城市地下PVC-U 塑料排水管道標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下變形失效試驗(yàn)研究

蔡丹陽(yáng) 朱艷峰 黃窈婷

（廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

地下管線屬于隱蔽工程，數(shù)量龐大且種類繁多。隨著PVC-U 排水管材的大量使用，損壞和缺陷情況也日益增加。目前《城鎮(zhèn)排水管道檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)程》(CJJ181－2012) 對(duì)PVC-U 排水管道的變形缺陷劃分與管材實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀態(tài)存在較大偏差，不利于管道變形修復(fù)預(yù)處理工程成本的控制和技術(shù)發(fā)展。為給出更為準(zhǔn)確的變形缺陷和健康狀態(tài)判斷依據(jù)，對(duì)PVC-U 地下排水管道的變形失效狀態(tài)進(jìn)行更深入的研究顯得尤為重要。本文針對(duì)目前城鎮(zhèn)地下排水管網(wǎng)大量應(yīng)用的幾種PVC-U 管材，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的變形失效試驗(yàn)研究，并對(duì)其承載力狀態(tài)進(jìn)行分析，其研究結(jié)果將為《城鎮(zhèn)排水管道檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)程》的進(jìn)一步修訂提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

PVC-U 塑料排水管道標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的試驗(yàn)采用目前廣州市地下管網(wǎng)中應(yīng)用較多、不同的廠家的三種管材，分別記為管材L、X、H。選用的管段公稱直徑均為DN=200mm，管段長(zhǎng)度取L=300mm。管材的編號(hào)及具體參數(shù)如表1。

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用CMT5105 型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，在室溫25℃下進(jìn)行。放置管段使其軸線平行于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的平板，使管段軸線的中點(diǎn)垂直于負(fù)荷傳感器的軸線，以恒定的加載速率5mm/min 在垂直方向壓縮管段，如圖1 所示。管段處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，即除了壓縮方向無(wú)其他側(cè)限。

表1 三種PVC-U 管材的編號(hào)及參數(shù)

圖1 管段壓縮方向

通過(guò)更換萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上壓盤尺寸（如圖2），分別對(duì)管段施加三種不同形式的荷載，即：平板荷載、條形荷載及點(diǎn)狀荷載，得到不同環(huán)剛度下PVC-U 管道的變形失效過(guò)程及承載力情況。

圖2 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上壓盤尺寸

2 管段變形失效模式

2.1 兩類變形失效模式

管段變形失效實(shí)驗(yàn)表明，不同環(huán)剛度下PVC-U 塑料排水管道標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下變形失效模式可分為大變形破壞模式與裂紋破壞模式兩類。

2.1.1 大變形破壞模式

當(dāng)管材的基體材料為塑性材料時(shí)，管段的變形失效模式為大變形失效模式。以L 型管材在條形荷載作用下的破壞為例，如圖3（a-f）所示，圖中變形率的定義為[1]：

變形率=(管內(nèi)徑－變形后最小內(nèi)徑)÷管內(nèi)徑×100%

圖3 塑性材料基體條形荷載作用下管段失效破壞過(guò)程

管段橫截面初始形狀為圓形（圖3(a)），受壓后變?yōu)闄E圓形，當(dāng)變形率增加至大約38%，在管段的上下兩側(cè)，即管段與上壓盤和下壓盤相接觸的部分，出現(xiàn)管壁的翹曲（圖3(b)），隨著荷載的增加，管壁翹曲程度和范圍持續(xù)增大（圖3(c)），直至上下兩側(cè)管壁相接觸（圖3(d)）。在上述壓縮變形過(guò)程中，管壁未發(fā)生任何破裂和剝落。卸載后管段發(fā)生回彈，變形率瞬時(shí)恢復(fù)至65%，最終恢復(fù)至74%（圖3(e)）。試驗(yàn)表明，當(dāng)加載形式為板載時(shí)，管段可被壓縮至上下兩部分被展平而相貼，如圖3(f)所示。由于試驗(yàn)中管段可以產(chǎn)生非常大的彈塑性變形，因此稱之為大變形破壞模式。工程中，此類管材建議采用頂管法進(jìn)行非開(kāi)挖修復(fù)[2]。

