一种混凝土裂缝贴嘴法化学灌浆允许压力的计算方法
【专利摘要】一种混凝土裂缝贴嘴法化学灌浆允许压力的计算方法，通过建立仿真计算模型，并设定合理的边界条件，确定在施加灌浆压力后，该灌浆压力在裂缝内部的分布情况；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，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允许的最大灌浆压力；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，验证确定理论计算的混凝土最大允许灌浆压力；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。本发明方法用于现场灌浆施工，计算简单，技术可靠，方便应用，极大的满足了工程需要。
【专利说明】
一种混凝土裂缝贴嘴法化学灌浆允许压力的计算方法
技术领域
[0001] 本发明一种混凝土裂缝贴嘴法化学灌浆允许压力的计算方法，属于水工混凝土缺 陷修复技术领域。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 裂缝的修补主要采取化学灌浆方式处理，化学灌浆的工艺方法有钻孔法、贴嘴法、 钻孔法+贴嘴法等，灌浆材料有环氧、聚氨酯等不同品种，无论何种工艺方法、材料，对灌浆 而言均需规定有一个既不破坏混凝土结构又能保证缝面浆液充填饱满的允许压力值问题。 长期以来，该问题一直缺乏系统、完整的理论基础和科学依据，比如现行的《水工建筑物化 学灌浆施工规范》DL/T 5406-2010和《混凝土结构加固设计规范》GB 50367-2013,均未对该 值的计算作具体的规定甚至参考规定。
【发明内容】
[0004] 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，本发明提供一种混凝土裂缝贴嘴法化学灌浆允许压力的计算方法，并用于 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。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：
[0006] -种混凝土裂缝贴嘴法化学灌浆允许压力的计算方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1: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，确定在施加灌浆压力后，该灌浆压力在裂缝内部的分布情况；
[0008] 步骤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允许的最大灌浆压力；
[0009] 步骤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 确定理论计算的混凝土最大允许灌衆压力，以确定其合理性；
[0010] 步骤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。
[0011] -种混凝土裂缝贴嘴法化学灌浆允许压力的计算方法，其特征在于，在水工混凝 土裂缝化学灌浆加固或防渗堵漏处理中的应用。
[0012] 本发明一种混凝土裂缝贴嘴法化学灌浆允许压力的计算方法，用流体动力学模拟 浆液在裂缝内扩散时压力衰减状况，得出裂缝尖端处缝面的压力与灌浆口压力的关系，以 混凝土断裂韧度为判断依据，较为准确的得出贴嘴灌浆时灌浆口的允许压力，一改以往只 能凭经验进行灌浆压力的设置。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明实施例中裂缝内部压力值的分布图（中间向两边双出口扩散）。
[0014] 图2为本发明实施例中水平向距灌浆嘴位置-压力关系图（中间向两边双出口扩 散)。
[0015] 图3为本发明实施例中裂缝内部压力值的分布图（中间向两边单出口扩散）。
[0016] 图4为本发明实施例中水平向距灌浆嘴位置-压力关系图（中间向两边单出口扩 散)。
[0017] 图5为本发明实施例中裂缝内部压力值的分布图（从一端向另一端扩散）。
[0018] 图6为本发明实施例中纵向距灌浆嘴位置-压力关系图（从一端向另一端扩散）。
[0019] 图7为本发明实施例中裂缝内部压力值的分布图（从底部由下往上扩散）。
[0020] 图8为本发明实施例中纵向距灌浆嘴位置-压力关系图（从底部由下往上扩散）。
【具体实施方式】
[0021] -种混凝土裂缝贴嘴法化学灌浆允许压力的计算方法，包括以下步骤：
[0022]步骤1: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，确定在施加灌浆压力后，该灌浆压力在裂缝内部的分布情况；
[0023]步骤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允许的最大灌浆压力；
[0024]步骤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 确定理论计算的混凝土最大允许灌衆压力，以确定其合理性；
[0025]步骤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。
[0026] 实施例：
[0027] 1、混凝土灌浆压力计算机模拟(贴嘴灌浆）：
[0028] 计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是流体力学的一个 分支，它通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关信息，实现用计算机代替试验 装置完成"计算试验"，为工程技术人员提供了实际工况模拟仿真的操作平台。本文通过采 用目前国际上广泛应用的fluent软件来对灌浆过程的应力分布状况进行数值模拟计算。 [0029] A、中间向两边双出口扩散：
