小型排水方溝結(jié)構(gòu)性修復(fù)技術(shù)研究

曾新宇 司金艷 王光明 王灝

1.北京城市排水集團(tuán)有限公司 100010

2.北京市市政工程研究院 100037

引言

在北京排水體系中存在大量方溝，方溝多為磚砌結(jié)構(gòu)，上方用混凝土蓋板或者青石蓋板，要承受上方荷載，也要承受土體壓力。由于方形結(jié)構(gòu)，蓋板要承擔(dān)的荷載分布不均，容易發(fā)生受壓破壞。隨著社會(huì)的發(fā)展，道路荷載增加，很多方溝蓋板因此發(fā)生破壞，或者老舊方溝需要加固以滿足荷載需求。由于方溝一般位于道路下方，開挖加固會(huì)影響道路運(yùn)行，同時(shí)方溝長期位于地下，與周圍土體已經(jīng)形成共同作用體，開挖擾動(dòng)過大，對(duì)周邊土體安全也會(huì)造成影響。對(duì)于大型方溝，便于人工施工，可實(shí)施的加固方式多，加固效果良好；小型方溝難以進(jìn)人，很多加固方式無法滿足需求，因此，需要研究一種新型的結(jié)構(gòu)加固方法，滿足小型排水方溝結(jié)構(gòu)性修復(fù)要求［1，2］。

目前國內(nèi)小型方溝多采用噴涂砂漿的方式進(jìn)行加固，但是，這種方法沒有改變方溝的受力形式，如果要提高蓋板承載力，需要增加蓋板厚度，對(duì)方溝的豎向結(jié)構(gòu)也增加了荷載，不利于方溝安全運(yùn)營。

針對(duì)上述問題，本文提出一種小型方溝復(fù)合加固方式，使得排水方溝從矩形斷面變成受力更為合理的橢圓斷面，從而改善了排水方溝的受力形式，優(yōu)化了排水方溝的受力結(jié)構(gòu)，防止排水方溝在土壤作用力下變形、坍塌，提高了排水方溝的工作可靠性，有利于排水方溝的長期通暢運(yùn)營。

1 復(fù)合修復(fù)技術(shù)概述

小型方溝結(jié)構(gòu)性復(fù)合修復(fù)技術(shù)概括為：在方溝內(nèi)插入橢圓形的鋼絲骨架網(wǎng)作為塑性骨架，然后在骨架內(nèi)插入內(nèi)襯，插入后封閉內(nèi)襯一端，通滿氣，使內(nèi)襯緊貼鋼絲骨架網(wǎng)，持續(xù)加壓。與此同時(shí)，在鋼絲骨架網(wǎng)與方溝形成的空間內(nèi)注入特制的超流態(tài)高性能灌漿料，待灌漿料具備初始強(qiáng)度后，在鋼絲骨架網(wǎng)內(nèi)利用紫外固化法使內(nèi)襯層緊貼鋼絲網(wǎng)骨架，形成新的內(nèi)襯層。具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 小型排水方溝復(fù)合修復(fù)技術(shù)工藝流程示意Fig.1 Process flow diagram of composite repair technology for small square drainage ditch

2 方溝加固有限元模擬

利用Ansys workbench16.0 建立實(shí)體有限元方溝加固模型三組，各組按照橢圓斷面頂部水平切線距方溝蓋板的距離，分成3 種不同的加固尺寸，分別為5cm，6cm，7cm，按照同樣設(shè)計(jì)原理設(shè)置橢圓斷面的拱形曲線，其余設(shè)置均相同。灌漿料本構(gòu)關(guān)系均采用多線形隨性強(qiáng)化模型同時(shí)不考慮下降段。

3 方溝復(fù)合修復(fù)模擬試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)制作600mm ×800mm 的鋼模，內(nèi)襯鋼絲網(wǎng)骨架，實(shí)體澆筑2m 一段的試件，養(yǎng)護(hù)成型后脫模，按照排水管道設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)試件進(jìn)行分級(jí)加載。探究不同埋深、不同加固尺寸的加固結(jié)構(gòu)的受力情況。

試驗(yàn)荷載按排水管道設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行加載，加載工況按照埋深10m進(jìn)行分級(jí)加載，共分10 級(jí)。試件按照橢圓斷面拱頂水平切線距方溝蓋板的距離，分成3 種不同的加固尺寸，分別為5cm，6cm，7cm。選取拱頂、拱底及水平方向最大截面寬度處作為量測(cè)點(diǎn)，測(cè)試不同工況下拱結(jié)構(gòu)的受力和變形情況。

