于金弘，伍鶴皋，石長(zhǎng)征，李東明，靳紅澤

大變形埋地鋼管結(jié)構(gòu)承載能力及修復(fù)方法研究

于金弘1，伍鶴皋1，石長(zhǎng)征1，李東明2，靳紅澤2

(1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2. 水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，鄭州 450044)

大直徑埋地鋼管在大型引調(diào)水及水電工程中應(yīng)用廣泛，但施工過(guò)程中鋼管易出現(xiàn)超出規(guī)范要求的大變形，而國(guó)內(nèi)外對(duì)大變形埋地鋼管的結(jié)構(gòu)特性及處理措施研究較少．本文以某環(huán)變形達(dá)8.9%的埋地鋼管為例，基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，采用數(shù)值模擬技術(shù)反演了該工程的施工過(guò)程，分析了該大變形管道若直接投入運(yùn)行后的變形、應(yīng)力及塑性情況，進(jìn)而結(jié)合工程實(shí)際提出了水壓法修復(fù)，并與傳統(tǒng)的內(nèi)撐法修復(fù)進(jìn)行了比較研究．結(jié)果表明：大變形埋地鋼管承受了較高的彎曲應(yīng)力且管周土體支撐不足，結(jié)構(gòu)承載能力較弱，荷載作用下鋼管的變形和應(yīng)力會(huì)大幅增加，安全風(fēng)險(xiǎn)較大．設(shè)置加勁環(huán)雖能增加鋼管的抗外壓穩(wěn)定，但對(duì)管壁應(yīng)力不利，高應(yīng)力及塑性區(qū)域主要集中在管頂、管腰和管底及加勁環(huán)附近．大變形埋地鋼管雖不符合規(guī)范要求，但不必更換鋼管，可考慮對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，以降低鋼管變形并提高管周土體模量，修復(fù)方法可采用內(nèi)撐法或水壓法．內(nèi)撐法采用千斤頂將鋼管頂圓，在頂撐區(qū)易產(chǎn)生應(yīng)力集中，適用于管線局部發(fā)生大變形的情況；水壓法利用內(nèi)壓復(fù)圓原理，可使管壁受力均勻，長(zhǎng)距離管線下使用更為方便，修復(fù)后應(yīng)檢測(cè)并修補(bǔ)焊縫及防腐措施，并對(duì)運(yùn)行期管道做好監(jiān)測(cè)工作．研究成果可為類似工程處理及后續(xù)規(guī)范編制提供借鑒和參考．

埋地鋼管；大變形；結(jié)構(gòu)承載；修復(fù)；內(nèi)撐法；水壓法

大直徑埋地鋼管(管徑大于1.2m)在大型引調(diào)水及水電工程中發(fā)揮了重要作用，例如：直徑為4.00m、3.13m和2.74m的埋地鋼管已分別應(yīng)用于新疆雅瑪渡水電站、南非萊索托引水工程和美國(guó)德州綜合管道項(xiàng)目[1-3]．埋地鋼管是復(fù)雜的管-土組合結(jié)構(gòu)，鋼管需要有足夠的強(qiáng)度和剛度來(lái)承受水壓、土壓力等內(nèi)外荷載，管周土體可為鋼管提供支撐，維持鋼管形狀[4]．

與剛性管不同，鋼管作為柔性管道，外荷載作用下易發(fā)生較大的變形，故在埋地鋼管設(shè)計(jì)和施工時(shí)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制鋼管的變形至關(guān)重要．目前，工程中廣泛采用愛(ài)荷華公式來(lái)預(yù)測(cè)鋼管變形，其中管周土體質(zhì)量是最關(guān)鍵的影響因素[5]．研究及實(shí)踐表明，施工過(guò)程對(duì)埋地柔性管道的結(jié)構(gòu)影響顯著．Moser等[6]討論了土體類型與密度、管道剛度和施工技術(shù)對(duì)玻璃鋼管道變形的影響．Masada等[7]發(fā)現(xiàn)熱塑性塑料管道在回填過(guò)程中管道會(huì)出現(xiàn)水平收縮、豎向擴(kuò)張的現(xiàn)象，有助于減小管道的長(zhǎng)期變形．Kawabata等[8]采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值分析方法，研究了直徑3.5m的埋地鋼管，發(fā)現(xiàn)回填材料和施工方法對(duì)管道變形有著顯著影響．Dezfooli等[9-10]開(kāi)發(fā)了一種非線性有限元技術(shù)來(lái)模擬和預(yù)測(cè)施工期大直徑埋地管道的結(jié)構(gòu)行為.

