李 忠，丁仕文,柳 獻(xiàn)，楊先華，魏立新

(1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092； 3.廣州市市政工程設(shè)計研究總院，廣東 廣州 510060)

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污水盾構(gòu)管道管片結(jié)構(gòu)性能退化數(shù)值分析

李 忠1,2，丁仕文1,柳 獻(xiàn)2，楊先華3，魏立新3

(1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092； 3.廣州市市政工程設(shè)計研究總院，廣東 廣州 510060)

為解決污水管道壽命期內(nèi)力學(xué)性能和變形難以動態(tài)定量評估的問題，對混凝土污水管道腐蝕機制進(jìn)行研究，建立多因素耦合作用下的污水盾構(gòu)管道結(jié)構(gòu)性能退化計算模型，應(yīng)用Matlab軟件對東濠涌試驗段管道的力學(xué)性能和變形進(jìn)行數(shù)值分析，通過分析可知：污水管道內(nèi)力在壽命期內(nèi)一直處于增加狀態(tài)，管道兩側(cè)(0°和180°位置，管道水平軸線右側(cè)為0°，逆時針為正)軸力的數(shù)值和增長率均最大；最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在管道兩側(cè)，最大正彎矩出現(xiàn)在管道底部，且壽命后期的增長率較大；壽命期內(nèi)最大正剪力出現(xiàn)在135°和315°附近，最大負(fù)剪力出現(xiàn)在45°和225°附近，且后期增長率較大；通過內(nèi)力變化對比分析得知，干濕循環(huán)區(qū)是內(nèi)力變化最不利的區(qū)域；管道最大豎向位移發(fā)生在管道頂部，由于管片接頭的存在，最大水平位移發(fā)生在18°和162°位置。

污水管道; 全壽命期; 管片腐蝕; 結(jié)構(gòu)性能退化; 內(nèi)力分布

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快、人口的急劇增長和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)廢水及生活污水排放量逐年增加，這給城市排水系統(tǒng)帶來巨大的考驗，大口徑的盾構(gòu)排水隧道正在被廣泛應(yīng)用，新建污水管道里程也在逐年增加。城市污水成分復(fù)雜，腐蝕介質(zhì)含量極高，隨著使用年限的增加，一些管道由于耐久性不足發(fā)生污水外泄甚至坍塌事故，不僅要花費大量的修復(fù)資金，而且會給人們的生活帶來極大不便[1]。

雖然城市污水腐蝕下混凝土管道長期性能的研究在我國起步較晚，但也取得了一定的成果。如：韓靜云等[2]采用城市污水室內(nèi)加速試驗和現(xiàn)場調(diào)查的方法，對混凝土管道和初沉池腐蝕機制進(jìn)行了總結(jié)，尤其是在微生物腐蝕方面做了深入的研究，但對結(jié)構(gòu)壽命周期內(nèi)長期性能的研究較少；王志委[3]用硫酸模擬污水，進(jìn)行圓形混凝土管道的室內(nèi)加速腐蝕試驗，并用Ansys軟件模擬腐蝕后的管道試件受力情況，然后與模型試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，但與污水管道腐蝕下復(fù)雜的工況和腐蝕因素相比，研究仍有一定的局限性。在盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)損傷方面，雷明鋒等[4]通過對氯離子和荷載耦合作用下的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)耐久性試驗系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)，建立了氯離子與荷載耦合作用下的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)混凝土耐久性評價模型；李忠等[5]通過盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)鋼筋加速誘蝕試驗，得到氯離子侵蝕環(huán)境下隧道襯砌結(jié)構(gòu)性能的退化規(guī)律。以上研究雖然也得出了一些有益的結(jié)論，但只是基于單因素或者兩因素耦合的室內(nèi)加速試驗，與復(fù)雜環(huán)境下全壽命期內(nèi)的結(jié)構(gòu)長期性能分析還存在一定差別，而且目前的研究大多集中于越江隧道和地鐵隧道，城市污水腐蝕環(huán)境下的盾構(gòu)管道的研究尚不多見。

