(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210833364.2 (22)申请日 2022.07.14 (71)申请人 郑州大学 地址 450001 河南省郑州市中原区科 学大 道100号 (72)发明人 王建有　刘宾　石鹏超　邢海鹏　 李浩鸣　张恩典　梁太利　秦济生　 高宇龙　余娟　王娟　 (74)专利代理 机构 北京盛询知识产权代理有限 公司 11901 专利代理师 相凡 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/04(2020.01) (54)发明名称 一种土体冻胀对混凝土面板影响力的分析 方法 (57)摘要 本发明公开一种土体冻胀对混凝土面板影 响力的分析方法， 包括以下步骤： 采集渠系建筑 数据参数， 建立渠道断面三维几何模型， 确定三 维几何模型计算参数， 选取三维几何模型边界条 件以及分析土体冻胀对混凝土面板的影 响力； 本 发明对渠道典型断面进行三维数值模拟， 并采用 有限元方法， 将理论计算所得渠道土体冻胀位移 作为混凝土面板荷载， 用以分析土体冻胀对混凝 土面板变形和受力影响， 实现对渠系建筑断面进 行准确的衬砌冻胀和混凝土结构受力分析， 相比 传统分析方法更为精准， 分析结果根据代表性， 能为已建渠段的结构安全和待建工程顺利施工 提供保障， 并为渠道冻胀防治工作提供了重要参 考和理论依据。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 115146357 A 2022.10.04 CN 115146357 A 1.一种土体冻胀对混凝 土面板影响力的分析 方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤一： 先选取渠道的典型断面作为分析样本， 采集样本断面的冻土参数， 对样本断面 不同深度的冻 结层和未冻 结层分别进行取样， 再对取样土体进行含水率分析， 得到不同深 度的冻结层和未冻结层的土体含水率， 然后根据土体含水率计算土体的冻胀率； 步骤二： 先对渠道典型断面进行勘 查， 并获取渠道典型断面的三维数值， 再根据获取的 三维数值绘制渠道典型断面图， 接着根据渠道典型断面图进行三维数值模拟， 并建立渠道 的三维几何模型， 然后对三维几何模型进行网格剖分， 生成有限元模型； 步骤三： 先对渠道典型断面的混凝土材料进行测试， 获得混凝土材料的密度参数、 弹模 参数和泊松比参数作为模型计算参数， 再根据渠道的土体性质以及渠道土体历史资料设置 土体的密度参数、 弹模参数和泊松比参数作为模型的计算 参数； 步骤四： 先对渠道典型断面的土体冻胀量进行计算， 再根据冻胀量计算结果， 在有限元 模型中将土体冻 胀量沿阴面渠坡冻胀位移为多段线分布， 并将该冻 胀量作为位移荷载施加 于土体和混凝土面板接触面处， 然后结构约束施加于基础土体上， 之后在A NSYS中采用位移 加载方式， 逐步施加 位移荷载， 最后将计算参数输入有限元模型并计算混凝土面板的位移 场及应力场； 步骤五： 将混凝土面板的位移场及应力场计算结果作为混凝土面板荷载， 分析土体冻 胀对混凝土面板变形和受力影响， 即土体由冻胀产生的位移是否使混凝土面板内部产生超 过其承受能力的应力和变形。 2.根据权利要求1所述的一种土体冻胀对混凝土面板影响力的分析方法， 其特征在于： 所述步骤一中， 采集的冻土参数包括渠顶地表的冻土数据和斜坡端的冻土数据， 所述渠顶 地表的冻土数据为地面以下的冻结厚度， 所述斜坡端的冻土数据为距渠底坡脚不同距离的 冻结层垂直坡面厚度。 3.根据权利要求1所述的一种土体冻胀对混凝土面板影响力的分析方法， 其特征在于： 所述步骤一中， 由土体含水率得到土体含水量， 当土体含水量大于饱和含水量， 土体的冻 胀 率计算公式为： η＝k*G*ω/(1+Gω) 式中， η为冻胀率， ω为土体的含水量， k 为水的冻胀率， k ＝9.07％， G为土粒比重 。 4.根据权利要求1所述的一种土体冻胀对混凝土面板影响力的分析方法， 其特征在于： 所述步骤一中， 当土体的含水量介于起始冻胀含水量和饱和含水量之间时， 土体的冻胀率 计算公式为： η＝(1+k)* ω*G/(1+e) ‑e/(1+e) 式中， e为未冻胀前土体的孔隙比。 5.根据权利要求1所述的一种土体冻胀对混凝土面板影响力的分析方法， 其特征在于： 所述步骤二中， 所述渠道的三 维几何模 型中， 设有底板、 两侧斜坡混凝土面板、 齿槽、 坡顶道 路和斜坡半缝， 其中排水孔无填充且斜坡半缝中未填充密封胶， 所述两侧 斜坡混凝土面板 下方土体厚度的厚度为渠深的两倍。 6.根据权利要求5所述的一种土体冻胀对混凝土面板影响力的分析方法， 其特征在于： 对三维几何模型进行网格剖分时， 三 维几何模 型两侧斜坡混凝土面板和齿槽周围采用加密 网格， 三维几何模型土体部分采用尺寸 为25～15 0mm的网格进行剖分。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115146357 A 27.根据权利要求1所述的一种土体冻胀对混凝土面板影响力的分析方法， 其特征在于： 所述步骤四中， 所述基础土体上施加结构约束的具体操作为： 在土体底部施加固定约束， 并 在两侧土体施加垂直河流方向约束。 8.根据权利要求1所述的一种土体冻胀对混凝土面板影响力的分析方法， 其特征在于： 所述步骤四中， 所述冻胀量 等于冻胀率与冻胀深度的乘积， 计算公式为： ΔH＝ η*H 式中， H为冻土层深度， Δ H为冻胀量。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115146357 A 3