本發(fā)明涉及水工混凝土缺陷修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及該發(fā)明為混凝土裂縫采用斜孔法化學(xué)灌漿漿液修復(fù)處理提供了一種混凝土裂縫斜孔法化學(xué)灌漿允許壓力的確定方法，特別適用于水工混凝土裂縫化學(xué)灌漿加固或防滲堵漏等處理。

背景技術(shù)：

混凝土裂縫通過灌漿修復(fù)后，建筑物恢復(fù)結(jié)構(gòu)原設(shè)計應(yīng)力狀態(tài)達到使用和運行設(shè)計要求。因此，化學(xué)灌漿是一種原位修復(fù)技術(shù)。原位修復(fù)不僅快速、節(jié)約，而且省工省時，且具有良好的社會和經(jīng)濟效益。

采用化學(xué)灌漿修復(fù)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(xué)灌漿壓力的確定缺乏必要的理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)，多是以工程經(jīng)驗積累為主，給工程設(shè)計代來了諸多的不便，也給現(xiàn)場施工造成了一定的麻煩。通過水工混凝土裂縫化學(xué)灌漿允許壓力計算方法的發(fā)明，可以填補國內(nèi)化學(xué)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(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為設(shè)計、施工技術(shù)人員提供一種提高混凝土裂縫斜孔法化學(xué)灌漿質(zhì)量的方法。斜孔灌漿是通過在混凝土表面向裂縫內(nèi)部鉆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(nèi)部會不斷衰減，對于較深處的裂縫采用貼嘴灌漿就無法使?jié){液充滿裂縫，故對于較深的裂縫修補一般采用鉆孔灌漿。

本發(fā)明技術(shù)方案為：

一種提高混凝土裂縫斜孔法化學(xué)灌漿質(zhì)量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

1)設(shè)定裂縫模型，選取灌漿口灌漿壓力P模擬數(shù)值后，以有限元計算機仿真為技術(shù)手段，通過建立仿真計算模型，并設(shè)定合理的邊界條件，采用fluent軟件來對灌漿過程的應(yīng)力分布狀況進行數(shù)值模擬計算，計算灌漿壓力在裂縫內(nèi)部的分布情況；

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

3)通過成型各帶有預(yù)制裂縫的有限尺寸的混凝土試件，采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(xué)為基礎(chǔ)，研究分析在各因素的共同作用下，化學(xué)漿液在裂縫內(nèi)部的擴散半徑，并進行相關(guān)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(zhì)量。

優(yōu)選地，所述步驟1)灌漿口灌漿壓力P模擬數(shù)值為0.4Mpa。用于計算灌漿壓力的應(yīng)力因子。

優(yōu)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(nèi)部。

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

優(yōu)選地，所述步驟1)采用fluent軟件的計算方式為經(jīng)過迭代計算，達到收斂后，得到灌漿壓力在裂縫內(nèi)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(yōu)選地，述步驟2)最大允許灌漿壓力確定方法具體為：對于混凝土張開型(I型)裂縫化學(xué)灌漿擴展判斷準(zhǔn)則為：

K_I≤K_IC (1)

式中：K_I—Ⅰ型應(yīng)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；

K_IC—混凝土抵抗宏觀裂紋失穩(wěn)擴展的韌性參數(shù)，

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

由此則得到裂縫尖端處縫面壓力的計算公式為：

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

式中：σ為裂縫尖端處縫面壓力；為失穩(wěn)韌度；F₁為形體系數(shù)；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(yōu)選地，所述在取得裂縫尖端縫面壓力σ以后，縫尖端處縫面的壓力σ為灌漿嘴壓力P的0.7～0.8倍。

優(yōu)選地，所述采用斜孔灌漿時，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(fā)明有益效果如下：

1、計算簡單，技術(shù)可靠，方便應(yīng)用，滿足工程需要，體現(xiàn)了良好的經(jīng)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(xué)的斷裂韌度和牛頓摩阻定律等理論對其研究，本發(fā)明用于現(xiàn)場灌漿施工，計算簡單，技術(shù)可靠，方便應(yīng)用，極大的滿足了工程需要。

3、本發(fā)明還可應(yīng)用于鉆孔法、貼嘴法、鉆孔法+貼嘴法等化學(xué)灌漿的工藝方法、不同灌漿材料的灌漿壓力的確定。

4、本發(fā)明結(jié)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(zhì)量。

附圖說明

圖1：斜孔灌漿嘴所在位置；

圖2：斜孔灌漿壓力云圖；

圖3：豎向距灌漿嘴位置-壓力關(guān)系圖；

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(jié)合實施例來進一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于實施例表述的范圍。

