覆土深度對腐蝕混凝土排水管道CIPP修復(fù)前后力學(xué)性能的影響分析

鄭志會(huì)， 林 宇， 黃劍鴻， 吳志俊， 黃卓華

(廣州市城市排水有限公司， 廣州 510308)

近年來，隨著中國地下空間開發(fā)的不斷加大，地下管網(wǎng)越來越復(fù)雜。就城市排水管線而言，截至2020年總長度已達(dá)74.4萬km[1-3]，其中超過50%的排水管道建設(shè)于2010年之前。隨著服役年限的增長，管道服役壽命逐漸減少，相應(yīng)的管線事故不斷發(fā)生[4-6]。在眾多管線事故中，由于混凝土管道腐蝕造成的危害諸多，且混凝土管道由于制作工藝簡單、剛度大是排水管網(wǎng)中最常用的管材[7]，因此，對于現(xiàn)役混凝土管道力學(xué)性能的研究便成為熱點(diǎn)課題。

在地下管線災(zāi)變的過程中，地震、車輛荷載、腐蝕等是加速管道力學(xué)性能劣化的重要因素。但Newmark等[8]研究顯示，覆土深度也是管道受損的重要因素之一。Meesawasd等[9]從內(nèi)因和外因兩個(gè)方面，研究了施工填土過程、土質(zhì)、交通荷載、覆土深度等對管道力學(xué)性能的影響，并對不同內(nèi)徑管道壽命進(jìn)行了預(yù)測。Lay等[10]基于大尺寸混凝土管道試驗(yàn)，研究了不同填土級配、覆土深度和車輛荷載大小對管道力學(xué)性能的影響，并認(rèn)為管道覆土深度的加大對管道的應(yīng)變有削弱作用。吳小剛等[11]考慮交通荷載及管土相互作用的影響，利用函數(shù)方程建立了相應(yīng)的彈性地基梁模型，并編寫了相關(guān)的算法給出了其解析解。王復(fù)明等[12]基于ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件，考慮荷載脈沖值、荷載位置和覆土深度的影響，對排水混凝土管道的力學(xué)性能進(jìn)行了研究分析，進(jìn)一步解釋了交通荷載作用下混凝土管道災(zāi)變機(jī)理。

管道在覆土深度的長期作用下極易產(chǎn)生破裂、脫節(jié)等病害，甚至引起道路坍塌、環(huán)境污染等事故，給國民經(jīng)濟(jì)造成極大的損失。傳統(tǒng)的管道修復(fù)方法多采用開挖換管的方式，影響道路交通、污染環(huán)境，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段排水管道維護(hù)的需求[13]。近年來，以CIPP為代表的管道非開挖修復(fù)技術(shù)逐漸應(yīng)用于排水管道修復(fù)中并取得了良好的效果[14]。張洪彬等[15]介紹了紫外線光固化CIPP技術(shù)在廣州市天河路排水管道修復(fù)中的應(yīng)用情況，并總結(jié)了該技術(shù)的特點(diǎn)。廖寶勇[16]研究了紫外光修復(fù)技術(shù)的材料、施工工藝、配套設(shè)施和大口徑柔性管道非開挖修復(fù)方法，并總結(jié)了中國紫外光修復(fù)技術(shù)存在的問題。Matthews[17]介紹了歐文市運(yùn)用CIPP修復(fù)2 400 mm大口徑鋼筋混凝土管道的工程案例，并提出了施工工藝的改進(jìn)措施。Shou等[18]運(yùn)用Abaqus軟件，建立了球墨鑄鐵管CIPP修復(fù)模型，分析了不同內(nèi)壓和表面荷載作用下埋地腐蝕管道CIPP修復(fù)前后的應(yīng)力和位移行為。

綜合上述研究，基于不同覆土深度，考慮車輛荷載作用對管道CIPP修復(fù)前后的力學(xué)性能的研究鮮有報(bào)道。因此，本文基于ABAQUS有限元模擬軟件，建立了混凝土排水管道CIPP三維有限元模型，分析了覆土深度對于管道-內(nèi)襯管復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，以期為現(xiàn)役混凝土管道CIPP修復(fù)效果評價(jià)提供參考依據(jù)。

1 ABAQUS數(shù)值模擬

1.1 模型描述

本文的有限元模型包括土體、管道、內(nèi)襯管、橡膠圈4個(gè)部分，如圖1所示。土體的三維數(shù)值模型尺寸取長×寬×高=17.2 m×7.5 m×8 m。為保證網(wǎng)格質(zhì)量，模型所有網(wǎng)格均在Hypermesh中完成，單元類型采用實(shí)體8節(jié)點(diǎn)減縮積分單元(C3D8R)，并對沙漏進(jìn)行控制，最后以獨(dú)立網(wǎng)格形式導(dǎo)入ABAQUS完成計(jì)算。管道模型由8節(jié)管組成，中間4節(jié)管是腐蝕管道，腐蝕區(qū)域位于管頂處，其余為正常管道，腐蝕管道示意圖如圖2(a)所示。圖中di為腐蝕深度，αi為腐蝕角度。管道幾何參數(shù)依據(jù)規(guī)范《混凝土和鋼筋混凝土排水管》(GB/T 11836—2009)[19]進(jìn)行選取，如圖2(b)所示。CIPP內(nèi)襯管壁厚參照《城鎮(zhèn)排水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 210—2014)[20]中重力管道半結(jié)構(gòu)性修復(fù)公式[式(1)]進(jìn)行選取。經(jīng)計(jì)算，CIPP內(nèi)襯管的壁厚為8 mm，CIPP內(nèi)襯管模型如圖3所示。

