混凝土衬砌板渠道冻胀非线性数值模拟
杨 勇
(新疆额河建管局，新疆乌鲁木齐830000)
摘要： 中型灌区节水的主要措施是渠道防渗，提高水的利用效率。当冻土受力发生变化时，冻土的本构关系、力
学强度、弹性模量发生改变， 最后导致混凝土渠道冻胀和融沉。考虑到冻胀会出现较大的位移，混凝土本构模型
采用线性模型时误差较大， 因此从材料非线性角度出发，建立了混凝土和冻土耦合的渠道冻胀模型，对渠道冻胀
问题进行分析。计算表明：采用非线性模型得到的冻胀力比线性模型小，更能反映混凝土应力状态的真实值。
关键词：渠道；混凝土；衬砌；冻胀
中图分类号：TV91 文献标识码：A 文章编号：1672—2469(2015)10—0088-03
引 言
农业灌溉用水占全国总用水量的70％ ，大部
分农业用水采用渠道输送。研究表明，采用混凝土
衬砌渠道可以减少输送损失量的60％ 左右⋯ 。我
国西北地区较为寒冷，冬季渠道中的水分会在低温
作用下迁移并冻结，产生基土膨胀。
冻土和其他土体的区别在于冻土中含有冰介
质，当冻土受力发生变化时，冻土的本构关系、力
学强度、弹性模量发生改变，最后导致混凝土渠道
冻胀和融沉。目前，学者们对冻胀的研究已经较为
深入，冻胀理论也有：抽吸力模型、毛细模型、水
动力模型、分凝势模型等多种，其中经典理论为水
动力学模型 。本文建立了混凝土和冻土耦合的渠
道冻胀模型，对渠道冻胀问题进行分析。计算表
明：采用非线性模型得到的冻胀力比线性模型小，
更能反映混凝土应力状态的真实值。
1 力学模型的建立
参考近年来的研究进展，渠基冻结速度十分缓
慢，可视为简单的稳态导热问题。忽略凝固相变释
放的潜热和水分迁移对冻结的影响，将渠道冻土问
题视为二维平面应变问题，其热传导方程为 ：
(A )+ (A 等)=0 ( )
其中： 为温度； 为 方向的导热系数； 为Y
方向的导热系数。
结过程除了孔隙水冻结外，主要是未冻结区域在水
分流动推动力作用下向冻结锋面移动 。处于正在
冻结状态的土体与地下水位接近时，冻结强度最大，
地下水通过毛细作用给冻结土体不断提供水分。
我国西北地区的渠道混凝土冻胀破坏普遍存
在，渠道衬砌一般采用C20号混凝土，整个渠道冻
胀变形时很可能已经跨越弹性屈服阶段，因此采用
线性弹性模型对混凝土衬砌板进行计算并不合理。
当冻土受力发生变化时，冻土的本构关系、力学强
度、弹性模量发生改变，最后导致混凝土渠道冻胀
和融沉。
冻胀理论有：抽吸力模型、毛细模型、水动力
模型、分凝势模型等多种，其中经典理论为水动力
学模型。本文提出了一种非线性本构模型，将混凝
土衬砌与土体接触面的剪切应力 和切向位移作为
研究对象，采用ABAQUS软件对硬接触模型进行
修正。混凝土与土体接触面的切应力和冻结应力问
的关系为双曲线型。其计算式为

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