鉆孔灌注樁浮籠的力學行為研究

王建奇，王偉星，王建龍

（1 中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅鐵科建設(shè)工程咨詢有限公司，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程中也不斷出現(xiàn)不同的問題，比如斷樁、夾渣、短樁等問題技術(shù)人員在不斷總結(jié)工藝解決這些問題，但是對鋼筋籠浮籠上浮問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難以界定的設(shè)計問題。針對此問題的發(fā)生原因和預(yù)防措施也有許多分析文獻。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程中鋼筋籠的具體受力特征和關(guān)鍵控制細節(jié)來證明鋼筋籠為何會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，分析整個灌注混凝土過程中的力學行為，進而總結(jié)出關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)和具體控制指標。

2 鋼筋籠受力分析

鉆孔樁在混凝土灌注環(huán)節(jié)很關(guān)鍵的過程就是首盤混凝土的數(shù)量和導管的埋入深度，導管口以上的混凝土是上升的。此過程要求的質(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程中導管埋入混凝土的深度。正常的灌注過程中（鋼筋籠不動）鋼筋籠處于一個復(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鋼筋籠的浮力、泥漿和混凝土上升時對鋼筋籠產(chǎn)生的粘滯阻力、混凝土上升時對鋼筋籠產(chǎn)生的沖擊力。

2.1 基本假定

要分析計算前述的各種外力，要滿足以下基本條件。

1）在整個灌注過程中，假定泥漿和混凝土的上升與鋼筋籠產(chǎn)生的是絕對的位移差，鋼筋籠未啟動上升之前處于靜止狀態(tài)，此時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——泥漿對鋼筋籠的浮力（KN）

F2——混凝土對鋼筋籠的浮力（KN）

f1——泥漿的粘滯力（KN）

f2——混凝土的粘滯力（KN）

f3—混凝土對鋼筋籠的沖擊力（KN）

h1—鋼筋籠在泥漿中的長度（m）

h2—鋼筋籠在上升混凝土中的長度（m）,鋼筋籠長度L=h1+h2

Δ——導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，鋼筋籠將啟動隨同混凝土一起上升。即：

理想狀態(tài)下M=G 時鋼筋籠處于極限平衡狀態(tài)。

2.2 浮力計算

1）鋼筋籠相關(guān)參數(shù)。要計算鋼筋籠的具體受力大小，必須先根據(jù)設(shè)計文件對鋼筋籠的一些基本設(shè)計參數(shù)進行歸類計算，主要包括鋼筋籠自重和長度、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)計的基本情況，為了計算比較方便，統(tǒng)一鋼筋籠長度為20m，加強箍筋規(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，泥漿會對鋼筋籠產(chǎn)生浮力，按下式計算。

式中

γn——清孔后泥漿的容重，一般根據(jù)施工實際采用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 粘滯阻力計算

根據(jù)粘性液體動力學的理論[4]，液體在管道中流動時兩相鄰流體層間會產(chǎn)生切應(yīng)力，也就是摩擦力。該力和液體流動速度梯度之間的關(guān)系稱為牛頓摩擦定律。

其中μ——是流體的特性參數(shù)，叫動力粘性系數(shù)（Pa·S）

根據(jù)液體產(chǎn)生的切應(yīng)力，計算孔內(nèi)混凝土上升時對鋼筋產(chǎn)生的摩擦力，表述為切應(yīng)力和鋼筋側(cè)面積的乘積。但針對泥漿由于動力粘性系數(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，在受力計算時可以忽略不計，即f1=0。

混凝土的動力粘性系數(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力學的辦法計算則過于繁瑣。本文借鑒水泥漿稠度試驗中傳統(tǒng)的方法和混凝土貫入阻力測試的方法[5]，測定鋼筋在貫入相應(yīng)混凝土過程中總阻力來計算切應(yīng)力。采用的基本計算公式見式（5）：

式中：

F——試驗中的貫入阻力

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。

對塌落度為180mm 的混凝土經(jīng)測試計算得到τ=2.5KPa。

式中：

Sc——每延米主筋的側(cè)表面積

2.4 混凝土對鋼筋籠的沖擊力f3

當灌注混凝土采用混凝土罐車直接卸入導管漏斗時，要按照罐車的實際出料速度計算混凝土在孔內(nèi)的上升速度。這個速度就是單車灌注混凝土的平均速度。一般罐車的出料速度最大控制按照2 方/min 計算。表2 是不同樁徑和不同出料速度下孔內(nèi)混凝土的相對上升速度。

表2 混凝土的上升速度K（m/h）

混凝土對鋼筋籠的沖擊作用主要表現(xiàn)為對鋼筋籠向上的托舉，該力與混凝土的灌注速度密切相關(guān)。研究已有文獻[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)鉆孔樁施工的實際工況，混凝土的高度一般都超過6m，超越了文獻[7]推薦公式規(guī)定的使用范圍，為此本文采用文獻[6]推薦的公式計算灌注樁混凝土的沖擊壓力。

式中：

P——沖擊作用強度（Kpa）

t0——混凝初土的凝時間，水下混凝土由于混凝土的環(huán)境在水下，一般按照6h 計算。

K——混凝土在孔內(nèi)的上升速度（m/h）。

代入?yún)?shù)計算，（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箍筋的面積，不考慮螺旋小箍筋的受力時可以得到向上流動的混凝土對鋼筋作用的托舉力：

式中：

Sj——鋼筋籠主筋的橫截面積；

S1——加強箍筋沿鋼筋籠的圓周面積。

2.5 鋼筋籠受力綜合計算

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

由此可以看出，針對某個具體鉆孔樁鋼筋設(shè)計、假定泥漿及混凝土性能的相對穩(wěn)定，造成浮籠前導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，導管極限埋深越小。如圖2 所示。

圖2 罐車卸料速度與導管極限埋深的關(guān)系

盡管圖中三個不同樁徑的配筋有差異，但其計算用到的物理參數(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，一車混凝土的連續(xù)灌注上升高度大，個別情況下這個高度大于導管的極限埋深時，存在浮籠的風險。所以多數(shù)規(guī)范規(guī)定的導管埋深不大于6m 是合理的。

除此之外，通過計算發(fā)現(xiàn)，底層大箍筋的直徑大小對浮籠的影響很大，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

通過以上浮籠問題力學行為的研究，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。

1）在樁基設(shè)計階段，建議設(shè)計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箍筋。

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

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，在灌注過程中會在混凝土頂面形成一定厚度泥沙、鉆渣等的沉淀，這樣會加大該層泥沙對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法定量，所以在計算中沒有考慮這部分作用力。

4）現(xiàn)場技術(shù)人員要根據(jù)鋼筋籠的實際重量、混凝土的特性嚴格控制混凝土的灌注速度。因為導管埋置深度大、混凝土灌注速度快、混凝土的和易性好等幾個因素的綜合作用可造成鋼筋籠的浮籠。

5）嚴格控制過程中導管的埋置深度。特別是當導管口與鋼筋籠底面處于同一高度時（圖1 中的Δ=0），由于出口以上的混凝土都在上升，從導管口出來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險。所以該階段灌注作業(yè)時，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導管的極限埋深相匹配。其次要精確控制導管埋入深度，結(jié)合導管配管長度，在保證拆管后埋管深度不小于1.0m 的前提下及時拆卸一節(jié)導管，使鋼筋籠有一定長度埋入穩(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筒的焊接等輔助措施起限制作用，吊筋長的懸籠也可采取套鋼管等方法加強吊筋剛度。