基于ABAQUS软件的矩形渠道冻胀数值模拟

李 斌

(阜康市九运街镇农业(畜牧业)发展服务中心，新疆 阜康 831501)

0 引 言

在北方季节性冻土地区，冬季第四纪表土的冻结深度大，渠系工程普遍存在开裂、隆起、坍塌等现象，冻胀破坏问题严重，降低了渠化工程的利用率，缩短了渠道衬砌的正常使用寿命，后期渠化工程的修复将增加相当大建设成本[1]。渠道衬砌体下的土体冻胀是引起渠道衬砌冻胀破坏的主因，由于第四纪表层土体发生冻胀效应，将导致渠道衬砌体受到强烈的挤压破坏作用。一般而言，渠道衬砌体下部位的第四纪表土层内的水分含量越高，则土体的冻胀量越大[1]。当渠基土所处位置的水位较高，甚至地下水位高于渠道底部时，渠道衬砌体的冻胀破坏问题最为严重。

1 工程概况

矩型渠具有易安装、施工周期短、工作期限长、灌溉用水效率高、抗冻性强、工程成本低等优点，可显著节约建设成本。在节水灌溉方面能提高、保证灌区粮食产量与安全，可带来巨大的社会效益。常用的薄壁U型渠混凝土强度范围在C15～C20，抗冻胀性低于F150，在寒区使用强度偏低，U型渠的混凝土强度指标与抗冻胀性指标很难在寒冬低温条件下正常运行。为保证矩型渠低温条件下正常运行，新疆阜康某地区薄壁U型渠的混凝土强度设计为C50，抗冻性设计为F300。图1为矩型砼渠断面图，表1为矩型砼渠参数表。

图1 矩型砼渠断面图

表1 矩型砼渠参数表

2 常用的防冻胀措施

针对渠道衬砌体的防冻胀工程措施，一种思路是从源头上消除土体冻胀的成因，即对渠基土进行换填及加固处理；另一种思路是提高渠道衬砌适应变形和抗冻胀力的能力[3]。

2.1 渠基土的换填及加固处理

置换渠基土是把冻深范围内的土体全部置换为非冻胀性土体。一般弱冻胀性材料的换填厚度根据水位深度、土壤类型确定。弱冻胀性材料一般为土砂砾石、风积砂，置换后的非冻胀性土体可以降低原土体的冻胀量。渠基土加固处理分为压实处理和化学处理两大类，压实处理的原理是降低土壤孔隙率，增加密度，减弱水分渗透性；化学处理的原理是降低土体中水的结冰点或者增强土体的憎水性，具体方式是把氯化钙、三磷酸钠、氯化钠等化工材料置埋入原土体层内[4]。

2.2 保温隔热措施

保温隔热措施是在渠道衬砌体底部及地表面铺设具有导热系数低、强度大、耐久性好、吸水率低等优点的保温材料。常用的保温隔热材料有泡沫水泥、聚苯乙烯泡沫板、膨胀珍珠岩和炉渣。其中，EPS颗粒轻质土垫层(聚苯乙烯泡沫)具备导热系数低、吸水率低和运输方便等优点，能够起到很好的保温防冻胀作用，在季冻区应用较为广泛。

EPS是一种化学稳定性强的高分子合成材料，是发泡聚苯乙烯(Expanded Polystyrene)的简称，采用聚苯乙烯树脂加入发泡剂加热软化，产生气体的发泡树脂[5]。EPS材料具有轻质、低密度，同时兼具耐压缩性、耐水性的优势，同时EPS垫层施工简单、快速、无需大型施工机械。

3 建立数值模型

3.1 ABAQUS软件介绍

ABAQUS是SIMULIA公司开发的有限元软件，是一种将偏微分方程(组)离散化的数值求解方法。ABAQUS功能强大，其内置金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等各类材料模型库，既可以模拟复杂的非线性应力、位移问题，又可以模拟热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、流体渗透 、应力耦合分析[6]。本文采用ABAQUS有限元软件求解出温度场，之后再求解位移场。本文数值模拟温度曲线的控制随时间而变化属于瞬态温度场，分别对4种不同掺量EPS颗粒轻质土垫层的冻结特性进行数值模拟。

3.2 有限元模型

模型EPS(发泡聚苯乙烯)颗粒轻质土垫层厚度为1.5 m，渠道两侧土取0.92 m，钢筋居中布置，其中分布筋与受力筋的规格型号分别为8φ4@ 260和9φ4@175。当进行温度场模拟时，三维钢筋部件设置surface属性，钢筋与矩形渠进行(tie)连接，进行位移场分析时，采用Rebar layer设置配筋层[7]，之后采用Embedded region命令将钢筋嵌入混凝土矩形渠中。三维钢筋网的有限元模型及模型整体有限元模型见图2、图3。

