膨胀式自应力灌浆卡箍长期滑动承载力测试

石 湘，杨 彬，展旭和，程 阳

(1.中国海洋大学工程学院，山东青岛 266100;2.海洋石油工程(青岛)有限公司，山东青岛 266520)

膨胀式自应力灌浆卡箍是一种新型的修复加固技术，主要用于维修海洋工程结构的水下受损杆件，它具有滑动承载力高、允许制造公差大、施工时间短和施工成本低的优点［1-2］。国外Monash大学的Grundy等对使用膨胀剂产生预应力的桩/套管灌浆连接进行了剪切/粘结强度的试验研究［3］;赵晓玲等对这种预应力桩/套管连接在大振幅动力荷载作用下的性能进行了试验研究［4］。国内浙江大学的金伟良、龚顺风对传统灌浆卡箍技术进行了理论分析和试验研究［5-6］;同济大学的蒋首超对预应力桩/套管灌浆连接的最新进展进行了总结，包括影响其性能的参数、失效模式和物理性能等［7］;中国海洋大学的石湘等对膨胀式自应力灌浆卡箍技术进行了大量的物理模型试验研究［1-2］，试验结果表明，膨胀式自应力灌浆卡箍能在短期内迅速获得膨胀压力并达到最大2.5 MPa的滑动应力，符合大多数水下结构的修复加固要求。但是，由于观察到膨胀灌浆性能比普通灌浆难于控制，再加上对这种灌浆材料长期稳定性的质疑，致使这项技术一直没有在海洋工程实践中得到应用［8］。

膨胀式自应力灌浆卡箍的长期承载性能主要受到两个因素影响:灌浆的收缩徐变和膨胀剂的性能。在膨胀剂的作用下，灌浆环有体积膨胀趋势但受到卡箍鞍板抑制而产生膨胀压力。在这种预应力的长期作用下，灌浆环可能会发生徐变松弛从而减弱膨胀压力。在灌浆完毕的长时间内，徐变作用是否会减弱膨胀卡箍的长期膨胀压力，膨胀剂的长期膨胀补偿作用能否消除徐变对长期膨胀压力的不利作用，这些都对该类型卡箍的长期承载性能有着至关重要的影响。对膨胀式自应力灌浆卡箍的长期滑动承载力进行了试验研究，并对试验结果进行了分析总结。

1 卡箍试件设计及测试方法

1.1 试件结构介绍

试验一共使用9套卡箍试件，并将它们进行编号(如表1所示)。卡箍试件模型分为A、B两类结构尺寸，其中A类卡箍共有4套试件，其结构尺寸如图1、2所示，鞍板总长度为410 mm，毎侧有6个双头螺栓。B类卡箍共有5套试件，与A类卡箍不同，B类卡箍鞍板总长度为460 mm，毎侧有5个双头螺栓，其它部分的结构尺寸基本相同。卡箍试件中，模拟损伤构件的内管从正中间断为两段，之间用木塞对正连接，外端都设有用于做拉伸试验的拉头。

图1 卡箍试件结构示意Fig.1 Structure diagram of clamp model

图2 卡箍试件结构截面示意Fig.2 Section diagram of clamp structure

1.2 膨胀剂及水泥浆配比

试验中使用的膨胀剂是石家庄市功能建材有限公司FEA100膨胀剂，这是一种低干缩、高补偿效率的全补偿型混凝土膨胀剂，它的主要原料为高级硫铝酸盐熟料、活性氧化钙熟料、优质硬石膏及明矾石［9］。

灌浆的主要成分为水泥、膨胀剂和粉煤灰。水泥采用的是山水牌PO42.5水泥，并在浆体中掺入了3%的二级粉煤灰以改善灌浆的工作性能。为了比较膨胀剂掺量对长期承载性能的影响，试验使用了8%、10%、12%、15%四种膨胀剂掺量(内掺)，水灰比为0.45。各个卡箍试件的详细灌浆成分和配合比如表1所示。

