钻孔灌注桩钢筋笼上浮控制因素及防治措施

余海 孟祥科 孔涛

摘 要：通过对钻孔灌注桩在混凝土灌注过程中钢筋笼的受力情况进行分析，发现泥浆重度、混凝土灌注速度、导管埋深、混凝土质量是控制钢筋笼上浮的主要因素，并提出相应的防治措施避免在钻孔灌注桩施工过程中钢筋笼出现上浮现象。该方法在济南市某钻孔灌注桩工程中进行了应用，取得了良好的效果。

关键词：钻孔灌注桩；钢筋笼上浮；控制因素；防治措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.099

0 引言

钻孔灌注桩在混凝土灌注过程中，钢筋笼上浮是较为常见的事故，它是影响成桩质量的重要因素。本文通过对混凝土灌注过程中钢筋笼受力情况进行分析，找出控制钢筋笼上浮的因素，提出相应的防治措施，并在济南市某钻孔灌注桩工程中进行了应用验证。

1 钢筋笼上浮分析

1.1 钢筋笼受力分析

在混凝土灌注时，钢筋笼主要受以下几个力的作用：钢筋笼重力G，固定筋拉力T，泥浆对钢筋笼产生的浮力F1，混凝土对钢筋笼产生的浮力F2，泥浆上返力P1，混凝土上返力P2，已灌注混凝土对钢筋笼的粘滞力N。根据钻孔内砼面、钢筋笼底部及导管底部这三者的相对位置关系，可将钢筋笼受力情况分为3种：

（1）砼面在钢筋笼底部以下（如图1a）。在该情况下，钢筋笼受力主要包括重力G、固定筋拉力T、泥浆对钢筋笼产生的浮力F1、泥浆上返力P1，合力满足下式：

式中：γ1为泥浆重度，N/m3；C1为泥浆对钢筋笼的阻力系数；S为钢筋笼横断面累计面积，m2；ν为混凝土上升速度，m/s；g为重力加速度，m/s2。

（2）砼面刚进入钢筋笼，导管底部在钢筋笼底部以下（如图1b）。在该情况下，砼面刚进入钢筋笼底部，但导管仍在钢筋笼底部以下。混凝土从导管底部流出向上顶托，由于砼重度较大，在砼上返时会产生上返力。此时，钢筋笼受力主要包括重力G、固定筋拉力T、砼对钢筋笼产生的浮力F2、砼上返力P2，合力满足下式：

（3）砼面、导管底部均在钢筋笼底部以上（如图1c）。随着砼灌注的进行，已灌注混凝土对钢筋笼上浮的粘滞力开始发挥作用，表现为导管底部以下的钢筋笼受到已灌注砼的压持作用。当钢筋笼有上浮趋势时就会表现出来，从而降低钢筋笼上浮的可能性，此时合力满足下式：

1.2 钢筋笼上浮条件分析

根据钻孔灌注桩砼灌注施工经验，钢筋笼上浮现象主要发生在第二阶段（图1b），在第三阶段（图1c）极少发生钢筋笼上浮现象，在第一阶段（图1a）根本不会发生钢筋笼上浮。如果泥浆的重度及其他参数满足规范和设计要求，并且没有出现泥团包裹钢筋笼的情况，则泥浆对钢筋笼的浮力F1和泥浆上返力P1可以忽略不计，即（4）式可以简化为：

1.2.1 砼对钢筋笼产生的上返力

由于钢筋笼呈网状，故每增加一圈箍筋，钢筋笼横断面面积就增加一部分，其累计面积可以按下式计算：

式中：n为主筋根数；r为主筋半径，m；D为钢筋笼直径，m；d为螺旋箍筋直径，m；d1为加强筋直径，m；h为钢筋笼与导管在砼中的公共埋深，m；Δ为螺旋箍筋间距，m；Δ1为加强筋间距，m。