图2 三维钢筋网的有限元模型

图3 矩形渠模型整体有限元模型

3.3 单元网格的划分

合理的单元网格划分不仅能提高模型的模拟精度，而且能缩短模拟时间[7]。由于矩形渠底拐角处弯矩较大，故在此处网格划分时对渠底拐角处网格加密，网格尺寸设置为0.01 m，渠底板与渠两侧填土网格尺寸分别设置为0.027和0.06 m。模型沿Z方向的网格尺寸为0.1 m，分布筋为了尽量保持和模型网格一致，网格尺寸也为0.1 m；受力筋网格划分方法与矩形渠一致，同样底板拐角处加密网格，尺寸为0.18 m。见表2。

表2 模型各材料的热学参数

续表2

4 模拟结果分析

分别对无垫层、2% EPS垫层、3% EPS垫层和4% EPS垫层4种情况下的最大冻深温度场、最大融深温度场、位移场进行模拟，比较不同掺量EPS颗粒轻质土情况下的冻胀量变化。

4.1 温度场模拟分析

为了研究冻融循环过程中土体的冻结融化规律，对模型冻融过程中的最大冻深和最大融深温度场进行模拟。见图4-图7。

图4 原始垫层土模型温度场

图5 2% EPS颗粒轻质土垫层模型温度场

图6 3% EPS颗粒轻质土垫层模型温度场

图7 4% EPS颗粒轻质土垫层模型温度场

由图4-图7可知，最大冻深温度场模型从上到下温度呈升高态势；最大融深温度场模型从上到下温度先下降而后升高，且在垫土层内出现了低温夹层。通过分析可知，渠基土的冻结融化过程属于单向冻结、双向融化。对比原始状态土层，掺入EPS颗粒的轻质土垫层的土体冻深要显著下降，表明EPS颗粒轻质土垫层产生了较为显著的保温效应。通过对比2% EPS垫层、3% EPS垫层和4% EPS垫层的模拟云图可知，随着EPS颗粒轻质土掺量提高，土体的冻结深度变小，表明提高EPS颗粒轻质土掺量比例，可以显著降低土体的冻深，最终提高渠基土层的保温效果。

4.2 冻结融化深度分析

为了更好分析冻结融化规律，根据温度场云图中的冻深和融深数据，绘制不同时段的冻深和融深值曲线图，见图8。

图8 冻结融化曲线

由图8冻结融化曲线图可知，t=270 h时，对应有最大冻深值，随后土体进入融化状态，冻结深度呈现减小趋势，融化深度慢慢增大。t=330 h时，冻结深度等于融化深度，标志着土体呈现出完全融化状态。原始土垫层、2%EPS垫层、3%EPS垫层、4%EPS垫层最大冻深分别为108、98、78和66 cm，整体呈现出减小的态势，表明EPS颗粒轻质土比例越高，土体冻深越小，保温效果越好。

4.3 位移场分析

采用顺序热应力耦合理论计算模型的位移场，不同时刻模型的不同垫层冻胀融沉量对比见图9。

由图9可知，在整个冻融过程中，不同比例掺入量的EPS颗粒轻质土垫层，土体的冻胀量表现出相同发展态势。t=20 h时，土体开始冻结，3种比例掺入量的EPS颗粒轻质土垫层都出现了冻胀量。原始土垫层、2%EPS垫层、3%EPS垫层、4%EPS垫层最大冻胀量分别为27.2、13.5、10.5和6.5 mm，残余变形量分别为7.9、7.5、7.1和3.5 mm。不论是最大冻胀量还是残余变形量，都随着掺入EPS颗粒量比例的增大呈现下降趋势。t=270～280 hd的时间范围内出现了最大冻胀量，随着时间延长，土体进而开始融化，直至完全融化。见表3。

图9 冻胀量变化曲线

表3 不同掺量EPS颗粒轻质土模型的冻胀融沉量

5 结 论

1) 模型最大冻深温度从上到下温度呈升高态势；最大融深温度场模型从上到下温度先下降而后升高。渠基土的冻结融化过程属于单向冻结、双向融化。对比原始状态土层，掺入EPS颗粒的轻质土垫层的土体冻深要显著下降。随着EPS颗粒轻质土掺量提高，显著降低了土体的冻深，提高了渠基土层的保温效果。

2) 原始土垫层、2%EPS垫层、3%EPS垫层、4%EPS垫层最大冻深分别为108、98、78和66 cm，整体呈现出减小的态势。EPS颗粒轻质土比例越高，土体冻深越小，保温效果越好。

3) 原始土垫层、2%EPS垫层、3%EPS垫层、4%EPS垫层最大冻胀量分别为27.2、13.5、10.5和6.5 mm，残余变形量分别为7.9、7.5、7.1和3.5 mm。不论是最大冻胀量还是残余变形量，都随着掺入EPS颗粒量比例的增大呈现下降趋势。