康存鎖

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院勘測總隊(duì)，新疆 昌吉 831100)

1 混凝土水利工程施工裂縫灌漿基本原理

基于液壓破碎理論，傳統(tǒng)水壩的裂縫灌漿是基于液壓破碎理論的，根據(jù)堤壩主體主應(yīng)力面的基本分布，沿著堤壩軸線排列灌漿孔。沿著裂紋表面主軸軸線的混凝土墻壁形成裂縫和灌漿，形成垂直或連續(xù)的漿料滲透，裂縫兩側(cè)的所有紙漿均為化學(xué)漿料填補(bǔ)緊湊型填料，達(dá)到加強(qiáng)堤防滲透更加牢固的目的[1]。

中科院模擬試驗(yàn)裂縫灌漿在室內(nèi)，提出漿料與混凝土之間的相互作用分為初始發(fā)泡壓縮，裂縫流動(dòng)和被動(dòng)壓力3個(gè)階段。

1)初始鼓壓實(shí)階段：灌漿開始，灌漿壓力相對較小，不能形成裂縫，漿料聚集在口附近的灌漿管中形成灌漿管，作為主要的球形或圓柱形漿泡。當(dāng)漿料繼續(xù)注入并且灌漿壓力持續(xù)增加時(shí)，紙漿逐漸擴(kuò)散并繼續(xù)擠壓混凝土。

2)被動(dòng)土壓力階段：混凝土體裂紋在一定程度上發(fā)展后，主應(yīng)力大小改變，水平主應(yīng)力變化為被動(dòng)壓力狀態(tài)，然后增加灌漿壓力，會擴(kuò)大原始裂紋寬度，或顯示新裂紋。

3)裂縫灌漿方法在滲透控制和壩體加固方面有很多方面[2]。首先，壩體的內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律提供沿壩軸方向灌漿的可能性，然后在灌漿過程中填充漿料，在堤壩形成了垂直屏障，這個(gè)屏障可以防止?jié)B透。

2 混凝土裂縫的力學(xué)特性分類

從調(diào)研的結(jié)果來分析，對于混凝土裂縫產(chǎn)生的機(jī)械性能分類是最重要的，在設(shè)計(jì)中，還要用混凝土結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能作為分類指標(biāo)。

2.1 彎曲裂縫

由構(gòu)件的彎曲引起的混凝土裂縫稱為混凝土彎曲裂縫，一般情況裂縫呈現(xiàn)垂直狀態(tài)。呈現(xiàn)出來的彎曲度裂縫出現(xiàn)在彎矩產(chǎn)生最大的混凝土受力區(qū)域?；炷两Y(jié)構(gòu)的斷裂一般位于水利水壩的中心位置，裂縫裂開方式從當(dāng)水面到不當(dāng)利水面；負(fù)矩裂縫位于連續(xù)水壩的上邊緣，這種混凝土出現(xiàn)的裂縫發(fā)展趨勢由不當(dāng)水面向當(dāng)水面方向發(fā)展。隨著儲水量的增加，裂縫寬度增加，長度增加，數(shù)量增加，雙方開裂面積逐漸形成[3]。

2.2 剪切裂縫

現(xiàn)狀類似剪切形成的裂縫也稱為斜縫，首先發(fā)生在較大的剪切應(yīng)力部位。 剪切裂縫通常發(fā)生在壩中部附近，由水沖擊處的應(yīng)力引起，并沿著中性軸開裂。 隨著儲層蓄水量的增加，裂縫長度不斷向不當(dāng)水面壓力區(qū)發(fā)展，裂縫數(shù)量增加，分裂加大，裂縫面積逐漸向間隙中間發(fā)展。一旦剪切裂縫出現(xiàn)，應(yīng)高度關(guān)注，注意觀察。 如果裂縫繼續(xù)發(fā)展或靠近壓力區(qū)，不管其寬度多大必須及時(shí)加固措施[4]。

2.3 扭曲裂縫

由混凝土構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)和彎曲引起的裂縫稱為扭曲裂紋。這些裂紋通常具有45°的傾斜度，并且有許多其他裂縫跟隨。發(fā)生這種裂紋后，混凝土保護(hù)層趨于剝離。假設(shè)由此演化產(chǎn)生的彎曲力矩由鋼筋承擔(dān)，直到加鋼筋滑落，以及出現(xiàn)部件完全破裂。

2.4 斷開裂縫

在混凝土構(gòu)件受拉力拉伸之后出現(xiàn)截面調(diào)用槽引起裂縫的。這種類型的裂縫是由風(fēng)暴引起的，由洪水引起的持續(xù)降雨增加，沿著正常段進(jìn)行開裂。當(dāng)載荷小時(shí)，混凝土和鋼筋被拉在一起承受力變，接頭處于不開裂狀態(tài)。負(fù)荷增加，混凝土達(dá)到抗拉強(qiáng)度和裂縫的時(shí)候?；炷恋竭_(dá)負(fù)荷最大值出現(xiàn)裂縫，承受力轉(zhuǎn)移到鋼筋上，這是允裂縫出現(xiàn)的受力條件。假設(shè)荷載逐步加大，鋼筋應(yīng)力達(dá)到最大額度，鋼筋的伸長率加大，；裂縫超出允許范圍，則處于臨界損傷狀態(tài)[5]。