钢筋笼中螺旋箍筋间距一般为100mm～200mm，加强筋间距一般为1.0m～2.0m，即Δ1≈10Δ；一般情况加强筋直径d1为螺旋箍筋直径d的2.0～2.5倍，此处取d1≈2d；由于nπr2远小于πDdh/Δ，因此公式（9）可以简化为：

将（10）式代入（6）式可得：

1.2.2 砼对钢筋笼产生的浮力

钢筋笼在砼中部分的体积可以按下式计算：

1.2.3 钢筋笼上浮临界条件

当G=F2+P2时，即T=0时，钢筋笼处于上浮临界状态，于是将（11）式和（13）式代入（8）式可得：

对于某个具体的钻孔灌注桩工程而言，钢筋笼的直径D，主筋根数n，主筋半径R，螺旋箍筋直径d，螺旋箍筋间距Δ，混凝土重度γ2等参数均为已知量，可将（14）式做进一步简化处理得到：

由（15）式可知，在灌注中对钢筋笼上浮产生影响的主要为混凝土上升速度ν，砼对钢筋笼阻力系数C2，钢筋笼与导管在砼中的公共埋深h。其中混凝土上升速度ν影响为平方关系，起主导和决定作用。

2 钢筋笼上浮控制因素

2.1 砼灌注速度

砼灌注速度直接影响钻孔内砼的上升速度，根据流体力学中关于运动物理所受流体阻力的理论，可知砼上返力与砼上返速度呈正相关，所以砼灌注速度越快，砼上返力越大，越有可能导致钢筋笼上浮现象发生。由推导出的（14）式可以发现砼上升速度ν影响为平方关系，是钢筋笼上浮的主要控制因素。

2.2 钢筋笼与导管在砼中的公共埋深

钢筋笼与导管在砼中的公共埋深h也是影响钢筋笼上浮的控制因素，h越大，则导管底部以上混凝土与钢筋笼的接触面积越大，相同情况下对钢筋笼作用的上返力越大。

2.3 砼本身质量

砼含砂率较低、流动性差，或商品混凝土在运输途中未边走边搅拌，导致混凝土出现离析现象，这些会导致砼对钢筋笼的阻力系数C增大，进而增大钢筋笼上浮风险性。若混凝土的初凝时间过短，或砼灌注到钢筋笼底部时，首批砼发生初凝现象，也会导致钢筋笼被顶起，产生钢筋笼上浮事故。

3 钢筋笼上浮防治措施

山东省某钻孔灌注桩施工过程中，为防止出现钢筋笼上浮事故，主要采取了以下防治措施：

（1）控制好砼灌注速度。砼灌注速度越大，砼上返速度也越大，砼在上返过程中对钢筋笼的上返力也就越大，因此应在砼灌注过程中，严格把控好砼的灌注速度。

（2）把握好钢筋笼与导管在砼中的公共埋深。随着砼灌注的进

行，当砼面已经进入钢筋笼时，应尽量减小导管埋深，边提升导管边灌注混凝土，严格控制钢筋笼与导管在砼中的公共埋深h，h最大深度不应超过5m。

（3）保证砼本身质量。施工时应保证砼具有良好的和易性，使灌注的混凝土坍落度长期保持在18mm左右。混凝土在运输和灌注过程中不应出现离析现象，混凝土中可掺入适量缓凝剂，使混凝土保持良好流动性。

（4）严格控制钢筋笼质量。钢筋笼在制作过程中应保证钢筋顺直，对接时应保证轴线一致。桩身通长配筋时，钢筋笼底部主筋可向中心稍微收拢成锥形，当混凝土灌注后对钢筋笼起埋敷作用，有利于防止钢筋笼上浮。

4 结语

通过工程实践证明了只要严格地执行钻孔灌注桩钢筋笼上浮防治措施，严格管理，科学组织，可以有效避免钢筋笼在混凝土灌注过程中出现上浮事故。

参考文献：

[1]张泽辉.桩基施工中钢筋笼上浮因素及预防[J].中国新技術新产品，2010（03）：63-64.