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考虑双重剪切的开放系统梯形渠道Pasternak双参数冻土地基梁模型

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工程力学 2024年第4期41卷 70-80页

作者：肖旻王正中吴浪杨晓松崔浩葛建锐江西科技师范大学建筑工程学院江西南昌330013 西北农林科技大学旱区寒区水工程安全研究中心陕西咸阳712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西咸阳712100 中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室甘肃兰州730000 塔里木大学水利与建筑工程学院新疆维吾尔自治区阿拉尔843300 兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050

Winkler冻土地基模型无法考虑土弹簧间相互作用,且需要预先假定切向冻结力分布。为克服这些不足之处,在现有模型基础上引入Pasternak剪切层反映冻土-衬砌间法向相互作用,引入切向弹簧组成的接触界面层反映冻土-衬砌间切向相互作用,构建... 详细信息

Winkler冻土地基模型无法考虑土弹簧间相互作用,且需要预先假定切向冻结力分布。为克服这些不足之处,在现有模型基础上引入Pasternak剪切层反映冻土-衬砌间法向相互作用,引入切向弹簧组成的接触界面层反映冻土-衬砌间切向相互作用,构建考虑双重剪切的梯形渠道Pasternak双参数冻土地基模型。以塔里木灌区某渠道为例计算衬砌冻胀变形,并与材料力学法、Winkler模型计算值及观测值进行对比。结果表明:与材料力学法、Winkler模型相比,该文模型计算值更接近观测值。根据该模型估算的衬砌板易开裂范围也与灌区现场调查结果相符,表明模型适用性。通过参数研究分析了界面切向刚度kx对各处切向位移及切向冻结力分布的影响。结果表明:kx越小时,切向位移与切向冻结力趋于线性分布;kx较大时,两者均偏离线性分布且kx越大偏离越明显,线性分布假设不再适用。该模型可较充分地反映冻土与衬砌板间接触界面相互作用的基本特征,从而有效提高模型的计算精度。

关键词：冻土工程渠道冻胀 Pasternak模型双重剪切开放系统

基于损伤模型的混凝土冻融循环过程数值模拟研究

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水资源与水工程学报 2024年第4期35卷 136-143,152页

作者：孟智田李宗利西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100

冻融损伤是寒区混凝土主要破坏方式之一,冻融过程是混凝土材料逐渐破坏演变的过程。引入损伤理论建立了混凝土水热力损伤耦合模型,该模型可以模拟混凝土冻融过程中水的相变、孔隙水压等变化过程,通过累积损伤真实反映破坏过程。通过与... 详细信息

冻融损伤是寒区混凝土主要破坏方式之一,冻融过程是混凝土材料逐渐破坏演变的过程。引入损伤理论建立了混凝土水热力损伤耦合模型,该模型可以模拟混凝土冻融过程中水的相变、孔隙水压等变化过程,通过累积损伤真实反映破坏过程。通过与相关文献中的试验数据对比,验证了模型的准确性,并研究了中心最低温度、降温速率以及初始孔隙率对混凝土试件冻融损伤的影响规律。结果表明:随着试件中心最低温度的降低、降温速率的增大和初始孔隙率的增大,混凝土的累积损伤值逐渐增大;损伤区虽然从混凝土试件四周逐渐向内发展,但在降温速率和初始孔隙率过大时,最大损伤区和裂缝却出现在棱角附近的试样内部,并向外部扩展,该结果解释了棱柱体混凝土冻融破坏后棱角最先掉落的现象。

关键词：混凝土冻融循环水热力耦合模型损伤有限元模拟

考虑预制混凝土“设缝”作用的梯形渠道冻胀机制影响研究

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水资源与水工程学报 2024年第1期35卷 170-176页

作者：王春霞葛建锐王正中江浩源张亚新郑健肖旻临夏回族自治州水利科学研究院甘肃临夏731100 兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050 西北农林科技大学旱区寒区水工程安全研究中心陕西杨凌712100 中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室甘肃兰州730000 江西科技师范大学土木工程学院江西南昌330038

