L型渠道結構凍脹數值模擬分析

李 斌

(阜康市九運街鎮農業(畜牧業)發展服務中心，新疆 阜康 831501)

0 引 言

新疆冬季低溫時期，渠系建筑物普遍存在開裂、隆起、坍塌等凍脹破壞現象，預制板出現不同程度的架空、穿插、錯位現象，嚴重影響渠道工程的綜合利用率，縮短了渠道襯砌的正常使用壽命，造成較大的經濟損失[1]。為了保證渠道工程安全過冬，必須了解渠道工程的凍脹破壞機理和防凍脹措施。一般而言，渠道襯砌的凍脹破壞力來源于渠基土體凍脹體積發生膨脹后對襯砌體的擠壓效應。渠基土層內的水分含量多少是引起渠道襯砌凍脹破壞的主要因素，水分含量越高，凍脹量越大，若渠基地下水位高于渠道底部，渠道凍脹破壞更為嚴重[2]。見圖1。

圖1 渠系建筑物凍脹破壞現象

1 工程概況

新疆阜康地區農田水利工程中，多數干渠輸水量較大，冬季嚴寒季節時期對渠道的抗凍脹性能要求較高，但現有輸水渠冬季出現開裂、隆起、坍塌的現象頻繁。為保證阜康地區渠道工程安全度冬，引進了組合式L型渠道襯砌結構。組合式L型渠道襯砌結構由兩個獨立的L型部分和現澆底板組成，利用長60 cm的錨固筋連接L型部分和現澆底板。本文采用 4% EPS顆粒輕質土墊層作為保溫措施，渠底部鋪設厚20 cm墊層。預制L型砼結構材質為C50混凝土，底板澆筑C25混凝土。渠道內布置HPB335鋼筋，鋼筋保護層設置為25 mm砼，現澆底板上下分別布置15根B10鋼筋。預制的L型渠與現澆底板之間由上下兩層各15根B16鋼筋連接，圖 2為組合式L型渠道斷面示意圖。

圖2 組合式L型渠道斷面(單位：mm)

2 凍脹破壞分析

凍脹主要由土的凍結造成體積膨脹，這是季節性凍土區常見病害。渠基土凍脹分為原位凍脹和分凝凍脹兩大類，其中原位凍脹指凍結鋒面前進過程和已凍土繼續降溫過程中，正凍土中的孔隙水或已凍土中的未凍水原位凍結，造成體積增大9%；分凝凍脹指土體凍結以后，由于土顆粒表面能的作用，土中始終存在未凍結的薄膜水。在溫度梯度的誘導下，薄膜水會從溫度高處向溫度低處遷移，正是由于水的抽吸作用使水分集聚在前進的凍結鋒面后方并凍結，分凝成冰透鏡體。分凝凍脹過程造成體積增大1.09倍[3]。混凝土襯砌渠道凍脹破壞主要原因由渠基土的水分條件和土體凍結特性導致，其次是渠道襯砌的結構形式和襯砌材料，現場氣候、地質和水文條件的不同也會導致渠道的襯砌凍脹破壞程度不同。

3 有限元模型建立

3.1 ABAQUS軟件介紹

ABAQUS是SIMULIA公司開發的有限元軟件，是一種將偏微分方程(組)離散化的數值求解方法。ABAQUS功能強大其內置金屬、橡膠、高分子材料、復合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等各類材料模型庫，既可以模擬復雜的非線性應力、位移問題，又可以模擬熱傳導、質量擴散、熱電耦合分析、聲學分析、流體滲透、應力耦合分析。ABAQUS軟件第一步對土體的溫度場進行模擬，分析土體凍脹規律[4]；第二步利用順序熱應力耦合的方法，分析整個模型的位移場和應力場。本文的主要模擬內容為凍融循環后的殘余變形及L型渠結構的應力分布。

3.2 有限元模型

模型中土層厚、渠兩側渠土體寬分別為7.6和4.0 m，渠內布置的鋼筋型號為HPB335。第一步模擬溫度場，鋼筋與L型渠結構的連接采用tie方式；第二步是模擬位移場、應力場，鋼筋采用Embedded region命令嵌入混凝土L型渠結構中[5]，L型渠結構有限元模型見圖3。

鑒于L 型渠道渠底拐角處及渠底彎矩較大，故此處網格劃分必須加密，受力筋的網格劃分與L型渠一致，為保證土體的連續性，墊層網格分段劃分[6]。第一步將渠道底板溫度設置為8℃，先進行凍融循環模擬，土體底部模型左右兩側Y向、X向均約束，模型前后Z向約束，鋼筋與L型渠間tie連接，鋼筋用Embedded region命令嵌入L型渠結構中[7]。

圖3 L型渠結構有限元模型

3.3 模型參數設置

L型渠道結構與現澆底板結構分別采用 C50 混凝土和C25 混凝土，鋼筋全部采用HPB335低碳鋼，屈服強度 3.0×108Pa ，墊層取4% EPS顆粒輕質土材料。見表1。

