王建奇，王偉星，王建龍

（1 中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅鐵科建設(shè)工程咨詢(xún)有限公司，甘肅 蘭州 730000 ）

1 概述

鉆孔灌注樁工藝最早誕生于河南安陽(yáng)的馮宿橋工地，之后隨著鉆孔設(shè)備和泥漿材料的不斷創(chuàng)新，該項(xiàng)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。但是在具體灌注水下混凝土的過(guò)程中也不斷出現(xiàn)不同的問(wèn)題，比如斷樁、夾渣、短樁等問(wèn)題技術(shù)人員在不斷總結(jié)工藝解決這些問(wèn)題，但是對(duì)鋼筋籠浮籠上浮問(wèn)題的處理就比較尷尬，上浮多少樁基依然能夠保證正常的使用功能是個(gè)難以界定的設(shè)計(jì)問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題的發(fā)生原因和預(yù)防措施也有許多分析文獻(xiàn)。景建敏[1]、陳正勇[2]、薛峰[3]均定性分析了泥漿、混凝土浮力對(duì)鋼筋籠的作用以及工藝方面需要注意的相關(guān)環(huán)節(jié)，但是未能深入分析混凝土灌注過(guò)程中鋼筋籠的具體受力特征和關(guān)鍵控制細(xì)節(jié)來(lái)證明鋼筋籠為何會(huì)隨著混凝土的上升而上升。鑒于此，本文結(jié)合水下混凝土灌注工藝，分析整個(gè)灌注混凝土過(guò)程中的力學(xué)行為，進(jìn)而總結(jié)出關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)和具體控制指標(biāo)。

2 鋼筋籠受力分析

鉆孔樁在混凝土灌注環(huán)節(jié)很關(guān)鍵的過(guò)程就是首盤(pán)混凝土的數(shù)量和導(dǎo)管的埋入深度，導(dǎo)管口以上的混凝土是上升的。此過(guò)程要求的質(zhì)量和工藝保證條件主要有泥漿的質(zhì)量、混凝土的和易性、混凝土灌入速度和過(guò)程中導(dǎo)管埋入混凝土的深度。正常的灌注過(guò)程中（鋼筋籠不動(dòng)）鋼筋籠處于一個(gè)復(fù)雜的受力狀態(tài)，除自身重量外，所受外力主要包括泥漿和混凝土對(duì)鋼筋籠的浮力、泥漿和混凝土上升時(shí)對(duì)鋼筋籠產(chǎn)生的粘滯阻力、混凝土上升時(shí)對(duì)鋼筋籠產(chǎn)生的沖擊力。

2.1 基本假定

要分析計(jì)算前述的各種外力，要滿(mǎn)足以下基本條件。

1）在整個(gè)灌注過(guò)程中，假定泥漿和混凝土的上升與鋼筋籠產(chǎn)生的是絕對(duì)的位移差，鋼筋籠未啟動(dòng)上升之前處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)前述所有外力的作用方向均是向上。

2）鋼筋籠在孔內(nèi)處于懸吊狀態(tài)，不考慮孔口的鎖定。

具體受力如圖1 所示。

圖1 鋼筋籠狀態(tài)及受力分析

圖中所示：

G——鋼筋籠的重量（KN）

F1——泥漿對(duì)鋼筋籠的浮力（KN）

F2——混凝土對(duì)鋼筋籠的浮力（KN）

f1——泥漿的粘滯力（KN）

f2——混凝土的粘滯力（KN）

f3—混凝土對(duì)鋼筋籠的沖擊力（KN）

h1—鋼筋籠在泥漿中的長(zhǎng)度（m）

h2—鋼筋籠在上升混凝土中的長(zhǎng)度（m）,鋼筋籠長(zhǎng)度L=h1+h2

Δ——導(dǎo)管出口和鋼筋籠底面的高差（m）鋼筋籠上向上作用外力的合力大于鋼筋籠自重時(shí)，鋼筋籠將啟動(dòng)隨同混凝土一起上升。即：

理想狀態(tài)下M=G 時(shí)鋼筋籠處于極限平衡狀態(tài)。

2.2 浮力計(jì)算

1）鋼筋籠相關(guān)參數(shù)。要計(jì)算鋼筋籠的具體受力大小，必須先根據(jù)設(shè)計(jì)文件對(duì)鋼筋籠的一些基本設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行歸類(lèi)計(jì)算，主要包括鋼筋籠自重和長(zhǎng)度、鋼筋的橫截面積、每延米的體積、每延米的主筋側(cè)面積、加強(qiáng)箍筋的圓周面積和根數(shù)、小箍筋的圓周面積和每延米的根數(shù)。表1 是不同樁徑鉆孔樁鋼筋籠設(shè)計(jì)的基本情況，為了計(jì)算比較方便，統(tǒng)一鋼筋籠長(zhǎng)度為20m，加強(qiáng)箍筋規(guī)格為Φ20。

