大體積混凝土裂縫灌漿允許壓力案例探討

李焰，譚愷炎，吳建華，程雪軍，劉芳

（1.中國葛洲壩集團(tuán)勘測設(shè)計有限公司，湖北宜昌，443002；2.重慶大學(xué)材料學(xué)院，重慶，400045）

0 概述

水利水電工程混凝土均有一個共同的特點，即大體積，大體積混凝土在建造和運(yùn)行過程中，均有一個難以抗拒的技術(shù)問題——裂縫，因此裂縫是混凝土工程最常見的缺陷之一。裂縫的存在，輕者影響建筑物的外觀，重者破壞建筑物的完整性，危害其安全運(yùn)行。

目前，裂縫的修補(bǔ)主要采取化學(xué)灌漿方式處理，化學(xué)灌漿的工藝方法有鉆孔法、貼嘴法、鉆孔法+貼嘴法等，灌漿材料有環(huán)氧、聚氨酯等不同品種，無論何種工藝方法、材料，對灌漿而言，均需規(guī)定有一個既不破壞混凝土結(jié)構(gòu)又能保證縫面漿液充填飽滿的允許壓力值問題。長期以來，該問題一直缺乏系統(tǒng)、完整的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)，比如現(xiàn)行的DL/T 5406-2010《水工建筑物化學(xué)灌漿施工規(guī)范》和GB 50367-2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》，均未對該值的計算作具體的規(guī)定甚至參考規(guī)定。其現(xiàn)狀是，多以成熟的工程經(jīng)驗和施工案例為對象進(jìn)行比對后選用。

為此，采用混凝土斷裂力學(xué)的斷裂韌度和牛頓摩阻定律等理論，對大體積混凝土裂縫灌漿進(jìn)行研究，推導(dǎo)出大體積混凝土裂縫灌漿允許壓力和漿液在裂縫內(nèi)部的流動特性和擴(kuò)散半徑，并與具體工程實際進(jìn)行了比對探討，試圖將該計算方法用于現(xiàn)場灌漿。

1 灌漿允許壓力以及擴(kuò)散半徑的確定

1.1 允許壓力確定

根據(jù)混凝土裂縫擴(kuò)展的斷裂理論，徐世烺[1]教授將反映混凝土軟化特性的虛擬裂縫概念和應(yīng)力強(qiáng)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(kuò)展過程中，當(dāng)應(yīng)用應(yīng)力強(qiáng)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FQ；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Fmax。

式中：KI為Ⅰ型應(yīng)力強(qiáng)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為混凝土抵抗宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的韌性參數(shù)，KIC=。

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；KIC為失穩(wěn)韌度；F1為形體系數(shù)；a為裂縫的半長。

混凝土斷裂韌度取值一般為0.3～1.4 MPa.m-1/2，研究時取值1.0 MPa.m-1/2；對于大體積混凝土的裂縫，形體系數(shù)F1取值為1。

在取得尖端縫面壓力σ以后，為了得到灌漿嘴允許壓力，采用流體力學(xué)原理，對立面豎向裂縫或斜縫及平面裂縫兩種情況的裂縫灌漿壓力進(jìn)行模擬（斜縫可近似看成豎向裂縫），得到：立面豎向裂縫或斜縫尖端處縫面的壓力為灌漿嘴壓力的0.7倍，即0.7P=σ，P為灌漿嘴的灌漿允許壓力；對于平面縫尖端處，縫面的壓力為灌漿嘴壓力的0.5倍，即0.5P=σ。

1.2 擴(kuò)散半徑的確定

劉嘉才[2]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(kuò)散半徑，在此基礎(chǔ)上，筆者再結(jié)合廣義達(dá)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(jìn)行了理論再推導(dǎo)，得出：

式中：R為漿液擴(kuò)散半徑（cm）；

?P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?P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(kuò)散半徑，有了擴(kuò)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(qiáng)調(diào)的是，間距布置均以單孔（嘴）為圓心考慮漿液擴(kuò)散，為保證擴(kuò)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(kuò)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R為宜。

不難看出，該公式的確定，為DL/T 5406-2010《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(kuò)散半徑的計算提供了參考依據(jù)。

2 案例比對

2.1 案例1資料比對

為了驗證上述計算方法的正確性，2013年10月，筆者研究了大量丹江口大壩加高工程和新疆斯木塔斯水電站的混凝土裂縫灌漿相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)用上述推導(dǎo)出的灌漿允許壓力和漿液擴(kuò)散半徑計算公式，計算得出的壓力及擴(kuò)散半徑與實際基本吻合?，F(xiàn)以丹江口左標(biāo)段迎水面和新疆斯木塔斯面板其中的各兩條裂縫資料為例進(jìn)行驗算，結(jié)果如表1。

裂縫的基本情況是：根據(jù)DL/T 5251-2010《水工混凝土建筑物缺陷檢測和評估技術(shù)規(guī)程》，表1中丹江口裂縫為Ⅳ類縫，裂縫灌漿材料采用雙組分環(huán)氧LPL，配比A∶B=1∶1.65，漿液粘度150 mPa.s，灌漿方法為貼嘴法；斯木塔斯為Ⅱ類縫，灌漿材料為CW漿材，雙組分A∶B=5∶1，粘度為14 mPa.s，灌漿方法為鉆孔法。

驗算方法為：用上式（3）計算出裂縫尖端處的縫面應(yīng)力強(qiáng)度，再根據(jù)灌漿壓力分布，反推出灌漿嘴的壓力，即灌漿允許壓力；根據(jù)式（4）計算理論擴(kuò)散半徑，該半徑即為實際施工所要確定的灌漿孔、嘴間距。通過驗算對比可知：