目前，世界各國(guó)規(guī)范在考慮了各種不確定性因素后，為安全起見(jiàn)，對(duì)埋地鋼管的環(huán)變形限值取2%～5%[11-13]．Spangler土箱試驗(yàn)表明，當(dāng)鋼管的環(huán)變形為20%時(shí)，管底近乎平直，建議環(huán)變形限值取5%，可見(jiàn)規(guī)范設(shè)計(jì)限值存在較高的安全系數(shù)[14-15]．隨著國(guó)內(nèi)大型長(zhǎng)距離引調(diào)水工程的迅猛發(fā)展，埋地鋼管采用的管徑及長(zhǎng)度逐步增加，其經(jīng)受的地形地質(zhì)及施工條件則更為復(fù)雜，致使鋼管變形控制存在一定的困難．工程實(shí)踐中，存在施工完建后鋼管發(fā)生大變形(變形量超出規(guī)范限值)的案例，由于其變形超出規(guī)范要求，存在安全隱患，一般需進(jìn)行修復(fù)．某直徑1.8m的埋地鋼管，完建后最大環(huán)變形達(dá)13.9%，帶病運(yùn)行后經(jīng)常出現(xiàn)漏水情況，提出了重新更換鋼管、管內(nèi)安裝玻璃鋼管和內(nèi)壁涂襯帶鋼筋網(wǎng)的聚合物水泥砂漿等修復(fù)措施[16]．Zhen等[17]分析了直徑1.8m的鋼管發(fā)生大變形的頂管案例，提出了增加壁厚或安裝加勁肋的修復(fù)方案．杜江[18]研究了直徑2.64m、最大環(huán)變形為7.8%的埋地鋼管，采用千斤頂使鋼管復(fù)圓，并對(duì)管周土體注漿的方法進(jìn)行修復(fù)，取得了良好的修復(fù)效果．

嚴(yán)格來(lái)講，工程上并不允許超出規(guī)范要求的變形發(fā)生，但該變形限值主要是根據(jù)防腐材料的變形要求來(lái)確定．對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，該變形限值具有較高的安全系數(shù)，甚至可達(dá)4以上，故發(fā)生大變形的鋼管，仍有可能具有承載能力，同時(shí)長(zhǎng)距離大直徑埋地鋼管的投資巨大，完全替換鋼管、重新施工往往并不現(xiàn)實(shí).目前，工程上當(dāng)埋地鋼管出現(xiàn)大變形后，其結(jié)構(gòu)承載能力及修復(fù)方法大多基于工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行處理，缺乏系統(tǒng)深入的研究．本文以某工程為例，基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及有限元分析手段，研究了大變形埋地鋼管投入運(yùn)行后的變形及應(yīng)力發(fā)展規(guī)律，并探討了相應(yīng)的修復(fù)措施．本文在傳統(tǒng)內(nèi)撐法修復(fù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)內(nèi)水壓力能使管道部分復(fù)圓的原理，提出了水壓法修復(fù)，可為后續(xù)相關(guān)問(wèn)題的處理提供一種新思路．

1?工程背景

某雙線埋地鋼管，管徑均為3.6m，壁厚18mm，間隔2m設(shè)置加勁環(huán)，管頂覆土高度2.5m．工程完工后變形復(fù)測(cè)結(jié)果顯示：鋼管總體呈橢圓化變形，直徑變化范圍在幾十至數(shù)百毫米之間，部分變形遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)要求．鉆孔復(fù)勘結(jié)果表明：溝槽內(nèi)的回填土密實(shí)度較低，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求．主要原因是施工過(guò)程不規(guī)范，例如：施工中鋼管內(nèi)部無(wú)支撐；回填土選取及回填過(guò)程較為隨意，未分層碾壓；鋼管上方常有重型車(chē)輛通過(guò)．為深入了解鋼管的變形及應(yīng)力狀況，選取鋼管最大變形區(qū)域的跨中斷面和加勁環(huán)斷面，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試(見(jiàn)圖1)，測(cè)試結(jié)果可用于后續(xù)有限元模型驗(yàn)證.

變形測(cè)試采用基于高分辨率相機(jī)的高精度工業(yè)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸測(cè)量、動(dòng)態(tài)性能好、檢測(cè)速度快、受外界環(huán)境影響小等，特別適合于形面的快速檢測(cè)[19]．其原理是通過(guò)一臺(tái)高分辨率的數(shù)字相機(jī)對(duì)被測(cè)物進(jìn)行拍攝，得到物體的多幅二維數(shù)字影像，根據(jù)透視投影的目標(biāo)點(diǎn)、相機(jī)中心和相點(diǎn)三點(diǎn)共線條件，經(jīng)相機(jī)定向及圖像匹配后得到目標(biāo)點(diǎn)三維坐標(biāo)．測(cè)試時(shí)在跨中斷面附近進(jìn)行布點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量完成后選取附近的5個(gè)斷面，通過(guò)將每個(gè)斷面投影到與鋼管中軸線垂直的平面上，測(cè)量其最長(zhǎng)軸和最短軸的長(zhǎng)度，各斷面測(cè)試結(jié)果取算術(shù)平均值即為跨中斷面的測(cè)量結(jié)果．