本文在建立全壽命期的城市排水盾構(gòu)管道管片結(jié)構(gòu)性能退化計算模型的基礎(chǔ)上，對廣州市深層隧道排水系統(tǒng)東濠涌試驗段壽命期內(nèi)的管道力學(xué)性能和變形規(guī)律進(jìn)行深入研究。

1 盾構(gòu)管道管片結(jié)構(gòu)性能退化計算模型

1.1 城市排水管道腐蝕機制

城市污水成分十分復(fù)雜，目前較為認(rèn)可的城市排水管道腐蝕機制見圖1[2-3,6]。

城市排水管道污水腐蝕機制可以概括為以下3方面：

1)污水中存在的陰離子(如硫酸根離子)與混凝土中的氫氧化鈣作用生成膨脹性腐蝕產(chǎn)物(如3CaO·Al2O3·3Ca2SO4·31H2O)；陽離子(如銨離子、鎂離子、鐵離子等)能與氫氧化鈣作用生成難溶或難電離的化合物。

圖1 城市排水管道腐蝕機制示意圖

Fig.1 Sketch diagram of corrosion mechanism of urban sewage tunnel

2)在管道頂部管壁上,由于生物化學(xué)作用,硫化氫被氧化成硫酸,在硫酸的作用下,管壁混凝土被腐蝕。

3)城市排水管道的充滿度是不斷變化的，中間管壁混凝土一直處于干濕循環(huán)交替的狀態(tài)，各種鹽類結(jié)晶及硫酸鹽與混凝土作用生成的腐蝕產(chǎn)物都會對混凝土產(chǎn)生膨脹拉裂損傷，進(jìn)一步加速混凝土的腐蝕損傷。

1.2 計算模型的建立

1.2.1 腐蝕區(qū)域劃分

根據(jù)城市排水管道腐蝕機制可知，管道不同區(qū)域的腐蝕因素呈現(xiàn)各異性，因此，可將城市污水環(huán)境下盾構(gòu)隧道的腐蝕劃分為3個區(qū)域，見圖2。

圖2 管道腐蝕區(qū)域劃分

1.2.2 建立計算模型

結(jié)合城市污水管道腐蝕機制的研究和管片腐蝕區(qū)域的劃分，針對城市排水盾構(gòu)管道，建立一種耦合多重腐蝕因素、考慮接頭剛度非線性、管片與地層相互作用的多重工況下排水盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)性能退化計算模型，見圖3。

圖3 城市排水管道性能退化計算模型

Fig.3 Calculation model of segment structural performance degradation of urban sewage tunnel

通過該模型得到3個腐蝕區(qū)域與時間有關(guān)的損傷計算函數(shù)，結(jié)合接頭剛度非線性模型，將管片用梁單元模擬，管片與周圍地層之間的相互作用用土彈簧模擬[7]，管片與管片之間的接頭用“梁-接頭”單元模擬[8]，用Matlab編制有限元分析程序?qū)ξ鬯軜?gòu)管道全壽命期內(nèi)的力學(xué)性能和變形規(guī)律進(jìn)行定量評價。

1.3 模型實現(xiàn)的關(guān)鍵問題

1.3.1 動彈性模量損傷

混凝土的損傷失效過程可用動彈性模量Ed的變化來描述[9]。因此，對于A區(qū)域和B區(qū)域，可以通過混凝土動彈性模量Ed在城市污水腐蝕環(huán)境下的變化來表征管片混凝土的損傷過程。目前主要通過自然暴露試驗和室內(nèi)快速試驗2種方法得到Ed的損傷函數(shù)關(guān)系。因為自然暴露試驗法時間周期長、成本大，所以大多數(shù)學(xué)者青睞室內(nèi)快速試驗法。本文設(shè)計了C50混凝土試塊在不同含量的NaCl溶液和Na2SO4溶液中長期浸泡和干濕循環(huán)2種耐久性損傷試驗，部分實驗過程見圖4。