表1 模型材料參數

4 模擬結果分析

采用4% EPS 顆粒輕質土墊層作為模型的模擬保溫材料，模擬第一階段是模擬溫度場，為分析凍融深的變化規律，溫度場主要的研究類型為模型的最大凍深和最大融深兩大類；第二階段為了分析凍融循環后的殘余變形和殘余應力，主要研究位移場和應力場。由于L型渠經歷多次凍融循環，本文進一步分析多次凍融循環后L型渠的殘余變形及殘余應力。

4.1 溫度場模擬

圖4與圖5為最大凍深和最大融深時模型的溫度場分布云圖。模型土體底部初溫設置為8℃，從圖4最大凍深模擬可知，渠道基層土體凍結呈現單向發展態勢，即渠道基層土體溫度自上而下表現出逐漸升高的態勢；從圖5最大融深模擬可知，渠道基層土體融化呈現雙向發展態勢，即渠道基層土體溫度自上而下表現出先降低后增大的態勢；當采用4% EPS顆粒輕質土保溫墊層后，此刻土體最大凍結深度為100 cm。

圖4 最大凍深溫度場

圖5 最大融深溫度場

由溫度場結果繪制整個凍融過程的凍結融化曲線，見圖6。由圖6可知，時間為20 h時，渠道基層土體出現凍結狀態，之后隨溫度降低，凍結深度逐漸增大；時間為270 h時，渠道基層土體出現100 cm的最大凍結深度，在這之后基層土體出現融化；時間為330 h時，渠道基層土體凍結深度等于融化深度，其中最大融深大約68.5 cm。溫度低于0℃時，土體開始凍結，隨著溫度降低凍深逐漸增大，最大凍深接近0℃處。

圖6 一次凍融循環凍結融化曲線圖

4.2 位移場分析

引起L型渠結構變形的主要原因：①由于土體的凍脹變形；②由于混凝土材料的凍脹變形。從圖7和圖8可知，土體凍脹量在渠道基層土體到達最大凍深前隨溫度降低呈現增大態勢。在凍土融化期間土體出現融化沉降狀況，整個過程沒有出現凍縮現象，20 h時基層土層出現凍脹狀況，且隨溫度下降，凍脹量逐漸增大；270 h時基層土層的凍脹量達到18.7 mm，之后渠道基層土層進入融化狀態，凍脹量開始下低；當時間大于300 h后土體凍脹量變化不大，表明第一個凍融循環結束，此時土體的殘余變形量達到7 mm。

圖7 一次凍融循環后的豎向位移圖

圖8 一次凍融循環凍脹量變化曲線

4.3 應力場分析

預制L型渠道砼結構混凝土標號為C50，現澆底板混凝土標號為C25。為了研究L型渠道在阜康地區冬季使用的安全性，主要研究分析預制L型結構、現澆底板和鋼筋的應力狀況。見圖9、圖10。

圖9 渠內鋼筋的軸向拉應力

圖10 L型渠道結構應力云圖

由圖9、圖10可知，L型渠道結構的最大拉應力出現在底板上部位置，約0.65 MPa，而C25標號的混凝土試驗室內測得的抗拉強度為1.28 MPa，所以現澆底板位置不會破壞，冬季低溫環境下使用較穩定。L型結構的底板拐角處出現最大拉應力約0.50 MPa，小于C50混凝土的強度設計值。綜上所述，L型渠殘余應力值小于混凝土的強度設計值，可以保證冬季阜康低溫環境下渠道的安全可靠運行。L型渠道內軸向鋼筋為HPB335低碳鋼，實驗室內測得鋼筋的抗拉、抗壓強度值為300 MPa，模擬測得受力鋼筋最大軸向拉應力值為10.9 MPa，分布筋受壓，最大壓應力值為46.5 MPa。綜上所述，鋼筋的最大拉應力與最大壓應力值均小于300 MPa，即說明鋼筋在凍融循環下無塑性變形，也保證了冬季阜康低溫環境下渠道的安全可靠運行。

5 結 論

1) 采用4% EPS顆粒輕質土保溫墊層后，渠道基層土體凍結呈現單向發展態勢，溫度自上而下表現出逐漸升高的態勢；渠道基層土體融化呈現雙向發展態勢，溫度自上而下表現出先降低后增大的態勢；土體最大凍結深度為100 cm。

2) 土體凍脹量在渠道基層土體到達最大凍深前隨溫度降低呈現增大態勢。在凍土融化期間土體出現融化沉降狀況，整個過程沒有出現凍縮現象，基層土層最大凍脹量達到18.7 mm，凍融循環結束時土體的殘余變形量達到7 mm。

3) L型渠道結構的最大拉應力出現在底板上部位置，約0.65 MPa，小于C25混凝土抗拉強度；L型結構的底板拐角處出現最大拉應力約0.50 MPa，小于C50混凝土的強度。L型渠道內軸向鋼筋最大軸向拉應力、最大壓應力值均小于鋼筋的抗拉、抗壓設計強度值，可以保證冬季阜康低溫環境下渠道的安全可靠運行。