應(yīng)力測(cè)試方法采用X射線衍射法，該方法屬于無(wú)損測(cè)試方法，具有方法成熟、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的特點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種應(yīng)力測(cè)定方法[20]．該方法利用晶面間距隨應(yīng)力的變化來(lái)計(jì)算應(yīng)力，其基本依據(jù)為彈性力學(xué)理論及X射線衍射理論．應(yīng)力測(cè)試位置為管頂、管腰和管底，測(cè)試前在鋼管內(nèi)部搭建穩(wěn)固的操作平臺(tái)，并使測(cè)試部位處于干燥的環(huán)境．由于測(cè)試時(shí)用磁靴將測(cè)試儀器測(cè)角頭吸附在鋼管被測(cè)區(qū)域表面附近，故分別用角向磨光機(jī)、砂紙拋光輪和電解質(zhì)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行打磨、拋光和消除磨痕．

圖1?埋地鋼管現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試照片及示意

2?有限元模型及驗(yàn)證

2.1?計(jì)算模型

采用有限元軟件ABAQUS建立計(jì)算模型．模型主要由鋼管、加勁環(huán)、回填土和原狀土組成，寬44.6m，高24.3m，軸向長(zhǎng)度取2m，模型底部、前后及左右端面施加沿法向的位移約束，頂面自由，詳見(jiàn)圖2．鋼管采用殼單元S4R模擬，土體采用實(shí)體單元C3D8模擬[21]．鋼材彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，密度7850kg/m3．根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，鋼管和加勁環(huán)的屈服強(qiáng)度分別取300MPa和355MPa，抗拉強(qiáng)度分別取430MPa和465MPa．鋼材采用隨動(dòng)強(qiáng)化塑性本構(gòu)模型，土體采用線性Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則廣泛應(yīng)用于埋地管道的數(shù)值分析，其考慮了靜水壓力對(duì)屈服與強(qiáng)度的影響及巖土類材料的剪脹性，允許屈服面等向放大(硬化)或縮小(軟化)，大小變化由等效應(yīng)力控制，并且可以通過(guò)等效應(yīng)力與等效塑性應(yīng)變的關(guān)系來(lái)控制[22-23]．土體材料參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)確定，詳見(jiàn)表1．

為模擬管-土及土-土(溝槽側(cè)壁)間的相互作用，采用主-從接觸算法，在管-土和土-土交界面建立相互接觸的接觸對(duì)，其中鋼管和溝槽側(cè)壁的原狀土表面定為主接觸面，溝槽內(nèi)土體表面定為從屬接觸面．接觸面之間的相互作用包括主控表面法向行為和接觸表面的切向行為．法向行為采用“硬接觸”即接觸壓力僅存在于兩個(gè)接觸面相互接觸時(shí)．接觸面的切向可能存在摩擦剪切應(yīng)力，當(dāng)達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，接觸面可能發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，否則粘在一起，故采用庫(kù)倫摩擦模型來(lái)表征切向行為，其中管-土間的摩擦系數(shù)取0.25，土-土間的摩擦系數(shù)根據(jù)內(nèi)摩擦角確定[11, 24]．

圖2?有限元模型

表1?土體實(shí)測(cè)力學(xué)參數(shù)

2.2?模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該模型，反演了埋地鋼管施工過(guò)程，分為以下幾步：開(kāi)挖管溝、安裝鋼管、回填土體至管頂1m位置、施壓碾壓荷載、回填土體至地面、再次施壓碾壓荷載，并假定碾壓荷載直接作用在回填土表面. 計(jì)算時(shí)直接采用回填土實(shí)測(cè)模量得到的鋼管變形遠(yuǎn)低于實(shí)測(cè)值，可見(jiàn)實(shí)際施工過(guò)程中管周回填土密實(shí)度更差，需對(duì)回填土的模量進(jìn)行折減，試算結(jié)果如圖3所示．經(jīng)試算最終得到的鋼管豎向和水平變形量分別為331mm和296mm，相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分別為320mm(環(huán)變形8.9%)和283mm，數(shù)值計(jì)算比實(shí)測(cè)變形量分別高3.4％和4.6％．表2將數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中應(yīng)力進(jìn)行了比較，兩者應(yīng)力偏差在5％以內(nèi)．可見(jiàn)，該模型能夠較為準(zhǔn)確地反映該埋地鋼管的結(jié)構(gòu)行為，可用于后續(xù)的分析．

圖3?鋼管變形與土體模量、碾壓荷載的關(guān)系

表2?數(shù)值和測(cè)量結(jié)果比較

Tab.2 Comparison between numerical and measurement results

3?管道結(jié)構(gòu)承載分析

施工完建后大變形埋地鋼管能否直接投入運(yùn)行，并經(jīng)受運(yùn)行期各類荷載的考驗(yàn)，是十分關(guān)鍵的問(wèn)題.為了解大變形埋地鋼管的結(jié)構(gòu)承載能力，本節(jié)模擬分析了其在典型工況下的變形、應(yīng)力及塑性發(fā)展規(guī)律.