寒区衬砌渠道输水能力下降主要是由常年冻融作用下衬砌结构发生冻胀破坏所致,针对渠道衬砌结构冻胀破坏问题提出渠坡板纵向设缝的抗冻措施与数值分析方法。本文通过将渠道衬砌板与冻土视为整体处理的方法构建混凝土衬砌渠道热力耦合冻... 详细信息

寒区衬砌渠道输水能力下降主要是由常年冻融作用下衬砌结构发生冻胀破坏所致,针对渠道衬砌结构冻胀破坏问题提出渠坡板纵向设缝的抗冻措施与数值分析方法。本文通过将渠道衬砌板与冻土视为整体处理的方法构建混凝土衬砌渠道热力耦合冻胀模型,以甘肃省景泰灌区某混凝土衬砌渠道为研究对象,考虑不同设缝措施与纵缝填充的接触本构对3种工况进行抗冻影响因素分析。结果表明:渠底深部基本不受渠道整体几何边界的影响,但渠道边界尺寸和基土热流分布均对基土上部温度场变化具有显著影响。渠道阴坡、渠底和阳坡最大冻深分别为86.3、67.5、58.2 cm。通过合理设缝措施可使渠道阴坡法向冻胀力降低40.7%、底板冻胀量减小63.5%、切向冻胀力降低43.8%,使渠道断面冻胀分布趋于均匀,且模型分析与实测结果相符,表明本文构建模型的合理性。研究结果可为长距离输水渠道数值计算提供理论依据。

关键词：热力耦合冻胀衬砌结构设缝预制混凝土梯形渠道

基于周向冻缩变形协调的衬砌渠道防冻胀纵缝计算方法

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工程力学 2023年

作者：李瀚翔王正中李理想刘铨鸿江浩源西北农林科技大学旱区寒区水工程安全研究中心

寒区渠道基土法向冻胀引起渠周收缩与刚性衬砌变形不协调，造成衬砌冻胀破坏。设置纵缝是规范中防止冻胀破坏的主要措施，但纵缝位置及宽度尚无法确定。本文在充分考虑开放与半开放环境下冻胀特点下，根据变形协调条件建立了多种典型断... 详细信息

寒区渠道基土法向冻胀引起渠周收缩与刚性衬砌变形不协调，造成衬砌冻胀破坏。设置纵缝是规范中防止冻胀破坏的主要措施，但纵缝位置及宽度尚无法确定。本文在充分考虑开放与半开放环境下冻胀特点下，根据变形协调条件建立了多种典型断面渠周冻缩量计算的数学模型，进一步通过理论推导给出了渠周收缩计算公式及分布规律，经渠道冻胀水热力耦合模型验证其正确性；给出了渠周冻缩量的计算方法及渠周冻缩率的分布规律，分析了断面冻缩敏感性；从变形协调角度给出了纵缝布置及最小缝宽的确定方法。结果表明：断面形状的冻缩敏感性为：梯形>抛物线形>弧底梯形/弧脚梯形/U形；半开放系统α中心，弧脚梯形/弧底梯形/U形渠道在直线与曲线交界处。研究可为寒区渠道防冻胀工程建设及设计规范修订提供理论参考。

关键词：渠道衬砌渠周冻缩冻胀敏感性纵缝布置纵缝宽度

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山丘区自压输水管道水锤计算与模拟方法

排灌机械工程学报 2024年第3期42卷 282-287页

作者：石晓悟何武全李渤段晓宁田雨丰西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100 旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司陕西西安710065

为了准确预测和防护山丘区自压输水管道的水锤破坏,提高管道输水的安全性和可靠性,针对山丘区自压输水管道落差大、距离长和地势起伏的特点,提出将输水管道划分为弯曲段和带倾斜角度的直管段,利用极限思想将弯曲管段基于切线的曲线拟合... 详细信息

为了准确预测和防护山丘区自压输水管道的水锤破坏,提高管道输水的安全性和可靠性,针对山丘区自压输水管道落差大、距离长和地势起伏的特点,提出将输水管道划分为弯曲段和带倾斜角度的直管段,利用极限思想将弯曲管段基于切线的曲线拟合矢量化方法,拟合为沿管道中心线具有相同过流断面的多段等效短管;采用拟合等效短管和倾斜直管相结合的方法进行水锤计算,建立了自压输水管道的数值计算模型.以陕西省千阳县一自压管道输水工程为例进行了验证分析,通过模拟管道末端阀门不同关阀时间的水锤压力变化规律,得出最优关阀时间为50 s≤T≤120 s,提出了相应的水锤防护方案.结果表明该方法的计算和模拟精度高,可为山丘区长距离自压管道输水工程建设与管理提供参考.

