結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化對(duì)增強(qiáng)上埋式柔性管環(huán)剛度的影響

鄭 娟，伍 肖，賴秀英

(1.莆田學(xué)院 土木工程學(xué)院， 福建 莆田 351100； 2.臺(tái)州市交通勘察設(shè)計(jì)院， 浙江 臺(tái)州 318000)

環(huán)剛度是衡量管材抗外壓負(fù)載能力的一個(gè)數(shù)值指標(biāo).如果管材的環(huán)剛度太小，管材可能發(fā)生過(guò)大變形或出現(xiàn)壓屈失穩(wěn)破壞.如果環(huán)剛度選擇得太高，僅從管體材料本身而言必將造成材料使用太多，成本過(guò)高[1].因此，環(huán)剛度對(duì)管體結(jié)構(gòu)性能而言是非常重要的參數(shù).

在以往關(guān)于環(huán)剛度的研究中，有考慮管側(cè)土的綜合變形模量對(duì)環(huán)剛度計(jì)算的影響[2-3]，也有從管體本身材料出發(fā)，分析管道層數(shù)、纖維體積比、交叉纏繞層體積比、母料成分等參數(shù)和環(huán)剛度的關(guān)系[4-7]，并采用仿真技術(shù)進(jìn)行建模和優(yōu)化設(shè)計(jì)[8-9].目前已有研究大多從管體材料角度入手，得到性價(jià)比較高的復(fù)合管道材料優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是對(duì)于已經(jīng)成型的生產(chǎn)線而言，重新調(diào)整材料參數(shù)需要更多實(shí)踐性的數(shù)據(jù)支撐.

從管體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度著手，在不改變工廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)管體的基礎(chǔ)上，筆者采用外部簡(jiǎn)單技術(shù)手段干預(yù)形成組合結(jié)構(gòu)形式，從而強(qiáng)化徑向剛度.需要說(shuō)明的是，本研究并不局限于徑向剛度的強(qiáng)化，同時(shí)還期望滿足柔性管縱向柔性的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì).因此，進(jìn)行結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)將是改變傳統(tǒng)管體“非剛即柔”觀念的一次有意義的嘗試.

1 增強(qiáng)上埋式柔性管環(huán)剛度的意義

1.1 上埋式柔性管的關(guān)鍵問(wèn)題柔性管包括鋼波紋管及各式復(fù)合材料管等，因其承載小、變形大的受力性能，用作涵管時(shí)一般采用溝埋式[10]，承壓較高且變形較小的剛性管通常適用于上埋式.由于剛性管結(jié)構(gòu)變形小的優(yōu)點(diǎn)，也產(chǎn)生了其缺點(diǎn)，適應(yīng)地基沿管線方向的不均勻沉降能力差，并因此造成涵管的橫向開裂結(jié)構(gòu)破壞[11].

柔性管相較于剛性管最大優(yōu)點(diǎn)是其能適應(yīng)地基沿管線方向的不均勻沉降，但是若上埋式采用柔性管，其橫向剛度小是最大的考驗(yàn)，極有可能在施工期就由于巨大的側(cè)向土壓力致使柔性管發(fā)生變形過(guò)量甚至對(duì)管體結(jié)構(gòu)造成破壞.

綜上所述，涵管結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生的危害成為了涵管設(shè)計(jì)與施工中面臨的重大難題，且只能減弱無(wú)法避免[12].若能在滿足涵管縱向地基不均勻變形的基礎(chǔ)上，又可承受橫向的巨大土壓力而不產(chǎn)生較大變形，由此可彌補(bǔ)傳統(tǒng)涵管結(jié)構(gòu)的不足，為交通工程帶來(lái)的前景不言而喻.

1.2 增強(qiáng)上埋式柔性管環(huán)剛度的問(wèn)題提出在前期研究中，根據(jù)柔性管的工作特性，提出了“先填后挖”的施工措施[13]，在避免施工過(guò)程損壞管體的同時(shí)，又減少了土壓力.為了驗(yàn)證該措施的可行性，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體試驗(yàn)，從光纖光柵傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)看，內(nèi)徑2 m的柔性管上覆填土8 m時(shí)最大徑向變形僅為26 mm[14]，說(shuō)明該措施充分發(fā)揮了土體的作用，實(shí)現(xiàn)了管土的共同工作，可借此措施將柔性管推廣用于上埋式高填方路堤中，但缺點(diǎn)是施工工藝較為復(fù)雜.

