脫空排水管道高聚物修復前后力學特性分析

李 斌， 方宏遠， 王復明

(1.鄭州大學 水利與環(huán)境學院, 河南 鄭州 450001； 2.重大基礎設施檢測修復技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室, 河南 鄭州 450001； 3.水利與交通基礎設施安全防護河南省協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 鄭州 450001)

0 引言

排水管道是現(xiàn)代城市不可或缺的基礎設施.隨著城市規(guī)模不斷發(fā)展，排水管道建設規(guī)模不斷擴大.截至2015年，我國大中城市排水管道總長度已超過50萬公里.然而，隨著排水管道使用壽命的增加，管道老化嚴重，由此引發(fā)的地面塌陷等事故頻發(fā).

排水管道傳統(tǒng)修復方式主要是開挖更換，此方法浪費資源且對附近居民生活造成嚴重干擾.高聚物注漿技術(shù)是一種基于高聚物材料的基礎設施快速維修技術(shù)[1].其原理是將雙組分聚合物材料注入管壁外側(cè)，材料反應后迅速膨脹固化，從而達到封堵滲漏、填充脫空的目的，如圖1所示.目前，該技術(shù)已成功應用于多種構(gòu)筑物加固修復項目中[2-3].

圖1 填充管道脫空和封堵滲漏Fig.1 Filling the disengaging and sealing the leakage

交通荷載作為作用在市政管網(wǎng)上方最主要和最頻繁的荷載，是造成管網(wǎng)病害的主因之一，國內(nèi)外學者圍繞交通荷載作用下地下管道力學響應開展了大量研究.Rakitin等[4]實施了交通荷載作用下大口徑鋼筋混凝土管離心試驗，對管節(jié)處的力學響應進行了深入研究，結(jié)果表明,交通荷載作用位置處管節(jié)垂直位移最大；在離心試驗的基礎上，Xu等[5]開展了有限元分析，其模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好；Meesawasd等[6]基于有限元計算，對交通荷載作用下管道的應力分布進行了詳細討論，認為交通荷載能夠顯著影響管道力學性能；Alzabeebee等[7]通過建立三維有限元模型，對英國現(xiàn)行管道設計方法進行了驗證，對管徑和最大垂直位移之間的關(guān)系進行了討論；吳小剛等[8]基于Eular-Berhoulli彈性地基梁模型對交通荷載作用下管道的位移響應進行了解析計算；王直民[9]采用1/4車輛振動模型，分析了管道在車輛荷載作用下應力分布規(guī)律.徐建國等[10-11]開展了高聚物修復地下管道沉降與脫空滲漏的研究，結(jié)果表明，高聚物修復材料對管道沉降和脫空滲漏有良好的修復效果.

筆者在統(tǒng)籌考慮道路結(jié)構(gòu)、路基土體及管道有機整體和管節(jié)接觸非線性的基礎上，利用ABAQUS有限元軟件建立了三維數(shù)值模型，開展交通荷載作用下正常管道、底部脫空管道和高聚物修復后管道的力學特性研究.

1 有限元模型

1.1 模型參數(shù)

模型尺寸采用長×寬×高=12 m×10 m×8 m，道路結(jié)構(gòu)分為面層、基層、底基層和路基，如圖2所示.其中面層、基層和底基層材料采用線彈性本構(gòu)，土體采用M-C彈塑性本構(gòu)，材料參數(shù)如表1所示，管材為C30混凝土管，采用混凝土損傷塑性模型，整個管道模型由6節(jié)管組成，每節(jié)有效長度為2 m，內(nèi)徑1.0 m，壁厚0.1 m，埋深2 m.在圖2(a)所示處設置一處長1 m、深0.1 m的半環(huán)形區(qū)域模擬管底脫空.圖3為1/2模型網(wǎng)格，經(jīng)網(wǎng)格敏感性分析，結(jié)合計算機性能，選擇管道網(wǎng)格尺寸為0.1 m，土體網(wǎng)格采用從邊界到管道位置逐漸加密的方法.圖4為單個管節(jié)模型.

圖2 計算模型圖Fig.2 Calculation model

表1 材料參數(shù)表

圖4 管節(jié)Fig.4 The ppe segment

1.2 接觸面模型

目前,我國管道設計規(guī)范仍將交通荷載按靜載來考量.假定車輛軸距為2.0 m，將交通荷載簡化為作用在0.213 m×0.50 m區(qū)域內(nèi)的均布荷載，荷載作用位置如圖2所示.

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

本節(jié)將交通荷載設置為0.5 MPa和1.0 MPa，作用在管節(jié)3正上方，分析不同交通荷載對管道力學響應的影響.

沿管頂正上方縱向取路徑，圖5和圖6分別為兩種交通荷載下管頂Mises應力和豎向位移對比曲線.

圖5 管頂Mises應力對比曲線(0.5 MPa)Fig.5 Comparison of the Mises stress(0.5 MPa)

圖6 管頂Mises應力對比曲線(1.0 MPa)Fig.6 Comparison of the Mises stress(1.0 MPa)

從圖5和圖6可以看出，管頂Mises應力并不嚴格關(guān)于荷載作用位置對稱.Mises應力沿荷載作用位置兩側(cè)呈遞減趨勢，且交通荷載為1.0 MPa時Mises應力從荷載作用位置兩側(cè)遞減趨勢明顯大于交通荷載為0.5 MPa時.此外，交通荷載對其作用位置兩側(cè)6 m (0～6 m、6～12 m)范圍內(nèi)的管道影響較大，且交通荷載越大，影響也越大.三種狀態(tài)管道Mises應力曲線在管節(jié)處高度不連續(xù)，說明交通荷載作用下管道破壞的危險點位于管節(jié)處.對比圖5和圖6，脫空管道Mises應力明顯大于正常管道和高聚物修復管道，且正常管道和高聚物修復管道Mises應力極為接近，說明脫空對管道受力影響較大且高聚物材料對脫空起到了有效修復.當交通荷載為1.0 MPa時，脫空管道在管節(jié)3(即脫空位置)處的Mises應力比交通荷載為0.5 MPa時大0.4 MPa左右，比正常管道和高聚物修復管道大0.2 MPa左右.