关键词：山丘区自压输水管道弯曲管道关阀时间水锤模拟

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寒区输水渠道衬砌与冻土相互作用的冻胀破坏试验研究

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岩土工程学报 2018年第10期40卷 1799-1808页

作者：王羿王正中刘铨鸿肖旻西北农林科技大学旱区寒区水工程安全研究中心陕西杨凌712100 西北农林科技大学水利与建筑工程学院陕西杨凌712100

寒区输水渠道冻胀破坏直接影响着工程安全及效益发挥,基土冻胀变形及其与结构相互作用共同导致衬砌冻胀破坏发生。采用低温室循环供冷,模型槽底部砂砾石层补水,设计衬砌渠道低温冻胀模型试验,研究渠基土体的温度场、水分场、变形场和衬... 详细信息

寒区输水渠道冻胀破坏直接影响着工程安全及效益发挥,基土冻胀变形及其与结构相互作用共同导致衬砌冻胀破坏发生。采用低温室循环供冷,模型槽底部砂砾石层补水,设计衬砌渠道低温冻胀模型试验,研究渠基土体的温度场、水分场、变形场和衬砌位移之间动态耦合规律,对比观测了冻融试验前后渠基土横剖面物理性状的变化。研究表明：引起基土冻胀变形的水分迁移量及结冰量受温度梯度、冻结速率控制,也受土体初始含水率的制约;渠道断面形状影响渠道的温度边界和热传导,使各部位冻结速率及冻胀变形不一致。渠基土冻结过程中兼有冻胀和挤密,土体受挤压程度同样受渠道衬砌及断面形状的影响,土体内应力复杂。渠基土冻胀与衬砌位移不协调,导致渠底衬砌与土体脱空且偏心受拉。土体冻结时与衬砌间形成接触分凝冰层,传递作用力;温升融化时,接触分凝冰层消融,表层土体强度丧失,造成渠坡滑动失稳破坏和衬砌结构大面积的滑塌。

关键词：衬砌渠道冻胀破坏模型试验水热力耦合接触分凝冰层

温-水-土-结构耦合作用下寒区梯形衬砌渠道结构形体优化

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清华大学学报（自然科学版） 2019年第8期59卷 645-654页

作者：王羿刘瑾程刘铨鸿王正中西北农林科技大学旱区寒区水工程安全研究中心旱区农业水土工程教育部重点实验室

为提高寒区大型梯形渠道结构输水及抗冻胀破坏能力,采用分层序列法构建渠道断面水力与抗冻胀双目标优化方法。为准确反映温、水、土等外环境与衬砌结构耦合作用所导致的渠道冻胀变形过程,基于冻土水-热-力耦合冻胀理论建立了衬砌渠道冻... 详细信息

为提高寒区大型梯形渠道结构输水及抗冻胀破坏能力,采用分层序列法构建渠道断面水力与抗冻胀双目标优化方法。为准确反映温、水、土等外环境与衬砌结构耦合作用所导致的渠道冻胀变形过程,基于冻土水-热-力耦合冻胀理论建立了衬砌渠道冻胀分析模型。以水力最优为第1层次优化,以所得形体几何参数作为抗冻胀优化的解集空间;在第2层次的抗冻胀优化过程中提出了衬砌结构整体刚度指标,并以整体刚度指标最小作为优化目标,以衬砌允许最大法向位移和拉应力作为约束条件;通过COMSOL软件二次开发对冻胀模型控制方程进行有限元求解。工程算例表明:优化结果体现了对渠道行水和衬砌抗冻胀的改进;与原设计相比,优化后渠道结构整体刚度系数减小30%~48%,提高了对冻胀变形的适应能力。该方法可为类似工程设计提供参考。