2.5 局部應(yīng)力裂縫

局部受力產(chǎn)生的裂縫是指局部應(yīng)力引起的裂縫，特別是在支座、錨頭的局部壓力較大的部位或受到現(xiàn)場的突然沖擊部位[6]。在上述各種受力破壞環(huán)境之下，由剪切應(yīng)力損傷危害最大，也更突然，特別要注意。

3 注漿試驗(yàn)方案及過程

3.1 布置定向裂縫灌漿孔

為了驗(yàn)證聚氨酯是否有效對于混凝土裂縫的填充方法的可行性，檢查聚氨酯片狀凝固體多孔質(zhì)體之間的搭接沖擊效果，采用灌漿之后能夠方面鉆開挖勘驗(yàn)。 所以填料孔排列成一排，孔間距1m，共6個(gè)填料孔。 填充孔如圖1所示。

3.2 施工定向裂縫灌漿孔

選擇圖2所示的定向裂紋探頭。 探頭的尺寸如圖2所示。 由于定向裂縫的灌漿孔幾何形狀的特殊性，在構(gòu)造定向灌漿孔時(shí)，只能選擇靜壓力或動(dòng)力穿透裝置。 在支撐設(shè)備孔洞的技術(shù)中，有三種類型的設(shè)備，包括：液壓靜力成孔機(jī)(60t貫入力)、液壓靜力成孔機(jī)(50t貫入力)、液壓靜力貫入成孔車(20t貫入力)。根據(jù)現(xiàn)場施工條件，土壤特性，灌漿孔的深度，選擇主要設(shè)備。文章并將20t穿透力的壓靜力貫入成孔車作為文章的成孔設(shè)備。 如圖2所示，通過液壓裝置將特殊的定向裂紋探頭推到規(guī)定的深度至3.5m，形成對稱方向裂紋的灌漿孔。

圖1 定向裂縫灌漿孔平面布置圖

圖2 定向裂縫灌漿孔成孔方法示意圖

3.3 放置封孔灌漿管和裂縫灌漿管

首先將灌漿導(dǎo)管放置好位置，將灌漿管底部與灌漿孔的底部距離設(shè)置為△h約0.4m，這種設(shè)置之后，漿液方便控制，容易流出，并且跟混凝土裂縫能很好吻合，然后將其放在最后用封孔放漿孔底部，密封點(diǎn)為1.0m的相對于地面距離。 如圖3所示。

兩根灌漿管分別露出地面0.1-0.2m，以便實(shí)施灌漿，如圖4所示。

封孔布袋采用透氣的高強(qiáng)度材料制作，如土工布或牛仔布。直徑可一般大于等于灌漿孔直徑的2倍，長度約40cm，一端密封，另一端插入灌漿管后，用喉箍箍緊，布袋中間用細(xì)繩或膠帶捆扎，以便于植入灌漿孔，如圖5所示。

圖3 灌漿管及封孔灌漿管安放示意圖

圖4 安放灌漿管后照片

圖5 封孔布袋

3.4 灌漿

裂縫灌漿前，先根據(jù)封孔布袋的大小，通過封孔灌漿管往封孔布袋內(nèi)注射適量的聚氨酯，布袋快速膨脹后即封閉了灌漿孔；然后通過灌漿管往封孔后的裂縫灌漿孔內(nèi)注射聚氨酯，灌漿過程如圖6所示。灌漿量可根據(jù)預(yù)設(shè)裂縫擴(kuò)展長度來計(jì)算。

3.5 灌漿效果設(shè)計(jì)

聚氨酯漿料的快速膨脹產(chǎn)生更大的膨脹力，膨脹力大于裂紋壓力的擴(kuò)展壓力后，初始裂紋中的灌漿孔開始膨脹，膨脹方向和原始破碎方向最終一樣，形成圖7所示的整體式聚氨酯薄片，該聚氨酯薄片厚度為約2.0-3.0cm，面積不一樣(具體與灌漿量有關(guān))。

圖6 灌漿

圖7 單孔灌漿效果示意圖

4 灌漿開挖效果與分析

灌漿后，通過定向裂縫灌漿技術(shù)得到的灌漿效果如下。①在半無限大集中，沿預(yù)設(shè)斷裂方向，漿料向外擴(kuò)散，形成聚氨酯薄片，聚氨酯薄片垂直于孔壁。如圖8所示。描述了聚氨酯定向裂縫灌漿方法理論和可行性和準(zhǔn)確性。②聚氨酯固化后薄片之間的重疊可以滿足壩墻驅(qū)油墻的技術(shù)要求，如圖9所示。③聚氨酯楔形薄片的中心厚實(shí)，四周薄，且成橢圓形。薄片的平均厚度約為1.0cm，接近灌漿孔的是最厚。平均值約為2.5cm，值<3.3cm。片材的最大長度L約為68cm，<74cm。高度是一個(gè)有效的灌漿孔高度，即3.0m。如圖10所示。④漿液裂縫混凝土體時(shí)，因?yàn)榕蛎浟芨?，?dǎo)致漿液滲入到周圍的混凝土的細(xì)孔，固化聚氨酯薄片填充有聚氨酯泡沫體，這些物質(zhì)會滲透到混凝土，會讓周圍混凝土更加結(jié)實(shí)，并與混凝土結(jié)合，可以讓混凝土防滲墻的墻壁的土能緊密結(jié)合。⑤聚氨酯薄片楔形物的密度分布不均勻，中間密度大和周圍密度小。測得的密度為0.21-0.25g/cm3。

圖8 開挖效果

圖9 聚氨酯薄片體搭接效果

圖10 聚氨酯薄片體細(xì)部照片

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