覆土深度对腐蚀混凝土排水管道CIPP修复前后力学性能的影响分析

郑志会， 林 宇， 黄剑鸿， 吴志俊， 黄卓华

(广州市城市排水有限公司， 广州 510308)

近年来，随着中国地下空间开发的不断加大，地下管网越来越复杂。就城市排水管线而言，截至2020年总长度已达74.4万km[1-3]，其中超过50%的排水管道建设于2010年之前。随着服役年限的增长，管道服役寿命逐渐减少，相应的管线事故不断发生[4-6]。在众多管线事故中，由于混凝土管道腐蚀造成的危害诸多，且混凝土管道由于制作工艺简单、刚度大是排水管网中最常用的管材[7]，因此，对于现役混凝土管道力学性能的研究便成为热点课题。

在地下管线灾变的过程中，地震、车辆荷载、腐蚀等是加速管道力学性能劣化的重要因素。但Newmark等[8]研究显示，覆土深度也是管道受损的重要因素之一。Meesawasd等[9]从内因和外因两个方面，研究了施工填土过程、土质、交通荷载、覆土深度等对管道力学性能的影响，并对不同内径管道寿命进行了预测。Lay等[10]基于大尺寸混凝土管道试验，研究了不同填土级配、覆土深度和车辆荷载大小对管道力学性能的影响，并认为管道覆土深度的加大对管道的应变有削弱作用。吴小刚等[11]考虑交通荷载及管土相互作用的影响，利用函数方程建立了相应的弹性地基梁模型，并编写了相关的算法给出了其解析解。王复明等[12]基于ABAQUS有限元数值模拟软件，考虑荷载脉冲值、荷载位置和覆土深度的影响，对排水混凝土管道的力学性能进行了研究分析，进一步解释了交通荷载作用下混凝土管道灾变机理。

管道在覆土深度的长期作用下极易产生破裂、脱节等病害，甚至引起道路坍塌、环境污染等事故，给国民经济造成极大的损失。传统的管道修复方法多采用开挖换管的方式，影响道路交通、污染环境，已经不能满足现阶段排水管道维护的需求[13]。近年来，以CIPP为代表的管道非开挖修复技术逐渐应用于排水管道修复中并取得了良好的效果[14]。张洪彬等[15]介绍了紫外线光固化CIPP技术在广州市天河路排水管道修复中的应用情况，并总结了该技术的特点。廖宝勇[16]研究了紫外光修复技术的材料、施工工艺、配套设施和大口径柔性管道非开挖修复方法，并总结了中国紫外光修复技术存在的问题。Matthews[17]介绍了欧文市运用CIPP修复2 400 mm大口径钢筋混凝土管道的工程案例，并提出了施工工艺的改进措施。Shou等[18]运用Abaqus软件，建立了球墨铸铁管CIPP修复模型，分析了不同内压和表面荷载作用下埋地腐蚀管道CIPP修复前后的应力和位移行为。

综合上述研究，基于不同覆土深度，考虑车辆荷载作用对管道CIPP修复前后的力学性能的研究鲜有报道。因此，本文基于ABAQUS有限元模拟软件，建立了混凝土排水管道CIPP三维有限元模型，分析了覆土深度对于管道-内衬管复合结构力学性能的影响，以期为现役混凝土管道CIPP修复效果评价提供参考依据。

1 ABAQUS数值模拟

1.1 模型描述

本文的有限元模型包括土体、管道、内衬管、橡胶圈4个部分，如图1所示。土体的三维数值模型尺寸取长×宽×高=17.2 m×7.5 m×8 m。为保证网格质量，模型所有网格均在Hypermesh中完成，单元类型采用实体8节点减缩积分单元(C3D8R)，并对沙漏进行控制，最后以独立网格形式导入ABAQUS完成计算。管道模型由8节管组成，中间4节管是腐蚀管道，腐蚀区域位于管顶处，其余为正常管道，腐蚀管道示意图如图2(a)所示。图中di为腐蚀深度，αi为腐蚀角度。管道几何参数依据规范《混凝土和钢筋混凝土排水管》(GB/T 11836—2009)[19]进行选取，如图2(b)所示。CIPP内衬管壁厚参照《城镇排水管道非开挖修复更新工程技术规程》(CJJ/T 210—2014)[20]中重力管道半结构性修复公式[式(1)]进行选取。经计算，CIPP内衬管的壁厚为8 mm，CIPP内衬管模型如图3所示。

