一種提高混凝土裂縫斜孔法化學灌漿質量的方法與流程

2023-07-26 22:44:16 1

本發明涉及水工混凝土缺陷修復技術領域，具體涉及該發明為混凝土裂縫採用斜孔法化學灌漿漿液修復處理提供了一種混凝土裂縫斜孔法化學灌漿允許壓力的確定方法，特別適用於水工混凝土裂縫化學灌漿加固或防滲堵漏等處理。

背景技術：

混凝土裂縫通過灌漿修復後，建築物恢復結構原設計應力狀態達到使用和運行設計要求。因此，化學灌漿是一種原位修復技術。原位修復不僅快速、節約，而且省工省時，且具有良好的社會和經濟效益。

採用化學灌漿修復混凝土裂縫是目前最常用的措施和方法，但長期以來裂縫化學灌漿壓力的確定缺乏必要的理論指導和科學依據，多是以工程經驗積累為主，給工程設計代來了諸多的不便，也給現場施工造成了一定的麻煩。通過水工混凝土裂縫化學灌漿允許壓力計算方法的發明，可以填補國內化學灌漿理論的缺乏做出一點貢獻，具有極其重要的科技意義。

技術實現要素：

本發明為設計、施工技術人員提供一種提高混凝土裂縫斜孔法化學灌漿質量的方法。斜孔灌漿是通過在混凝土表面向裂縫內部鑽一與裂縫面成一定夾角的孔的灌漿方式。灌漿時，受多種因素的影響，壓力在裂縫內部會不斷衰減，對於較深處的裂縫採用貼嘴灌漿就無法使漿液充滿裂縫，故對於較深的裂縫修補一般採用鑽孔灌漿。

本發明技術方案為：

一種提高混凝土裂縫斜孔法化學灌漿質量的方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟：

1)設定裂縫模型，選取灌漿口灌漿壓力P模擬數值後，以有限元計算機仿真為技術手段，通過建立仿真計算模型，並設定合理的邊界條件，採用fluent軟體來對灌漿過程的應力分布狀況進行數值模擬計算，計算灌漿壓力在裂縫內部的分布情況；

2)以混凝土斷裂力學理論為基礎，建立不同應力分布下的模型求算出混凝土裂縫尖端處的應力強度因子；測定試驗用混凝土斷裂韌度，為保證混凝土結構裂縫在灌漿過程中的穩定性，應該控制在灌漿壓力作用下混凝土裂縫尖端處的應力強度因子不大於其斷裂韌度，從而反推算出混凝土結構的最大允許灌漿壓力；

3)通過成型各帶有預製裂縫的有限尺寸的混凝土試件，採用封閉壓水法驗證所述步驟2)確定的理論計算的混凝土最大允許灌漿壓力，以確定其合理性；

4)以流體力學為基礎，研究分析在各因素的共同作用下，化學漿液在裂縫內部的擴散半徑，並進行相關試驗驗證修正；

通過得到的最大允許灌漿壓力和擴散半徑來控制灌漿的質量。

優選地，所述步驟1)灌漿口灌漿壓力P模擬數值為0.4Mpa。用於計算灌漿壓力的應力因子。

優選地，所述步驟1)裂縫模型為三角板模型，裂縫長度為L，裂縫口表面寬度為d，裂縫深度為h，灌漿口距離裂縫底部尖端距離為裂縫深度的1/4～1/2，灌漿液灌漿方向與裂縫面成45度夾角從上至下灌入裂縫面內部。

優選地，所述步驟1)邊界條件的設定為，沿裂縫長度方向兩側面為對稱的界面，各裂縫邊界速度為0。

優選地，所述步驟1)採用fluent軟體的計算方式為經過迭代計算，達到收斂後，得到灌漿壓力在裂縫內部的分布情況為y＝0.0008x2-0.3567x+0.568，y為壓力，x為豎向距灌漿嘴位置距離,方程R2＝0.9999，擬合精度高。

優選地，述步驟2)最大允許灌漿壓力確定方法具體為：對於混凝土張開型(I型)裂縫化學灌漿擴展判斷準則為：

KI≤KIC (1)