表1 灌浆成分表Tab.1 Chemical composition of grout

1.3 试件的制作、养护及测试

将受损内管置于卡箍鞍板之间，用双头螺栓紧固，先充水检查试件的水密封性，调整密封件以防止渗漏。卡箍的上下两侧各有一个灌浆口，下为进浆口，上为出浆口(如图2所示)，灌浆前先把试件没于水中使灌浆空腔充满水，然后再将水泥浆从进浆口灌入，逐步将空腔中的水排出，直到出浆口流出水泥浆并检查出浆口水泥浆密度与进浆口一致为止。灌浆完毕后，封堵进出浆口，将卡箍试件放置于水箱中养护358天，然后置于空气中7天，使试件干固以便于测试，总计养护期为一年。

在卡箍试件的养护期间，使用游标卡尺(精度为0.01 mm)定期测量卡箍的螺栓长度，如图3所示。为了保证测量精度，将螺栓两端打磨成锥形，如图1所示。具体的测量时间点为:灌浆完毕后的第7天、28天、60天、90天、120天……，一直到一年养护期完毕为止，每次测量的同时记录当时的环境温度。然后将在水中养护了一年的卡箍试件放置在万能试验机上，进行拉伸试验以测试其滑动承载力，如图4所示。卡箍试件拉伸试验完毕后，将双头螺栓拆卸下来，测量其自由长度，以便通过螺栓伸长量计算灌浆卡箍的膨胀压力。

图3 螺栓长度的测量Fig.3 Measurement of bolt length

图4 卡箍试件滑动承载力的测试Fig.4 Test on slip capacity of clamp model

2 试验结果及分析

2.1 膨胀压力的长期监测

通过定期测量卡箍试件的螺栓长度，可以得到卡箍在养护期间的螺栓长度变化情况。因为致使螺栓长度发生变化的拉伸力是由卡箍内灌浆膨胀受限产生的膨胀压力提供的，所以螺栓长度的变化情况反映了卡箍内部膨胀压力的变化趋势。通过测量螺栓的伸长量能够计算出卡箍内部灌浆对内管外表面的膨胀压力［2，10］，长期监测结果如图 5 所示。

图5显示了3种膨胀剂掺量即10%、12%和15%试件的长期膨胀压力，从测试结果可知，膨胀式自应力灌浆卡箍会在灌浆完毕的前7天内迅速获得大部分的膨胀压力，并且在随后的一年时间内膨胀压力值稍微有所下降但总体来说基本保持稳定。这说明掺加了FEA100的灌浆有着良好的长期膨胀性能，能够消除灌浆收缩徐变产生的不良影响。需要说明的是在测量卡箍螺栓长度的过程中，由于时间跨度大(一年)，测量时的环境温度不同存在热胀冷缩，影响了螺栓长度的测量精度，从而影响了膨胀压力的计算精度。由于三个试件的灌制时间不同，测量时各自所处的环境温度不同，使得图5中在相同时间点上的各个试件膨胀压力数值有所偏差，但对于同一个试件，在整个监测时间段内其膨胀压力的整体变化趋势是准确的。

图5 内管所受膨胀压力的长期测试结果Fig.5 Long-term test result of expansive pressure on internal tube

2.2 长期滑动应力和膨胀压力的试验测试

将在水中养护了一年的卡箍试件放置在万能试验机上，然后进行拉伸试验测试其滑动承载力，通过滑动承载力可以计算出卡箍试件的滑动应力，通过测量拉伸前后卡箍试件上双头螺栓的长度变化，可以计算出膨胀灌浆环产生的膨胀压力［2，10］，具体结果如表2所示。

表2 卡箍试件的长期滑动应力和长期膨胀压力Tab.2 Long-term slip stress and long-term expansive pressure of clamp specimens

从表中可知，长期膨胀压力和长期滑动应力随着膨胀剂掺量的增加而增大。卡箍在膨胀剂掺量为15%时达到最大为2.62 MPa的长期膨胀压力和最大为2.97 MPa的长期滑动应力。

2.3 长期膨胀压力分析及与短期膨胀压力对比

将卡箍试件的长期膨胀压力(1年养护)与文献［2］的短期膨胀压力(28天养护)进行绘制，如图6所示。可以看出在膨胀剂不同掺量下卡箍的长期膨胀压力都明显高于短期膨胀压力。

表3中计算出膨胀剂四种掺量下长期和短期膨胀压力的平均值以及长期压力相对于短期压力的增长率，可以看出卡箍长期试件的膨胀压力明显高于短期试件的测试平均值，平均增长率为35.8%。膨胀剂四种掺量中，掺量15%的卡箍试件长期膨胀压力增长率最高。

