摘要
中国水资源的分布具有明显的时空特点，具体表现为“南多北少”、“夏秋多、春冬少”，因此中国处于北方的农田需要灌溉。中国农业灌溉输配水系统中支渠和斗渠多用两拼式预制U形混凝土衬砌渠道，由于两拼式预制U形混凝土衬砌渠道产生的冻胀力较小且分布较均匀、冻胀量较小，整体变形性能更强，因此受到广泛的应用。但由于混凝土材料脆性特征明显，延性较差，且经过冻融循环后性能劣化，在渠基土冻胀过程中混凝土衬砌渠道在冻胀力的作用下发生破坏，导致灌溉用水浪费，降低农业用水灌溉效率。针对此问题，本文提出装配式脆-弹塑性材料结合U形衬砌渠道，将混凝土分别与玻璃钢和PE结合，建立混凝土-玻璃钢结合U形衬砌渠道及混凝土-PE结合U形衬砌渠道，通过对衬砌渠道直接施加冻胀荷载，使用试验和数值模拟相结合的方法对不同形式组合的衬砌渠道进行分析，以玻璃钢和PE在渠道中的相对使用量α为变量，取α=0.25、0.50、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0等8个值，建立玻璃钢和PE不同用量的装配式衬砌渠道，探究玻璃钢和PE与混凝土相对用量的变化对衬砌渠道破坏特征、位移变形和抗冻胀能力等方面的影响，得出以下研究结论: (1)当混凝土-玻璃钢结合U形衬砌渠道中玻璃钢相对用量和混凝土-PE结合U形衬砌渠道中PE相对用量α≤0.50时，衬砌渠道发生破坏后，混凝土裂缝发展不完全不充分，混凝土与玻璃钢和PE的协调变形性较差;当α≥1.0时，渠道发生破坏时出现贯通裂缝; (2)混凝土-玻璃钢结合U形衬砌渠道中玻璃钢相对使用量α≤1.0时，其最大位移小于预制U形混凝土衬砌渠道;当α≥1.25时，衬砌渠道最大位移大于预制U形混凝土衬砌渠道;随着玻璃钢厚度的增大，衬砌渠道最大位移变小;随着混凝土强度增大，衬砌渠道最大位移增大; (3)当混凝土-PE结合U形衬砌渠道中PE相对使用量α≤0.5时，衬砌渠道最大位移均小于预制U形混凝土衬砌最大位移;当α≥0.75时，衬砌渠道最大位移大于预制U形混凝土衬砌渠道最大位移; (4)当混凝土-玻璃钢结合U形衬砌渠道中玻璃钢使用量α≤1.25时，其开裂荷载和破坏荷载均低于预制U形混凝土衬砌渠道;当α≥1.25时，随着玻璃钢厚度增大，衬砌渠道的开裂荷载和破坏荷载增大:随着混凝土强度的增大，村砌渠道的开裂荷载和破坏荷载增大;当混凝土-PE结合U形衬砌渠道的PE相对使用量α≤1.50时，渠道的抗冻胀能力均小于预制U形混凝土衬砌渠道;随着混凝土强度增大，衬砌渠道的开裂荷载和破坏荷载均提高; (5)通过对玻璃钢和PE冻融循环后进行材料力学拉伸试验，然后将冻融循环后的力学性能关键参数引入到衬砌渠道模型中进行数值模拟分析比较，结果表明:混凝土-玻璃钢结合U形衬砌渠道和混凝土-PE结合U形衬砌渠道经过冻融循环后衬砌渠道破坏荷载下降幅度最大值为6.6％，因此经过冻融循环后衬砌渠道的抗冻胀能力降低不显著; (6)不同衬砌渠道的抗冻胀能力和造价均不相同，使用破坏荷载与渠道造价的比值来衡量渠道的经济性，该比值大，则经济性好，反之则经济性不好。经过比较分析，在此类组合衬砌渠道中，当玻璃钢厚度为5mm、玻璃钢相对使用量α=2.0时，混凝土-玻璃钢结合U形衬砌渠道既经济又具有较高的抗裂能力。
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