式中：KI—Ⅰ型應力強度因子，受試件形狀、大小，外力作用方式及裂縫分布形式等的影響；

KIC—混凝土抵抗宏觀裂紋失穩擴展的韌性參數，

由此則得到裂縫尖端處縫面壓力的計算公式為：

式中：σ為裂縫尖端處縫面壓力；為失穩韌度；F1為形體系數；a為裂縫的半長，K1為0.3～1.4MPa.m-1/2；F1取值為1。

進一步優選地，所述在取得裂縫尖端縫面壓力σ以後，縫尖端處縫面的壓力σ為灌漿嘴壓力P的0.7～0.8倍。

優選地，所述採用斜孔灌漿時，灌漿嘴的間距宜為10～25cm，裂縫尖端處的壓力為灌漿口壓力的一半。

本發明有益效果如下：

1、計算簡單，技術可靠，方便應用，滿足工程需要，體現了良好的經濟效益。

2、針對大體積混凝土裂縫灌漿，運用混凝土斷裂力學的斷裂韌度和牛頓摩阻定律等理論對其研究，本發明用於現場灌漿施工，計算簡單，技術可靠，方便應用，極大的滿足了工程需要。

3、本發明還可應用於鑽孔法、貼嘴法、鑽孔法+貼嘴法等化學灌漿的工藝方法、不同灌漿材料的灌漿壓力的確定。

4、本發明結合對混凝土灌漿過程中壓力的和擴散半徑進行分析，確定適宜的灌漿條件，提高灌漿質量。

附圖說明

圖1：斜孔灌漿嘴所在位置；

圖2：斜孔灌漿壓力雲圖；

圖3：豎向距灌漿嘴位置-壓力關係圖；

其中：①為灌漿口，距離裂縫底部尖端距離約為裂縫深度的1/3，②、③則為出漿口。

具體實施方式

下面結合實施例來進一步說明本發明，但本發明要求保護的範圍並不局限於實施例表述的範圍。

1、混凝土斜孔灌漿時灌漿壓力在裂縫內部的分布情況

灌漿嘴所在位置為圖1所示，選取灌漿口灌漿壓力P＝0.4MPa。灌漿物料環氧樹脂的密度ρ＝1100kg/m3，粘度為η＝25mPa·s。邊界條件的設定：沿裂縫長度方向兩側面為對稱的界面，各裂縫邊界速度為0。裂縫基本情況如下：裂縫長度L＝1m，裂縫上表面寬度d＝0.8mm，裂縫深度h＝0.6m(即其沿裂縫長度的側面為高0.6m，底0.8mm的直角三角形)。灌漿口初始灌漿壓力P＝0.4MPa，方向與裂縫面成45度夾角從上至下灌入裂縫面內部。經過迭代計算，達到收斂後，其壓力值在裂縫內部的分布情況如圖1所示。灌漿嘴沿裂縫深度方向，其壓力值與灌漿嘴位置關係如圖2所示。

在灌漿達到穩定狀態後，灌漿壓力在裂縫上表面沿裂縫長度方向的壓力也是近似於均勻分布，而且壓力值都比較小。在灌漿孔附近，灌漿壓力以近似半橢圓的形式迅速向外衰減擴散，沿裂縫長度和深度方向向上。而在灌漿孔以下，沿裂縫深度方向上，壓力值衰減則相對平緩些，在裂縫底部尖端處約為初始壓力值的二分之一。得到灌漿壓力在裂縫內部的分布情況為y＝0.0008x2-0.3567x+0.568，y為壓力，x為豎向距灌漿嘴位置距離。

2、灌漿嘴(斜孔法)處允許壓力的確定

根據混凝土裂縫擴展的斷裂理論，徐世烺教授將反映混凝土軟化特性的虛擬裂縫概念和應力強度因子參量結合起來，提出了雙K斷裂準則，在混凝土裂縫擴展過程中，當應用應力強度因子所表述的混凝土裂縫開裂過程中，兩個關鍵控制參數的概念，即對應於初始起裂狀態的起裂韌度其所對應的為混凝土試件斷裂韌度試驗加載過程中的起裂荷載值FQ；一般為加荷最大值的(0.6～0.9倍)範圍內和對應於失穩狀態的失穩韌度其所對應的為混凝土試件斷裂韌度試驗加載過程中的最大荷載值Fmax。

以混凝土最大荷載下的斷裂韌度作為混凝土開裂破壞的判斷依據。以張開型(Ⅰ型)裂縫為研究對象，對於混凝土I型裂縫化學灌漿擴展判斷準則為：

KI≤KIC(1)