表1 鉆孔樁鋼筋籠基本參數(shù)表

2）泥漿的浮力F1。鋼筋籠處于泥漿之中時(shí)，泥漿會(huì)對(duì)鋼筋籠產(chǎn)生浮力，按下式計(jì)算。

式中

γn——清孔后泥漿的容重，一般根據(jù)施工實(shí)際采用11KN/m3。

V——鋼筋籠每延米的體積。

3）混凝土的浮力F2

式中

γc——混凝土的容重。一般按照23～24KN/m3采用。

2.3 粘滯阻力計(jì)算

根據(jù)粘性液體動(dòng)力學(xué)的理論[4]，液體在管道中流動(dòng)時(shí)兩相鄰流體層間會(huì)產(chǎn)生切應(yīng)力，也就是摩擦力。該力和液體流動(dòng)速度梯度之間的關(guān)系稱(chēng)為牛頓摩擦定律。

其中μ——是流體的特性參數(shù)，叫動(dòng)力粘性系數(shù)（Pa·S）

根據(jù)液體產(chǎn)生的切應(yīng)力，計(jì)算孔內(nèi)混凝土上升時(shí)對(duì)鋼筋產(chǎn)生的摩擦力，表述為切應(yīng)力和鋼筋側(cè)面積的乘積。但針對(duì)泥漿由于動(dòng)力粘性系數(shù)小、鋼筋側(cè)面積小，所以泥漿產(chǎn)生的粘滯阻力f1就很小，在受力計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)，即f1=0。

混凝土的動(dòng)力粘性系數(shù)較泥漿要大得多，但是切應(yīng)力和灌注速度密切相關(guān)，由于混凝土在孔內(nèi)的上升速度本身比較小，且基本保持恒定，為此按照粘性流體動(dòng)力學(xué)的辦法計(jì)算則過(guò)于繁瑣。本文借鑒水泥漿稠度試驗(yàn)中傳統(tǒng)的方法和混凝土貫入阻力測(cè)試的方法[5]，測(cè)定鋼筋在貫入相應(yīng)混凝土過(guò)程中總阻力來(lái)計(jì)算切應(yīng)力。采用的基本計(jì)算公式見(jiàn)式（5）：

式中：

F——試驗(yàn)中的貫入阻力

Sz——貫入鋼筋的側(cè)面積

Sd——貫入鋼筋端面面積。

σ——貫入鋼筋端面的應(yīng)力。

對(duì)塌落度為180mm 的混凝土經(jīng)測(cè)試計(jì)算得到τ=2.5KPa。

式中：

Sc——每延米主筋的側(cè)表面積

2.4 混凝土對(duì)鋼筋籠的沖擊力f3

當(dāng)灌注混凝土采用混凝土罐車(chē)直接卸入導(dǎo)管漏斗時(shí)，要按照罐車(chē)的實(shí)際出料速度計(jì)算混凝土在孔內(nèi)的上升速度。這個(gè)速度就是單車(chē)灌注混凝土的平均速度。一般罐車(chē)的出料速度最大控制按照2 方/min 計(jì)算。表2 是不同樁徑和不同出料速度下孔內(nèi)混凝土的相對(duì)上升速度。

表2 混凝土的上升速度K（m/h）

混凝土對(duì)鋼筋籠的沖擊作用主要表現(xiàn)為對(duì)鋼筋籠向上的托舉，該力與混凝土的灌注速度密切相關(guān)。研究已有文獻(xiàn)[6]和《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ162-2008）[7]推薦的方法，根據(jù)鉆孔樁施工的實(shí)際工況，混凝土的高度一般都超過(guò)6m，超越了文獻(xiàn)[7]推薦公式規(guī)定的使用范圍，為此本文采用文獻(xiàn)[6]推薦的公式計(jì)算灌注樁混凝土的沖擊壓力。

式中：

P——沖擊作用強(qiáng)度（Kpa）

t0——混凝初土的凝時(shí)間，水下混凝土由于混凝土的環(huán)境在水下，一般按照6h 計(jì)算。

K——混凝土在孔內(nèi)的上升速度（m/h）。

代入?yún)?shù)計(jì)算，（7）式變?yōu)椋篜=49.68K0.2（8）

由于灌注混凝土的沖擊作用直接作用在鋼筋籠的底部，向上的沖擊作用力受力面積就為鋼筋籠的橫截面積和最底層的加強(qiáng)箍筋的面積，不考慮螺旋小箍筋的受力時(shí)可以得到向上流動(dòng)的混凝土對(duì)鋼筋作用的托舉力：

式中：

Sj——鋼筋籠主筋的橫截面積；

S1——加強(qiáng)箍筋沿鋼筋籠的圓周面積。

2.5 鋼筋籠受力綜合計(jì)算

考慮最不利工況組合，鋼筋籠底面和導(dǎo)管口在同一平面內(nèi)，即鋼筋籠在靜止混凝土中沒(méi)有埋入長(zhǎng)度。當(dāng)M=G 時(shí)求解導(dǎo)管極限埋入深度值。