表1 灌漿允許壓力及擴(kuò)散半徑計算參數(shù)表Table 1 Parameters in calculation of allowable grouting pressure and diffusion radius

（1）表1理論計算壓力均略低于實際灌漿壓力，這是由于在進(jìn)行公式假設(shè)時，為了得到相對簡單、方便使用的計算方法（公式），將漿液流動時的摩擦阻力、重力等因素忽略而導(dǎo)致的。但與工程實際相差不大，能滿足生產(chǎn)要求，說明計算方法正確。

（2）對于18Y-1裂縫，由于裂縫較長，壓力理論計算值較小，說明只需要較小的灌漿壓力就會使裂縫尖端處的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于混凝土斷裂韌度，引起裂縫擴(kuò)展。實際灌漿壓力比理論計算大，是因為混凝土內(nèi)有鋼筋的約束，在一定范圍內(nèi)提高灌漿壓力不會導(dǎo)致裂縫的繼續(xù)擴(kuò)展。

（3）表1在計算擴(kuò)散半徑時可以發(fā)現(xiàn)，裂縫寬度較大時，擴(kuò)散半徑也就越大，因此在實際工程中就可以加大灌漿嘴的間距；反之，裂縫越窄，則需要縮短間距。

還可發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)散半徑與粘度有關(guān)，即當(dāng)漿液粘度較小時，擴(kuò)散半徑增大，因此在該條件下此時的灌漿嘴間距也應(yīng)該加大。從表中可以看出，斯木塔斯裂縫漿液的粘度較?。?4 mPa.s），因此擴(kuò)散半徑較大，而實際灌漿嘴的間距布置采用了30 cm，顯得偏小不經(jīng)濟(jì)、不合理。

（4）從表1看出，灌漿時間與擴(kuò)散有著必然的聯(lián)系，必需保證充分的灌漿時間，才能使縫面充填飽滿。

2.2 案例2現(xiàn)場試驗

2013年4月在某水電站消力池出現(xiàn)的裂縫部位，應(yīng)用以上公式（3）、（4）與設(shè)計規(guī)定的值進(jìn)行了理論計算比對，發(fā)現(xiàn)較為吻合，以此進(jìn)行了灌漿試驗。裂縫的基本情況（以典型的兩條縫為例）見表2，灌漿材料采用XY-LVE改性環(huán)氧漿液，粘度為192 mPa.s。灌漿方法為貼嘴法。比對驗算結(jié)果見表3。

表3中，試驗前首先用公式（3）按縫長、斷裂韌度等計算出尖端縫面的壓力，然后推算出灌漿嘴的允許灌漿壓力，即表中的理論灌漿壓力；然后設(shè)定灌漿時間，用公式（4）根據(jù)灌漿壓力、時間、縫寬以及漿液粘度計算出擴(kuò)散半徑R，采用最小半徑的3倍作為灌漿嘴間距。實際灌漿過程中，灌漿時間是波動變化的，特別是有些灌漿嘴的灌漿時間會縮短，所以又用實際灌漿時間反算了實際擴(kuò)散半徑，以驗證灌漿嘴間距是否滿足3R。比如消力左側(cè)下游的1號和13號孔的情況，1號孔實際擴(kuò)散半徑為28.6=49.5 cm，滿足要求。

表2 消力池混凝土裂縫調(diào)查與統(tǒng)計Table 2 Information of the concrete cracks on the stilling basin

表3 消力池混凝土裂縫灌漿允許壓力及擴(kuò)散半徑計算參數(shù)表Table 3 Parameters in calculation of allowable grouting pressure and diffusion radius in the grouting of cracks on the stilling basin

灌漿試驗完成后，進(jìn)行了取芯檢查，如圖1，可以看到，漿液充填飽滿，效果好。

圖1 裂縫灌漿芯樣Fig.1 Core sample of the grouting

3 結(jié)語

筆者僅針對大體積混凝土裂縫，對薄、小體積混凝土結(jié)構(gòu)沒有討論。通過以上資料比對分析和現(xiàn)場試驗，數(shù)據(jù)基本吻合，經(jīng)取芯檢查，灌漿效果明顯，滿足設(shè)計要求。該計算方法簡單、取值容易，使用時應(yīng)注意以下幾點。

（1）在無設(shè)計規(guī)定的灌漿壓力情況下，應(yīng)用上述公式計算完后，應(yīng)類比以往的工程案例，并進(jìn)行修正，以確保受灌結(jié)構(gòu)的安全和漿液的充填飽滿；當(dāng)有設(shè)計規(guī)定的灌漿壓力時，灌漿前，可對灌漿壓力和擴(kuò)散半徑進(jìn)行核算，以做到心中有數(shù)。

（2）用漿液擴(kuò)散半徑的3倍值來確定灌漿嘴之間的間距，必要時，只能向偏安全考慮，間距不可過大。

（3）對于裂縫較長且混凝土內(nèi)有鋼筋約束的裂縫，在理論計算的允許灌漿壓力的基礎(chǔ)上，在一定范圍內(nèi)可適當(dāng)提高灌漿壓力?！?/p>

[1]徐世烺.混凝土雙K斷裂參數(shù)計算理論及規(guī)范化測試方法[J].三峽大學(xué)學(xué)報,2002(1):2-7.

[2]劉嘉才.裂縫灌漿擴(kuò)散半徑研究[J].水利水電科學(xué)研究院科學(xué)研究論文集,1982(8):186-195.