城市地下PVC-U 塑料排水管道標準狀態下變形失效試驗研究

蔡丹陽 朱艷峰 黃窈婷

（廣州番禺職業技術學院）

地下管線屬于隱蔽工程，數量龐大且種類繁多。隨著PVC-U 排水管材的大量使用，損壞和缺陷情況也日益增加。目前《城鎮排水管道檢測與評估技術規程》(CJJ181－2012) 對PVC-U 排水管道的變形缺陷劃分與管材實際運營狀態存在較大偏差，不利于管道變形修復預處理工程成本的控制和技術發展。為給出更為準確的變形缺陷和健康狀態判斷依據，對PVC-U 地下排水管道的變形失效狀態進行更深入的研究顯得尤為重要。本文針對目前城鎮地下排水管網大量應用的幾種PVC-U 管材，進行標準狀態下的變形失效試驗研究，并對其承載力狀態進行分析，其研究結果將為《城鎮排水管道檢測與評估技術規程》的進一步修訂提供理論依據與技術支持。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

PVC-U 塑料排水管道標準狀態下的試驗采用目前廣州市地下管網中應用較多、不同的廠家的三種管材，分別記為管材L、X、H。選用的管段公稱直徑均為DN=200mm，管段長度取L=300mm。管材的編號及具體參數如表1。

1.2 試驗方案

本試驗采用CMT5105 型電子萬能材料試驗機，在室溫25℃下進行。放置管段使其軸線平行于萬能試驗機的平板，使管段軸線的中點垂直于負荷傳感器的軸線，以恒定的加載速率5mm/min 在垂直方向壓縮管段，如圖1 所示。管段處于標準狀態，即除了壓縮方向無其他側限。

表1 三種PVC-U 管材的編號及參數

圖1 管段壓縮方向

通過更換萬能試驗機上壓盤尺寸（如圖2），分別對管段施加三種不同形式的荷載，即：平板荷載、條形荷載及點狀荷載，得到不同環剛度下PVC-U 管道的變形失效過程及承載力情況。

圖2 萬能試驗機上壓盤尺寸

2 管段變形失效模式

2.1 兩類變形失效模式

管段變形失效實驗表明，不同環剛度下PVC-U 塑料排水管道標準狀態下變形失效模式可分為大變形破壞模式與裂紋破壞模式兩類。

2.1.1 大變形破壞模式

當管材的基體材料為塑性材料時，管段的變形失效模式為大變形失效模式。以L 型管材在條形荷載作用下的破壞為例，如圖3（a-f）所示，圖中變形率的定義為[1]：

變形率=(管內徑－變形后最小內徑)÷管內徑×100%

圖3 塑性材料基體條形荷載作用下管段失效破壞過程

管段橫截面初始形狀為圓形（圖3(a)），受壓后變為橢圓形，當變形率增加至大約38%，在管段的上下兩側，即管段與上壓盤和下壓盤相接觸的部分，出現管壁的翹曲（圖3(b)），隨著荷載的增加，管壁翹曲程度和范圍持續增大（圖3(c)），直至上下兩側管壁相接觸（圖3(d)）。在上述壓縮變形過程中，管壁未發生任何破裂和剝落。卸載后管段發生回彈，變形率瞬時恢復至65%，最終恢復至74%（圖3(e)）。試驗表明，當加載形式為板載時，管段可被壓縮至上下兩部分被展平而相貼，如圖3(f)所示。由于試驗中管段可以產生非常大的彈塑性變形，因此稱之為大變形破壞模式。工程中，此類管材建議采用頂管法進行非開挖修復[2]。

2.1.2 裂紋破壞模式

當管材的基體材料為脆性材料時，管段的變形失效模式為裂紋失效模式。以X 型管材在條形荷載作用下的破壞為例，如圖4（a-f）所示。

圖4 脆性材料基體管段條形荷載作用下裂紋破壞過程

管段初始截面形狀為圓形，受壓縮后，在小于5%的變形率范圍內截面形狀為橢圓形，隨后管段上側出現一條貫穿整個管段且平形于軸線的縱向裂紋，隨著變形率的增大，在管段的下側、左右兩側同時出現貫穿整個管段的縱向裂紋，對應的變形率分別為9%（圖4(b)）、22%（圖4(c)）。裂紋出現后，管段截面變為四瓣相連的圓弧，但彼此并未斷開，仍能繼續承受一定荷載（圖4(d)、4(e)），直至四瓣圓弧斷開完全喪失承載力（圖4(f)），卸載后管段坍塌散開。在上述壓縮變形過程中，管壁在大于5%變形率時開始產生脆性裂紋，其他工況受壓后裂紋出現的時刻與順序各異，但均會產生三至四條裂紋。由于脆性材料基體管段受壓失效的主要原因是裂紋的產生，均因管壁沿裂紋斷開而坍塌破壞，因此稱為裂紋破壞模式。工程中，此類管材建議采用光固化修復[3]。

