《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Calculation method for the mechanical performance of pipe–liner composite structure under multi-factor coupling effects
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CIPP修复管道在土壤、交通、流体及腐蚀耦合载荷下的机械性能研究，通过理论分析、全尺寸试验和数值模拟建立计算模型，验证模型MAPE 7.05%、RMSE 1.01%，有效评估复合结构性能。
杨康健|娄一庄|张建伟|方宏远|马少春|史磊|翟克杰
河南大学土木工程与建筑学院，开封475004，中国
摘要
在采用原位固化管道（CIPP）修复技术后，排水管道会受到土壤荷载、交通荷载、流体荷载和内部腐蚀的联合作用。然而，现有的研究仅提供了关于土壤荷载和交通荷载影响的数值解，而流体荷载和内部腐蚀的影响机制尚未得到充分理解，这严重限制了CIPP修复后管道性能评估的准确性。为了解决这一问题，本研究整合了土壤荷载、交通荷载、内力分析以及复合截面分析的理论，推导出在土壤和交通荷载共同作用下的管道内衬复合结构的力学性能计算模型。此外，通过全尺寸试验和数值模拟量化了流体荷载和内部腐蚀的影响，从而开发出了多因素耦合条件下复合结构的力学响应计算模型。结果表明，与试验数据相比，所提出的计算模型的平均绝对百分比误差（MAPE）为7.05%，均方根误差（RMSE）为1.01%，表明该模型是合理且可靠的，能够有效捕捉在土壤荷载、交通荷载、流体荷载和内部腐蚀联合作用下的管道内衬复合结构的力学性能。
引言
地下排水系统在高效输送城市区域的雨水和废水至处理设施方面发挥着重要作用，是城市基础设施系统的关键组成部分（Li等人，2023年）。其中，混凝土管道由于其高强度、低成本和长使用寿命而在城市排水系统中得到最广泛的应用。然而，在长期荷载和内部微生物活动的影响下，内部腐蚀和开裂等问题十分常见（Fang等人，2023年；Li等人，2024年）。这些缺陷会导致管道壁厚减少，从而引发泄漏并降低管道的承载能力，进而可能在管道周围形成土壤空洞（Allouche等人，2014年）。这种恶化最终可能导致环境污染、水体黑臭，甚至道路坍塌，对公共安全构成严重威胁，并严重影响人们的日常生活和经济活动（Bavilinezhad等人，2024年）。
随着人们对环境保护意识的提高以及对高效低碳建筑需求的增加，以CIPP修复为代表的非开挖技术已在地下管道领域得到广泛应用（Kaushal和Najafi，2020年）。由于CIPP修复技术具有施工速度快、对环境干扰小以及修复效果优异等优点，其在市场上具有巨大潜力（Wu等人，2021年）。CIPP修复后，内衬通过膨胀紧密附着在主管道上，改变了管道的原有力学特性。此外，排水管道工作在复杂环境中，会受到土壤荷载、交通荷载、流体荷载、地下水荷载和内部腐蚀的联合作用（Ma等人，2025年）。许多研究人员对CIPP修复后管道的力学性能进行了研究。Zhao等人（2023年）使用环刚度测试机和数字图像相关（DIC）系统对内径为200毫米的CIPP修复混凝土管道和钢筋混凝土管道进行了系列测试，研究了主管道与CIPP内衬之间的接触行为以及复合结构在外加载荷下的承载性能。Riahi等人（2019年）通过对有内衬和无内衬的混凝土管道进行三点承载试验，研究了CIPP修复前后管道的结构行为差异，并分析了它们的承载曲线和拉伸软化曲线的变化。结果表明，当混凝土管道和CIPP内衬共同承受荷载时，内衬能够增强原始管道的承载能力。Gras-Travesset等人（2024年）结合理论分析和全尺寸试验，研究了存在空洞缺陷时管道与CIPP内衬形成的复合结构的承载性能，并分析了空洞半径、面积和周长的影响。土壤荷载是作用于埋设管道的主要永久性荷载之一，在管道结构设计中起着关键作用。Marston（1913年）研究了沟埋管道的荷载计算理论，并提出了评估埋设管道在土壤荷载作用下的公式，该公式已成为计算土壤荷载效应的经典理论。Hsu和Shou（2022b）采用实验和数值模拟相结合的方法，研究了CIPP修复管道在土壤荷载作用下的联合性能，并分析了复合结构在不同加载条件下的力学响应。地下水位的变化会改变周围土壤的物理性质，导致管道内部应力显著增加和变形，从而对其力学性能产生重大影响。Li等人（2020年）使用有限元模拟研究了埋设混凝土管道在交通荷载和地下水位波动联合作用下的力学响应，并分析了孔隙率、渗透系数和地下水位波动周期对管道动态响应的影响。