表3 平均长期膨胀压力与短期膨胀压力对比Tab.3 Comparison of mean expansive pressures between long-term and short-term specimens

2.4 长期滑动应力分析及与短期滑动应力对比

将卡箍试件的长期滑动应力(1年养护)与文献［2］的短期滑动应力(28天养护)进行绘制，如图7所示。可以看出膨胀剂不同掺量下卡箍的长期滑动应力都明显高于短期滑动应力。

图6 卡箍长期试件与短期试件的膨胀压力Fig.6 Expansive pressures of long-term and short-term clamp specimens

图7 卡箍长期试件与短期试件的滑动应力Fig.7 Slip stresses of long-term and short-term clamp specimens

表4中计算出膨胀剂四种掺量下长期和短期滑动应力的平均值以及长期应力相对于短期应力的增长率。可以看出长期试件的滑动应力高于短期试件的测试平均值约35.9%。膨胀剂四种掺量中，掺量8%的卡箍试件滑动应力增长率最高，滑动应力增长率随着膨胀剂掺量的增加呈下降趋势。

膨胀式自应力灌浆卡箍的滑动承载力由灌浆环内表面与内管外表面这一界面之间的化学粘结力和摩擦力两部分构成。试验结果表明长期滑动应力大于短期滑动应力，经分析是由两方面的原因产生:其一是FEA100膨胀剂中的氧化钙成分能够增加灌浆环的长期密实性［9］，从而增加了界面之间的化学粘结力。其二是卡箍结构(包括密封结构)对灌浆膨胀的良好限制作用有利于长期膨胀压力的形成和积累，并使得灌浆环处于三向受压状态下，进而提高了界面之间的摩擦力，因此使得灌浆卡箍的长期承载性能优于短期承载性能。

表4 平均长期滑动应力与短期滑动应力对比Tab.4 Comparison of mean slip stresses between long-term and short-term specimens

3 结语

对膨胀式自应力灌浆卡箍的长期滑动承载力进行了试验研究。结果表明:与28天养护期试件相比，一年养护期试件的膨胀压力和滑动应力并没有下降，反而有所提高，膨胀压力的平均增长率为35.8%，滑动应力的平均增长率为35.9%。经分析，这种提高主要是由于膨胀剂中的氧化钙成分对灌浆长期密实性的提高以及卡箍结构对灌浆膨胀的良好限制作用而产生的。总之，膨胀式自应力灌浆卡箍的长期承载性能并没有受到纯水泥灌浆收缩徐变的不利影响，反而具有很好的长期承载能力和耐久性，能够满足多数水下构件和管线的加固要求，适合在海洋结构物中进行工程应用。

［1］ 杨 彬，石 湘，李华军.膨胀式自应力灌浆卡箍压力测定方法［J］.海洋工程，2010，28(3):80-85.

［2］ 石 湘，展旭和，杨 彬.膨胀式自应力灌浆卡箍滑动承载力试验研究［J］.海洋工程，2011，29(2):77-82.

［3］ Grundy P，Kiu J F E.Prestress enhancement of grouted pile/sleeve connections［C］∥Proc.of the First International Offshore and Polar Engineering Conference，ISOPE.1991:130-136.

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［5］ 金伟良，宋 剑，龚顺风，等.海洋平台受损构件的承载能力与加固分析［J］.工程力学，2003，20(5):100-105.

［6］ 龚顺风，沈雄伟，李 峰，等.海洋平台的灌浆卡箍技术研究［J］.海洋工程，2001，19(3):32-37.

［7］ Jiang S C，Wang Z，Zhao X L.Structural performance of prestressed grouted pile-to-sleeve connections［C］∥Proc.of the Twelfth East Asia-Pacific Conference on Structural Engineering and Construction.2011，14:304-311.

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［9］ 李乃珍，谢敬坦.特种水泥与特种混凝土［M］.北京:中国建材工业出版社，2010:245-250.

［10］MSL Engineering Ltd.Strengthening，modification and repair of offshore installations［R］.Final Report for a Joint Industry Project，MSL Doc. ，Ref.C11100R223，Rev 1，1995.