C50混凝土試塊在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液中的Ed變化歷程見圖5。由圖5可知：10%Na2SO4溶液中Ed在570 d左右達(dá)到51.2 GPa；5%Na2SO4溶液中Ed在630 d左右達(dá)到50.3 GPa；清水中Ed在試驗周期內(nèi)未見衰減。因此，腐蝕溶液的含量越大，對混凝土的腐蝕越嚴(yán)重。

C50混凝土試塊在5%Na2SO4溶液中干濕循環(huán)和長期浸泡2種狀態(tài)下的Ed變化歷程見圖6。由圖6可知：在長期浸泡條件下Ed達(dá)到最大值50.3 GPa平均用時630 d，干濕循環(huán)試塊Ed達(dá)到最大值49.5 GPa的平均時間僅為230 d左右，干濕循環(huán)對試塊Ed的影響明顯，會進(jìn)一步加劇混凝土的腐蝕，對混凝土的耐久性極為不利。

不同的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)對浸泡試塊Ed變化歷程的影響見圖7。由圖7可知：氯離子的存在延長了動彈性模量各階段變化的時間，達(dá)到最大動彈性模量的時間也被延長，隨著腐蝕溶液中氯離子含量的增加，混凝土失效的時間延長，即復(fù)合溶液中氯鹽的存在減緩了混凝土硫酸鹽損傷程度。

(a) 浸泡試件

(b) 聲速測試

圖5 C50試塊在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液中的Ed變化歷程

Fig.5 Dynamic modulus of elasticity of C50 concrete sample in different mass fractions of solution vs.time

通過試驗可知C50混凝土試塊的實驗室Ed強化階段為2～3年，腐蝕溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小，強化階段的時間越長，而實際環(huán)境中腐蝕溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與實驗室的溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)差2～3個數(shù)量級[10]，再加上污水中氯鹽的存在延緩了硫酸鹽損傷，因此，可對污水管道混凝土Ed變化歷程做以下假定：1)A區(qū)域(長期浸泡區(qū))的混凝土Ed強化階段為5年；2)B區(qū)域(干濕循環(huán)區(qū))的混凝土Ed強化階段為3年。為更直觀地描述上述假定，繪出A、B區(qū)域混凝土Ed變化歷程曲線，見圖8。

圖6 干濕循環(huán)和長期浸泡條件下試塊Ed變化歷程

Fig.6 Dynamic modulus of elasticity of C50 concrete sample in conditions of drying and watering cycle and long time immersed vs.time

圖7 不同氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下試塊Ed變化歷程

Fig.7 Dynamic modulus of elasticity of C50 concrete sample in different mass fractions of chloridion vs.time

1.3.2 有效厚度衰減

通過管片有效厚度h′的變化來表征H2SO4溶液對C區(qū)域管片混凝土的腐蝕情況?；炷恋乃嵛g深度與很多因素有關(guān)，如：混凝土水膠比、強度、粉煤灰用量、應(yīng)力狀態(tài)、離子含量等，文獻(xiàn)[11]給出了多因素作用下混凝土中性化深度統(tǒng)一預(yù)測模型

圖8 A、B區(qū)域管片混凝土損傷曲線

Fig.8 Dynamic modulus of elasticity of C50 concrete sample in long time immersed zone and drying and watering cycle zone vs.time

由文獻(xiàn)[12]可知，當(dāng)pH值降到2左右時，食砼菌開始大量繁殖,并生成高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸,混凝土中水泥石的硅酸鈣和鋁酸鈣被溶解,從而導(dǎo)致混凝土被破壞。用Matlab計算腐蝕深度并繪圖，得到腐蝕深度與時間的變化歷程，見圖9。

圖9 腐蝕深度與時間的變化曲線

2 數(shù)值分析

2.1 工程概況

為解決廣州市雨季頻繁出現(xiàn)的“合流污水溢流”和“城市內(nèi)澇”問題，改善東濠涌流域的排水功能，提高東濠涌的水質(zhì)保護(hù)能力，修建廣州市深層隧道排水系統(tǒng)東濠涌段。東濠涌試驗段位于廣州市越秀區(qū),工程北起孖魚崗涌，南至沿江路江灣大酒店東側(cè)的東濠涌補水泵站。工程隧道埋深約40 m，考慮隧道下穿地鐵一號線、六號線和密集居民區(qū)，結(jié)合現(xiàn)今盾構(gòu)施工技術(shù)水平，綜合各方面因素，推薦采用土壓平衡盾構(gòu)施工。參照廣州地鐵成熟施工做法，管片技術(shù)參數(shù)取值見表1。盾構(gòu)管片及污水盾構(gòu)管道見圖10。

