)襯砌向基土傳遞，也可通過(guò)基土向該處傳遞，造成該處溫度較低，水分含量大且補(bǔ)給充足，在低溫和充足水分的共同作用下，該處凍脹量較大。本次模擬實(shí)例中地下水位較淺，在毛細(xì)作用和溫度梯度的共同作用下，水分能源源不斷的向凍結(jié)鋒面處遷移，但水分在凍結(jié)過(guò)程中發(fā)生相變產(chǎn)生熱量，在一定程度上阻礙了凍脹的進(jìn)行。

圖6 基土各點(diǎn)法向凍脹量分布

實(shí)測(cè)值分別取距離渠頂1/3、2/3坡長(zhǎng)處凍脹量，由圖6可以看出，與實(shí)測(cè)值相比，模擬值在距離渠底略小于1/3坡長(zhǎng)處法向凍脹量達(dá)到最大。這可能由于：水分在由地下水位線(xiàn)向凍結(jié)鋒面遷移時(shí)本身會(huì)攜帶熱量，本文未考慮水分自身攜帶熱量，故凍脹量最大出在距離渠底略小于1/3坡長(zhǎng)處。

3.2 普通混凝土對(duì)不均勻凍脹量適應(yīng)性

研究地區(qū)設(shè)置普通混凝土襯砌時(shí)，在渠基土凍脹、凍結(jié)作用下，襯砌下表面受壓，上表面受拉，而混凝土抗拉強(qiáng)度小于抗壓強(qiáng)度，多為上表面受拉破壞，因此，僅需分析上表面應(yīng)力分布即可。將距離渠底約1/3坡長(zhǎng)處最大法向凍脹量與渠頂處最小凍脹量的差值作為不均勻凍脹量，均勻增加該位置處凍脹量，以混凝土襯砌進(jìn)入塑性損傷階段為破壞標(biāo)準(zhǔn)，求解普通混凝土襯砌所能適應(yīng)的最大不均勻凍脹量。

圖7a為COMSOL輸出凍脹量結(jié)果后以位移荷載形式施加在襯砌上后，混凝土襯砌上表面應(yīng)力的分布規(guī)律。由圖可知，渠頂處應(yīng)力最小，隨著深度增加，襯砌上表面應(yīng)力逐漸增加，坡腳處降低后又沿渠底逐漸升高。在渠頂、渠底凍結(jié)力、凍脹力的作用下，距離渠底約1/3坡長(zhǎng)處、渠底中心處襯砌上表面應(yīng)力最大值分別為1.399、1.402 MPa。工程實(shí)際中，梯形渠道襯砌在距離渠底約1/3坡長(zhǎng)處、渠底中心處易發(fā)生破壞，故接觸模型選取合理。

圖7b所示為混凝土襯砌在進(jìn)入塑性損傷階段時(shí)上表面應(yīng)力分布，此時(shí)最大不均勻凍脹量為2.98 cm。該分布規(guī)律與圖7a基本相似，但距離渠底約1/3坡長(zhǎng)處應(yīng)力明顯增大，襯砌上表面達(dá)到抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致了混凝土的受拉破壞。

3.3 模袋混凝土上表面應(yīng)力分布規(guī)律

圖8所示為設(shè)置模袋混凝土后襯砌上表面應(yīng)力分布規(guī)律。由圖8可知，當(dāng)相對(duì)周長(zhǎng)為0.1、0.3時(shí)，應(yīng)力較大，最大為5.6 kPa。加入模袋以后，混凝土襯砌與凍土間不存在凍結(jié)力作用，在相互擠壓作用下產(chǎn)生壓力與摩擦力，與普通混凝土襯砌相比，襯砌上表面應(yīng)力大幅度降低，襯砌在凍土表面發(fā)生摩擦滑動(dòng)，釋放了應(yīng)力。與不加模袋相比，加入模袋后最大應(yīng)力大幅度降低，約為普通混凝土的1/250；另一方面，加入模袋以后，混凝土抗拉強(qiáng)度提升10%[29]，進(jìn)而提升了凍脹適應(yīng)性。因此，模袋混凝土可有效提高凍脹適應(yīng)性。

