排水管道CIPP法修復(fù)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

李 明

(中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司 天津 300308)

1 引言

伴隨我國城市發(fā)展的集約化、低碳化等趨勢，城市對地下排水管網(wǎng)運行性能要求越來越高，而鋪設(shè)年代久遠的排水管道由于其特殊的負荷情況和工作環(huán)境，常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性缺陷和非結(jié)構(gòu)性缺陷[1]。用傳統(tǒng)的明挖法進行施工修復(fù)，不僅會破壞道路，影響交通，而且代價巨大，因此非開挖管道修復(fù)技術(shù)應(yīng)運而生[2-3]。原位固化法(CIPP)[4]作為非開挖管道修復(fù)的一種，由于其施工無需開挖路面，基本不影響交通，不擾民，施工速度快、效率高，可以有針對性地對原管道進行修復(fù)，減少資金的投入，用于非開挖管道修復(fù)能取得良好效果[5-7]，目前已經(jīng)在城鎮(zhèn)給排水管道上得到了較為廣泛的應(yīng)用[8-12]。

雖然CIPP技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外的城市管網(wǎng)修復(fù)工程中得到較廣泛應(yīng)用，但CIPP技術(shù)的材料和工藝不斷發(fā)展和進步，若采用早期設(shè)計理論，會造成材料的浪費，直接導(dǎo)致工程造價過高等問題，并不適用于現(xiàn)在CIPP工程[13]，

本文以福州市南臺路排水管道非開挖修復(fù)工程為研究對象，重點研究采用CIPP修復(fù)后復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形情況以及內(nèi)襯材料的材料特性和內(nèi)襯幾何因素對內(nèi)襯管臨界屈曲強度的影響，為今后CIPP內(nèi)襯設(shè)計提供理論參考。

2 工程概況

依托工程為福州市城區(qū)排水管網(wǎng)改擴建工程，該工程占地約81.3 km2，需要修復(fù)、改造的各類型排水管網(wǎng)達480 km，屬于目前國內(nèi)最大的非開挖管道修復(fù)工程。待修復(fù)管道位于福州市南臺路W3000015331～W3000015486檢查井之間，為PVC管道，管徑為DN300，輸送介質(zhì)為污水。管道內(nèi)發(fā)生多處破裂、錯口、滲漏等缺陷，如圖1所示。管段存在重大缺陷，結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生破壞，應(yīng)立即修復(fù)。

3 CIPP內(nèi)襯管壁厚設(shè)計

參照 CJJ/T 210—2014[4]和 ASTMF 1216[14]標準，本項目待修復(fù)管道屬于半結(jié)構(gòu)性破壞，設(shè)計時只需考慮靜水壓力[15]。將管道尺寸系數(shù)(DR)取代原有的平均直徑，可得式(1):

式中:Pcr為管道屈曲強度；SDR為管道標準尺寸比；D0為原有管道平均外徑(m)；t為內(nèi)襯管設(shè)計壁厚(m)。

橢圓度修正系數(shù)C:

式中:q為管道的形狀變形百分值；D為原有舊管道內(nèi)徑(m)；Dmin為原有舊管道的最小內(nèi)徑(m)；Dmax為原有舊管道的最大內(nèi)徑(m)。由(1)式和(2)式可以推導(dǎo)出內(nèi)襯管壁厚:

只考慮靜水壓力，作用在內(nèi)襯管上的靜水壓力可用式(6)進行計算:

式中:C為橢圓度折減系數(shù)；K為原有管道對內(nèi)襯管道的支撐系數(shù)；N為管道截面環(huán)向穩(wěn)定性抗力系數(shù)；EL為內(nèi)襯管道的長期彈性模量；ν為泊松比，通常情況下取0.3；PW為作用在內(nèi)襯管上的靜水壓力(MPa)；HW為管頂上部地下水位高度(m)；γW為水的重度，一般取9.81 kN/m3。

本工程各參數(shù)取值:K＝7，ν＝0.3，N＝2.0，D0＝0.3 m，EL＝6 000 MPa，HW＝3.56 m。

代入式(6)得PW＝0.35 MPa，q＝2%(由于D、Dmax、Dmin不詳，《非開挖管道修復(fù)更新技術(shù)》[16]指出:如果要修復(fù)的管道沒有或者無法進行橢圓度測量，通常取橢圓度為2%進行計算)，計算得到C＝0.84，將上述數(shù)據(jù)代入式(5)可得內(nèi)襯管壁厚t＝2.86 mm。因此，選用壁厚為3 mm的內(nèi)襯材料。