表1 管片參數(shù)

(a) 管片示意圖

(b) 現(xiàn)場污水盾構(gòu)管道

Fig.10 Sketch diagram of shield segment and site sewage segment

工程地貌屬珠江三角洲山前沖積平原，主要穿越中風(fēng)化、微風(fēng)化泥巖等軟巖地層，北段起于天河向斜西南翼，往南轉(zhuǎn)入海珠背斜東北翼，主要組成地層為白至系上統(tǒng)三水組東湖段。巖性單一，以暗紫、紫紅色泥巖為主，夾青灰色泥灰?guī)r，含微薄層硬石膏，巖相穩(wěn)定。與下伏地層連續(xù)沉積，厚度180～400 m。具體的土層參數(shù)見表2。

表2 土層參數(shù)

2.2 數(shù)值計算分析

2.2.1 軸力變化

盾構(gòu)排水隧道設(shè)計使用年限為100年，每10年為一時間軸隔點，管道使用1、30、70、100年的軸力分布見圖11，由圖11可知：從整個壽命周期來看，軸力呈左右對稱形式，且隨著時間變化，軸力分布形狀也開始變化，管道服役中后期，中間位置軸力變化逐漸明顯，兩側(cè)軸力分布形狀逐漸呈凸?fàn)?，說明兩側(cè)軸力變化比較明顯，這是因為變化奇點兩側(cè)的環(huán)剛度相差較大，從而導(dǎo)致軸力變化較大；頂部和底部的軸力分布基本保持不變。

(a) 1年 (b) 30年

(c) 70年 (d) 100年

圖11 管道軸力變化(單位：kN)

Fig.11 Axial force variation of sewage tunnel (kN)

使用壽命期內(nèi)，軸力沿管道圓周分布見圖12。由圖12可知：管道兩側(cè)(0°和180°位置，管道水平軸線右側(cè)為0°，逆時針為正)軸力最大，壽命期內(nèi)變化明顯，且后期變化率要比前期大，相鄰位置軸力變化也比較劇烈；最小軸力在管道頂部(90°位置)，且在壽命期內(nèi)變化較小。底部軸力變化較為均勻，變化率基本保持不變。

圖12 軸力沿管道圓周變化

管道特征節(jié)點軸力變化歷程見圖13。由圖13可知：管道不同位置的軸力大小和變化率差別很大，兩側(cè)0°和180°位置處軸力數(shù)值和增長率都是最大的，且后期增長率要比前期大很多；管道頂部90°位置處軸力最小，且在壽命期里保持穩(wěn)定；管道底部軸力也處于增長的過程中，但是增長率相對較小。

圖13 特征節(jié)點軸力變化歷程

2.2.2 彎矩變化

管道運營1、30、70、100年的彎矩分布見圖14。由圖14可知：在壽命期內(nèi)，彎矩沿污水管道的分布保持不變，呈對稱形式。整個壽命期內(nèi)管道兩側(cè)、底部和頂部是彎矩比較大的位置，隨著材料力學(xué)性能的下降和內(nèi)力的不斷增大，均是比較危險的位置，應(yīng)在設(shè)計時加強配筋和抗彎驗算。

管道壽命期內(nèi)彎矩沿管道圓周分布見圖15。由圖15可知：最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在管道兩側(cè)，且在壽命期內(nèi)不斷增大，后期增長率比較大；最大正彎矩出現(xiàn)在管道底部，頂部彎矩比底部要小，也處于不斷增大的過程中。

(a) 1年 (b) 30年

(c) 70年 (d) 100年

圖14 管道彎矩變化(單位：kN·m)

