管道修复人的圈子

1.引言

排水管道在施工和使用过程中，易由于外部荷载而产生各种缺陷和意外损伤，从而影响结构安全［1］。《城镇排水管道检测与评估技术规程》对管道破裂缺陷进行了定义，把缺陷等级分为4级，但缺陷等级之间的关系并不明确；其次，排水管道破裂缺陷的位置对管道承载破坏能力的影响也未规定。因此，笔者通过对管道缺陷等级之间的关系和位置分布对管道结构的影响程度进行探讨，为管道缺陷评估提供依据。

2.试样的设计

结构构件在生产、安装等过程中无法避免地会产生的一些残余应力，而这种应力现象也可以看成一种初始几何缺陷［2］。裂缝、裂口及圆孔是排水管道常见的缺陷，都可以被认作管道的初始力学缺陷。管道缺陷的模拟是选用PVC-UQ/LS19-2010DN100排水塑料管，试件长度为100mm，对破裂1、2、3、4级缺陷分别进行试件的初始几何缺陷设计，缺陷呈环向分布，试件设计见表1，试件制作如图1所示。

表1 试件设计表

图1 4类缺陷试件示意图

3.实验方法

实验采用WEW-300D微机屏显示液压万能试验机测试所有试件的环刚度、抗压强度、外压破坏荷载。

3.1环刚度

在塑料埋地排水管抗外压荷载能力的众多因素中，环刚度是一个重要指标。环刚度的大小是管道安全的关键因素之一。埋地塑料管环刚度偏小，管材可能发生较大变形甚至出现失稳破坏。倘若环刚度偏大，则会造成管材的用料较多，给工程造价带来成本过高的问题。

4.实验结果和分析

4.11级破裂缺陷与2级破裂缺陷的等效关系

实验安排了试样10组，一组3个，测定每个试件环刚度、抗压强度及外压破坏荷载值，每组实验的最终结果取3个试样的平均值。10组试件的测试结果见表2。

表2 1级、2级缺陷试件测试表

根据表2，0编号试件跟其他组相比，其环刚度、抗压强度和外压破坏荷载的测定数据变化明显。从1号至6号试件，缺陷个数从2个升到7个，3项测试值逐渐变小。这说明排水管

对于阻止裂纹扩展的趋势，葛锐菲斯能量理论认为，当裂纹扩展后，新的自由表面(即新的裂纹面)必须形成，由于新的裂纹面中相互作用的原子数量少，结构构件内在的能量低于新形成的自由表面，这样结构构件的表面需要吸收能量。裂纹要继续扩展，就必须形成新的自由表面，也就必须有该能量提供，这就是阻止裂纹扩展趋势的原理［8，9］。

由葛锐菲斯应变能公式可知，裂纹(1级)、裂口(2级)缺陷的试件，材料的基本力学属性一致，缺陷的大小相同，这就表明1、2级缺陷推动裂纹扩展的趋势为一致的。1、2级破裂缺陷之间最大的不同在于一级缺陷断面没有全部穿透，还存在3mm的剩余韧带。而剩余韧带对新的裂纹面来说，是一个必要的因素，是阻止裂纹扩展趋势的条件。因此，在相同的情况下，1、2级缺陷相关数值差异主要原因是由于1级缺陷还存在3mm左右的剩余韧带。由表2中1级缺陷和2级缺陷的数据可知，7号试件和3号试件的环刚度、抗压强度以及外压破坏荷载值大致相等；8号试件和6号试件的各项数据基本相同。而7，8号试件都属于破裂2级缺陷，缺陷个数分别为1个和2个，3号试件和6号试件属于破裂1级缺陷，缺陷个数分别为4个和7个，这表明管道破裂缺陷等级和缺陷数量有一定的联系。《城镇排水管道检测与评估技术规程》中对破裂1级裂纹缺陷的评分为0.5分，2级裂口缺陷的评分为2分，一个2级破裂裂口缺陷评分是一个1级破裂裂缝缺陷评分的4倍，实验结果和规范中规定的评分标准基本一致。