圖7 普通混凝土襯砌上表面應(yīng)力分布

圖8 模袋混凝土襯砌上表面應(yīng)力分布

4 結(jié) 論

1）按照設(shè)置模袋混凝土襯砌和普通混凝土襯砌2種情況對(duì)梯形渠道進(jìn)行水熱力三場(chǎng)耦合模擬。結(jié)果顯示：模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較吻合，基本反映了梯形渠道渠基土凍脹分布規(guī)律；梯形渠道距離渠底略小于1/3坡長(zhǎng)處凍脹量最大，最大凍脹量為8.37 cm，其次為渠底中心，渠頂處凍脹量最小。

2）在上部襯砌結(jié)構(gòu)模擬時(shí)考慮了渠基土與襯砌間的接觸力學(xué)行為，可以完整地分析基土與襯砌間接觸力學(xué)行為。結(jié)果顯示：混凝土襯砌在凍結(jié)力的作用下，凍脹量最大值出現(xiàn)距離渠底約1/3坡長(zhǎng)處，隨著該位置處凍脹量的增大，襯砌逐漸進(jìn)入塑性損傷階段并產(chǎn)生破壞，混凝土所能適應(yīng)的最大不均勻凍脹量為2.98 cm。

3）當(dāng)采用模袋混凝土襯砌時(shí)，一方面模袋的加入增強(qiáng)了混凝土的抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而提高了襯砌對(duì)渠基土凍脹適應(yīng)性；另一方面，模袋改變了混凝土與凍土間的接觸本構(gòu)，釋放了凍結(jié)力，可大幅度降低襯砌本身應(yīng)力，應(yīng)力最大值約為普通混凝土的1/250。因此，季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)采用模袋混凝土可顯著提高對(duì)不均勻凍脹量的適應(yīng)性。

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Research on adaptability of using molded bagged concrete to ameliorate heave in trapezoidal concrete channel

Lou Zongke1, Mo Tengfei1, Zhang Xiaohong2, Fu Xiaojun3, He Wuquan1

(1.,,712100,; 2.,015000,; 3.,015400,)

Concrete channel could heave and even fail in winter under the combined impact of frozen-thawing, temperature fluctuation and mechanical stresses. Understanding the mechanisms underlying the failure of lining structure of the concrete channel is hence important. Taking trapezoidal concrete channel as an example, a numerical model was developed in this paper based on heat-moisture-stress theory, capillary force and water flow in soil to calculate the impact of these factors on concrete channel. In the model, the temporal change in temperature on the channel surface was treated as the top boundary and the groundwater table as the bottom boundary where the temperature remains stable. The multifield coupling software COMSOL was used to simulate potential occurrence of heaves in soil induced by frost. We simulated a 67-day heaving process induced by frost in the foundation soil and obtained the final heave simultaneously by solving the partial differential equations in COMSOL. Based on the results, the finite element software ABAQUS was used to simulate the nonlinear mechanical behavior of the contacts between the concrete lining and the soil, as well as the contacts between the molded bag concrete and the soil using different contact models. The stress and displacement at different location on the contacts were calculated using the ABAQUS. The result showed that: 1) the frost-induced heave varied spatially in the channel. The worst occurred at the center of the channel bottom and on the 1/3 the slope length (measured from the slope tip), and the least was on the top of the channel. 2) If the failure criterion was defined as when the concrete lining reached its plastic stage, the maximum non-uniform heave calculated by the ABAQUS was 2.98 cm for the traditional concrete lining. 3) Compared with traditional concrete lining, the molded bag concrete substantially reduced the force between the lining and the soil. This changed the mechanical behavior of their contact, thereby effectively reducing the stress on the molded bag concrete lining. The maximum stress on the top surface of the molded bag concrete lining was only 1/250 that in the traditional concrete lining, effectively improving its adaptability to uneven frost heave in seasonal frozen soil. The simulation results are in good agreement with experimental data and have implications for designing trapezoidal channels in seasonal frozen regions.

concrete; channel; mold bag; three-field coupling of hydrothermal force; contact mechanical behavior; frost heaving damage

婁宗科，莫騰飛，張曉紅，付小軍，何武全. 模袋混凝土襯砌梯形渠道凍脹適應(yīng)性研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(24)：74－80. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.009 http://www.tcsae.org

Lou Zongke, Mo Tengfei, Zhang Xiaohong, Fu Xiaojun, He Wuquan. Research on adaptability of using molded bagged concrete to ameliorate heave in trapezoidal concrete channel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 74－80. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.009 http://www.tcsae.org

2019-07-01

2019-11-28

“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0400203)

婁宗科，教授，主要從事水工材料與渠道防滲抗凍脹研究。Email：slxlzk@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.009

TV91

A

1002-6819(2019)-24-0074-07