1、混凝土斜孔灌漿時灌漿壓力在裂縫內(nèi)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(huán)氧樹脂的密度ρ＝1100kg/m³，粘度為η＝25mPa·s。邊界條件的設(shè)定：沿裂縫長度方向兩側(cè)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(cè)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(nèi)部。經(jīng)過迭代計算，達到收斂后，其壓力值在裂縫內(nèi)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(guān)系如圖2所示。

在灌漿達到穩(wěn)定狀態(tài)后，灌漿壓力在裂縫上表面沿裂縫長度方向的壓力也是近似于均勻分布，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(nèi)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(jù)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(yīng)力強度因子參量結(jié)合起來，提出了雙K斷裂準(zhǔn)則，在混凝土裂縫擴展過程中，當(dāng)應(yīng)用應(yīng)力強度因子所表述的混凝土裂縫開裂過程中，兩個關(guān)鍵控制參數(shù)的概念，即對應(yīng)于初始起裂狀態(tài)的起裂韌度其所對應(yīng)的為混凝土試件斷裂韌度試驗加載過程中的起裂荷載值F_Q；一般為加荷最大值的(0.6～0.9倍)范圍內(nèi)和對應(yīng)于失穩(wěn)狀態(tài)的失穩(wěn)韌度其所對應(yīng)的為混凝土試件斷裂韌度試驗加載過程中的最大荷載值F_max。

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(jù)。以張開型(Ⅰ型)裂縫為研究對象，對于混凝土I型裂縫化學(xué)灌漿擴展判斷準(zhǔn)則為：

K_I≤K_IC(1)

式中：K_I—Ⅰ型應(yīng)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；

K_IC—混凝土抵抗宏觀裂紋失穩(wěn)擴展的韌性參數(shù)，

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

由此則得到裂縫尖端處縫面壓力的計算公式為：

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

式中：σ為裂縫尖端處縫面壓力；為失穩(wěn)韌度；F₁為形體系數(shù)；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以后，縫尖端處縫面的壓力σ為灌漿嘴壓力P的0.5倍?？紤]1.5左右的安全系數(shù)，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。

采用斜孔灌漿時，灌漿嘴的間距宜為10～25cm。

3、擴散半徑的確定

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

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

式中：R為漿液擴散半徑(cm)；

ΔP為有效灌漿壓力(Pa)。由于在混凝土裂縫化學(xué)灌漿過程中，裂縫內(nèi)部不存在地下水情況，同時也都設(shè)置有排氣孔，認(rèn)為灌漿壓力除了克服壁面摩擦力外無損失，因此認(rèn)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(nèi)部平均裂縫寬度，通過內(nèi)插法計算獲得；

η為漿液粘度(mPa·s)。

根據(jù)公式(4)，即可計算漿液在縫面內(nèi)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(xué)合理、質(zhì)量可靠。在此需要強調(diào)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(shè)定必須考慮漿液擴散半徑呈相交重疊狀態(tài)，即不可相切。經(jīng)計算，實際應(yīng)用時，其間距取值采用2～5R為宜。不難看出，該公式的確定，為DL/T5406-2010《水工建筑物化學(xué)灌漿施工規(guī)范》的附錄D中，漿液有效擴散半徑的計算提供了參考依據(jù)。

對裂縫的寬度、長度以及深度等進行測量，σ采用本申請的模擬分布，推導(dǎo)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(jié)束后取樣，檢測實際灌漿效果，漿液充填飽滿，效果良好。

應(yīng)用實例

某大體積混凝土構(gòu)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(xiàn)上下窄、中間寬的形式，通過可讀數(shù)顯微鏡測定基本在0.4～0.6mm之間。以設(shè)定采用環(huán)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(biāo)準(zhǔn)，進行布設(shè)灌漿孔。在距該混凝土構(gòu)件頂部90cm、50cm的高度處采用斜孔灌漿的方式布設(shè)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(gòu)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(nèi)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(jīng)過20s時間后即發(fā)現(xiàn)有漿液從②號孔流出，于是隨即停止灌漿。這在一定程度上是因為，裂縫只在小范圍區(qū)域內(nèi)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(xù)徑向擴散的時候轉(zhuǎn)而填充有較大距離空間的區(qū)域，這在一定程度上縮減了灌漿時間。

待環(huán)氧樹脂硬化后，通過對②號孔高度處沿裂縫深度方向進行打孔鉆芯發(fā)現(xiàn)，在距離裂縫口表面15cm深度處清晰可見硬化的環(huán)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(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，而不應(yīng)視為對于本發(fā)明的限制，本申請中的實施例及實施例中的特征在不沖突的情況下，可以相互任意組合。本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求記載的技術(shù)方案，包括權(quán)利要求記載的技術(shù)方案中技術(shù)特征的等同替換方案為保護范圍。即在此范圍內(nèi)的等同替換改進，也在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。