4.2三级破裂缺陷与四级破裂缺陷的等效关系

本试验安排了试件8组，每组3个，测定每个试件的环刚度，抗压强度以及外压破坏荷载，每组实验的最终结果取3个试件的平均值。8组试件的测试结果详见表3。

表3 3、4级缺陷试件测试表

根据表3的数据，在相同的情况下，10号试件的相关测试值介于16号和17号试件之间。10号试件属于破裂四级缺陷，16号和17号试件属于破裂3级缺陷。在缺陷大小相同的情况下，10号试件与11号至17号试件唯一的不同是缺陷的个数不一样。根据葛锐菲斯断裂力学理论，缺陷越多，推动裂纹扩展的趋势就越大，试件承受外部荷载的能力就越小，这表明破裂4级缺陷与多个3级缺陷在某种程度上有一定的联系。《城镇排水管道检测与评估技术规程》中对三级破裂缺陷评分为5分，4级破裂缺陷评分为10分，本试验结果与规范的评分标准有着较大的差异。

4.3缺陷位置对管道抗外部荷载能力的影响

为了研究缺陷的位置对管道抗外部荷载能力的影响，本实验分别选取编号1(1级)，7(2级)，11(3级)，10(4级)4组试样，把每组试样的缺陷位置设为管道侧壁和管道顶部，分别测试其3项力学相关数据。图2～4分别为缺陷的不同位置与相关力学性能参数的关系图。.

图2 缺陷位置与环刚度的关系图

图3 缺陷位置与抗压强度的关系

图4 缺陷位置与外压破坏荷载的关系图

从图2～4数据可知，管道侧壁有缺陷的试件，其3种实验测试数值比位于管道顶部有缺陷的试件的数值均小。这表明在其他外界条件都相同的情况下，管道顶部有缺陷比管道侧壁有缺陷对管道承载能力的破坏更小。这也在一定程度上说明管侧位置有缺陷的管道承担外界荷载的能力越弱，在管道的结构体系中，该位置是一个对结构缺陷影响较大的敏感区域，对结构临界荷载影响比较大。

4.4缺陷分布对管道抗外部荷载能力的影响

为了研究缺陷分布对管道抗外部荷载能力的影响，在其他外界条件相同的情况下，实验中只改变缺陷分布这个单一因素，把缺陷分为分散均匀分布和集中相邻分布，测试每个试件的环刚度、抗压强度和外压破坏荷载，6组试件的测试结果详见表4。

表4 不同缺陷分布的试件测试表

根据表4的数据可知，管件的缺陷位置分布的越均匀，其3项力学测定数据明显比缺陷集中分布的试件数值低。这表明在外界条件相同的情况下，缺陷分布越均匀对称，管道承受外界荷载的能力就越差。Song等［10］在2004年对轴向压力下的圆柱壳进行了4种形式的缺陷敏感性研究，指出绝大部分情况下轴对称的焊缝缺陷是最为不利的结论，这与本实验结果是相符合的。

5 结论

以《城镇排水管道检测与评估技术规程》中对破裂的定义，对该缺陷4种级别的试件进行环刚度、抗压强度以及外压破坏荷载单一因素对比实验，得出以下结论：

(1)对排水塑料管道来说，管道径向一个破裂的2级缺陷对管道抗外压荷载能力的影响可以等效于3～4个1级缺陷对该管道抗外压荷载能力的影响。

(2)对排水塑料管道来说，管道径向一个破裂的4级圆形缺陷对管道抗外压荷载能力的影响可以等效于7～8个3级的圆形缺陷对管道抗外压荷载能力的影响。

(3)在其他外界条件相同的情况下，缺陷位于管侧位置比缺陷位于管顶对管道抗外压荷载能力的影响更为不利。管道侧壁是一个对结构影响较大的敏感性区域。

(4)在其他外界条件相同的情况下，缺陷分散分布比缺陷均匀分布对管道的抗外压荷载能力的影响更小。

转自：《地下空间与工程学报》