CN106284211A - 一种提高混凝土裂缝斜孔法化学灌浆质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高混凝土裂缝斜孔法化学灌浆质量的方法，所述方法包括以下步骤：设定裂缝模型，选取灌浆口灌浆压力P模拟数值后，以有限元计算机仿真为技术手段，通过建立仿真计算模型，计算灌浆压力在裂缝内部的分布情况；以混凝土断裂力学理论为基础，建立不同应力分布下的模型求算出混凝土裂缝尖端处的应力强度因子；测定试验用混凝土断裂韧度，为保证混凝土结构裂缝在灌浆过程中的稳定性，应该控制在灌浆压力作用下混凝土裂缝尖端处的应力强度因子不大于其断裂韧度，从而反推算出混凝土结构的最大允许灌浆压力。本发明计算简单，技术可靠，方便应用，极大的满足了工程需要。

Description

一种提高混凝土裂缝斜孔法化学灌浆质量的方法

技术领域

本发明涉及水工混凝土缺陷修复技术领域，具体涉及该发明为混凝土裂缝采用斜孔法化学灌浆浆液修复处理提供了一种混凝土裂缝斜孔法化学灌浆允许压力的确定方法，特别适用于水工混凝土裂缝化学灌浆加固或防渗堵漏等处理。

背景技术

混凝土裂缝通过灌浆修复后，建筑物恢复结构原设计应力状态达到使用和运行设计要求。因此，化学灌浆是一种原位修复技术。原位修复不仅快速、节约，而且省工省时，且具有良好的社会和经济效益。

采用化学灌浆修复混凝土裂缝是目前最常用的措施和方法，但长期以来裂缝化学灌浆压力的确定缺乏必要的理论指导和科学依据，多是以工程经验积累为主，给工程设计代来了诸多的不便，也给现场施工造成了一定的麻烦。通过水工混凝土裂缝化学灌浆允许压力计算方法的发明，可以填补国内化学灌浆理论的缺乏做出一点贡献，具有极其重要的科技意义。

发明内容

本发明为设计、施工技术人员提供一种提高混凝土裂缝斜孔法化学灌浆质量的方法。斜孔灌浆是通过在混凝土表面向裂缝内部钻一与裂缝面成一定夹角的孔的灌浆方式。灌浆时，受多种因素的影响，压力在裂缝内部会不断衰减，对于较深处的裂缝采用贴嘴灌浆就无法使浆液充满裂缝，故对于较深的裂缝修补一般采用钻孔灌浆。

本发明技术方案为：

一种提高混凝土裂缝斜孔法化学灌浆质量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)设定裂缝模型，选取灌浆口灌浆压力P模拟数值后，以有限元计算机仿真为技术手段，通过建立仿真计算模型，并设定合理的边界条件，采用fluent软件来对灌浆过程的应力分布状况进行数值模拟计算，计算灌浆压力在裂缝内部的分布情况；

2)以混凝土断裂力学理论为基础，建立不同应力分布下的模型求算出混凝土裂缝尖端处的应力强度因子；测定试验用混凝土断裂韧度，为保证混凝土结构裂缝在灌浆过程中的稳定性，应该控制在灌浆压力作用下混凝土裂缝尖端处的应力强度因子不大于其断裂韧度，从而反推算出混凝土结构的最大允许灌浆压力；

3)通过成型各带有预制裂缝的有限尺寸的混凝土试件，采用封闭压水法验证所述步骤2)确定的理论计算的混凝土最大允许灌浆压力，以确定其合理性；

4)以流体力学为基础，研究分析在各因素的共同作用下，化学浆液在裂缝内部的扩散半径，并进行相关试验验证修正；

通过得到的最大允许灌浆压力和扩散半径来控制灌浆的质量。

优选地，所述步骤1)灌浆口灌浆压力P模拟数值为0.4Mpa。用于计算灌浆压力的应力因子。

优选地，所述步骤1)裂缝模型为三角板模型，裂缝长度为L，裂缝口表面宽度为d，裂缝深度为h，灌浆口距离裂缝底部尖端距离为裂缝深度的1/4～1/2，灌浆液灌浆方向与裂缝面成45度夹角从上至下灌入裂缝面内部。