式中：KI—Ⅰ型應力強度因子，受試件形狀、大小，外力作用方式及裂縫分布形式等的影響；

KIC—混凝土抵抗宏觀裂紋失穩擴展的韌性參數，

由此則得到裂縫尖端處縫面壓力的計算公式為：

式中：σ為裂縫尖端處縫面壓力；為失穩韌度；F1為形體系數；a為裂縫的半長，K1為0.3～1.4MPa.m-1/2；F1取值為1。

所述在取得裂縫尖端縫面壓力σ以後，縫尖端處縫面的壓力σ為灌漿嘴壓力P的0.5倍。考慮1.5左右的安全係數，裂縫尖端處縫面壓力可選取縫口處灌漿壓力的0.7～0.8倍。

採用斜孔灌漿時，灌漿嘴的間距宜為10～25cm。

3、擴散半徑的確定

劉嘉才學者在1982年通過應用牛頓摩阻定律研究確定了漿液在裂縫內部的流動特性和擴散半徑，在此基礎上，筆者再結合廣義達西定律，認為灌漿過程中漿液在裂縫內部的流動速度都為一平均值，進行了理論再推導，得出：

式中：R為漿液擴散半徑(cm)；

ΔP為有效灌漿壓力(Pa)。由於在混凝土裂縫化學灌漿過程中，裂縫內部不存在地下水情況，同時也都設置有排氣孔，認為灌漿壓力除了克服壁面摩擦力外無損失，因此認為ΔP即為允許灌漿壓力值；

t為灌漿時間(s)；

b為裂縫寬度(cm)，取灌漿孔與裂縫相交處的內部平均裂縫寬度，通過內插法計算獲得；

η為漿液粘度(mPa·s)。

根據公式(4)，即可計算漿液在縫面內的擴散半徑，有了擴散半徑，實際工程中就很容易計算出灌漿孔(嘴)的間距布置，可做到科學合理、質量可靠。在此需要強調的是，間距布置均以單孔(嘴)為圓心考慮漿液擴散，為保證擴散能相互連接、無縫隙覆蓋，孔(嘴)間距設定必須考慮漿液擴散半徑呈相交重疊狀態，即不可相切。經計算，實際應用時，其間距取值採用2～5R為宜。不難看出，該公式的確定，為DL/T5406-2010《水工建築物化學灌漿施工規範》的附錄D中，漿液有效擴散半徑的計算提供了參考依據。

對裂縫的寬度、長度以及深度等進行測量，σ採用本申請的模擬分布，推導裂縫的灌漿壓力為理論灌漿壓力及擴散半徑對比表見表1。

表1消力池混凝土裂縫灌漿允許壓力及擴散半徑對比表

實際灌漿結束後取樣，檢測實際灌漿效果，漿液充填飽滿，效果良好。

應用實例

某大體積混凝土構件尺寸為長×寬×高＝1.5×0.6×1.8(m)，在其正面沿寬度方向有一深為0.3m左右的貫穿上下表面的裂縫，裂縫口表面寬度呈現上下窄、中間寬的形式，通過可讀數顯微鏡測定基本在0.4～0.6mm之間。以設定採用環氧樹脂A:B＝6:1時的粘度值25mPa·s進行灌漿時，其擴散半徑達到40cm為標準，進行布設灌漿孔。在距該混凝土構件頂部90cm、50cm的高度處採用斜孔灌漿的方式布設①、②兩個斜孔灌漿嘴，孔半徑為0.9cm，距離裂縫口表面距離為6cm與構件表面成45度角。取裂縫口表面寬度為0.5mm，裂縫深度為30cm，則灌漿孔與裂縫面相交處的裂縫寬度按照內插法算得為0.4mm。進行灌漿時，實際施加灌漿壓力為0.5MPa。

通過以上條件，計算得出所需灌漿時間為108s。而在對①號孔進行灌漿時，經過20s時間後即發現有漿液從②號孔流出，於是隨即停止灌漿。這在一定程度上是因為，裂縫只在小範圍區域內有達到40cm的空間距離，而使其它方向上的漿液在達到壁面而無法繼續徑向擴散的時候轉而填充有較大距離空間的區域，這在一定程度上縮減了灌漿時間。

待環氧樹脂硬化後，通過對②號孔高度處沿裂縫深度方向進行打孔鑽芯發現，在距離裂縫口表面15cm深度處清晰可見硬化的環氧樹脂漿液。此處與灌漿點的徑向距離為41cm。

上述的實施例僅為本發明的優選技術方案，而不應視為對於本發明的限制，本申請中的實施例及實施例中的特徵在不衝突的情況下，可以相互任意組合。本發明的保護範圍應以權利要求記載的技術方案，包括權利要求記載的技術方案中技術特徵的等同替換方案為保護範圍。即在此範圍內的等同替換改進，也在本發明的保護範圍之內。