【摘要】：目前我國大部分早期建設(shè)的市政埋地給排水管道已經(jīng)到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限,已經(jīng)出現(xiàn)大規(guī)模的破損和失效,亟待更新修復(fù)。非開挖修復(fù)技術(shù)作為一種新型高效的埋地管道修復(fù)技術(shù),能夠在不開挖或者局部開挖的條件下,實(shí)現(xiàn)埋地管道的修復(fù)或者更換,已經(jīng)在國際上被大規(guī)模推廣應(yīng)用。薄壁不銹鋼內(nèi)襯法是一種新型的非開挖修復(fù)方法,不銹鋼內(nèi)襯經(jīng)過折疊或者在管道內(nèi)部焊接的方式,在待修復(fù)的管道內(nèi)部形成新的結(jié)構(gòu)性內(nèi)襯,提高管道結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度,并滿足管道的密封和防腐要求,達(dá)到修復(fù)管道的目的。不銹鋼內(nèi)襯作為一種薄壁結(jié)構(gòu),在外部壓力作用下(包括內(nèi)部真空負(fù)壓),往往容易引發(fā)屈曲破壞問題。工程上已經(jīng)出現(xiàn)過不銹鋼內(nèi)襯屈曲破壞的事故,其主要原因是目前對于不銹鋼內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)的理論研究十分欠缺,尤其是關(guān)于置入管道內(nèi)部后的不銹鋼內(nèi)襯的外壓屈曲強(qiáng)度。大量的研究表明:內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的尺寸比、內(nèi)襯的彈性模量及內(nèi)襯施工引起的幾何缺陷,對其外壓屈曲性能有重大影響。不銹鋼是一種金屬材料,其彈性模量遠(yuǎn)大于目前常用的原位固化內(nèi)襯(CIPP)、聚乙烯(PE)內(nèi)襯和聚氯乙烯(PVC)內(nèi)襯材料,并且常用內(nèi)襯的尺寸比(DR)和安裝方式也與化學(xué)材料內(nèi)襯存在明顯不同。因此,ASTM標(biāo)準(zhǔn)雖然適用于化學(xué)材料內(nèi)襯的外壓屈曲強(qiáng)度設(shè)計(jì),但是卻不適用于不銹鋼內(nèi)襯。目前薄壁不銹鋼內(nèi)襯法已經(jīng)被列入到我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)給水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》CJJ/T 244-2016,但是該標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)的不銹鋼內(nèi)襯外壓屈曲設(shè)計(jì)理論仍然是參考ASTM標(biāo)準(zhǔn),這是不合適也不可行的。目前尚無針對不銹鋼內(nèi)襯外壓屈曲性能方面的研究,不利于該修復(fù)方法的推廣應(yīng)用。鑒于此,論文采用理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法對不銹鋼內(nèi)襯的外壓屈曲強(qiáng)度開展了研究。論文的主要研究內(nèi)容和研究成果如下所示:(1)詳細(xì)介紹了ASTM標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)理論基礎(chǔ)的起源,并對相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入地分析,發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中的環(huán)狀間隙對內(nèi)襯屈曲強(qiáng)度有顯著影響,并且試驗(yàn)設(shè)計(jì)和計(jì)算參數(shù)的選取也并不合理,ASTM標(biāo)準(zhǔn)選擇圓周支撐率K=7并不合理;(2)將各種模型計(jì)算的內(nèi)襯臨界屈曲強(qiáng)度進(jìn)行了全面的對比。研究結(jié)果表明,各種計(jì)算模型的適用條件并不相同,需要根據(jù)實(shí)際情況選取合適的模型進(jìn)行計(jì)算。(3)通過開展薄壁不銹鋼內(nèi)襯外壓屈曲試驗(yàn),研究得出了不同DR的內(nèi)襯屈曲強(qiáng)度;通過將當(dāng)前常用的內(nèi)襯屈曲強(qiáng)度模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,驗(yàn)證各種計(jì)算模型的適用性。研究結(jié)果表明,不銹鋼內(nèi)襯的環(huán)狀間隙是影響不銹鋼內(nèi)襯屈曲強(qiáng)度的主要因素;相比于人工焊接成型工藝,直徑小于800 mm的不銹鋼內(nèi)襯采用的折疊-擴(kuò)展安裝工藝會(huì)使內(nèi)襯產(chǎn)生明顯缺陷,并嚴(yán)重降低不銹鋼內(nèi)襯的屈曲強(qiáng)度,應(yīng)該禁止使用;目前常用的內(nèi)襯屈曲強(qiáng)度模型并不適用于不銹鋼內(nèi)襯,而根據(jù)考慮環(huán)狀間隙影響的屈曲模型計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為符合,這種方法有可能用于計(jì)算不銹鋼內(nèi)襯外壓屈曲強(qiáng)度。(4)研究提出了一種新型的多管片拼接薄壁不銹鋼內(nèi)襯修復(fù)技術(shù),消除了環(huán)狀間隙對外壓屈曲強(qiáng)度的影響,并且在不增加不銹鋼內(nèi)襯壁厚的前提下,提高了結(jié)構(gòu)的外壓屈曲強(qiáng)度;根據(jù)該內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn),建立了外壓屈曲力學(xué)模型,根據(jù)非線性變形假設(shè)和最小能量原理,推導(dǎo)了結(jié)構(gòu)的外壓屈曲強(qiáng)度解析公式。(5)在考慮不銹鋼內(nèi)襯材料特性、接觸關(guān)系的基礎(chǔ)上,通過有限元軟件ABAQUS建立了薄壁不銹鋼內(nèi)襯管片在剛性約束下的屈曲數(shù)值模型;通過施加外部集中力引入微小徑向位移作為初始缺陷,采用弧長法計(jì)算得出了內(nèi)襯發(fā)生外壓失穩(wěn)的荷載-位移曲線,并得出了內(nèi)襯的臨界屈曲強(qiáng)度;通過對比推導(dǎo)得出的解析公式和有限元模型計(jì)算的臨界屈曲強(qiáng)度及參考點(diǎn)的徑向位移,發(fā)現(xiàn)有限元模型與解析公式的計(jì)算結(jié)果吻合,從而驗(yàn)證了該解析公式的正確性,表明該公式可以用于計(jì)算這種新型內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的臨界屈曲強(qiáng)度。
【圖文】：