表3列出了2種典型工況及其荷載組合．水壓試驗(yàn)是鋼管投入運(yùn)行前必須進(jìn)行的測(cè)試，試驗(yàn)壓力取0.5MPa．真空工況為最不利工況，真空壓力取0.05kPa，并假定真空狀態(tài)下有重型車(chē)輛垂直管軸通過(guò)，車(chē)輪著地面積取0.1m2、輪壓取750kPa．

表3?工況及荷載組合

3.1?鋼管變形

鋼管在各工況及荷載下的變形情況，列于表4．可以看出，鋼管的豎向變形大于相應(yīng)的水平變形，真空工況下鋼管變形增加顯著，其豎向變形量(422mm)比完建后的豎向變形量(331mm)增加了27.5%．由于內(nèi)水壓力的復(fù)圓效果，水壓試驗(yàn)工況下鋼管變形明顯減少．此外，水壓試驗(yàn)及真空工況下鋼管和土體總體處于黏合狀態(tài)，僅在加勁環(huán)附近區(qū)域存在部分滑動(dòng)及脫空情況．

單獨(dú)荷載分析來(lái)看，內(nèi)部水壓對(duì)鋼管變形的影響最大，其次是車(chē)輛荷載，真空壓力的影響最?。婵諌毫蛙?chē)輛荷載會(huì)使鋼管的豎向變形比完建時(shí)增大6.9%和20.5%，均對(duì)鋼管變形不利；而內(nèi)水壓力可使鋼管豎向變形減小32.9%，有利于鋼管的變形復(fù)圓，這與式(1)相一致，鋼管變形Δ隨著內(nèi)部水壓的增加而減小[25]．

表4?鋼管變形情況

Tab.4?Pipe deformation mm

3.2?鋼管應(yīng)力及塑性

鋼管在兩種工況下的Mises應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D4和圖5所示．與完建時(shí)相比，兩種工況下的管壁應(yīng)力都有較大幅度的增加，最大應(yīng)力均達(dá)到了鋼管的屈服強(qiáng)度300MPa．水壓試驗(yàn)工況下，鋼管變形量的降低使得管壁彎曲應(yīng)力減小，但內(nèi)水壓力產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力，可顯著提高管壁整體應(yīng)力水平，并使應(yīng)力分布更為均勻．真空工況下，由于真空壓力和車(chē)輛荷載作用，鋼管變形進(jìn)一步加大，其彎曲應(yīng)力顯著增加，管頂、管腰和管底部位的內(nèi)外表面存在大面積的高應(yīng)力區(qū)，管周應(yīng)力變化較大．

等效塑性應(yīng)變可以反映結(jié)構(gòu)的塑性．結(jié)果表明，水壓試驗(yàn)工況和真空工況下的鋼管等效塑性應(yīng)變分別為0.0022和0.0016，故相較真空和車(chē)輛荷載，內(nèi)水壓力對(duì)管壁塑性影響顯著，但在真空和車(chē)輛荷載下，管頂塑性區(qū)范圍較大，管壁整體塑性范圍較廣．由于鋼管的彎曲變形及加勁環(huán)的約束作用，鋼管的塑性區(qū)域主要集中在管頂、管腰和管底處，并在加勁環(huán)附近塑性發(fā)展較為充分．

圖4?鋼管Mises應(yīng)力

圖5?鋼管等效塑性應(yīng)變

3.3?總體評(píng)估

鋼管發(fā)生較大變形并導(dǎo)致局部進(jìn)入塑性狀態(tài)并不可怕，這是由于鋼材超過(guò)彈性極限后還能繼續(xù)承擔(dān)應(yīng)力，只是應(yīng)變較大且產(chǎn)生了部分不可恢復(fù)的塑性變形[26]．根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)值結(jié)果可知，雖然該埋地鋼管完建后的最大環(huán)變形達(dá)8.9%，超出規(guī)范要求的3%，但鋼管大部分區(qū)域的應(yīng)力仍處于彈性階段，管壁表面光滑，無(wú)裂紋及屈曲．后續(xù)分析可知，若管道環(huán)變形達(dá)15.8%，加勁環(huán)附近鋼管的內(nèi)、中和外表面均處于屈服狀態(tài)，此時(shí)管道安全將無(wú)法保證．可見(jiàn)，該大變形埋地鋼管尚有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)承載能力，但考慮到管周土體密實(shí)度較低，在后續(xù)各種荷載作用下，鋼管變形、應(yīng)力及塑性區(qū)范圍會(huì)顯著增加，存在較高的安全隱患．因此，有必要對(duì)大變形的埋地鋼管進(jìn)行修復(fù)，以避免鋼管的嚴(yán)重變形，消除安全風(fēng)險(xiǎn)．