Fig.14 Bending moment variation of sewage tunnel (kN·m)

圖15 彎矩沿管道圓周變化

管道特征節(jié)點彎矩變化歷程見圖16。由圖16可知：特征節(jié)點的彎矩大小在壽命期內(nèi)呈增長趨勢，圖中3個特征節(jié)點的增長率基本保持一致，管道兩側(cè)0°和180°位置后期增長率大，這主要是因為B區(qū)域干濕循環(huán)作用對管道混凝土損傷已經(jīng)很嚴(yán)重。

圖16 特征節(jié)點彎矩變化歷程

2.2.3 剪力變化

管道運營1、30、70、100年的剪力分布見圖17。由圖17可知:在管道壽命期內(nèi)，剪力沿污水管道的分布保持不變，呈反對稱形式。最大正剪力出現(xiàn)在135°和315°附近，且不斷增大，后期增長率較前期要大些；最大負(fù)剪力出現(xiàn)在45°和225°附近，也在不斷增大。

(a) 1年 (b) 30年

(c) 70年 (d) 100年

圖17 管道剪力變化(單位：kN)

Fig.17 Shear force variation of sewage tunnel (kN)

管道壽命期內(nèi)剪力沿管道圓周的分布見圖18。由圖18可知：整個壽命期內(nèi)45°、135°、225°和315°位置剪力比較大，隨著材料力學(xué)性能的下降和內(nèi)力的不斷增大，均是比較危險的位置，應(yīng)在設(shè)計時加強配筋和抗剪驗算。

圖18 剪力沿管道圓周變化

管道壽命期內(nèi)腐蝕環(huán)境下特征節(jié)點剪力變化歷程見圖19。由圖19可知：45°和135°位置及225°和315°位置剪力變化一致，在圖19中顯示重合，呈現(xiàn)良好的非對稱走勢。45°和135°位置剪力一直增大，曲線可以分為2個階段，快速增長階段和平緩增長階段。前20年快速增長階段增長速率較快，80～100年近似直線變化；225°和315°位置剪力變化曲線可以分為：快速下降、快速上升和平緩增長3個階段。前30年剪力處于快速下降階段，30～50年處于快速上升階段，50～100年近似直線平緩增長。

圖19 特征節(jié)點剪力變化歷程

2.2.4 區(qū)域內(nèi)力變化對比分析

通過分析城市排水管道在壽命期內(nèi)腐蝕環(huán)境下不同區(qū)域內(nèi)力的變化歷程，得到腐蝕因素下內(nèi)力變化最不利區(qū)域。不同區(qū)域內(nèi)力變化對比見表3—5。

為了更直觀地表達(dá)腐蝕因素下內(nèi)力變化最不利區(qū)域，將壽命期內(nèi)排污管道不同區(qū)域內(nèi)力最大值及其變化率繪成直方圖，見圖20。由圖20可知：在整個壽命期內(nèi)不同腐蝕因素耦合作用下，受影響最大的是B區(qū)域，即B區(qū)域是內(nèi)力變化最不利區(qū)域。

2.2.5 管道變形分析

當(dāng)管道達(dá)到100年使用期限時，管道的變形(放大10倍)見圖21。

通過Matlab編制程序可自動搜索識別出最大水平位移發(fā)生在18°和162°位置，最大豎向位移發(fā)生在90°位置，即頂部最中心位置，特征節(jié)點位移見圖22。

最大水平位移處發(fā)生在18°和162°位置，而不是0°和180°位置，這是因為18°和162°位置存在管片接頭，是整環(huán)的剛度薄弱點，因此，18°和162°位置的水平位移最大。

3 結(jié)論與討論

1)根據(jù)城市污水管道腐蝕機制，將污水管道劃分為污水長期浸泡區(qū)、干濕循環(huán)區(qū)和硫化氫腐蝕區(qū)，建立多因素耦合作用的污水盾構(gòu)管道管片結(jié)構(gòu)性能退化計算模型，應(yīng)用Matlab軟件對東濠涌試驗段管道的力學(xué)性能和變形進(jìn)行數(shù)值分析。