兩種交通荷載下管頂豎向位移對比曲線如圖7和圖8所示.從圖7和圖8可以看出,交通荷載作用位置兩側(cè)4 m (2～6 m、6～10 m)范圍內(nèi)沉降明顯，說明交通荷載對其作用位置兩側(cè)4 m范圍內(nèi)管道的沉降影響較大.0.5 MPa時脫空管道最大沉降值約為0.3 mm，其他兩種管道最大沉降值約為0.28 mm，1.0 MPa時脫空管道最大沉降值約為0.83 mm，其他兩種管道約為0.53 mm.

圖7 管頂豎向位移對比曲線(0.5 MPa)Fig.7 Comparison of the vertical displacement(0.5 MPa)

圖8 管頂豎向位移對比曲線(1.0 MPa)Fig.8 Comparison of the vertical displacement(1.0 MPa)

取脫空處承插口環(huán)形路徑對其Mises應力進行分析，圖9和圖10為承口Mises應力對比曲線(0°、90°、180°分別代表管頂、管側(cè)和管底，角度沿管周順時針增大).從圖9和圖10可以看出,兩種交通荷載作用下三種狀態(tài)管道承口處Mises應力分布基本一致，管側(cè)(90°)應力最大，管頂(0°)最小.交通荷載為0.5 MPa和1.0 MPa時，脫空管道管底Mises應力分別在157.5°～202.5°區(qū)域及135°～225°區(qū)域內(nèi)大于其他兩種狀態(tài)管道，其余區(qū)域均小于其他兩種狀態(tài)管道，說明脫空處管節(jié)(管節(jié)3)在交通荷載作用下發(fā)生了小幅度的轉(zhuǎn)動，使承口管底區(qū)域出現(xiàn)應力集中，且應力集中區(qū)域隨著交通荷載的增大而增大.

圖9 承口Mises應力對比(0.5 MPa)Fig.9 Comparison of the Mises stress at the bell(0.5 MPa)

圖10 承口Mises應力對比(1.0 MPa)Fig.10 Comparison of the Mises stress at the bell(1.0 MPa)

圖11和圖12為插口Mises應力對比曲線.從圖11和12中可以看出，0.5 MPa交通荷載下插口處管頂(0°)和管底(180°)Mises應力最大，管側(cè)(90°、270°)最小,1.0 MPa交通荷載作用下管頂(0°)最大，管側(cè)(90°、270°)最小.0.5 MPa交通荷載作用下脫空管道整個環(huán)向Mises應力均小于其他兩種狀態(tài)的管道，1.0 MPa時除管頂略大于其他兩種狀態(tài)管道外，其余區(qū)域均小于其他兩種狀態(tài)管道，在管底135°～225°區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)更為明顯，其原因是脫空處管節(jié)轉(zhuǎn)動導致承插口發(fā)生相對滑動，此時應力主要集中在承口底部，而插口在承口內(nèi)部，受力反倒最小.

對比圖9～12正常管道與高聚物修復管道以及高聚物修復管道與脫空管道環(huán)向Mises應力，可以看出高聚物材料填充脫空后管道脫空處的環(huán)向應力恢復到了正常管道的水平，說明高聚物材料能有效修復管道脫空.

圖11 插口Mises應力對比(0.5 MPa)Fig.11 Comparison of the Mises stress at the spigot(0.5 MPa)

圖12 插口Mises應力對比(1.0 MPa)Fig.12 Comparison of the Mises stress at the spigot(1.0 MPa)

3 結(jié)論

基于ABAQUS建立了埋地管道三維有限元模型，通過計算，對比了不同大小交通荷載作用下三種狀態(tài)管道的力學和位移響應，得出如下結(jié)論：

(1)由于管節(jié)承插口的非對稱性，管頂縱向Mises應力和豎向位移曲線并不嚴格關(guān)于荷載作用位置對稱.

(2)交通荷載對其作用位置兩側(cè)6 m和4 m范圍內(nèi)的Mises應力和豎向位移影響顯著，影響程度與交通荷載大小成正比.

(3)各管節(jié)處Mises應力相對于管身明顯增大且不連續(xù)，說明交通荷載作用下管道破壞的潛在點位于管節(jié)處，實際工程中應將承插口施工作為重點關(guān)注對象.

(4)交通荷載作用下脫空管道縱向Mises應力、豎向位移均比正常管道大，說明含缺陷地下排水管道受交通荷載影響較大.

(5)交通荷載大小對管道應力和變形影響顯著，表征重載車輛對路面結(jié)構(gòu)及下方構(gòu)筑物存在較大危害.

(6)高聚物修復脫空管道后其縱向Mises應力、豎向位移和環(huán)向Mises應力均大幅減小，說明高聚物修復脫空管道后其受力更趨合理，管道也更加安全穩(wěn)定，達到了可靠有效的修復效果.