4?管道修復(fù)方法研究

鑒于鋼管變形已嚴(yán)重超出規(guī)范限值且管周土體密實(shí)度較低，因此修復(fù)目標(biāo)為降低鋼管變形并提高管周土體模量，以提高管-土組合體系的承載能力．目前，主要的修復(fù)措施是管內(nèi)支撐頂圓、外部土體注漿的方式(簡(jiǎn)稱內(nèi)撐法)，例如：綿陽(yáng)某埋地鋼管大部分環(huán)變形超過(guò)4%，局部超過(guò)7%，回填土密實(shí)度在80%～90%之間，均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，后經(jīng)專家論證，采用該方法處理，取得了較好的修復(fù)效果[18]．

4.1?修復(fù)方法

該工程管頂覆土較深，直接內(nèi)撐頂圓較為困難，因此考慮對(duì)管頂及兩側(cè)土體開(kāi)挖卸荷，后在鋼管內(nèi)部用若干個(gè)千斤頂將鋼管復(fù)圓，并配合外部土體注漿加固，內(nèi)撐法實(shí)施過(guò)程如圖6所示．此外，由第3.1節(jié)可知，內(nèi)水壓力作用下鋼管變形得以大幅度地減少，由于該工程后續(xù)還需進(jìn)行水壓試驗(yàn)，為提高效率、節(jié)約成本，提出水壓復(fù)圓、外部土體注漿法(簡(jiǎn)稱水壓法)，實(shí)施過(guò)程如圖7所示．

圖6?內(nèi)撐法

圖7?水壓法

內(nèi)撐法與水壓法的具體修復(fù)步驟如下．①開(kāi)挖卸荷：開(kāi)挖溝槽內(nèi)管腰以上土體，減少鋼管所受土壓力．②復(fù)圓過(guò)程：采用內(nèi)撐法，需每間隔1m設(shè)置千斤頂，逐漸增大所施加的力；采用水壓法，需逐步增加水壓到0.5MPa，復(fù)圓時(shí)需時(shí)刻檢查鋼管的環(huán)變形是否降低到3%以內(nèi)．③注漿加固：保持千斤頂?shù)捻敁瘟蛩畨翰蛔?，以維持鋼管的變形，然后對(duì)管側(cè)土體進(jìn)行注漿．④回填壓實(shí)：保持外荷載不變，嚴(yán)格按照施工標(biāo)準(zhǔn)，重新回填土體．⑤撤去支撐或水壓，并監(jiān)測(cè)鋼管的變形情況．⑥荷載檢驗(yàn)：選擇最不利工況即真空工況，檢測(cè)在真空及車(chē)輛荷載作用下鋼管的變形及應(yīng)力發(fā)展情況．此外，修復(fù)完成后需對(duì)鋼管內(nèi)部焊縫及防腐措施進(jìn)行重新檢查和修補(bǔ)．

為深入了解內(nèi)撐法與水壓法的可行性，采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)這兩種修復(fù)措施進(jìn)行比較研究．為模擬千斤頂?shù)淖饔?，?jīng)過(guò)試算，在跨中斷面和加勁環(huán)斷面的管頂、管底分別施加外部豎向力59kN和85kN．保守起見(jiàn)，假定土體注漿加固后的管周土體變形模量取4MPa，內(nèi)摩擦角取13°，黏聚力取13kPa，并修改鋼管和土體的接觸狀態(tài)，使兩者始終保持接觸．

4.2?鋼管變形

內(nèi)撐法與水壓法修復(fù)過(guò)程中的鋼管變形如圖8所示．可見(jiàn)，開(kāi)挖卸荷后，減輕了鋼管所受的土壓力，變形得以部分恢復(fù)，與完建時(shí)相比變形大約減少了17%，此時(shí)鋼管和土體在管道腋部區(qū)域總體處于脫空狀態(tài)，在管底附近處于黏合或滑動(dòng)狀態(tài)．在內(nèi)撐和水壓作用下鋼管變形量均降低到設(shè)計(jì)要求108mm(管徑的3%)以下，且在后續(xù)的注漿加固、土體回填中，變形量變化很?。啡ネ夂奢d后，相比內(nèi)撐法，水壓法下鋼管變形有較大增幅，但同樣滿足要求．

圖8?修復(fù)過(guò)程中的鋼管變形情況

鋼管復(fù)圓及土體加固完成后，管-土組合體系的承載能力得以顯著增強(qiáng)，在運(yùn)行期最不利荷載作用下，鋼管變形增幅很?。梢?jiàn)采用內(nèi)撐法及水壓法均能顯著恢復(fù)鋼管變形，增強(qiáng)管-土結(jié)構(gòu)承載能力．