2.1.2 裂紋破壞模式

當(dāng)管材的基體材料為脆性材料時(shí)，管段的變形失效模式為裂紋失效模式。以X 型管材在條形荷載作用下的破壞為例，如圖4（a-f）所示。

圖4 脆性材料基體管段條形荷載作用下裂紋破壞過(guò)程

管段初始截面形狀為圓形，受壓縮后，在小于5%的變形率范圍內(nèi)截面形狀為橢圓形，隨后管段上側(cè)出現(xiàn)一條貫穿整個(gè)管段且平形于軸線的縱向裂紋，隨著變形率的增大，在管段的下側(cè)、左右兩側(cè)同時(shí)出現(xiàn)貫穿整個(gè)管段的縱向裂紋，對(duì)應(yīng)的變形率分別為9%（圖4(b)）、22%（圖4(c)）。裂紋出現(xiàn)后，管段截面變?yōu)樗陌晗噙B的圓弧，但彼此并未斷開(kāi)，仍能繼續(xù)承受一定荷載（圖4(d)、4(e)），直至四瓣圓弧斷開(kāi)完全喪失承載力（圖4(f)），卸載后管段坍塌散開(kāi)。在上述壓縮變形過(guò)程中，管壁在大于5%變形率時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生脆性裂紋，其他工況受壓后裂紋出現(xiàn)的時(shí)刻與順序各異，但均會(huì)產(chǎn)生三至四條裂紋。由于脆性材料基體管段受壓失效的主要原因是裂紋的產(chǎn)生，均因管壁沿裂紋斷開(kāi)而坍塌破壞，因此稱為裂紋破壞模式。工程中，此類管材建議采用光固化修復(fù)[3]。

2.2 變形失效模式的分析

不同管材在不同形式荷載作用下的變形失效模式如圖5 所示。三種工況下，L 型管材的變形失效模式均為大變形破壞模式。X 型和H 型管材均為裂紋破壞模式。在之前的工作中[4]，筆者分析了目前市場(chǎng)上大量應(yīng)用的數(shù)種PVC-U 管材的本構(gòu)關(guān)系，L 型管材的基體材料為1#材料，即塑性材料，有明顯屈服點(diǎn)、變形能力強(qiáng)；X型和H 型管材的基體材料分別為2#和3#材料，均為拉伸強(qiáng)度低、變形能力弱的脆性材料。因此，管道的變形失效模式主要取決于管材基體材料的性質(zhì)，與加載形式無(wú)關(guān)。

圖5 三種工況下管材變形失效模式

3 管段承載力- 變形率關(guān)系

管段承載力-變形率關(guān)系在不同的管材中呈現(xiàn)不同特點(diǎn)。本試驗(yàn)中L、X、H 代表三種管材，荷載形式包括板載（B）、條載（T）、點(diǎn)載（D），側(cè)限條件為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0）。

3.1 L 型管材承載力- 變形率關(guān)系

L 型管材承載力與變形率的關(guān)系曲線如圖6 (a)所示。板載作用下：承載力-變形率曲線在初始階段的短暫勻速上升后進(jìn)入長(zhǎng)時(shí)間的緩慢上升過(guò)程，隨后進(jìn)入一個(gè)加速上升的階段，直到管段內(nèi)壁發(fā)生接觸，最大承載力可達(dá)7454N。管段內(nèi)壁上下相貼合后，其承載力會(huì)持續(xù)上升，但此時(shí)管段已經(jīng)完全失去流通能力，故本文并不考慮。條形荷載作用下：承載力-變形率曲線在初始階段的短暫勻速上升和隨后的緩慢上升后，進(jìn)入一個(gè)平臺(tái)階段，承載力保持穩(wěn)定。平臺(tái)階段的承載力均值為1774N。管壁上下接觸后由于管段基體材料的壓縮，承載力亦會(huì)持續(xù)上升，同理，此時(shí)管段已失去流通能力，不預(yù)考慮。點(diǎn)載作用下的承載力-變形率曲線與條載下的曲線接近，不同之處在于，變形率在53.5%左右時(shí)承載力達(dá)到峰值，經(jīng)歷了小幅度的下降后方進(jìn)入平臺(tái)階段。試驗(yàn)表明，承載力-變形率曲線在變形率53.5%時(shí)出現(xiàn)了變化。平臺(tái)階段的承載力均值為1558N。