由此可以看出，針對(duì)某個(gè)具體鉆孔樁鋼筋設(shè)計(jì)、假定泥漿及混凝土性能的相對(duì)穩(wěn)定，造成浮籠前導(dǎo)管埋入的極限深度是混凝土灌注速度的函數(shù)，二者呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，灌注速度越快，導(dǎo)管極限埋深越小。如圖2 所示。

圖2 罐車(chē)卸料速度與導(dǎo)管極限埋深的關(guān)系

盡管圖中三個(gè)不同樁徑的配筋有差異，但其計(jì)算用到的物理參數(shù)差異不大。從圖中可以得到以下結(jié)論：

（1）樁徑越大越容易浮籠。

（2）鋼筋籠越重，越不易浮籠。

（3）結(jié)合表2 可知，孔徑越小，一車(chē)混凝土的連續(xù)灌注上升高度大，個(gè)別情況下這個(gè)高度大于導(dǎo)管的極限埋深時(shí)，存在浮籠的風(fēng)險(xiǎn)。所以多數(shù)規(guī)范規(guī)定的導(dǎo)管埋深不大于6m 是合理的。

除此之外，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，底層大箍筋的直徑大小對(duì)浮籠的影響很大，由于直徑越大沖擊力作用面積就大。而混凝土性能的影響也不可忽視，如果混凝土初凝時(shí)間短或塌落度損失大，頂部段落混凝土的側(cè)摩阻力就變大。所以要確保鋼筋籠不致上浮，要從多方面進(jìn)行預(yù)控。

3 防止灌注樁鋼筋籠浮籠的關(guān)鍵控制措施

通過(guò)以上浮籠問(wèn)題力學(xué)行為的研究，結(jié)合灌注樁的具體工藝我們可以得到如下關(guān)鍵控制點(diǎn)。

1）在樁基設(shè)計(jì)階段，建議設(shè)計(jì)單位在保證鋼筋籠剛度的前提下，在鋼筋籠的底部10m 范圍內(nèi)盡量使用較小直徑的鋼筋作為加強(qiáng)箍筋。

2）嚴(yán)格控制好水下混凝土的特性，盡管初凝時(shí)間和沖擊力成正比，但是初凝時(shí)間短或塌落度損失大時(shí)，頂部混凝土的側(cè)摩阻力就會(huì)變大。所以保證好的混凝土和易性是保證灌注順利的關(guān)鍵，特別是首車(chē)混凝土的塌落度損失不能過(guò)大。

3）盡管泥漿本身的粘滯作用力很小（f1=0），但是如果清孔不徹底、泥漿質(zhì)量不高會(huì)造成泥漿中的泥沙、鉆渣沉淀加快，加上原有的孔底沉渣，在灌注過(guò)程中會(huì)在混凝土頂面形成一定厚度泥沙、鉆渣等的沉淀，這樣會(huì)加大該層泥沙對(duì)鋼筋的作用力成為浮籠的原因之一。本文分析中由于該厚度無(wú)法定量，所以在計(jì)算中沒(méi)有考慮這部分作用力。

4）現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員要根據(jù)鋼筋籠的實(shí)際重量、混凝土的特性嚴(yán)格控制混凝土的灌注速度。因?yàn)閷?dǎo)管埋置深度大、混凝土灌注速度快、混凝土的和易性好等幾個(gè)因素的綜合作用可造成鋼筋籠的浮籠。

5）嚴(yán)格控制過(guò)程中導(dǎo)管的埋置深度。特別是當(dāng)導(dǎo)管口與鋼筋籠底面處于同一高度時(shí)（圖1 中的Δ=0），由于出口以上的混凝土都在上升，從導(dǎo)管口出來(lái)的混凝土沖擊力直接作用在鋼筋籠底部，增大鋼筋籠的上升風(fēng)險(xiǎn)。所以該階段灌注作業(yè)時(shí)，首先要放慢灌注速度，其控制關(guān)鍵與孔徑、鋼筋籠重和鋼筋籠起浮時(shí)導(dǎo)管的極限埋深相匹配。其次要精確控制導(dǎo)管埋入深度，結(jié)合導(dǎo)管配管長(zhǎng)度，在保證拆管后埋管深度不小于1.0m 的前提下及時(shí)拆卸一節(jié)導(dǎo)管，使鋼筋籠有一定長(zhǎng)度埋入穩(wěn)定的混凝土中限制浮籠。

6）為了預(yù)防鋼筋籠上浮，在孔口可以采取一些借助于護(hù)筒的焊接等輔助措施起限制作用，吊筋長(zhǎng)的懸籠也可采取套鋼管等方法加強(qiáng)吊筋剛度。