优选地，所述步骤1)边界条件的设定为，沿裂缝长度方向两侧面为对称的界面，各裂缝边界速度为0。

优选地，所述步骤1)采用fluent软件的计算方式为经过迭代计算，达到收敛后，得到灌浆压力在裂缝内部的分布情况为y＝0.0008x²-0.3567x+0.568，y为压力，x为竖向距灌浆嘴位置距离,方程R²＝0.9999，拟合精度高。

优选地，述步骤2)最大允许灌浆压力确定方法具体为：对于混凝土张开型(I型)裂缝化学灌浆扩展判断准则为：

K_I≤K_IC (1)

式中：K_I—Ⅰ型应力强度因子，受试件形状、大小，外力作用方式及裂缝分布形式等的影响；

K_IC—混凝土抵抗宏观裂纹失稳扩展的韧性参数，

$K_I=F_I\mathrm{\σ}\sqrt{\mathrm{\π}a}---\left(2\right)$

由此则得到裂缝尖端处缝面压力的计算公式为：

$\mathrm{\σ}=K_{IC}/F_1\sqrt{\mathrm{\π}a}---\left(3\right)$

式中：σ为裂缝尖端处缝面压力；为失稳韧度；F₁为形体系数；a为裂缝的半长，K₁为0.3～1.4MPa.m^-1/2；F₁取值为1。

进一步优选地，所述在取得裂缝尖端缝面压力σ以后，缝尖端处缝面的压力σ为灌浆嘴压力P的0.7～0.8倍。

优选地，所述采用斜孔灌浆时，灌浆嘴的间距宜为10～25cm，裂缝尖端处的压力为灌浆口压力的一半。

本发明有益效果如下：

1、计算简单，技术可靠，方便应用，满足工程需要，体现了良好的经济效益。

2、针对大体积混凝土裂缝灌浆，运用混凝土断裂力学的断裂韧度和牛顿摩阻定律等理论对其研究，本发明用于现场灌浆施工，计算简单，技术可靠，方便应用，极大的满足了工程需要。

3、本发明还可应用于钻孔法、贴嘴法、钻孔法+贴嘴法等化学灌浆的工艺方法、不同灌浆材料的灌浆压力的确定。

4、本发明结合对混凝土灌浆过程中压力的和扩散半径进行分析，确定适宜的灌浆条件，提高灌浆质量。

附图说明

图1：斜孔灌浆嘴所在位置；

图2：斜孔灌浆压力云图；

图3：竖向距灌浆嘴位置-压力关系图；

其中：①为灌浆口，距离裂缝底部尖端距离约为裂缝深度的1/3，②、③则为出浆口。

具体实施方式

下面结合实施例来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

1、混凝土斜孔灌浆时灌浆压力在裂缝内部的分布情况

灌浆嘴所在位置为图1所示，选取灌浆口灌浆压力P＝0.4MPa。灌浆物料环氧树脂的密度ρ＝1100kg/m³，粘度为η＝25mPa·s。边界条件的设定：沿裂缝长度方向两侧面为对称的界面，各裂缝边界速度为0。裂缝基本情况如下：裂缝长度L＝1m，裂缝上表面宽度d＝0.8mm，裂缝深度h＝0.6m(即其沿裂缝长度的侧面为高0.6m，底0.8mm的直角三角形)。灌浆口初始灌浆压力P＝0.4MPa，方向与裂缝面成45度夹角从上至下灌入裂缝面内部。经过迭代计算，达到收敛后，其压力值在裂缝内部的分布情况如图1所示。灌浆嘴沿裂缝深度方向，其压力值与灌浆嘴位置关系如图2所示。

在灌浆达到稳定状态后，灌浆压力在裂缝上表面沿裂缝长度方向的压力也是近似于均匀分布，而且压力值都比较小。在灌浆孔附近，灌浆压力以近似半椭圆的形式迅速向外衰减扩散，沿裂缝长度和深度方向向上。而在灌浆孔以下，沿裂缝深度方向上，压力值衰减则相对平缓些，在裂缝底部尖端处约为初始压力值的二分之一。得到灌浆压力在裂缝内部的分布情况为y＝0.0008x²-0.3567x+0.568，y为压力，x为竖向距灌浆嘴位置距离。