排水 2.2 3.6 8.4 22.8 15.9 52.9燃?xì)?0.7 2.5 5.8 21.9 25.0 55.9根據(jù)上表可以看出，分別有 35.2%的供水管道、26.8%的排水管道以及 16燃?xì)夤艿朗窃?2000 年以前建設(shè)的，總計(jì)大約 48.7 萬公里，其中相當(dāng)大部分已本到達(dá)設(shè)計(jì)使用年限。另外，由于城市管道多數(shù)情況下埋于道路或建筑物的，并且由于管理意識(shí)的不足和管道檢測修復(fù)技術(shù)的局限性，其運(yùn)行狀態(tài)和安況一直以來都無法得到足夠的重視，早期建設(shè)的埋地管道在運(yùn)行 20~30 年后因缺少定期的管理和恰當(dāng)?shù)木S護(hù)，出現(xiàn)了不同程度的變形及破壞問題，嚴(yán)重了城市管道的使用效率，導(dǎo)致管道出現(xiàn)各種各樣的功能問題及安全事故[1-2]。以排水管道為例，根據(jù)上表統(tǒng)計(jì)結(jié)果，我國 2000 年以前建設(shè)的排水管道長 14.2 萬 km。由于歷史的原因，這些排水管道的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)比較低下，并且施量參差不齊，再加上后期的運(yùn)營過程中，管理和維護(hù)措施不到位，在對這些管道進(jìn)行檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)部出現(xiàn)了大量的腐燭、滲漏、破裂、變形、淤積均勻沉降等結(jié)構(gòu)性和功能性缺陷，如下圖 1.1 所示。

中國地質(zhì)大學(xué)博士學(xué)位論文 3上述排水管道存在的典型問題，，對城市的安全帶來嚴(yán)重的影響。排水管道出現(xiàn)淤積、變形和錯(cuò)口等問題會(huì)導(dǎo)致管道的排量不足，當(dāng)出現(xiàn)較大降雨時(shí)，會(huì)形成城市內(nèi)澇災(zāi)害。2010 年廣州市的兩場時(shí)降雨量超過 100 mm 的大暴雨，導(dǎo)致城區(qū)出現(xiàn)大面積的洪澇災(zāi)害，很多街道、商鋪、停車場等區(qū)域被水淹沒，局部深度甚至可達(dá) 5 m 以上，造成的經(jīng)濟(jì)損失超 10 億元（如圖 1.2 所示）。給水管道和排水管道出現(xiàn)滲漏等問題，一方面會(huì)導(dǎo)致地下水進(jìn)入管道內(nèi)部，增加了排水量，增加了污水廠的污水處理量，當(dāng)排水量超過污水廠的處理量時(shí)，只能將污水直接排放，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染；另一方面會(huì)造成管道周圍土體流失，掏空路基土體，導(dǎo)致地表沉降甚至引起地面塌陷（如圖 1.3 所示），導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TU991;TU992

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