[0030]灌衆液环氧树脂的密度0 = 11〇〇1^/1113，粘度为11 = 2511^3*8。边界条件的设定:沿 裂缝长度方向两侧面为对称的界面，各裂缝边界速度为〇。裂缝模型基本情况如下:裂缝长 度L = Im，裂缝口表面宽度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的等腰三角形）。灌浆口初始灌浆压力P = O . 7MPa，方向垂直于裂缝口表面竖直向 下。经过迭代计算，达到收敛后，裂缝内部压力值的分布情况如图1所示。裂缝上表面，沿裂 缝长度方向，其压力值与灌浆嘴的位置关系如图2所示。
[0031] B、中间向两边但单出口扩散：
[0032]环氧树脂的密度P=1100kg/m3,粘度为n = 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，各裂缝边界速度均为0。裂缝基本情况如下:裂缝长度L=lm， 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 等腰三角形）。灌浆口初始灌浆压力P = 〇. 5MPa，方向垂直于裂缝上表面口竖直向下。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3所示。裂缝上表面，沿裂缝长度 方向，其压力值与灌浆嘴的位置关系如图4所示。
[0033] c、从一端向另一端扩散：
[0034]灌浆液从裂缝的一端灌入，沿裂缝长度方向向另一端扩散。环氧树脂的密度P = 1100kg/m3,粘度为n = 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， 各裂缝边界速度均为0。裂缝基本情况如下:裂缝长度L = Im，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的等腰三角形。灌浆口初始灌浆 压力P = 0.5MPa，方向垂直于裂缝上表面口竖直向下。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5所示。裂缝上表面，沿裂缝长度方向，其压力值与灌浆嘴的位 置关系如图6所示。
[0035] D、从底部由下往上扩散：
[0036]对于边缘竖向裂缝，灌浆液从裂缝底部裂缝口灌入，沿裂缝竖向方向向上扩散。环 氧树脂的密度P=ll〇〇kg/m3,粘度为n = 25mPa · s。边界条件的设定:沿裂缝竖向长度方向 两底面为对称的界面，各裂缝边界速度均为0。裂缝基本情况如下:裂缝高度h = 0.6m，裂缝 口表面宽度d = 0.8mm，裂缝深度h = 0.6m(即其沿裂缝竖向长度的上下底面为高0.6m，底 0.8mm的等腰三角形）。灌浆口初始灌浆压力P = 0.5MPa，方向垂直于裂缝口表面水平向右。 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7所示。裂缝上表面，沿裂 缝长度方向，其压力值与灌浆嘴的位置关系如图8所示。
[0037]采用流体力学的基本原理，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，认为：当灌浆工艺为贴嘴灌浆，对于水平缝，灌浆嘴设置在中间向两边扩散灌浆 时，灌浆嘴间距宜为25cm，裂缝尖端处的压力约为灌浆口初始压力的一半;而从一端向另一 端灌浆时，裂缝尖端处的压力为初始压力的0.7倍;对于垂直裂缝，灌浆有底部向上进行灌 浆，贴嘴的间距宜选择30cm，裂缝尖端的压力为初始压力的0.7倍。
[0038] 2、灌浆嘴(贴嘴法)处允许压力的确定：
[0039]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
[0040]起裂状态的起裂韧?
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Fq ; -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Fmax。
[0041] 以混凝土最大荷载下的断裂韧度Kl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：
[0042] Ki< Kic (1)
[0043]式中=K1-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；
[0044] Kk-混凝土抵抗宏观裂纹失稳扩展的韧性参数
[0045]⑵
[0046]由此则
得到裂缝尖端处缝面压力的计算公式为：
[0047]
(3)
[0048] 式中：〇为裂缝尖端处缝面压力；Kfe为失稳韧度;Fl为形体系数;a为裂缝的半长。
[0049] 混凝土断裂韧度取值，一般为0.3~1.4MPa .m-1/2，研究时取值1.0 MPa .m-1/2;对 于大体积混凝土的裂缝，形体系数Fl取值为1。
[0050]在取得裂缝尖端缝面压力σ以后，灌浆嘴允许压力P，分别为:立面竖向裂缝或斜缝 尖端处缝面的压力为灌浆嘴压力的0.7倍，即0·7Ρ = σ;平面缝尖端处缝面的压力为灌浆嘴 压力的0.5倍，即0·5Ρ = σ。
【主权项】
1. 一种混凝土裂缝贴嘴法化学灌浆允许压力的计算方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤1:通过建立仿真计算模型，并设定合理的边界条件，确定在施加灌浆压力后，该灌 浆压力在裂缝内部的分布情况； 步骤2: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，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允许的最大灌浆压力； 步骤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，验证确 定理论计算的混凝土最大允许灌浆压力； 步骤4: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，并进行试 验验证修正。2. -种混凝土裂缝贴嘴法化学灌浆允许压力的计算方法，其特征在于，在水工混凝土 裂缝化学灌浆加固或防渗堵漏处理中的应用。
【文档编号】G01N3/12GK105842075SQ201610179725
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】李焰, 吴建华, 邓少桢, 龚志敏, 谭恺炎, 罗丽文, 李开熹, 孟达, 邵红勇, 张金杰
【申请人】葛洲坝集团试验检测有限公司