因此，轉(zhuǎn)換思路，從管體結(jié)構(gòu)本身的角度出發(fā)，在保留其縱向適應(yīng)不均勻變形優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)橫向剛度小的劣勢(shì)開展的涵管結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究.通過(guò)橫向“剛化”處理材料給予的環(huán)剛度增加，其縱向“柔性”橫向“剛性”的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)顯而易見.若該結(jié)構(gòu)優(yōu)化成功，具有重要的理論意義和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值.

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)簡(jiǎn)介

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化材料的選取經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，選取HDPE纏繞管作為待優(yōu)化管體.一方面，HDPE纏繞管作為環(huán)保新型材料，在各行業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)擁有較為顯著的優(yōu)勢(shì)，并有很好的發(fā)展前景；另一方面，筆者所在研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)圍繞大直徑HDPE纏繞管做了施工工藝方面的前期工作[13]，為了后續(xù)的對(duì)比研究，本研究方案選取同樣的管體.

從受力性能及經(jīng)濟(jì)的綜合考量，擬選取加入一定配合比外摻劑的水泥漿作為“剛化”處理的材料.通過(guò)大量室內(nèi)試驗(yàn)反復(fù)調(diào)整合成材料各組成部分配合比及加入外摻劑劑量，以達(dá)到工作性能及工程要求.

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式的設(shè)計(jì)利用HDPE纏繞管自身空心的纏繞肋管(如圖1所示)，采用灌漿法將加入一定配合比外摻劑的水泥漿注入，養(yǎng)護(hù)待用.注入漿體凝固后與外圍肋管形成復(fù)合外壁，共同抵抗側(cè)向土壓力，同時(shí)螺旋纏繞的方式不影響管體縱向的柔性特征，從而形成縱向“柔性”橫向“剛性”的新型結(jié)構(gòu).

肋管灌漿過(guò)程的關(guān)鍵在于確保漿體的密實(shí)程度.灌注漿體若不密實(shí)，甚至斷層，會(huì)使得外圍肋管分離為散碎體，則整體抗壓強(qiáng)度得不到體現(xiàn).為保證漿體密實(shí)度，反復(fù)測(cè)試灌漿速度和灌漿方法，最終采用底部灌漿法，并在頂部設(shè)置泌水孔，待初凝后進(jìn)行二次灌漿.同時(shí)注意調(diào)配外摻劑用量，按照水泥質(zhì)量3%的膨脹劑和1.5%的減水劑添加外摻劑，使灌注漿體有些許膨脹量，以抵消其初凝后的徐變收縮，不至于產(chǎn)生空洞，保證了肋管灌注水泥漿的密實(shí)程度.

由于HDPE纏繞管為不透明黑色，為直觀考察灌注漿體密實(shí)程度，前期進(jìn)行了大量的纏繞管自制(圖2所示)，外纏肋管透明.將目測(cè)密實(shí)度達(dá)到要求的管體采用稱重法進(jìn)行驗(yàn)證，密實(shí)程度準(zhǔn)確性能達(dá)到98%.該批自制纏繞管也進(jìn)行了環(huán)剛度測(cè)試，后文會(huì)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明，不在此贅述.

圖1 HDPE纏繞管圖2 自制纏繞管

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 環(huán)剛度測(cè)試根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁用塑料波紋管》JT/T 529-2004及《熱塑性塑料管材環(huán)剛度的測(cè)定》GB/T 9647-2003，采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)符合試驗(yàn)要求的管體試件以5 mm·min-1的加載速率進(jìn)行加載.

將試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁用塑料波紋管》JT/T 529-2004 推薦的環(huán)剛度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算整理

(1)

其中，S為試樣的環(huán)剛度，單位：kN·m-2；ΔY為管材的內(nèi)徑垂直方向3%變化量，單位：m；F為試樣內(nèi)徑垂直方向3%變化時(shí)的負(fù)荷，單位：kN；d為試樣內(nèi)徑，單位：m；L為試樣長(zhǎng)度，單位：m.

