关于塑料管道-CIPP内衬复合结构承载性能及界面应力的研究

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Investigation on the load-bearing performance and interface stress of plastic pipe–CIPP liner composite Structures

本研究通过OFDR分布式应变传感、平行板加载试验和3D有限元模型，探究柔性塑料管道与CIPP内衬的界面结合特性及其力学性能。结果表明，界面结合显著提升环刚度（DN315系列提升约92%-210%），并改变中性轴位置和应力分布模式。推导出环刚度增强和弯矩分流的简化公式，为CIPP设计提供参数依据。

　　柔性塑料管道在城市排水系统中被广泛应用，但随着使用年限的增长和施工不规范，管道容易出现腐蚀、泄漏、变形和接头失效等问题。为了修复这些老化管道，Cured-in-Place Pipe（CIPP）技术被采用，该技术通过在原有管道内部注入树脂并固化，形成复合结构。然而，目前对于塑料管道作为基体的复合结构力学特性仍缺乏系统的量化研究。本研究结合了基于光学频率域反射（OFDR）的分布式应变传感技术、平行板加载试验以及经过验证的三维有限元模型，深入探讨了内衬层与管道厚度比（β）、管道直径（D）以及弹性模量比（η = Ea/Eb）对环刚度、弯矩分配和界面应力的影响。

研究结果显示，界面粘结是实现复合效应的关键因素。随着厚度比β的增加，环刚度呈现单调上升趋势，对于DN315 PE系列管道，其环刚度相比β = 0.15的基础值分别提升了约92%和210%。相比之下，非粘结界面则导致显著较低的刚度。随着β或η的增加，中性轴的迁移解释了测量到的应变模式。在固定变形条件下，管道直径D主要决定了刚度需求，而弯矩的分配则由β和粘结情况共同决定。研究还发现，界面剪切应力与冠部/底部的径向拉应力的共同作用是导致脱粘的主要驱动力，这一结论与闭合表达式和有限元模型中的应力场结果一致。

为了解决这些问题，研究提出了两个简化的关系式，用于描述环刚度的提升和粘结引起的弯矩放大。这些关系式的预测结果与实验和有限元分析趋势在β ∈ [0.15, 0.70]、η ∈ [0.14, 0.47]和D = 250–500 mm的校准范围内保持一致。研究结果为CIPP修复技术在塑料管道中的应用提供了设计指导，帮助确定内衬层厚度并验证界面粘结情况。

城市地下管网被视为城市运行的核心基础设施，对于维持城市的正常运转至关重要。随着城市化进程的加快，中国的排水系统不断扩展，伴随而来的是污水排放量的显著增加。截至2023年底，全国城市排水管道的总长度已超过950,000公里，年污水排放量也超过了6.60×10^10立方米。在现有的管网系统中，许多20世纪建造的管道已经超过了其设计使用寿命。此外，管道材料缺陷、施工不规范以及地表荷载的变化加剧了管道的退化，导致破裂、变形、腐蚀和接头错位等问题。这些问题不仅导致频繁的泄漏事件，还可能引发地下水污染和生态破坏，同时增加了城市洪水和地面沉降等次生灾害的风险。

因此，管网的修复和现代化变得尤为紧迫。化学建筑材料，尤其是聚合物管道，由于其优异的抗裂性、抗腐蚀性和耐久性，被广泛应用于市政工程中。在海绵城市建设和雨水-污水分离升级等项目中，高密度聚乙烯（HDPE）和聚氯乙烯（PVC）管道因其比传统混凝土管道具有更高的断裂延伸率和更显著的弹性变形特性而被优先选用。尽管这些材料具有诸多优势，但埋地塑料管道仍然会因长期使用而出现服务相关的缺陷。因此，针对柔性塑料管道的修复策略变得必要，其中界面行为成为结构性能的核心。

无开挖修复技术因其高效和环保优势，被广泛应用于排水管道的修复。其中，CIPP技术通过将浸渍树脂的内衬管插入到原有管道中，并通过热或紫外线（UV）固化形成纤维增强的复合内衬。根据界面粘结情况，CIPP修复可形成两种主要配置：（i）非粘结复合结构（通常与UV固化相关），其中内衬和原有管道可以独立变形；（ii）粘结层合结构（通常与自然固化相关），其中界面兼容性使内衬和原有管道能够协同变形并共同承担荷载。在各种外部荷载和不同界面相互作用的影响下，修复后的管道结构的应力特性与原始未改变的管道存在差异。已有研究通过理论和实验方法对修复后的管道结构的强度、刚度和界面相互作用进行了探讨。因此，界面条件控制着荷载分配和弯矩传递，进而决定了修复系统中的应力重新分布。

对于刚性管道的CIPP修复，已有模型和全尺寸土箱试验表明，荷载由内衬和原有管道共同承担，且环刚度显著提高。进一步的实验研究显示，CIPP修复相比单独插入PVC管道提供了更高的刚度提升。基于全尺寸观测，建立了一个三维有限元模型，用于分析在复合结构下的弯曲弯矩传递。此外，针对柔性管道的实验室研究进一步探讨了在板载荷和土壤压力作用下，自然固化和UV固化内衬的承载能力和协同变形情况。边界和支撑条件被证明会影响内衬的屈曲和后屈曲路径，进而控制荷载-变形行为，改变内衬-管道系统中的应力场。对分离接头的数值研究则量化了复合效应引起的界面力重新分布情况。从质量保证的角度来看，界面粘结质量被识别为决定长期性能的关键因素，特别是在柔性管道中，粘结显著提高了环刚度，并改变了失效顺序，使界面剥离和内衬膨胀成为原有管道失效之前的主要破坏形式。