3.2 X 型管材

X 型管材的變形模式為裂紋破壞模式。在板載、條載和點(diǎn)載三種不同荷載作用下，其承載力-變形率曲線規(guī)律相同，如圖6(b)所示。曲線在接近勻速上升后很快達(dá)到峰值，平均值為429N，隨后曲線呈現(xiàn)階梯狀下降，每次驟降都伴隨著一條縱向裂紋的產(chǎn)生。例如，管段X-T-0-1 曲線中有4 次驟降，分別出現(xiàn)在變形率為5%、9%、21%和22%時(shí)，與管段縱向裂紋的出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)。因管段材料及壁厚并不十分均勻，使左右兩側(cè)裂紋對(duì)應(yīng)承載力驟降時(shí)的變形率有1%的誤差。不同試件曲線驟降的位置，即裂紋出現(xiàn)的時(shí)刻有差異，但均會(huì)有三至四條貫穿裂紋。裂紋出現(xiàn)后管段并未完全喪失承載力，仍能承受承載力峰值10%左右的荷載，隨后緩慢下降至管段坍塌，徹底喪失承載力。

圖6 三種管材的承載力- 變形率曲線

3.3 H 型管材

H 型管材的變形模式為裂紋破壞模式。在三種不同荷載作用下的承載力-變形率曲線規(guī)律相同，均呈現(xiàn)出階梯狀下降，與X 型管材相似，曲線驟降處均伴隨一條裂紋的出現(xiàn)。但與X 型管材不同的是，H 型管材的承載力-變形率曲線在出現(xiàn)第一個(gè)驟降前，有一小段平臺(tái)階段，承載力平均值約為436N，且管段徹底喪失承載力時(shí)的變形率較高，為48%。出現(xiàn)差異的原因是X、H 兩種管材基體材料的本構(gòu)關(guān)系有差別，兩者的本構(gòu)模型雖然均可簡(jiǎn)化為非線性粘彈性，但3#材料的拉伸曲線有一小段平臺(tái)段，其斷裂應(yīng)變約為2#材料的2 倍。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)三種目前城鎮(zhèn)地下排水管網(wǎng)大量使用的PVC-U 管材進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下變形失效狀態(tài)與承載力試驗(yàn)研究，可以看到，由于管材基體材料的不同，其失效破壞狀態(tài)模式可分為大變形破壞模式與裂紋破壞模式兩類，兩類管材的承載力-變形率曲線規(guī)律與變形破壞過(guò)程相對(duì)應(yīng)。即使同為脆性基體材料，由于本構(gòu)關(guān)系的不同，其承載力-變形率曲線會(huì)略有差異。但總體可以看到，塑性材料基體的管材，直到喪失流通能力，管壁都未發(fā)生任何破裂和剝落，且卸載后，可恢復(fù)較大變形，對(duì)于此類材料的管材，管道非開(kāi)挖修復(fù)工藝傾向于選擇頂管法；脆性材料基體的管材，在變形達(dá)到管徑大約不到四分之一時(shí)，已出現(xiàn)貫穿整個(gè)管段的縱向裂紋，變形達(dá)到管徑大約二分之一時(shí)，管道已完全喪失流通能力與承載力，對(duì)于此類材料的管材，管道非開(kāi)挖修復(fù)工藝傾向于選擇光固化修復(fù)。由于不同基體材料管道變形與失效模式的不同，建議《城鎮(zhèn)排水管道檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)程》(CJJ181－2012) 中對(duì)管道的變形缺陷劃分方式與健康狀況評(píng)估進(jìn)行區(qū)別對(duì)待，以利于管道非開(kāi)挖修復(fù)成本的控制與修復(fù)方法的選擇。