4 數(shù)值模擬

本節(jié)采用有限元方法(FEM)對管道-內(nèi)襯復(fù)合結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，并給出相應(yīng)求解步驟。借助ABAQUS有限元軟件，可輕松處理結(jié)構(gòu)非線性問題，從而將重點放在管道內(nèi)襯結(jié)構(gòu)屈曲和承載性能等相關(guān)問題的模擬上。

4.1 模型設(shè)計

(1)模型參數(shù)定義

內(nèi)襯在安裝過程中，受原有管道和施工工藝的影響，可能會出現(xiàn)各種幾何缺陷，如內(nèi)襯和原有管道之間的環(huán)狀間隙、內(nèi)襯局部的褶皺、原有管道截面橢圓化造成的內(nèi)襯橢圓度、內(nèi)襯的厚度不均勻等[18-21]。這些缺陷會極大地影響內(nèi)襯的屈曲性能，在工程設(shè)計中應(yīng)予以考慮。內(nèi)襯管系統(tǒng)的幾何構(gòu)型可以通過三種參數(shù)來表征:襯管尺寸比SDR、襯管與襯管之間的環(huán)形間距或間隙、橢圓度。

對于模型中材料屬性參數(shù)的設(shè)定，由于既有管道僅作為邊界條件為內(nèi)襯管提供約束，因此，模型中既有管道選擇素混凝土管道，內(nèi)襯管選擇環(huán)氧樹脂材料，內(nèi)置玻璃纖維。

(2)襯管和既有管道缺陷設(shè)置

主管道橢圓度是需要考慮的主要影響因素。在目前的研究中，一般假定襯管的橢圓度與其主管的橢圓度相同，即:

另外，這些局部缺陷也應(yīng)該與定義缺陷范圍的角度φ有關(guān)，如圖2所示。

4.2 復(fù)合結(jié)構(gòu)相互作用與荷載設(shè)置

內(nèi)襯管與既有管道的貼合程度通過設(shè)置相互作用的接觸范圍來模擬。在Ⅱ區(qū)內(nèi)，假定內(nèi)襯管與既有管道緊密貼合，二者同步協(xié)調(diào)變形，因此，在Ⅱ區(qū)內(nèi)將內(nèi)襯管與既有管道設(shè)定為綁定約束。如圖2所示，Ⅰ區(qū)內(nèi)襯管與既有管道未貼合在一起，內(nèi)襯管與既有管道之間的接觸設(shè)置為硬接觸。

本模型中既有管道與內(nèi)襯管所受的靜水壓力，通過設(shè)置沿既有管道外壁均勻分布的荷載進行模擬，同時設(shè)置重力以模擬自然條件下初始缺陷的形成。

4.3 結(jié)果分析

施加荷載后，內(nèi)襯管的變形如圖3所示。圖3中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在自由區(qū)域的中部和邊緣部位。與無約束的單獨襯管相比，受約束環(huán)承受的壓力要大得多，屈曲變形也相對嚴重得多。塑性屈服極限首先出現(xiàn)在自由區(qū)域中部的內(nèi)纖維部位，之后外部纖維達到壓縮塑性屈服極限，最終邊緣點處的內(nèi)外纖維也逐漸達到塑性屈服狀態(tài)。當塑性鉸在中部和邊緣部位出現(xiàn)后，內(nèi)襯斷裂、坍塌，在不考慮材料失效的情況下，預(yù)計臨界壓力將顯著升高，達到4.36 MPa。

(1)SDR值對內(nèi)襯管臨界屈曲強度的影響

為了研究SDR值對內(nèi)襯管臨界屈曲強度的影響，設(shè)置6組數(shù)值進行模擬，SDR值分別取50、100、200、300、400、500，研究不同 SDR 值下內(nèi)襯管臨界屈曲強度的變化情況，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可看出，隨著SDR值的增加，內(nèi)襯管的臨界屈曲強度不斷降低，當SDR值大于100時，內(nèi)襯管的臨界屈曲強度小于1 MPa。因此，在設(shè)計時，內(nèi)襯管的SDR值不應(yīng)過大。

(2)邊界條件對內(nèi)襯管臨界屈曲強度的影響

如圖5所示，對于固定SDR值(SDR＝100)的襯管，極限壓力隨φ(界面脫離范圍)的增加而下降。受約束襯管的抗屈曲性能通過與既有管道相互作用而得到顯著提高，無論哪種因素使襯管與既有管道之間的理想接觸發(fā)生退化，就有可能導(dǎo)致襯管的增強作用降低，從而降低襯管的屈曲壓力。