試件在鋼模中澆筑成型，根據(jù)設(shè)計(jì)澆筑不同厚度的超流態(tài)高性能灌漿料，泵送完成后進(jìn)行28d養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)成型后的構(gòu)件如圖2 所示。

圖2 養(yǎng)護(hù)成型后的構(gòu)件Fig.2 Curing formed components

將構(gòu)件放置于專用的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)上，分別進(jìn)行分級(jí)加載，對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行變形和位移監(jiān)測(cè)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.位移試驗(yàn)

現(xiàn)選取方溝同一監(jiān)測(cè)位置在不同級(jí)埋深條件下數(shù)值擬合曲線與ANSYS數(shù)值模擬分析進(jìn)行對(duì)比。

（1）豎向變形對(duì)比

以橢圓斷面拱頂厚度5cm 的加固模型為例，在管頂端監(jiān)測(cè)點(diǎn)A1 百分表數(shù)值的變化主要為拱頂在不同埋深下的豎向變形，試驗(yàn)數(shù)值擬合曲線與數(shù)值模擬分析曲線見圖3a。

圖3 拱頂荷載-位移曲線Fig.3 Load-displacement curve of arch crown

圖3a曲線分別代表1／2、1／4 跨中橢圓斷面拱頂位移監(jiān)測(cè)值擬合曲線，灰色代表的是ANSYS數(shù)值模擬分析擬合曲線，根據(jù)曲線走勢(shì)發(fā)現(xiàn)拱頂?shù)淖冃位咎幱诰€彈性狀態(tài)。通過圖3a 可以看出，試驗(yàn)位移要小于有限元計(jì)算的位移量。這是因?yàn)樵诩庸唐脚_(tái)中，方溝縱向壓縮，橫向會(huì)膨脹，由于灌漿料與墊板彈性模量與橫向變形的差異，墊板橫向變形明顯小于試件的橫向變形，橫向變形受摩擦力影響，形成箍套作用。箍套作用下，試件處于三向受壓狀態(tài)，提高了試件的縱向抗壓強(qiáng)度和抗變形能力，所以在同等荷載狀態(tài)下，實(shí)測(cè)位移值低于理論計(jì)算值。

通過圖3b 可以看出，橢圓斷面拱頂厚度越大，加固模型的剛度越大，拱頂變形越小，但是荷載位移曲線的變化趨勢(shì)一致，都出去線彈性狀態(tài)，變化速率基本一致。

（2）橫向變形對(duì)比

因?yàn)樵诩虞d過程中會(huì)出現(xiàn)偏心的現(xiàn)象，造成同一截面兩側(cè)的數(shù)值與理想的對(duì)稱狀態(tài)的計(jì)算數(shù)值偏離較大，所以選取同一截面的橫向變形即截面兩側(cè)百分表數(shù)據(jù)之和與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，以減輕偏心現(xiàn)象產(chǎn)生的誤差。

橫向變形理論計(jì)算與實(shí)測(cè)值對(duì)比見圖4a。

圖4 橫向荷載-位移曲線Fig.4 Lateral load-displacement curve

圖4a 可以看出，跨中橫向截面水平位移，兩側(cè)數(shù)值接近，均低于ANSYS 數(shù)值模擬分析，其原因?yàn)閷?shí)際受壓過程中發(fā)生箍套作用，橫向變形受約束。圖4b 可以看出，壁厚越大，橫向位移越小。

（3）位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：（1）橢圓斷面拱頂加固越厚，有效增加截面剛度越大，變形增長速率越低；（2）拱頂加固越厚，同等埋深情況下，拱形豎向變形和橫向變形越??；（3）豎向變形和橫向變形因?yàn)楣刻鬃饔?，?shí)測(cè)值均低于ANSYS 數(shù)值模擬分析；（4）實(shí)測(cè)值與ANSYS數(shù)值模擬分析擬合曲線走勢(shì)大致相同，且線性明顯，說明ANSYS數(shù)值模擬分析能夠較準(zhǔn)確的表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化趨勢(shì)。

2.應(yīng)變?cè)囼?yàn)

混凝土一般發(fā)生受拉破壞，且管頂最早達(dá)到材料極限抗拉強(qiáng)度，因此將拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的理論與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。