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析按照試驗(yàn)規(guī)程分別進(jìn)行了自制纏繞管、內(nèi)徑300 mm HDPE纏繞管及內(nèi)徑400 mm HDPE纏繞管(采用DN300和DN400簡(jiǎn)述)3組試驗(yàn)，將徑向“剛化”處理前后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)式(1)計(jì)算其環(huán)剛度，自制纏繞管“剛化”處理后環(huán)剛度測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，計(jì)算表格如表1所示.

表1 自制纏繞管“剛化”處理后環(huán)剛度檢測(cè)記錄表

自制纏繞管“剛化”處理前環(huán)剛度測(cè)試計(jì)算平均值為7.66 kN·m-2，“剛化”處理后的環(huán)剛度約為處理前的2倍，增長(zhǎng)了97%.需要說(shuō)明的是，自制纏繞管的本意是使得灌注漿體過(guò)程透明化，以直觀確保漿體密實(shí)程度，故而纏繞肋管與管主體間僅用尼龍帶綁扎固定，不能稱之為嚴(yán)格意義上的復(fù)合管，也就不能發(fā)揮復(fù)合管的承重優(yōu)勢(shì).即便如此，“剛化”處理前后的環(huán)剛度亦體現(xiàn)了大幅度提升.

作為標(biāo)準(zhǔn)的HDPE纏繞管在得到“剛化”處理后其環(huán)剛度提升的幅度更明顯.選取的DN300和DN400 HDPE纏繞管的環(huán)剛度等級(jí)均為SN12.5，“剛化”處理前測(cè)得環(huán)剛度平均值分別為12.76 kN·m-2(DN300)和12.61 kN·m-2(DN400)，處理后環(huán)剛度測(cè)試計(jì)算的平均值分別為34.44 kN·m-2(DN300)和36.53 kN·m-2(DN400)，相對(duì)處理前環(huán)剛度分別提升約2.7倍(DN300)和2.9倍(DN400).顯見比自制纏繞管“剛化”處理前后環(huán)剛度的提升幅度較大.

此外，從數(shù)據(jù)來(lái)看同樣環(huán)剛度等級(jí)的HDPE纏繞管“剛化”處理后環(huán)剛度提升的幅度較明顯的是管徑較大的DN400.由于目前數(shù)據(jù)量有限，無(wú)法形成統(tǒng)計(jì)規(guī)律，有待后續(xù)試驗(yàn)的進(jìn)一步論證.

4 結(jié)束語(yǔ)

在分析上埋式柔性管工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了強(qiáng)化徑向剛度是解決問(wèn)題的關(guān)鍵.通過(guò)大量的室內(nèi)材料試驗(yàn)成功地將混合外摻劑的水泥漿體灌入纏繞肋管，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)環(huán)剛度檢測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)整理分析，得到以下結(jié)論：

1) 對(duì)于上埋式涵管而言，縱向“柔性”橫向“剛性”的結(jié)構(gòu)是較為理想的結(jié)構(gòu)形式，能有效減少傳統(tǒng)涵管結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生的危害；

2) 肋管灌漿“剛化”過(guò)程的關(guān)鍵在于確保漿體的密實(shí)程度，通過(guò)反復(fù)調(diào)試灌漿方式、灌漿速度及外摻劑劑量與種類達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康模?/p>

3) “剛化”處理前后管體的環(huán)剛度體現(xiàn)了大幅度提升，其中自制纏繞管增強(qiáng)了約97%，標(biāo)準(zhǔn)HDPE纏繞管處理前后環(huán)剛度分別提升約2.7倍(DN300)和2.9倍(DN400).

涵管作為埋設(shè)在土體中的人工構(gòu)筑物，與周圍環(huán)境土體勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生相互影響.因而，忽略環(huán)境響應(yīng)的單一管體分析是不科學(xué)的.下一步工作的重點(diǎn)是將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的管體放置到具體工程環(huán)境中，通過(guò)理論分析及大量試驗(yàn)研究建立基于環(huán)境響應(yīng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)模型.