2、灌浆嘴(斜孔法)处允许压力的确定

根据混凝土裂缝扩展的断裂理论，徐世烺教授将反映混凝土软化特性的虚拟裂缝概念和应力强度因子参量结合起来，提出了双K断裂准则，在混凝土裂缝扩展过程中，当应用应力强度因子所表述的混凝土裂缝开裂过程中，两个关键控制参数的概念，即对应于初始起裂状态的起裂韧度其所对应的为混凝土试件断裂韧度试验加载过程中的起裂荷载值F_Q；一般为加荷最大值的(0.6～0.9倍)范围内和对应于失稳状态的失稳韧度其所对应的为混凝土试件断裂韧度试验加载过程中的最大荷载值F_max。

以混凝土最大荷载下的断裂韧度作为混凝土开裂破坏的判断依据。以张开型(Ⅰ型)裂缝为研究对象，对于混凝土I型裂缝化学灌浆扩展判断准则为：

K_I≤K_IC(1)

式中：K_I—Ⅰ型应力强度因子，受试件形状、大小，外力作用方式及裂缝分布形式等的影响；

K_IC—混凝土抵抗宏观裂纹失稳扩展的韧性参数，

$K_I=F_I\mathrm{\σ}\sqrt{\mathrm{\π}a}---\left(2\right)$

由此则得到裂缝尖端处缝面压力的计算公式为：

$\mathrm{\σ}=K_{IC}/F_1\sqrt{\mathrm{\π}a}---\left(3\right)$

式中：σ为裂缝尖端处缝面压力；为失稳韧度；F₁为形体系数；a为裂缝的半长，K₁为0.3～1.4MPa.m^-1/2；F₁取值为1。

所述在取得裂缝尖端缝面压力σ以后，缝尖端处缝面的压力σ为灌浆嘴压力P的0.5倍。考虑1.5左右的安全系数，裂缝尖端处缝面压力可选取缝口处灌浆压力的0.7～0.8倍。

采用斜孔灌浆时，灌浆嘴的间距宜为10～25cm。

3、扩散半径的确定

刘嘉才学者在1982年通过应用牛顿摩阻定律研究确定了浆液在裂缝内部的流动特性和扩散半径，在此基础上，笔者再结合广义达西定律，认为灌浆过程中浆液在裂缝内部的流动速度都为一平均值，进行了理论再推导，得出：

$R=2.2237{\left(\frac{{\mathrm{\Δptb}}^2}{\mathrm{\η}}\right)}^{0.3548}---\left(4\right)$

式中：R为浆液扩散半径(cm)；

ΔP为有效灌浆压力(Pa)。由于在混凝土裂缝化学灌浆过程中，裂缝内部不存在地下水情况，同时也都设置有排气孔，认为灌浆压力除了克服壁面摩擦力外无损失，因此认为ΔP即为允许灌浆压力值；

t为灌浆时间(s)；

b为裂缝宽度(cm)，取灌浆孔与裂缝相交处的内部平均裂缝宽度，通过内插法计算获得；

η为浆液粘度(mPa·s)。

根据公式(4)，即可计算浆液在缝面内的扩散半径，有了扩散半径，实际工程中就很容易计算出灌浆孔(嘴)的间距布置，可做到科学合理、质量可靠。在此需要强调的是，间距布置均以单孔(嘴)为圆心考虑浆液扩散，为保证扩散能相互连接、无缝隙覆盖，孔(嘴)间距设定必须考虑浆液扩散半径呈相交重叠状态，即不可相切。经计算，实际应用时，其间距取值采用2～5R为宜。不难看出，该公式的确定，为DL/T5406-2010《水工建筑物化学灌浆施工规范》的附录D中，浆液有效扩散半径的计算提供了参考依据。

对裂缝的宽度、长度以及深度等进行测量，σ采用本申请的模拟分布，推导裂缝的灌浆压力为理论灌浆压力及扩散半径对比表见表1。

表1消力池混凝土裂缝灌浆允许压力及扩散半径对比表

实际灌浆结束后取样，检测实际灌浆效果，浆液充填饱满，效果良好。

应用实例

某大体积混凝土构件尺寸为长×宽×高＝1.5×0.6×1.8(m)，在其正面沿宽度方向有一深为0.3m左右的贯穿上下表面的裂缝，裂缝口表面宽度呈现上下窄、中间宽的形式，通过可读数显微镜测定基本在0.4～0.6mm之间。以设定采用环氧树脂A:B＝6:1时的粘度值25mPa·s进行灌浆时，其扩散半径达到40cm为标准，进行布设灌浆孔。在距该混凝土构件顶部90cm、50cm的高度处采用斜孔灌浆的方式布设①、②两个斜孔灌浆嘴，孔半径为0.9cm，距离裂缝口表面距离为6cm与构件表面成45度角。取裂缝口表面宽度为0.5mm，裂缝深度为30cm，则灌浆孔与裂缝面相交处的裂缝宽度按照内插法算得为0.4mm。进行灌浆时，实际施加灌浆压力为0.5MPa。