交通荷载作为作用在管道上最频繁的活荷载，对埋设管道的结构性能有显著影响（Cao等人，2025年）。法国数学家Boussinesq计算了地表点荷载在半无限弹性介质中引起的应力分布，为评估地表交通荷载对埋设管道的影响奠定了理论基础（Liu和Cui，2025年）。Zhao等人（2024年）使用数值模拟研究了在土壤荷载和交通荷载联合作用下CIPP修复管道的力学性能，并分析了管道内径、壁厚、埋设深度和管道初始损坏程度的影响。流体荷载直接作用于管道内壁，其对管道力学性能的影响不容忽视。Yu等人（2024年）使用Abaqus开发了腐蚀混凝土管道的数值模型，并使用Fluent建立了流体荷载模型，通过MpCCI将结构模型和流体模型耦合起来。基于此，分析了流速、流速和表面粗糙度对埋设管道性能的影响。Yang等人（2022年）采用全尺寸试验和数值模拟分析了在土壤荷载、交通荷载和流体荷载联合作用下的复合结构的力学响应。然而，流速、水量和腐蚀的影响机制尚未揭示。在管道运行过程中，腐蚀是导致管道内壁厚度减薄的常见现象，严重影响其结构性能（Lin等人，2025年）。ASTM F1216标准中引入了椭圆度修正系数C，用于考虑由于初始缺陷（如腐蚀和开裂）或主管道椭圆化导致的CIPP内衬承载能力下降（ASTM，2021年）。Hudson等人（2023年）通过全尺寸试验和多物理场模拟研究了完好、腐蚀和CIPP修复的波纹金属管道的结构性能，并根据实验结果分析了腐蚀和CIPP内衬对结构行为的影响。上述研究深入探讨了CIPP修复后混凝土管道的力学响应，并提供了土壤荷载和交通荷载影响的数值解。然而，流体荷载和内部腐蚀的影响尚未完全揭示，复杂环境条件和多种荷载的耦合效应也未得到充分考虑。这些限制使得当前的研究结果无法准确反映CIPP修复混凝土管道在实际使用条件下的力学行为，从而严重影响了复合结构性能评估的准确性（Zhao等人，2023年）。
为了解决上述问题，本研究首先基于现有的土壤荷载、交通荷载和内力分析理论建立了管道在土壤和交通荷载作用下的力学性能计算模型，进一步结合了复合截面分析理论考虑了CIPP内衬的影响。其次，通过一系列全尺寸试验和数值模拟获得了复合结构在各种流体荷载和内部腐蚀条件下的力学响应数据。最后，定量分析了流速、水量、腐蚀位置、腐蚀深度、腐蚀角度和腐蚀长度的影响，开发出了多因素耦合条件下管道内衬复合结构的综合力学性能计算模型。这些研究结果为CIPP修复混凝土管道的运行、维护和设计提供了理论基础。
章节摘录
在土壤和交通荷载作用下的管道内衬复合结构的内力分析
根据叠加原理，分别分析了管道在土壤荷载和交通荷载作用下的力学行为。
多因素耦合条件下管道内衬复合结构的力学性能计算模型的建立
现有研究提供了土壤荷载和交通荷载对管道影响的数值解。然而，由于流体荷载和内部腐蚀影响复合结构力学响应的机制复杂，准确获得多因素耦合条件下的结构响应仍然具有挑战性（Wang等人，2019年）。因此，基于管道内衬复合结构在土壤和交通荷载作用下的内力分析
研究局限性
尽管本研究为管道内衬复合结构在耦合荷载作用下的力学行为提供了新的见解，但为了确保分析的清晰度和计算效率，做出了一些假设和简化。这些假设和简化带来了一定的局限性，同时也指出了未来研究的方向。
(1) 本研究提出的经验公式（公式（21）、（22）、（23）、（24）、（25）、（26）、（27）、（28）、（29）、（30）、（31）、（32）、（33）、（34）、（35）、（36）
结论
本研究通过理论分析、全尺寸试验和数值模拟相结合的方法，系统研究了多因素耦合条件下管道内衬复合结构的力学性能。本研究的主要贡献如下：
(1) 本研究整合了土壤荷载理论、交通荷载理论、内部压力荷载分析、管道内力分析、复合截面分析理论、全尺寸试验和数值模拟
CRediT作者贡献声明
杨康健：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，形式分析。娄一庄：撰写 – 原稿，验证，软件，调查。张建伟：撰写 – 审稿与编辑，数据整理，概念化。方宏远：资源获取，资金筹措。马少春：验证，监督，资源。史磊：验证，软件。翟克杰：监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了河南省科技项目（项目编号252102320038）、河南省高等学校重点科研计划（项目编号26A560002）、国家重点研发计划（项目编号2022YFC3801000）以及国家创新型人才博士后计划（项目编号BX20230328）的资助，作者对此表示感谢。