关键词：衬砌渠道温-水-土-结构耦合形体优化分层序列法水热力耦合理论

基于弹性薄层接触模型研究衬砌渠道双膜防冻胀布设

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农业工程学报 2019年第12期35卷 133-141页

作者：王羿王正中刘铨鸿刘月西北农林科技大学旱区寒区水工程安全研究中心旱区农业水土工程教育部重点实验室

渠道衬砌下双膜防渗层可解除渠基土冻结力,释放衬砌结构位移以适应不均匀冻胀,但会影响衬砌结构的刚度与稳定性。为研究最佳双膜防渗层布设形式及其适应性,考虑双膜防渗层接触本构及衬砌结构与渠基土的相互作用,依据基土水热力三场耦合... 详细信息

渠道衬砌下双膜防渗层可解除渠基土冻结力,释放衬砌结构位移以适应不均匀冻胀,但会影响衬砌结构的刚度与稳定性。为研究最佳双膜防渗层布设形式及其适应性,考虑双膜防渗层接触本构及衬砌结构与渠基土的相互作用,依据基土水热力三场耦合理论建立了寒区衬砌渠道的冻胀模型,通过数值模拟仿真分析了不同断面及不同双膜防渗层布设形式的弧底梯形渠道衬砌的冻胀受力与变位。结果表明:宽浅断面渠道采用双膜衬砌结构时,膜间摩擦力过小造成刚度和稳定性严重降低以及衬砌拉应力增加。适当的膜间摩擦力可以解除部分冻结约束,调整局部不均匀冻胀,而且发挥弧底反拱作用不产生拉应力。采用PE膜与无纺布作为层间接触的双膜衬砌结构,冻胀位移方差减小25%,同时整体位移增加不超过0.2cm,削减冻胀应力50%以上。在不显著降低结构整体稳定性前提下,其整体刚度和结构强度提高程度最大,故同时适用于窄深渠道和宽浅渠道。研究为寒区衬砌渠道中双膜防渗层的合理布设提供科学依据。

关键词：渠道膜防冻冻胀破坏双膜防渗层水热力耦合冻胀模型接触本构

平底抛物线形复合渠道水力最佳断面及实用经济断面统一设计方法

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水利学报 2018年第12期49卷 1460-1470页

作者：王正中陈柏儒王羿赵延风西北农林科技大学旱区寒区水工程安全研究中心陕西杨凌712100 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室陕西杨凌712100

大中型渠道常采用平底抛物线形复合渠道断面形式进行设计,但任意幂律指数的平底抛物线形复合渠道的湿周计算理论上无解析解,致使任意幂律指数的平底抛物线形复合渠道的水力最佳断面及实用经济断面无统一设计方法。现有的文献,仅研究了... 详细信息

大中型渠道常采用平底抛物线形复合渠道断面形式进行设计,但任意幂律指数的平底抛物线形复合渠道的湿周计算理论上无解析解,致使任意幂律指数的平底抛物线形复合渠道的水力最佳断面及实用经济断面无统一设计方法。现有的文献,仅研究了给定幂律指数情况下的平底抛物线形复合渠道断面,并没进行全局范围内的研究。本文首先采用高斯超几何函数给出了任意幂律指数的平底抛物线形复合渠道湿周的解析计算式,再以水面宽度与水深的比率、渠部底宽与水深的比率及水深为变量,利用拉格朗日乘数法建立了平底抛物线形复合渠道的水力最佳断面求解方程;进一步根据实用经济断面与水力最佳断面的关系建立了平底抛物线形复合渠道的实用经济断面求解方程。本文不仅给出了全范围内连续变化的任意幂律指数的平底抛物线形复合渠道的水力最佳断面及实用经济断面统一设计方法,直接计算公式及数据表格,而且得到了平底抛物线形复合渠道的水力最佳断面中的最优幂律指数为3,从而取得全局水力最佳断面。本文结果可供大中型渠道规划设计参考应用。

关键词：平底抛物线形复合渠道高斯超几何函数水力最佳断面实用经济断面明渠水力学