圖1 管道三維有限元模型

圖2 管道、腐蝕區(qū)域尺寸示意圖

圖3 內(nèi)襯管模型

(1)

式中：t為內(nèi)襯管壁厚，mm；D0為管道內(nèi)徑，取800 mm；P為管頂位置地下水壓力，取0.06 MPa；C為橢圓度折減因子，取0.84；N為安全系數(shù)，取2.0；EL為內(nèi)襯管的長期彈性模量,取8 800 MPa；K為圓周支持率，取7.0；ν為泊松比，取0.3。

橡膠圈是一種可壓縮的超彈性材料，基于《橡膠圈密封件給、排水管及污水管道用接口密封圈材料規(guī)范》(GB/T 21873—2008)[21]，將橡膠圈材料看成是THA55和THA86兩種材料的組合體，橡膠圈材料應(yīng)變能函數(shù)采用Mooney-Rivlin函數(shù)[22]。依據(jù)《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50332—2002)把交通荷載簡化為靜載進(jìn)行考慮[23]，作用位置如圖1所示，車輛載重、車輪布局、運(yùn)行排列等依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTJ 021)的規(guī)定[24]。本文在管土交界面設(shè)置接觸單元，以模擬各自間相互作用。切向采用“Penalty”接觸方程，Wang等[25]指出管土界面切向摩擦系數(shù)可表示為

(2)

式中：A、B、E為擬合參數(shù)，取決于土體的不排水抗剪強(qiáng)度，分別為0.756、0.461、0.204；D為管道的直徑；H為管道的覆土深度。

法向采用“硬接觸”，當(dāng)接觸面法向接觸距離小于0，表征有力的傳遞，反之，則無力的傳遞。

在橡膠圈和承插口交界面設(shè)置接觸單元，法向剛度Kn和剪切模量Kt參考文獻(xiàn)[26]中的數(shù)據(jù)，分別取為10 000 GPa/m和8 000 GPa/m。

1.2 參數(shù)設(shè)置

上覆土壓力是管道上方最主要的恒載之一，對管道力學(xué)響應(yīng)有較大影響。本文管道覆土深度取1.0、1.2、1.5 m；腐蝕角度為30°，腐蝕深度為2.76 cm；交通荷載大小為0.7 MPa，作用位置如圖1所示。CIPP內(nèi)襯管長度為15.9 m、厚度為8 mm、外徑為800 mm；覆土深度分別為1.0、1.2、1.5 m。土、管道和內(nèi)襯管的材料參數(shù)見表1，橡膠圈的材料參數(shù)見表2。表2中，C10、C01、D1為材料的正定常數(shù)，與溫度有關(guān)。

表1 模型材料參數(shù)

表2 橡膠圈材料參數(shù)[20] 單位：MPa

1.3 模型邊界條件

模型中涉及的邊界條件如下：

1)對土體的底部施加約束，限制土體底面所有方向的自由度，對土體四周施加約束，限制其法向方向的自由度。

2)對兩端管道施加約束，限制其法向方向的自由度。

3)對內(nèi)襯管施加約束，限制其法向方向的自由度。

1.4 模型網(wǎng)格劃分

為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，有限元模型網(wǎng)格在Hypermesh 13.0中完成，網(wǎng)格最小尺寸為0.02 m，最大尺寸為0.1 m。網(wǎng)格劃分完成之后以獨(dú)立網(wǎng)格形式導(dǎo)入ABAQUS中進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)格單元類型采用C3D8R(三維實(shí)體8節(jié)點(diǎn)減縮積分單元)，并對沙漏進(jìn)行控制。模型網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 模型網(wǎng)格