4.3?鋼管應(yīng)力及塑性

內(nèi)撐法與水壓法修復(fù)完成后的Mises應(yīng)力及等效塑性應(yīng)變見(jiàn)圖9．可見(jiàn)，修復(fù)后鋼管的整體應(yīng)力水平有明顯改善，完建時(shí)最大應(yīng)力為299.3MPa，內(nèi)撐法修復(fù)后為278.2MPa，水壓法修復(fù)后為206.5MPa，故采用內(nèi)撐法和水壓法修復(fù)可分別使最大應(yīng)力降低7.0%和31.0%，這是由于鋼管變形的大幅度降低，極大減弱了鋼管承受的彎曲應(yīng)力．采用內(nèi)撐法修復(fù)時(shí)，需在管頂和管底部位進(jìn)行外力頂撐，增加了管頂區(qū)域應(yīng)力；而采用水壓法進(jìn)行修復(fù)，內(nèi)水壓力均勻地作用在管壁內(nèi)表面，使得鋼管整體應(yīng)力變化更為均勻．

圖9?鋼管的Mises應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變

完建與修復(fù)后的應(yīng)力及塑性分布較為相似且分布不勻，高應(yīng)力及塑性區(qū)主要集中在管頂、管腰和管底部位．內(nèi)撐法及水壓法均會(huì)使得管壁塑性輕微增加，完建時(shí)最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.0020，而內(nèi)撐法修復(fù)后為0.0024，水壓法修復(fù)后為0.0027，但塑性發(fā)展仍在可控范圍內(nèi)．

總體而言，采用內(nèi)撐法或水壓法均能有效改善鋼管的變形，增強(qiáng)鋼管-土組合結(jié)構(gòu)的承載能力．在工程實(shí)踐中，考慮水壓法較內(nèi)撐法使管壁受力均勻，且該埋地鋼管后續(xù)還需進(jìn)行水壓試驗(yàn)，故推薦采用水壓法修復(fù)．

5?結(jié)?語(yǔ)

本文基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)值模型結(jié)果，較為系統(tǒng)地研究了施工完建后大變形埋地鋼管的結(jié)構(gòu)承載能力及相關(guān)修復(fù)方法，得出以下結(jié)論．

(1) 大變形埋地鋼管的應(yīng)力通常較高且管周土體支撐不足，當(dāng)管道承受不利荷載時(shí)，鋼管的變形和應(yīng)力會(huì)大幅增加．以本文某環(huán)變形達(dá)8.9%的埋地鋼管為例，內(nèi)水壓力對(duì)鋼管變形的影響最大，其次是車(chē)輛荷載，真空壓力的影響最小．真空壓力和車(chē)輛荷載會(huì)使鋼管的豎向變形比完建時(shí)增大6.9%和20.5%，而內(nèi)水壓力可使鋼管豎向變形減小32.9%．

(2) 加勁環(huán)對(duì)管壁的應(yīng)力發(fā)展不利，在鋼管發(fā)生過(guò)大變形時(shí)，加勁環(huán)及管頂、管腰和管底附近處更易出現(xiàn)塑性區(qū)，工程中應(yīng)避免設(shè)置加勁環(huán)．埋地鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，其安全系數(shù)在4以上，大變形埋地鋼管即使鋼材出現(xiàn)輕微塑性，仍有可能繼續(xù)使用．但由于其管-土組合體系承載能力較低，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)存在較大的安全隱患，需對(duì)其進(jìn)行修復(fù)．此外，若鋼管變形過(guò)大，如當(dāng)管道環(huán)變形達(dá)15.8%時(shí)，加勁環(huán)附近鋼管管壁均處于屈服狀態(tài)，此時(shí)鋼管應(yīng)考慮進(jìn)行替換．實(shí)際工程情況復(fù)雜，發(fā)生大變形的鋼管需基于工程實(shí)際，可采用檢測(cè)、數(shù)值分析等手段，理清當(dāng)前埋地鋼管性能狀態(tài)，經(jīng)綜合研判后確定后續(xù)處理措施．

(3) 管道的修復(fù)方法可采用內(nèi)撐法或水壓法，兩種方法均能達(dá)到降低鋼管變形、加固管周土體的目的，但各有優(yōu)劣．內(nèi)撐法采用千斤頂將鋼管頂圓，應(yīng)用較為成熟，操作簡(jiǎn)單，但會(huì)使得管壁受力不均，加大頂撐區(qū)域的應(yīng)力，適用于管線局部發(fā)生大變形的情況；水壓法利用內(nèi)壓復(fù)圓原理，可使鋼管受力均勻，顯著降低管壁應(yīng)力，若配合后期水壓試驗(yàn)，更為方便，長(zhǎng)距離管線下使用優(yōu)勢(shì)明顯．當(dāng)鋼管埋深較大時(shí)，直接復(fù)圓較為困難，可先開(kāi)挖卸載，減輕管頂土壓力．

此外，由于埋地鋼管修復(fù)前后的斷面形狀出現(xiàn)了較大變化，可能引起焊縫的拉裂、防腐措施失效等問(wèn)題，故修復(fù)后應(yīng)對(duì)焊縫、防腐措施重新檢測(cè)和修補(bǔ)，并密切監(jiān)測(cè)管道的運(yùn)行狀況．

［1］鄭?杰. 雅瑪渡水電站壓力鋼管安裝過(guò)程中的鋼管變形控制[J]. 黑龍江水利科技，2012，40(11)：41-42.