表3 不同區(qū)域最大軸力變化對比

注：Δ為100年與0年內(nèi)力變化率，即Δ=(F100年-F0年)/F0年×100%，下同。

表4 不同區(qū)域最大彎矩變化對比

表5 不同區(qū)域最大剪力變化對比

(a) 不同區(qū)域內(nèi)力最大值對比

(b) 不同區(qū)域內(nèi)力最大值變化率對比

Fig.20 Comparison of maximum internal forces and their varying rates in different zones

圖21 管道壽命末期變形圖

圖22 特征節(jié)點位移變化

2)污水管道內(nèi)力在壽命期內(nèi)一直處于增加狀態(tài)，管道兩側(cè)(0°和180°)軸力在數(shù)值和增長率上均是最大的；最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在管道兩側(cè)，最大正彎矩出現(xiàn)在管道底部(270°)，且壽命后期增長率較大；壽命期內(nèi)最大正剪力出現(xiàn)在135°和315°附近，最大負(fù)剪力出現(xiàn)在45°和225°附近，且后期增長率較大；最大豎向位移發(fā)生在管道頂部，由于管片接頭的存在，最大水平位移發(fā)生在18°和162°位置，同時通過內(nèi)力變化對比分析可知，B區(qū)域是內(nèi)力變化最不利區(qū)域。

3)本文模型的關(guān)鍵在于壽命周期內(nèi)A、B區(qū)域動彈性模量損傷變化歷程和C區(qū)域管片有效厚度變化函數(shù)的獲取。通過室內(nèi)加速試驗得到管片動彈性模量的腐蝕損傷規(guī)律并合理假定管道壽命期內(nèi)的動彈性模量變化曲線，是一次有益的嘗試。而如何通過提出的計算模型定量計算結(jié)構(gòu)的承載力損傷并評估結(jié)構(gòu)的安全度問題，有待進(jìn)一步研究。

[1] Gutiérrez-Padilla MGD,Bielefeldt A,Ovtchinnikov S,et al.Biogenic sulfuric acid attack on different types of commercially produced concrete sewer pipes[J].Cement and Concrete Research,2010,40 (2):293-301.

[2] 韓靜云,郜志海,張小偉.城市污水對初沉池混凝土不均衡損傷特性研究[J].土木工程學(xué)報,2005(7):45-49.(HAN Jingyun,GAO Zhihai,ZHANG Xiaowei.Non-uniform damage of primary sedimentation pool concrete by city sewage[J].China Civil Engineering Journal,2005(7):45-49.(in Chinese))

[3] 王志委.埋地式圓形混凝土排污管腐蝕規(guī)律及蝕后力學(xué)性能[D].重慶：重慶大學(xué),2012.(WANG Zhiwei.Analysis of corrosion rule and mechanical properties of underground circular concrete drainage pipe[D].Chongqing:Chongqing University,2012.(in Chinese))

[4] 雷明鋒,彭立敏,施成華.氯鹽侵蝕環(huán)境和荷載耦合作用下盾構(gòu)管片耐久性評價與壽命預(yù)計[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015(8):3092-3099.(LEI Mingfeng,PENG Limin,SHI Chenghua.Durability evaluation and life prediction of shield segment under coupling effect of chloride salt environment and load[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2015(8):3092-3099.(in Chinese))

[5] 李忠,陳海明,孫富學(xué),等.氯離子侵蝕盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)性能退化試驗[J].地下空間與工程學(xué)報,2009(6):1092-1097，1109.(LI Zhong,CHEN Haiming,SUN Fuxue,et al.Tests on structure behavior’s degradation of shield tunnel lining in chloride erosion[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2009(6):1092-1097,1109.(in Chinese))

[6] 周富春.生活污水對砼管道的腐蝕機制研究[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報,2002(1):125-128.(ZHOU Fuchun.A study of the corrosion concrete by domestic waster water[J].Journal of Chongqing Jiaotong University,2002(1):125-128.(in Chinese))