通過圖5 可以看出，隨著加固厚度的增加，拱頂在相同埋深條件下拉應(yīng)變?cè)叫?，線性越好；拱形結(jié)構(gòu)在埋深10m 時(shí)最大拉應(yīng)變均小于200με，混凝土未開裂。最終選擇拱頂5cm 的加固方案就可以滿足加固需求。

圖5 拱頂拉應(yīng)變曲線Fig.5 Tensile strain curve of arch crown

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

通過試驗(yàn)結(jié)果可以看出，橢圓斷面加固方案，受力形式合理，即使在埋深10m 的條件下，混凝土仍未開裂，處于線彈性工作狀態(tài)，拱頂5cm加固厚度即滿足結(jié)構(gòu)受力需求，并且加固結(jié)構(gòu)本身即可滿足整體結(jié)構(gòu)的受力需求，具備獨(dú)立承擔(dān)荷載的能力。

試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)豎向和橫向位移均小于有限元計(jì)算結(jié)果，這是因?yàn)樵谠囼?yàn)加載中，試件受箍套作用影響，處于三向受壓狀態(tài)，提高了結(jié)構(gòu)的縱向抗壓能力和抗變形能力，所以位移實(shí)測(cè)值低于理論計(jì)算值，但是應(yīng)變數(shù)值影響不大，這是因?yàn)閷?shí)際結(jié)構(gòu)的微應(yīng)變并未因?yàn)楣刻鬃饔冒l(fā)生改變。

在滿足結(jié)構(gòu)需求的前提下，盡量減少加固結(jié)構(gòu)的尺寸，可以有效的減少方溝斷面損失，并且可以減少加固結(jié)構(gòu)的用料，因此在埋深小于10m的小型方溝加固方案中，選擇拱頂5cm的加固方案即可滿足需求。

4 修復(fù)前后過水能力對(duì)比分析

排水方溝屬于無壓流，其排水量由過水?dāng)嗝婷娣e和流速?zèng)Q定。修復(fù)前，方溝內(nèi)為混凝土內(nèi)壁，并使用多年，查規(guī)范［3］可知，粗糙度系數(shù)為0.02，方溝設(shè)計(jì)坡度為3%。修復(fù)后，方溝內(nèi)轉(zhuǎn)換為橢圓形截面，內(nèi)壁為紫外固化形成的內(nèi)膜層，其粗糙度系數(shù)為0.009，設(shè)計(jì)坡度不變?yōu)?%，橢圓截面高為0.7m，寬為0.5m。

通過計(jì)算最大流量，匯總結(jié)果如表1 所示，具體計(jì)算過程按照規(guī)范［3］有關(guān)矩形和《預(yù)制異形混凝土涵管設(shè)計(jì)與制造手冊(cè)》［4］有關(guān)橢圓形斷面計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

表1 修復(fù)前后過水能力對(duì)比Tab.1 Comparison of water carrying capacity before and after repair

修復(fù)后過水?dāng)嗝婷娣e損失43.75%，流速提升63.9%，最大流量損失7.9%。過水能力取決于水力半徑和表面粗糙程度，因?yàn)樾迯?fù)后的橢圓結(jié)構(gòu)內(nèi)部材料粗糙系數(shù)小，所以盡管過水?dāng)嗝鎿p失很多，但是流速提高很多，最大過水流量有所損失，但是排水管道的設(shè)計(jì)流量一般都是70%的設(shè)計(jì)流量。從這個(gè)角度上來說，這種修復(fù)方式并沒有減少設(shè)計(jì)流量?jī)?nèi)的過水能力，只是極限排水量略有下降。

5 結(jié)論

1.橢圓斷面加固方案，可以改善方溝受力形式，使結(jié)構(gòu)處于線彈性工作狀態(tài)，具有良好的承載力；

2.加固結(jié)構(gòu)可以不依賴原結(jié)構(gòu)獨(dú)立承擔(dān)荷載，所以對(duì)破損嚴(yán)重的原有結(jié)構(gòu)亦可以使用這種方式進(jìn)行加固；

3.加固后的管道在設(shè)計(jì)流量范圍內(nèi)不會(huì)影響原方溝的過水能力，只有極限滿管負(fù)荷量略有減少；

4.經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，加固方案受力合理，滿足方溝承載力需求，適用于實(shí)際工程應(yīng)用。