通过以上条件，计算得出所需灌浆时间为108s。而在对①号孔进行灌浆时，经过20s时间后即发现有浆液从②号孔流出，于是随即停止灌浆。这在一定程度上是因为，裂缝只在小范围区域内有达到40cm的空间距离，而使其它方向上的浆液在达到壁面而无法继续径向扩散的时候转而填充有较大距离空间的区域，这在一定程度上缩减了灌浆时间。

待环氧树脂硬化后，通过对②号孔高度处沿裂缝深度方向进行打孔钻芯发现，在距离裂缝口表面15cm深度处清晰可见硬化的环氧树脂浆液。此处与灌浆点的径向距离为41cm。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高混凝土裂缝斜孔法化学灌浆质量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)设定裂缝模型，选取灌浆口灌浆压力P模拟数值后，以有限元计算机仿真为技术手段，通过建立仿真计算模型，并设定合理的边界条件，采用fluent软件来对灌浆过程的应力分布状况进行数值模拟计算，计算灌浆压力在裂缝内部的分布情况；

2)以混凝土断裂力学理论为基础，建立不同应力分布下的模型求算出混凝土裂缝尖端处的应力强度因子；测定试验用混凝土断裂韧度，为保证混凝土结构裂缝在灌浆过程中的稳定性，应该控制在灌浆压力作用下混凝土裂缝尖端处的应力强度因子不大于其断裂韧度，从而反推算出混凝土结构的最大允许灌浆压力；

3)通过成型各带有预制裂缝的有限尺寸的混凝土试件，采用封闭压水法验证所述步骤2)确定的理论计算的混凝土最大允许灌浆压力，以确定其合理性；

4)以流体力学为基础，研究分析在各因素的共同作用下，化学浆液在裂缝内部的扩散半径，并进行相关试验验证修正；

通过得到的最大允许灌浆压力和扩散半径来控制灌浆的质量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)灌浆口灌浆压力P模拟数值为0.4Mpa。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)裂缝模型为三角板模型，裂缝长度为L，裂缝口表面宽度为d，裂缝深度为h，灌浆口距离裂缝底部尖端距离为裂缝深度的1/4～1/2，灌浆液灌浆方向与裂缝面成45度夹角从上至下灌入裂缝面内部。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)边界条件的设定为，沿裂缝长度方向两侧面为对称的界面，各裂缝边界速度为0。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)采用fluent软件的计算方式为经过迭代计算，达到收敛后，得到灌浆压力在裂缝内部的分布情况为y＝0.0008x²-0.3567x+0.568，y为压力，x为竖向距灌浆嘴位置。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)最大允许灌浆压力确定方法具体为，对于混凝土I型裂缝化学灌浆扩展判断准则为：

K_I≤K_IC (1)

式中：K_I—Ⅰ型应力强度因子，受试件形状、大小，外力作用方式及裂缝分布形式等的影响；

K_IC—混凝土抵抗宏观裂纹失稳扩展的韧性参数，

$K_I=F_I\mathrm{\σ}\sqrt{\mathrm{\π}a}---\left(2\right)$

由此则得到裂缝尖端处缝面压力的计算公式为：

$\mathrm{\σ}=K_{IC}/F_1\sqrt{\mathrm{\π}a}---\left(3\right)$

式中：σ为裂缝尖端处缝面压力；为失稳韧度；F₁为形体系数；a为裂缝的半长，K₁为0.3～1.4MPa.m^-1/2；F₁取值为1。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：采用斜孔灌浆时，缝尖端处缝面的压力σ为灌浆嘴压力P的0.7～0.8倍。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用斜孔灌浆时，灌浆嘴的间距为10～25cm，裂缝尖端处的压力为灌浆口压力的一半。