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对于季节性冻胀地区,渠道冻害是影响渠道防渗衬砌工程运行的主要问题。渠道衬砌工程的冻胀机理及相关参数对于衬砌结构抗冻胀性能的影响规律是渠道衬砌工程中急需解决的重要技术问题之一。针对宁夏地区典型U形渠道衬砌特点,本文依据冻土物理学、有限元理论、弹塑性力学、结构力学等相关学科的基础理论,采用试验及数值模拟方法,对U形渠道衬砌冻胀机理及影响U形衬砌抗冻胀性能的相关参数进行了分析研究。提出了典型土质下U形渠道衬砌冻胀敏感性预测模型,修正并验证了 U形渠道衬砌数值模型并分析了不同参数对U形混凝土衬砌抗冻性能的影响规律。主要研究结论及成果包括:(1)建立了一种U形混凝土衬砌渠道冻胀特性的连续观测试验方法,建立了混凝土衬砌渠道渠基不同位置冻胀量观测系统,渠基不同位置土壤水分观测系统,确定了影响衬砌不同位置冻胀力观测系统的平面布置和横断面布置特征,研发了混凝土衬砌渠道冻胀特性的观连续观测设备和方法。(2)探讨了渠基季节性冻融土壤基本物理特性、土壤热流、水分迁移方程及水热耦合基本方程影响因素,探明了 U形渠道渠基土壤冻结温度及未冻水分的变化规律、渠基土壤不同部位在不同深度范围内的温度及未冻水变化规律及分布特征。建立了典型土质条件下土壤未冻水含量与温度之间的关系模型。(3)揭示了 U形渠道在典型土质条件下,渠基不同深度范围内的温度、水分与冻胀率的相关度及变化规律,以及U形混凝土衬砌所受冻胀力与渠基土壤冻胀率的相关度及变化规律。建立了典型土质条件下渠基土壤冻胀敏感性及渠道衬砌所受冻胀力预测模型。(4)通过混凝土材性试验,对宁夏常用混凝土衬砌进行了数值模型基本参数的修正,并应用大型有限元分析软件ADINA建立U形混凝土衬砌弥散型裂缝分析模型。验证了弥散型裂缝数值分析的可行性,提出了分析U形衬砌在冻胀力作用下的数值模拟非线性分析方法。(5)结合我国现行渠道衬砌设计的相关规范并利用弥散型裂缝模型,揭示了 U形混凝土衬砌的材料强度等级、U形衬砌结构倾角以及衬砌厚度等不同参数的混凝土衬砌在冻胀力作用下的力学响应规律及参数对衬砌抗冻胀性能影响规律,提出了通过衬砌抗冻胀系数判断U形衬砌抗冻胀性能的方法。