[7] 李圍,孫繼東,李成.盾構(gòu)隧道管片襯砌受力分析力學(xué)模式探討[J].隧道建設(shè),2005(增刊):17-20.( LI Wei,SUN Jidong,LI Cheng.Discuss of mechanical model analysis of shield tunnel segment [J].Tunnel Construction,2005(S):17-20.(in Chinese))

[8] 朱合華，崔茂玉，楊金松.盾構(gòu)襯砌管片的設(shè)計模型與荷載分布的研究[J].巖土工程學(xué)報,2000(2):190-194.(ZHU Hehua,CUI Maoyu,YANG Jinsong.Design model for shield lining segments and distribution of load[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2000(2):190-194.(in Chinese))

[9] 余紅發(fā),孫偉,武衛(wèi)鋒,等.普通混凝土在鹽湖環(huán)境中的抗鹵水凍蝕性與破壞機制研究[J].硅酸鹽學(xué)報,2003,(8):763-769.(YU Hongfa,SUN Wei,WU Weifeng,et al.Research on bittern-freezing-thawing durability and destructive mechanism of ordinarily concrete exposed to salt lakes[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2003(8):763-769.(in Chinese))

[10] 韓靜云,戴超,郜志海,等.混凝土的微生物腐蝕[J].材料導(dǎo)報,2002(10):42-44.(HAN Jingyun,DAI Chao,GAO Zhihai,et al.Microorganism corrosion of concrete[J].Materials Review,2002(10):42-44.(in Chinese))

[11] 許崇法,曹雙寅,范沈龍,等.多因素作用下混凝土中性化深度統(tǒng)一預(yù)測模型[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014(2):363-368.(XU Chongfa,CAO Shuangyin,FAN Shenlong,et al.Unified prediction model of concrete neutral depth under multiple factors[J].Journal of Southeast University(Natural Science Edition),2014(2):363-368.(in Chinese))

[12] 張小偉,張雄.混凝土微生物腐蝕的作用機制和研究方法[J].建筑材料學(xué)報,2006(1):52-58.(ZHANG Xiaowei,ZHANG Xiong.Mechanism and research approach of microbial corrosion of concrete[J].Journal of Building Materials,2006(1):52-58.(in Chinese))

Numerical Analysis of Structural Performance Degradation of Sewage Shield Tunnel Segment

LI Zhong1,2,DING Shiwen1,LIU Xian2,YANG Xianhua3,WEI Lixin3

(1.SchoolofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,Gansu,China; 2.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 3.GuangzhouMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute,Guangzhou510060,Guangdong,China)

It is difficult to assess the mechanical properties and deformation of urban sewage tunnel in whole service life quantitatively and dynamically.The corrosion mechanism of concrete pipe for sewage discharge is studied.Calculation model of segment structural performance degradation under multifactor coupling action is established.The mechanical properties and deformation of Donghaoyong test section is analyzed by Matlab software.The numerical analysis results show that:1) The internal force of sewage tunnel in whole service life continuously increases.The axial forces on both sides of the sewage tunnel are the largest and increase continuously.2) The negative bending moment on the both sides of the sewage tunnel are the largest; the positive bending moment on the bottom of the sewage tunnel is the smallest; and they increase obviously in post-stage service life.3) The maximum positive shear forces occur at 135° and 315° positions; the maximum negative shear forces occur at 45° and 225° positions; and they increase obviously in post-stage service life.4) The drying and watering cycle zone is the worst zone for internal force variation of the sewage tunnel; the maximum vertical displacement occurs at crown top; and the maximum horizontal displacements occur at 18°and 162° positions.

sewage tunnel; whole service life; segment corrosion; structural performance degradation; internal force distribution

2016-01-14;

2016-04-19

國家自然科學(xué)基金項目(51468038)

李忠(1980—)，男，甘肅蘭州人，2007年畢業(yè)于蘭州理工大學(xué),結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，博士，副教授，現(xiàn)從事隧道與地下工程的教學(xué)與科研工作。E-mail:lizhong@lut.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.007

U 45

A

1672-741X(2016)10-1207-09