2.2 變形失效模式的分析

不同管材在不同形式荷載作用下的變形失效模式如圖5 所示。三種工況下，L 型管材的變形失效模式均為大變形破壞模式。X 型和H 型管材均為裂紋破壞模式。在之前的工作中[4]，筆者分析了目前市場上大量應用的數種PVC-U 管材的本構關系，L 型管材的基體材料為1#材料，即塑性材料，有明顯屈服點、變形能力強；X型和H 型管材的基體材料分別為2#和3#材料，均為拉伸強度低、變形能力弱的脆性材料。因此，管道的變形失效模式主要取決于管材基體材料的性質，與加載形式無關。

圖5 三種工況下管材變形失效模式

3 管段承載力- 變形率關系

管段承載力-變形率關系在不同的管材中呈現不同特點。本試驗中L、X、H 代表三種管材，荷載形式包括板載（B）、條載（T）、點載（D），側限條件為標準狀態（0）。

3.1 L 型管材承載力- 變形率關系

L 型管材承載力與變形率的關系曲線如圖6 (a)所示。板載作用下：承載力-變形率曲線在初始階段的短暫勻速上升后進入長時間的緩慢上升過程，隨后進入一個加速上升的階段，直到管段內壁發生接觸，最大承載力可達7454N。管段內壁上下相貼合后，其承載力會持續上升，但此時管段已經完全失去流通能力，故本文并不考慮。條形荷載作用下：承載力-變形率曲線在初始階段的短暫勻速上升和隨后的緩慢上升后，進入一個平臺階段，承載力保持穩定。平臺階段的承載力均值為1774N。管壁上下接觸后由于管段基體材料的壓縮，承載力亦會持續上升，同理，此時管段已失去流通能力，不預考慮。點載作用下的承載力-變形率曲線與條載下的曲線接近，不同之處在于，變形率在53.5%左右時承載力達到峰值，經歷了小幅度的下降后方進入平臺階段。試驗表明，承載力-變形率曲線在變形率53.5%時出現了變化。平臺階段的承載力均值為1558N。

3.2 X 型管材

X 型管材的變形模式為裂紋破壞模式。在板載、條載和點載三種不同荷載作用下，其承載力-變形率曲線規律相同，如圖6(b)所示。曲線在接近勻速上升后很快達到峰值，平均值為429N，隨后曲線呈現階梯狀下降，每次驟降都伴隨著一條縱向裂紋的產生。例如，管段X-T-0-1 曲線中有4 次驟降，分別出現在變形率為5%、9%、21%和22%時，與管段縱向裂紋的出現相對應。因管段材料及壁厚并不十分均勻，使左右兩側裂紋對應承載力驟降時的變形率有1%的誤差。不同試件曲線驟降的位置，即裂紋出現的時刻有差異，但均會有三至四條貫穿裂紋。裂紋出現后管段并未完全喪失承載力，仍能承受承載力峰值10%左右的荷載，隨后緩慢下降至管段坍塌，徹底喪失承載力。

圖6 三種管材的承載力- 變形率曲線

3.3 H 型管材

H 型管材的變形模式為裂紋破壞模式。在三種不同荷載作用下的承載力-變形率曲線規律相同，均呈現出階梯狀下降，與X 型管材相似，曲線驟降處均伴隨一條裂紋的出現。但與X 型管材不同的是，H 型管材的承載力-變形率曲線在出現第一個驟降前，有一小段平臺階段，承載力平均值約為436N，且管段徹底喪失承載力時的變形率較高，為48%。出現差異的原因是X、H 兩種管材基體材料的本構關系有差別，兩者的本構模型雖然均可簡化為非線性粘彈性，但3#材料的拉伸曲線有一小段平臺段，其斷裂應變約為2#材料的2 倍。

4 結論

通過對三種目前城鎮地下排水管網大量使用的PVC-U 管材進行標準狀態下變形失效狀態與承載力試驗研究，可以看到，由于管材基體材料的不同，其失效破壞狀態模式可分為大變形破壞模式與裂紋破壞模式兩類，兩類管材的承載力-變形率曲線規律與變形破壞過程相對應。即使同為脆性基體材料，由于本構關系的不同，其承載力-變形率曲線會略有差異。但總體可以看到，塑性材料基體的管材，直到喪失流通能力，管壁都未發生任何破裂和剝落，且卸載后，可恢復較大變形，對于此類材料的管材，管道非開挖修復工藝傾向于選擇頂管法；脆性材料基體的管材，在變形達到管徑大約不到四分之一時，已出現貫穿整個管段的縱向裂紋，變形達到管徑大約二分之一時，管道已完全喪失流通能力與承載力，對于此類材料的管材，管道非開挖修復工藝傾向于選擇光固化修復。由于不同基體材料管道變形與失效模式的不同，建議《城鎮排水管道檢測與評估技術規程》(CJJ181－2012) 中對管道的變形缺陷劃分方式與健康狀況評估進行區別對待，以利于管道非開挖修復成本的控制與修復方法的選擇。