混凝土管道广泛应用于市政污水和雨水管网中,在外荷载增大、地基不均匀沉降、管材质量不合格以及施工缺陷等不利因素的影响下,混凝土管道常出现纵向裂缝、坍塌、腐蚀减薄三种结构性破坏形式。结构性破坏一方面导致管道处于临界稳定状态,时刻危及上覆道路、车辆乃至行人的安全;另一方面引起管内雨污水外流进一步冲刷破坏周围土体,或引起地下水进入管道破坏周围土体并增加运营负担。业界的共识是对破损的管道进行非开挖修复,可行的方法有水泥砂浆喷涂法、穿插法、螺旋缠绕法和管片内衬法等方法。水泥砂浆喷涂法是直接采用水泥砂浆作为内衬;穿插法、螺旋缠绕法、管片内衬法是用化学管材作为内衬,然后在既有管道和内衬之间注入水泥砂浆进行填充。这几种方法面临着几个共同的且尚未解决的难题:一是修复后管道受到的土荷载以及传递至水泥砂浆内衬或注浆层上的土荷载;二是水泥砂浆内衬或注浆层与既有管道能否协调变形,也即两者是形成一个整体还是各自独立变形;三是修复后管道的承载力以及既有管道的剩余承载力;四是如何进行水泥砂浆内衬的结构设计。鉴于此,本文通过广泛的资料调研、理论分析、解析计算、实验研究和数值模拟五种方法研究了这四个关键问题,主要的研究内容和结论为:1、修复后管道的土荷载模型。根据管道从设计阶段至使用阶段再到破坏阶段土荷载的变化规律,提出了产生纵向裂缝、坍塌和腐蚀减薄三种破坏形式下的既有管道土荷载模型。然后按照水泥砂浆内衬与既有管道所形成的结构形式提出了传递至水泥砂浆内衬的土荷载模型。修复后管道受到的地表附加荷载模型仍按照新建管道模型计算。2、修复后管道的结构形式。从曲梁的受力模型出发推导了叠合曲梁所受径向应力和剪应力的计算公式,通过与界面的抗剪强度和粘结张拉强度的对比建立了修复后管道的两种结构受力模型:复合结构模型和叠合结构模型。当界面的粘结张拉强度和抗剪强度大于径向应力和剪应力时形成叠合结构否则形成复合结构。3、修复后管道的承载力。先后推导了直梁复合结构模型和叠合结构模型在横力弯曲下的承载力计算公式、曲梁复合结构模型和叠合结构模型的受弯承载力计算公式,直梁复合结构模型和叠合结构模型的受压承载力计算公式。复合结构模型的承载力按照两层结构的刚度比分担外荷载的模型计算;叠合结构模型按照变截面宽度梁模型计算,忽略二次受力的影响。4、既有管道的剩余承载力。按照产生纵向裂缝、坍塌和腐蚀三种破坏模式以及复合结构和叠合结构两种受力模型建立了既有管道的剩余承载力计算模型。对于产生纵向裂缝和坍塌的既有管道,当按照复合结构模型计算时忽略其剩余抗弯和抗压承载力,仅考虑正弯矩区的抗压承载力;当按照叠合结构计算时考虑正弯矩区域的剩余抗弯和抗压承载力,忽略负弯矩区的剩余抗弯和抗压承载力;对于腐蚀的管道,按腐蚀程度根据现有结构力学方法核算其剩余抗弯和抗压承载力。5、设计了两种强度的水泥砂浆试块在不同结构形式下的横力弯曲实验、抗压实验以及水泥砂浆与混凝土界面劈裂抗拉强度实验。实验结果表明,对于复合结构模型,水泥砂浆收缩产生的界面间隙导致上梁与下梁的共同承载力不能完全发挥,实验值约为理论值的0.6~0.9倍,因此对于复合结构模型建议忽略其共同承载作用,承载力取上梁与下梁各自独立承载时的最大值;对于叠合结构模型,实验采用的自然接触界面发生局部剪切滑移降低了承载力,实验值约为理论值的0.75~0.95倍;抗压实验结果与理论模型一致;劈裂抗拉实验表明界面的劈拉强度为0.95~1.86MPa,约为自身劈拉强度的0.47~0.73倍。6、使用ABAQUS建立了修复后管道承载力的有限元模型。模拟结果表明对于叠合结构,当既有管道产生纵向裂缝和坍塌破坏时,正弯矩处的既有管道受压发挥了剩余承载力,负弯矩区既有管道受拉不能发挥剩余承载力,模拟结果与理论分析一致。其它位置处界面的有效粘结增加了修复后管道的承载力,可作为额外的安全储备。7、水泥砂浆内衬结构设计。根据管道的三种破坏形式和两种结构模型按照极限状态设计法进行设计,根据所采用的材料不同,分别按照纤维混凝土结构或钢筋纤维混凝土结构进行承载力极限状态和正常使用阶段的计算。对于产生裂缝和坍塌的既有管道,当考虑既有管道的剩余承载力时除要求限制裂缝宽度外还要求限制水泥砂浆内衬不能裂穿。本文的创新点为:(1)建立了修复后管道的土荷载模型;(2)建立了修复后管道的两种结构受力模型和承载力模型;(3)提出了混凝土管道水泥砂浆内衬结构性修复的结构设计方法。