曾新宇 司金艳 王光明 王灏

1.北京城市排水集团有限公司 100010

2.北京市市政工程研究院 100037

引言

在北京排水体系中存在大量方沟，方沟多为砖砌结构，上方用混凝土盖板或者青石盖板，要承受上方荷载，也要承受土体压力。由于方形结构，盖板要承担的荷载分布不均，容易发生受压破坏。随着社会的发展，道路荷载增加，很多方沟盖板因此发生破坏，或者老旧方沟需要加固以满足荷载需求。由于方沟一般位于道路下方，开挖加固会影响道路运行，同时方沟长期位于地下，与周围土体已经形成共同作用体，开挖扰动过大，对周边土体安全也会造成影响。对于大型方沟，便于人工施工，可实施的加固方式多，加固效果良好；小型方沟难以进人，很多加固方式无法满足需求，因此，需要研究一种新型的结构加固方法，满足小型排水方沟结构性修复要求［1，2］。

目前国内小型方沟多采用喷涂砂浆的方式进行加固，但是，这种方法没有改变方沟的受力形式，如果要提高盖板承载力，需要增加盖板厚度，对方沟的竖向结构也增加了荷载，不利于方沟安全运营。

针对上述问题，本文提出一种小型方沟复合加固方式，使得排水方沟从矩形断面变成受力更为合理的椭圆断面，从而改善了排水方沟的受力形式，优化了排水方沟的受力结构，防止排水方沟在土壤作用力下变形、坍塌，提高了排水方沟的工作可靠性，有利于排水方沟的长期通畅运营。

1 复合修复技术概述

小型方沟结构性复合修复技术概括为：在方沟内插入椭圆形的钢丝骨架网作为塑性骨架，然后在骨架内插入内衬，插入后封闭内衬一端，通满气，使内衬紧贴钢丝骨架网，持续加压。与此同时，在钢丝骨架网与方沟形成的空间内注入特制的超流态高性能灌浆料，待灌浆料具备初始强度后，在钢丝骨架网内利用紫外固化法使内衬层紧贴钢丝网骨架，形成新的内衬层。具体工艺流程如图1 所示。

图1 小型排水方沟复合修复技术工艺流程示意Fig.1 Process flow diagram of composite repair technology for small square drainage ditch

2 方沟加固有限元模拟

利用Ansys workbench16.0 建立实体有限元方沟加固模型三组，各组按照椭圆断面顶部水平切线距方沟盖板的距离，分成3 种不同的加固尺寸，分别为5cm，6cm，7cm，按照同样设计原理设置椭圆断面的拱形曲线，其余设置均相同。灌浆料本构关系均采用多线形随性强化模型同时不考虑下降段。

3 方沟复合修复模拟试验

3.1 试验方案设计

设计制作600mm ×800mm 的钢模，内衬钢丝网骨架，实体浇筑2m 一段的试件，养护成型后脱模，按照排水管道设计规范对试件进行分级加载。探究不同埋深、不同加固尺寸的加固结构的受力情况。

试验荷载按排水管道设计规范进行加载，加载工况按照埋深10m进行分级加载，共分10 级。试件按照椭圆断面拱顶水平切线距方沟盖板的距离，分成3 种不同的加固尺寸，分别为5cm，6cm，7cm。选取拱顶、拱底及水平方向最大截面宽度处作为量测点，测试不同工况下拱结构的受力和变形情况。

试件在钢模中浇筑成型，根据设计浇筑不同厚度的超流态高性能灌浆料，泵送完成后进行28d养护，养护成型后的构件如图2 所示。

图2 养护成型后的构件Fig.2 Curing formed components

将构件放置于专用的结构试验平台上，分别进行分级加载，对特征点进行变形和位移监测。

3.2 试验结果分析

1.位移试验

现选取方沟同一监测位置在不同级埋深条件下数值拟合曲线与ANSYS数值模拟分析进行对比。

（1）竖向变形对比

以椭圆断面拱顶厚度5cm 的加固模型为例，在管顶端监测点A1 百分表数值的变化主要为拱顶在不同埋深下的竖向变形，试验数值拟合曲线与数值模拟分析曲线见图3a。

图3 拱顶荷载-位移曲线Fig.3 Load-displacement curve of arch crown

图3a曲线分别代表1／2、1／4 跨中椭圆断面拱顶位移监测值拟合曲线，灰色代表的是ANSYS数值模拟分析拟合曲线，根据曲线走势发现拱顶的变形基本处于线弹性状态。通过图3a 可以看出，试验位移要小于有限元计算的位移量。这是因为在加固平台中，方沟纵向压缩，横向会膨胀，由于灌浆料与垫板弹性模量与横向变形的差异，垫板横向变形明显小于试件的横向变形，横向变形受摩擦力影响，形成箍套作用。箍套作用下，试件处于三向受压状态，提高了试件的纵向抗压强度和抗变形能力，所以在同等荷载状态下，实测位移值低于理论计算值。