Zheng Jie. Steel pipe deformation control in Yamato Hydropower Station[J]. Heilongjiang Science and Technology of Water Conservancy，2012，40(11)：41-42(in Chinese).

［2］ Webb M C，Trebicki D D P，Smulders P A. Field testing and buckling strength of buried large-diameter thin-walled steel pipes[C]// Pipeline Division Specialty Conference. Cleveland，Ohio，USA，2002：1-17.

［3］ Gozarchi S F. Comparison of Deflection Measurement Methods of Large Diameter Steel Pipes with Control Low Strength Material[D]. University of Texas at Arlington，USA，2014.

［4］伍鶴皋，于金弘，石長(zhǎng)征，等. 大直徑回填鋼管管土相互作用研究[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版)，2020，53(10)：1053-1061.

Wu Hegao，Yu Jinhong，Shi Changzheng，et al. Pipe-soil interaction of large-diameter buried steel pipe[J]. Journal of Tianjin University(Science and Technol-ogy)，2020，53(10)：1053-1061(in Chinese).

［5］ Watkins R K，Spangler M G. Some characteristics of the modulus of passive resistance of soil：A study in similitude[J]. Highway Research Board Proceeding，1958，37：576-583.

［6］ Moser A P，Bishop R R，Shupe O K，et al. Deflection and strains in buried FRP pipes subjected to various installation conditions[J]. Transportation Research Record，1985，1008：109-116.

［7］ Masada T，Sargand S M. Peaking deflections of flexible pipe during initial backfilling process[J]. Journal of Transportation Engineering，2007，133(2)：105-111.

［8］ Kawabata T，Mohri Y，Oda T，et al. Field measurement and numerical analysis for buried large diameter steel pipes[C]// International Pipelines Conference. Atlanta，Georgia，USA，2008：1-10.

［9］ Dezfooli M S，Abolmaali A，Razavi M. Coupled nonlinear finite-element analysis of soil-steel pipe structure interaction[J]. International Journal of Geomechanics，2015，15(1)：04014032.

［10］ Dezfooli M S，Abolmaali A，Park Y，et al. Staged construction modeling of steel pipes buried in controlled low-strength material using 3D nonlinear finite-element analysis[J]. International Journal of Geomechanics，2015，15(6)：04014088.

［11］ 北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院. CECS 141—2002 給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

China Association for Engineering Construction Standardization. CECS 141—2002 Specification for Structural Design of Buried Steel Pipeline of Water Supply and Sewerage Engineering[S]. Beijing：China Architecture & Building Press，2002(in Chinese).

［12］ American Water Works Association. Steel Pipe：A Guide for Design and Installation[S]. AWWA，USA，2017.

［13］ British Standards Institution. BS 9295—2020 Guide to the Structural Design of Buried Pipes[S]. BSI Standards，2020.

［14］ Sivakumar Babu G L，Srinivasa Murthy B R，Seshagiri Rao R S. Reliability analysis of deflection of buried flexible pipes[J]. Journal of Transportation Engineer-ing，2006，132(10)：829-836.

［15］ Whidden W R. ASCE No.119 Buried Flexible Steel Pipe：Design and Structural Analysis[S]. Reston，Virginia，USA，2009：10.

［16］ 曹慶河. 火力發(fā)電廠大管徑循環(huán)水管防腐改造介紹[C]// 全國(guó)火電200MW級(jí)機(jī)組協(xié)作會(huì)第22屆年會(huì)論文集. 新疆，中國(guó)，2004：128-129.

Cao Qinghe. Introduction to anticorrosion reconstruction of large diameter circulating water pipe in thermal power plant[C]// Proceedings of the 22nd Annual Meeting of National Thermal Power 200MW. Xinjiang，China，2004：128-129(in Chinese).

［17］ Zhen L，Chen J J，Qiao P，et al. Analysis and remedial treatment of a steel pipe-jacking accident in complex underground environment[J]. Engineering Structures，2014，59：210-219.

［18］ 杜?江. 大口徑埋地鋼管變形原因分析及處理方法[J]. 四川建筑，2015，35(4)：157-158，161.

Du Jiang. Cause analysis of large-diameter buried steel pipes and treatment methods[J]. Sichuan Architecture，2015，35(4)：157-158，161(in Chinese).