尽管已有诸多进展，但以往的研究主要集中在刚性管道上。对于柔性塑料管道，仍然存在三个主要限制：（i）在服务相关荷载下，对界面粘结行为和应力分布模式的系统实验和数值验证不足；（ii）对塑料管道与CIPP内衬在粘结与非粘结界面下的荷载分配和弯矩传递机制理解不够深入；（iii）缺乏针对环刚度和弯曲性能的设计导向参数方法，这些方法需要与可测量的属性（如厚度比和模量比、直径）相联系。为了解决这些研究空白，研究进行了以下工作：

首先，通过板载荷试验和光学频率域反射（OFDR）光纤传感技术，研究了柔性塑料管道与CIPP内衬复合结构的刚度演化、环向应变分布以及弯矩传递机制。这些方法能够提供高精度的应变数据，从而更全面地理解复合结构在不同荷载条件下的行为。其次，建立了一个三维有限元模型，用于评估厚度比、弹性模量比和管道直径对界面应力的影响，并在此基础上提出了一个参数计算方法，用于预测复合结构的环刚度和弯曲性能。模型输入和荷载条件与实验程序相一致，以确保可比性。最后，基于理论和实验结果，开发了一个简化的预测公式和一个弯矩增强计算模型，以支持柔性塑料管道CIPP修复的设计。

在实验设计方面，实验系统包括环刚度测试机、分布式光纤应变测量系统和动态应变采集设备。在测试段的中跨位置，沿环向截面布置了三条光纤传感路径，以便监测原有管道外壁、内衬内壁以及界面过渡区的应变分布。应变数据通过Luna ODiSI设备同步采集，确保数据的准确性和完整性。实验结果表明，在初始阶段，原有管道和CIPP内衬能够协同变形，表现为接近线性的载荷-位移曲线。随着载荷的增加，内衬的垂直内径逐渐减小，而水平内径则增加，此时曲线的斜率显示轻微的刚度下降。在进一步加载过程中，曲线出现明显的下降点，这表明界面逐渐发生脱粘现象。

有限元模拟部分则构建了一个三维有限元模型，用于分析柔性塑料管道与CIPP内衬复合结构的承载性能、弯矩分配和界面应力。该模型首先验证了在相似变形条件下，界面应力表达式与实验结果的一致性。其次，量化了环刚度的提升作为几何和材料参数的函数。此外，评估了由于界面粘结引起的弯矩增强效果。模型的输入和荷载条件与实验程序相匹配，以确保模拟结果的可靠性。通过这一模型，研究人员能够更深入地理解复合结构在不同参数下的行为，并为实际工程设计提供支持。

研究的结论表明，结合实验、分析和数值方法，对柔性塑料管道在平行板压缩下的CIPP修复效果进行了系统研究。研究发现，界面粘结在复合效应中起着关键作用，决定了结构的承载能力和刚度提升。在粘结界面条件下，原有管道和内衬能够协同变形，环刚度显著增加。随着厚度比β的增加，环刚度的提升更为明显。此外，中性轴的迁移解释了应变模式的变化，表明界面粘结对结构行为有重要影响。研究还发现，在固定变形条件下，管道直径D主要决定了刚度需求，而弯矩的分配则由β和粘结情况共同决定。界面剪切应力与冠部/底部的径向拉应力的协同作用是导致脱粘的主要因素，这一结论与闭合表达式和有限元模型中的应力场结果一致。

通过本研究提出的两个简化关系式，可以更方便地预测环刚度的提升和粘结引起的弯矩放大。这些关系式在β ∈ [0.15, 0.70]、η ∈ [0.14, 0.47]和D = 250–500 mm的校准范围内与实验和有限元分析结果保持一致。研究结果不仅有助于理解CIPP修复技术在柔性塑料管道中的作用机制，还为实际工程设计提供了重要的指导。通过优化内衬层厚度和界面粘结条件，可以有效提高修复管道的承载能力和结构稳定性，延长其使用寿命。

研究的实施为城市排水系统的可持续发展提供了新的思路和技术支持。通过结合先进的传感技术和有限元模拟，研究人员能够更准确地评估修复管道的性能，为设计和施工提供科学依据。此外，研究还强调了界面粘结质量在修复效果中的重要性，表明在柔性管道中，粘结不仅提高了环刚度，还改变了结构的失效模式，使其从协同变形转变为界面剥离和内衬膨胀。因此，提高界面粘结质量是确保CIPP修复效果的关键。

本研究的成果不仅适用于当前的柔性塑料管道修复，也为未来的管道维护和更新提供了参考。通过进一步的研究和实验，可以拓展这些方法的应用范围，使其适用于更广泛的管道类型和施工条件。此外，研究还为开发新的修复技术和材料提供了基础，有助于推动城市基础设施的现代化和可持续发展。随着城市化进程的不断推进，对排水系统的维护需求将不断增加，因此，优化修复技术、提高管道的使用寿命将成为未来研究的重点方向。