土壤的冻胀过程是非线性的,同时衬砌结构的受力变形也是非线性的。在冻胀力作用下,渠道的结构会发生非线性变形,包括弯曲、剪切和扭转等,在寒冷地区的渠道中尤为突出。因此,需要准确地模拟和分析冻胀过程。在此背景下,进行弹性地基双层梁理论下寒冷地区衬砌渠道冻胀力学模型研究。该研究对问题进行了合理简化和抽象,以便更好地建立数学模型,设置了基本假设。采用弹性地基双层梁理论的思路,可以将衬砌渠道简化为一个弹性双层梁结构并建立3个力学方程,即挠度方程、弯矩方程、剪力方程,以描述双层梁结构的变形。在边界条件下,利用有限元分析求解方程,根据求解结果完成寒冷地区衬砌渠道冻胀力学分析。实验结果表明:U型衬砌渠道的冻胀破坏多发生在两侧,且随着冻胀量的增加,衬砌渠道的挠度、弯矩逐渐增加,剪力逐渐下降,但当冻胀量增加到一定程度时,挠度、弯矩和剪力急剧下降。
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冻土-结构物界面力学行为是工程设计的重要依据,界面的力学性能受应力状态的影响。为了探究三维应力对界面力学特性的影响,开展-5℃下不同围压、粗糙度和含水率的冻土-钢三轴剪切试验,分析冻土-钢界面力学特性和抗剪强度参数指标;设计不同因素的正交试验,对各因素进行显著性分析。结果表明:含水率和粗糙度对界面抗剪强度的影响均呈先增后减的趋势,围压与界面抗剪强度呈正相关;含水率低于最优含水率时,应力-应变曲线为强应变软化型,高于最优含水率时,应力-应变曲线为弱应变软化型;冻土-钢界面抗剪强度影响因素由强到弱依次为:含水率、温度、粗糙度和围压。基于损伤力学模型,给出了考虑围压、粗糙度和含水率影响的冻土-钢界面损伤力学模型,该模型可以较好描述峰值强度前的剪应力-位移关系。研究结果可为明晰冻土与结构物界面的极限承载力提供参考。
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