(3)彈性模量對內(nèi)襯管臨界屈曲強度的影響

內(nèi)襯管材的彈性模量是影響內(nèi)襯臨界屈曲壓力的重要影響因素之一。由圖6可知，隨內(nèi)襯材料彈性模量增加，屈曲強度也成比例增加。

(4)橢圓度對內(nèi)襯管臨界屈曲強度的影響

內(nèi)襯管橢圓度對內(nèi)襯管屈曲強度的影響模擬結(jié)果如圖7所示。隨著管道橢圓度增加，內(nèi)襯管的屈曲強度逐漸降低。

5 修復(fù)效果評價

5.1 運行狀態(tài)評估

施工完成后，利用管道機器人對修復(fù)后的管道外觀進行檢測。依據(jù)ASTM F1216相關(guān)規(guī)定，內(nèi)襯管外觀檢測應(yīng)滿足以下要求:內(nèi)襯管表面應(yīng)光潔、平整，無局部劃傷、裂紋、磨損、氣泡、褶皺等影響管道結(jié)構(gòu)和使用功能的損傷和缺陷；內(nèi)襯應(yīng)緊貼舊管道，不應(yīng)有可見地下水滲漏。修復(fù)效果見圖8。檢測資料顯示，修復(fù)后管道內(nèi)壁光滑，無裂紋、褶皺等現(xiàn)象，極大減小了管道內(nèi)壁對水流的摩擦作用，保證足夠的過水能力且修復(fù)材料為樹脂，可有效提高管道的抗?jié)B性。

5.2 力學性能測試

ASTM相關(guān)標準和CJJ/T 210—2014規(guī)定，能夠用于管道修復(fù)的內(nèi)襯管應(yīng)滿足表1中的力學性能要求。

(1)縱向拉伸試驗

本試驗共選取5個樣品，樣品寬度為25 mm，長度為300 mm，試驗機加載速度為5 mm/min，結(jié)果見表2。

表2 縱向拉伸試驗結(jié)果

由表2可知，本工程所用內(nèi)襯材料的縱向拉伸強度平均值為117 MPa，遠大于測試標準62 MPa，符合設(shè)計要求。

(2)三點彎曲試驗和短期彎曲模量試驗

本試驗共選取5個樣品，樣品寬度為50 mm，長度為60 mm，支撐點跨度為48.8 mm，支撐點直徑為4 mm。試驗機從管道外壁施加力，加載速度為10 mm/min，結(jié)果見表3。

表3 三點彎曲試驗和短期彈性模量試驗結(jié)果

由表3可知，本工程所選用的內(nèi)襯材料短期彎曲模量平均值為28 045 MPa，首次斷裂彎曲強度為687 MPa，均遠大于測試標準，符合設(shè)計要求。

綜上所述，本工程所選用的光固化內(nèi)襯材料力學性能較好，其各項指標均遠大于設(shè)計標準要求，可以用于管道修復(fù)。

6 結(jié)論

本文以福州市城區(qū)排水管網(wǎng)改擴建工程(連坂片區(qū))南臺路W3000015331～W3000015486檢查井之間排水管道修復(fù)為研究對象，采用有限元軟件模擬典型管道-內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，揭示了外壓作用下受約束CIPP內(nèi)襯的基本結(jié)構(gòu)行為，準確預(yù)測極限屈曲壓力，確定了SDR值、界面貼合程度、內(nèi)襯材料彈性模量和橢圓度對內(nèi)襯管臨界屈曲強度的影響，為排水管道光固化CIPP法內(nèi)襯壁厚設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。主要結(jié)論包括:

(1)通過有限元模擬，揭示了外壓作用下受約束CIPP內(nèi)襯的基本結(jié)構(gòu)行為:內(nèi)襯管的臨界屈曲強度隨SDR值的增大不斷降低；對于固定SDR值(SDR＝100)的襯管，臨界屈曲強度隨φ(界面脫離范圍)的增加而下降、隨內(nèi)襯材料彈性模量的增加而增加、隨橢圓度的增加而遞減。

(2)采用CIPP法修復(fù)排水管道時，不會降低管道的過流能力，修復(fù)后管道內(nèi)壁表面光滑、無裂紋，證明內(nèi)襯材料的各項力學性能均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。