通过图3b 可以看出，椭圆断面拱顶厚度越大，加固模型的刚度越大，拱顶变形越小，但是荷载位移曲线的变化趋势一致，都出去线弹性状态，变化速率基本一致。

（2）横向变形对比

因为在加载过程中会出现偏心的现象，造成同一截面两侧的数值与理想的对称状态的计算数值偏离较大，所以选取同一截面的横向变形即截面两侧百分表数据之和与理论计算进行对比，以减轻偏心现象产生的误差。

横向变形理论计算与实测值对比见图4a。

图4 横向荷载-位移曲线Fig.4 Lateral load-displacement curve

图4a 可以看出，跨中横向截面水平位移，两侧数值接近，均低于ANSYS 数值模拟分析，其原因为实际受压过程中发生箍套作用，横向变形受约束。图4b 可以看出，壁厚越大，横向位移越小。

（3）位移试验数据分析

根据试验数据分析：（1）椭圆断面拱顶加固越厚，有效增加截面刚度越大，变形增长速率越低；（2）拱顶加固越厚，同等埋深情况下，拱形竖向变形和横向变形越小；（3）竖向变形和横向变形因为箍套作用，实测值均低于ANSYS 数值模拟分析；（4）实测值与ANSYS数值模拟分析拟合曲线走势大致相同，且线性明显，说明ANSYS数值模拟分析能够较准确的表示监测点位移变化趋势。

2.应变试验

混凝土一般发生受拉破坏，且管顶最早达到材料极限抗拉强度，因此将拱顶监测点的理论与实测值进行对比分析。

通过图5 可以看出，随着加固厚度的增加，拱顶在相同埋深条件下拉应变越小，线性越好；拱形结构在埋深10m 时最大拉应变均小于200με，混凝土未开裂。最终选择拱顶5cm 的加固方案就可以满足加固需求。

图5 拱顶拉应变曲线Fig.5 Tensile strain curve of arch crown

3.3 试验结论

通过试验结果可以看出，椭圆断面加固方案，受力形式合理，即使在埋深10m 的条件下，混凝土仍未开裂，处于线弹性工作状态，拱顶5cm加固厚度即满足结构受力需求，并且加固结构本身即可满足整体结构的受力需求，具备独立承担荷载的能力。

试验中结构竖向和横向位移均小于有限元计算结果，这是因为在试验加载中，试件受箍套作用影响，处于三向受压状态，提高了结构的纵向抗压能力和抗变形能力，所以位移实测值低于理论计算值，但是应变数值影响不大，这是因为实际结构的微应变并未因为箍套作用发生改变。

在满足结构需求的前提下，尽量减少加固结构的尺寸，可以有效的减少方沟断面损失，并且可以减少加固结构的用料，因此在埋深小于10m的小型方沟加固方案中，选择拱顶5cm的加固方案即可满足需求。

4 修复前后过水能力对比分析

排水方沟属于无压流，其排水量由过水断面面积和流速决定。修复前，方沟内为混凝土内壁，并使用多年，查规范［3］可知，粗糙度系数为0.02，方沟设计坡度为3%。修复后，方沟内转换为椭圆形截面，内壁为紫外固化形成的内膜层，其粗糙度系数为0.009，设计坡度不变为3%，椭圆截面高为0.7m，宽为0.5m。

通过计算最大流量，汇总结果如表1 所示，具体计算过程按照规范［3］有关矩形和《预制异形混凝土涵管设计与制造手册》［4］有关椭圆形断面计算公式进行计算。

表1 修复前后过水能力对比Tab.1 Comparison of water carrying capacity before and after repair

修复后过水断面面积损失43.75%，流速提升63.9%，最大流量损失7.9%。过水能力取决于水力半径和表面粗糙程度，因为修复后的椭圆结构内部材料粗糙系数小，所以尽管过水断面损失很多，但是流速提高很多，最大过水流量有所损失，但是排水管道的设计流量一般都是70%的设计流量。从这个角度上来说，这种修复方式并没有减少设计流量内的过水能力，只是极限排水量略有下降。

5 结论

1.椭圆断面加固方案，可以改善方沟受力形式，使结构处于线弹性工作状态，具有良好的承载力；

2.加固结构可以不依赖原结构独立承担荷载，所以对破损严重的原有结构亦可以使用这种方式进行加固；

3.加固后的管道在设计流量范围内不会影响原方沟的过水能力，只有极限满管负荷量略有减少；

4.经实际试验验证，加固方案受力合理，满足方沟承载力需求，适用于实际工程应用。