图1 管道三维有限元模型

图2 管道、腐蚀区域尺寸示意图

图3 内衬管模型

(1)

式中：t为内衬管壁厚，mm；D0为管道内径，取800 mm；P为管顶位置地下水压力，取0.06 MPa；C为椭圆度折减因子，取0.84；N为安全系数，取2.0；EL为内衬管的长期弹性模量,取8 800 MPa；K为圆周支持率，取7.0；ν为泊松比，取0.3。

橡胶圈是一种可压缩的超弹性材料，基于《橡胶圈密封件给、排水管及污水管道用接口密封圈材料规范》(GB/T 21873—2008)[21]，将橡胶圈材料看成是THA55和THA86两种材料的组合体，橡胶圈材料应变能函数采用Mooney-Rivlin函数[22]。依据《给水排水工程管道结构设计规范》(GB 50332—2002)把交通荷载简化为静载进行考虑[23]，作用位置如图1所示，车辆载重、车轮布局、运行排列等依据《公路桥涵设计通用规范》(JTJ 021)的规定[24]。本文在管土交界面设置接触单元，以模拟各自间相互作用。切向采用“Penalty”接触方程，Wang等[25]指出管土界面切向摩擦系数可表示为

(2)

式中：A、B、E为拟合参数，取决于土体的不排水抗剪强度，分别为0.756、0.461、0.204；D为管道的直径；H为管道的覆土深度。

法向采用“硬接触”，当接触面法向接触距离小于0，表征有力的传递，反之，则无力的传递。

在橡胶圈和承插口交界面设置接触单元，法向刚度Kn和剪切模量Kt参考文献[26]中的数据，分别取为10 000 GPa/m和8 000 GPa/m。

1.2 参数设置

上覆土压力是管道上方最主要的恒载之一，对管道力学响应有较大影响。本文管道覆土深度取1.0、1.2、1.5 m；腐蚀角度为30°，腐蚀深度为2.76 cm；交通荷载大小为0.7 MPa，作用位置如图1所示。CIPP内衬管长度为15.9 m、厚度为8 mm、外径为800 mm；覆土深度分别为1.0、1.2、1.5 m。土、管道和内衬管的材料参数见表1，橡胶圈的材料参数见表2。表2中，C10、C01、D1为材料的正定常数，与温度有关。

表1 模型材料参数

表2 橡胶圈材料参数[20] 单位：MPa

1.3 模型边界条件

模型中涉及的边界条件如下：

1)对土体的底部施加约束，限制土体底面所有方向的自由度，对土体四周施加约束，限制其法向方向的自由度。

2)对两端管道施加约束，限制其法向方向的自由度。

3)对内衬管施加约束，限制其法向方向的自由度。

1.4 模型网格划分

为了提高网格质量，有限元模型网格在Hypermesh 13.0中完成，网格最小尺寸为0.02 m，最大尺寸为0.1 m。网格划分完成之后以独立网格形式导入ABAQUS中进行计算，网格单元类型采用C3D8R(三维实体8节点减缩积分单元)，并对沙漏进行控制。模型网格如图4所示。

图4 模型网格

2 试验结果分析

2.1 管道覆土深度对承插口力学性能的影响

在众多管线事故中承插口的破坏是主要病害，为研究覆土深度对腐蚀管道承插口的应力分布影响，从管底开始逆时针取承口、插口环向路径，对不同覆土深度下腐蚀管道承插口CIPP修复前后最大主应力进行分析，如图5所示。图5(a)显示在不同覆土深度下腐蚀管道和CIPP修复管道插口最大主应力在横坐标60°～120°、240°～300°处基本重合，在0°～60°、120°～240°处随着覆土深度的增加而增大。图5(b)显示不同覆土深度下腐蚀管道和CIPP修复管道承口最大主应力在横坐标30°～150°、210°～330°处基本重合，在0°～30°、150°～210°、330°～360°处随着覆土深度的增加而增加。对比覆土深度对插口和承口的影响范围可知，覆土深度对插口的影响大于承口。当覆土深度从1.0 m增加到1.2 m时，腐蚀管道插口和承口管顶最大主应力分别增加了1.107、1.098倍；CIPP修复管道增加了1.273、1.126倍。当覆土深度从1.2 m增加到1.5 m时，腐蚀管道插口和承口管顶最大主应力分别增加了1.116、1.109倍；CIPP修复管道增加了1.259、1.109倍。对比相同覆土深度增量腐蚀管道和CIPP修复管道插口和承口管顶最大主应力增幅，可知当覆土深度增量相同时，插口最大主应力增幅大于承口，CIPP修复管道管顶最大主应力增幅大于腐蚀管道。