［19］ Y?lmaztürk F，Kulur S，Terzi N. Measurement of deflections in buried flexible pipes by close range digital photogrammetry[J]. Measurement，2010，43(6)：857-865.

［20］ Wang W R，Yuan L H，Li Y，et al. Test method for residual stress analysis of the inner surface of small caliber Ti-3Al-2.5 V tubing by X-ray diffraction[J]. Vacuum，2020，177：109371.

［21］ 蘇?凱，楊子娟，伍鶴皋，等. 縫隙對(duì)鋼襯鋼筋混凝土管道結(jié)構(gòu)承載特性的影響研究[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版)，2018，51(9)：967-976.

Su Kai，Yang Zijuan，Wu Hegao，et al. Influence of gap on bearing mechanism of steel-lined reinforced concrete penstock[J]. Journal of Tianjin University(Science and Technology)，2018，51(9)：967-976(in Chinese).

［22］ 吳玉厚，田軍興，孫?健，等. 基于ABAQUS的巖石節(jié)理特征對(duì)滾刀破巖影響研究[J]. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，31(3)：534-542.

Wu Yuhou，Tian Junxing，Sun Jian，et al. Effects of joint characteristics on rock breaking with dick cutter based on ABAQUS[J]. Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science)，2015，31(3)：534-542(in Chinese).

［23］ 費(fèi)?康. ABAQUS巖土工程實(shí)例詳解[M]. 北京：人民郵電出版社，2017.

Fei Kang. Detailed Explanation of ABAQUS Geotechnical Engineering Example[M]. Beijing：Posts and Telecommunications Press，2017(in Chinese).

［24］ 周正峰，凌建明，梁?斌，等. 機(jī)坪輸油管道荷載附加應(yīng)力分析[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，41(8)：1219-1224.

Zhou Zhengfeng，Ling Jianming，Liang Bin，et al. Analysis on additional stress for apron oil pipe under external loads[J]. Journal of Tongji University(Natural Science)，2013，41(8)：1219-1224(in Chinese).

［25］ Warman D J，Chorney J，Reed M，et al. Development of a pipeline surface loading screening process[J]. International Pipeline Conference，2006，42614：803-814.

［26］ 薛守義. 彈塑性力學(xué)[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005：2-3.

Xue Shouyi. Theory of Elasticity and Plasticity[M]. Beijing：China Construction Industry Press，2005：2-3(in Chinese).

Structural Bearing Capacity and Rehabilitation Method of Buried Steel Pipes Subjected to Large Deformation

Yu Jinhong1，Wu Hegao1，Shi Changzheng1，Li Dongming2，Jin Hongze2

(1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2. National Center of Quality Inspection & Testing for Hydraulic Metal Structure，Ministry of Water Resources，Zhengzhou 450044，China)

Large-diameter buried steel pipes are widely used in major water diversion and hydropower projects. These pipes are prone to excessive deformation during the construction process. A few reports investigating their structural characteristics and treatment measures globally have been reported. Herein，a buried steel pipe with a ring deformation of 8.9% was studied as an example. Based on the results of field tests，the project’s construction process can be inverted using numerical simulation. The steel pipe’s deformation，stress，and plasticity in subsequent operations are analyzed. Furthermore，a pipe rehabilitation method using the water pressure method is proposed according to the engineering situation. A comparative study is also performed using the traditional jacking method. The results show that the large deformation buried steel pipe has high bending stress and insufficient soil support. Thus，its structural bearing capacity is weak，posing a significant safety risk. Under the action of a load，the steel pipe’s deformation and stress increase considerably. Although a stiffening ring can improve the steel pipe’s stability against external pressure，it is unfavorable for the stress of the pipe wall. High stress and plastic areas are concentrated mainly near the pipe invert，springline，crown，and stiffening ring. Although the large deformation buried steel pipes do not satisfy the specification requirements，their replacement is unnecessary；instead，they can be rehabilitated to reduce deformation and improve the soil modulus around them. The jacking or water pressure methods can be used for rehabilitation. The jacking method involves rounding the steel pipe with jacks and is suitable for locally deformed pipe segments，but the pipe has stress concentration in the bracing area.The water pressure method employs the principle that internal pressure can reduce the pipe deformation，which makes the pipe stress uniform. This method is more convenient for long-distance pipelines. In addition，the welds and anticorrosion materials should be inspected and repaired，and the pipe’s performances must be monitored throughout the operation.The research results can provide a reference for similar engineering and future specification preparation.

buried steel pipes；large deformation；structural bearing；rehabilitation；jacking method；water pressure method

10.11784/tdxbz202105053

TU432；TV37

A

0493-2137(2022)04-0419-09

2021-05-25；

2021-09-06.

于金弘（1995—??），男，博士研究生，yujinhong@whu.edu.cn.

石長(zhǎng)征，scz4@163.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51409194).

Supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 51409194).

(責(zé)任編輯：樊素英)