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 管道覆土深度對承插口力學(xué)性能的影響

在眾多管線事故中承插口的破壞是主要病害，為研究覆土深度對腐蝕管道承插口的應(yīng)力分布影響，從管底開始逆時(shí)針取承口、插口環(huán)向路徑，對不同覆土深度下腐蝕管道承插口CIPP修復(fù)前后最大主應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖5所示。圖5(a)顯示在不同覆土深度下腐蝕管道和CIPP修復(fù)管道插口最大主應(yīng)力在橫坐標(biāo)60°～120°、240°～300°處基本重合，在0°～60°、120°～240°處隨著覆土深度的增加而增大。圖5(b)顯示不同覆土深度下腐蝕管道和CIPP修復(fù)管道承口最大主應(yīng)力在橫坐標(biāo)30°～150°、210°～330°處基本重合，在0°～30°、150°～210°、330°～360°處隨著覆土深度的增加而增加。對比覆土深度對插口和承口的影響范圍可知，覆土深度對插口的影響大于承口。當(dāng)覆土深度從1.0 m增加到1.2 m時(shí)，腐蝕管道插口和承口管頂最大主應(yīng)力分別增加了1.107、1.098倍；CIPP修復(fù)管道增加了1.273、1.126倍。當(dāng)覆土深度從1.2 m增加到1.5 m時(shí)，腐蝕管道插口和承口管頂最大主應(yīng)力分別增加了1.116、1.109倍；CIPP修復(fù)管道增加了1.259、1.109倍。對比相同覆土深度增量腐蝕管道和CIPP修復(fù)管道插口和承口管頂最大主應(yīng)力增幅，可知當(dāng)覆土深度增量相同時(shí)，插口最大主應(yīng)力增幅大于承口，CIPP修復(fù)管道管頂最大主應(yīng)力增幅大于腐蝕管道。

圖5 不同覆土深度下插口、承口最大主應(yīng)力變化曲線

2.2 管道覆土深度對管頂和管底力學(xué)性能的影響

為了研究覆土深度對腐蝕管道最大主應(yīng)力的影響，取管頂、管底縱向路徑，對不同覆土深度下腐蝕管道最大主應(yīng)力進(jìn)行分析。不同覆土深度下管頂、管底最大主應(yīng)力對比曲線如圖6所示。從圖中可以看出，腐蝕管道和CIPP修復(fù)管道管頂、管底最大主應(yīng)力都隨著覆土深度的增加而增大，說明覆土深度對管道最大主應(yīng)力影響很大。覆土深度從1.0 m增加到1.2 m時(shí)，腐蝕管道管頂、管底最大主應(yīng)力最大值分別增加了1.098、1.072倍；CIPP修復(fù)管道增加了1.137、1.067倍。覆土深度從1.2 m增加到1.5 m時(shí)，腐蝕管道管頂、管底最大主應(yīng)力最大值增加了1.104、1.099倍；CIPP修復(fù)管道增加了1.137、1.091倍。對比相同覆土深度增量腐蝕管道和CIPP修復(fù)管道管頂、管底最大主應(yīng)力增幅可知，當(dāng)管道覆土深度增量相同時(shí)，管頂處CIPP修復(fù)管道最大主應(yīng)力增幅大于腐蝕管道，管底處兩者之間無明顯差別。

圖6 不同覆土深度下管頂、管底最大主應(yīng)力變化曲線

2.3 管道覆土深度對管頂和管底豎向位移的影響

為了研究覆土深度對腐蝕管道豎向位移的影響，取管頂、管底縱向路徑，對不同覆土深度下腐蝕管道豎向位移進(jìn)行分析。不同覆土深度下管道管頂、管底豎向位移對比曲線如圖7所示。在橫坐標(biāo)0～6 m、10～16 m處腐蝕管道不同覆土深度下管頂、管側(cè)、管底位移曲線基本重合，CIPP修復(fù)管道也是如此，在橫坐標(biāo)6～10 m處腐蝕管道和CIPP修復(fù)管道管頂、管底位移隨著覆土深度的增加而減小。說明覆土深度對交通荷載作用處的兩根管道位移影響較大，對其他管道影響較小。覆土深度從1.0 m增加到1.2 m時(shí)，腐蝕管道管頂、管底位移最大值減小了0.096、0.102倍；CIPP修復(fù)管道減小了0.074、0.079倍。覆土深度從1.2 m增加到1.5 m時(shí)，腐蝕管道管頂、管底位移最大值減小了0.143、0.133倍；CIPP修復(fù)管道減小了0.116、0.113倍。對比相同覆土深度增量腐蝕管道和CIPP修復(fù)管道管頂、管側(cè)、管底位移增幅可知，當(dāng)覆土深度增量相同時(shí)，CIPP修復(fù)管道管頂、管底位移增幅小于腐蝕管道管頂、管底位移增幅。

圖7 不同覆土深度下管頂、管底豎向位移變化曲線

3 結(jié)論

基于ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件建立了三維模型，考慮了交通荷載的影響對不同覆土深度下管道CIPP修復(fù)前后承插口、管頂及管底力學(xué)性能進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

1) CIPP修復(fù)對于管道結(jié)構(gòu)性能的提升具有顯著效果，CIPP修復(fù)之后，管道受力變小且更加合理，豎向位移變小，服役性能增強(qiáng)。

2) 覆土深度對于管道承口的影響大于插口，對交通荷載作用處的兩根管道的影響大于其他管道，管道最大主應(yīng)力隨著覆土深度的增加而增加，管道豎向位移隨著覆土深度的增加而減小。

3)當(dāng)覆土深度增量相同時(shí)，CIPP修復(fù)管道管頂、管底位移小于腐蝕管道管頂、管底位移增幅，CIPP修復(fù)管道管頂最大主應(yīng)力增幅大于腐蝕管道最大主應(yīng)力增幅，管底則無明顯差別。