图5 不同覆土深度下插口、承口最大主应力变化曲线

2.2 管道覆土深度对管顶和管底力学性能的影响

为了研究覆土深度对腐蚀管道最大主应力的影响，取管顶、管底纵向路径，对不同覆土深度下腐蚀管道最大主应力进行分析。不同覆土深度下管顶、管底最大主应力对比曲线如图6所示。从图中可以看出，腐蚀管道和CIPP修复管道管顶、管底最大主应力都随着覆土深度的增加而增大，说明覆土深度对管道最大主应力影响很大。覆土深度从1.0 m增加到1.2 m时，腐蚀管道管顶、管底最大主应力最大值分别增加了1.098、1.072倍；CIPP修复管道增加了1.137、1.067倍。覆土深度从1.2 m增加到1.5 m时，腐蚀管道管顶、管底最大主应力最大值增加了1.104、1.099倍；CIPP修复管道增加了1.137、1.091倍。对比相同覆土深度增量腐蚀管道和CIPP修复管道管顶、管底最大主应力增幅可知，当管道覆土深度增量相同时，管顶处CIPP修复管道最大主应力增幅大于腐蚀管道，管底处两者之间无明显差别。

图6 不同覆土深度下管顶、管底最大主应力变化曲线

2.3 管道覆土深度对管顶和管底竖向位移的影响

为了研究覆土深度对腐蚀管道竖向位移的影响，取管顶、管底纵向路径，对不同覆土深度下腐蚀管道竖向位移进行分析。不同覆土深度下管道管顶、管底竖向位移对比曲线如图7所示。在横坐标0～6 m、10～16 m处腐蚀管道不同覆土深度下管顶、管侧、管底位移曲线基本重合，CIPP修复管道也是如此，在横坐标6～10 m处腐蚀管道和CIPP修复管道管顶、管底位移随着覆土深度的增加而减小。说明覆土深度对交通荷载作用处的两根管道位移影响较大，对其他管道影响较小。覆土深度从1.0 m增加到1.2 m时，腐蚀管道管顶、管底位移最大值减小了0.096、0.102倍；CIPP修复管道减小了0.074、0.079倍。覆土深度从1.2 m增加到1.5 m时，腐蚀管道管顶、管底位移最大值减小了0.143、0.133倍；CIPP修复管道减小了0.116、0.113倍。对比相同覆土深度增量腐蚀管道和CIPP修复管道管顶、管侧、管底位移增幅可知，当覆土深度增量相同时，CIPP修复管道管顶、管底位移增幅小于腐蚀管道管顶、管底位移增幅。

图7 不同覆土深度下管顶、管底竖向位移变化曲线

3 结论

基于ABAQUS有限元数值模拟软件建立了三维模型，考虑了交通荷载的影响对不同覆土深度下管道CIPP修复前后承插口、管顶及管底力学性能进行了研究，主要结论如下：

1) CIPP修复对于管道结构性能的提升具有显著效果，CIPP修复之后，管道受力变小且更加合理，竖向位移变小，服役性能增强。

2) 覆土深度对于管道承口的影响大于插口，对交通荷载作用处的两根管道的影响大于其他管道，管道最大主应力随着覆土深度的增加而增加，管道竖向位移随着覆土深度的增加而减小。

3)当覆土深度增量相同时，CIPP修复管道管顶、管底位移小于腐蚀管道管顶、管底位移增幅，CIPP修复管道管顶最大主应力增幅大于腐蚀管道最大主应力增幅，管底则无明显差别。