钢筋笼上浮及其控制措施的探讨

向以和

（重庆黄浦建设集团有限公司，重庆万州 404000）

1 问题的提出

我公司承建的某工程位于三峡库区，紧邻长江，建筑红线与长江之间仅有一条公路相隔，公路路堤采用透水坝形式，场内地下水位高程随着长江水位变化而变化.设计正负零高程为172.20米，场地原为沟谷地带，经车载抛填平场后作为工程选址，回填区形成时间不足两年，平均回填层深度27米左右，最大填土厚达30.39米，未完成自重沉降、固结过程.本工程地基及基础形式，地勘单位建议设计采用灌浆方式对地基进行处理，采用嵌岩桩基础.

根据地勘单位提供的岩土工程勘察报告和设计的基础结构形式，我单位采用机械成孔，水下混凝土浇筑成桩的施工方案.第一组水下混凝土浇筑成桩后在剔凿桩头时发现有3根桩的钢筋笼加密区箍筋被截断，钢筋笼的顶标高比设计标高要高很多，最高的钢筋笼顶标高比设计标高高出了176 cm.这种现象的出现，使所有工作人员对成桩过程的施工质量产生了极大的担忧.项目部利用质量控制因果分析手段，对桩孔验收记录，钢筋笼下料单，钢筋笼验收记录和吊放记录等所有资料进行了核对，没有发现与尺寸不吻合、尺寸误差超过验收规范要求的地方，现场又采用了对混凝土桩钻取芯样的方法，通过实物来进一步核对相关尺寸，结果仍然没有找出钢筋笼高出设计标高的原因，唯一一个造成钢筋笼标高误差的因素就只有钢筋笼上浮了.

“钢筋笼上浮？”这一现象令人产生质疑.

2 混凝土浇筑过程中钢筋笼受力分析

在混凝土浇筑过程中，根据孔内混凝土面、钢筋笼底端与导管底端的相互作用，钢筋笼的受力情况可分两种.

2.1 混凝土面刚进入钢筋笼

混凝土面刚进入钢筋笼，导管底端在钢筋笼底端以下，钢筋笼上浮大都发生在这种受力情况下.钢筋笼受到向下的重力G、固定筋向上的悬挂力N、混凝土上返携带力F、泥浆产生的浮力F1、泥浆上返时携带力F2.

以上各力满足下式：G = N + F + F1+ F2

在正常情况下，若泥浆密度满足规范和设计要求，且没有泥团包裹钢筋笼，F1+ F2可以忽略.

2.2 混凝土面、导管底端都进入钢筋笼

导管底端以上钢筋笼受力同上，但导管底端以下钢筋笼却受到混凝土的压持，当钢筋笼上浮时，这种压持作用就表现出来，从而大大减小钢筋笼上浮的可能性.

3 钢筋笼上浮的物理本质探讨

在工程质量控制的文献中也提到过钢筋笼上浮的现象，但是对钢筋笼上浮的原因没有专门论述.本文试图通过建立钢筋笼上浮的数学模型，从理论上探讨钢筋笼上浮现象产生的物理本质，探索控制其上浮程度的技术措施.

通过分析相关技术规范、施工验收规范、现场施工过程，认为钢筋笼上浮的动力来自于混凝土浇筑时混凝土势能转化为动能，势能和动能的多次转换，这两种形式的能量迫使钢筋笼和 C30混凝土、泥浆在桩孔中上下持续振动，在振动过程中由于受到孔壁的摩擦力和泥浆表面张力的阻尼作用，动能被消耗殆尽，最后钢筋笼稳定在一个新的平衡点上，即形成了所谓钢筋笼上浮的现象.

另外，钢筋的比重为7.85 g/cm3，C30混凝土的比重为2.55 g/cm3，泥浆的比重为1.25 g/cm3，而后两种物质的平均比重为1.9 g/cm3.根据阿基米德定律：浮在液体中的物体所受到的浮力等于物体的重力，且等于物体排开液体的重量.但利用上述定律解释“钢筋笼上浮”现象，解释不通.但阿基米德定律是揭示物体在相对静止的液体中所受到的浮力的一般规律.而混凝土浇筑过程中，混凝土在重力作用下作自由落体运动，混凝土的势能转化为动能，撞击泥浆及钢筋笼，混凝土连续不断地撞击泥浆及钢筋笼，连续不断地向上流动扩散，使钢筋笼获得足够的向上的动能，钢筋笼开始缓慢上升到某个高度时，动能变为零，势能为某个值，即钢筋笼的动能转化为势能，形成“钢筋笼上浮”现象.

当然，此时的钢筋笼也受到浮力作用，但仅仅浮力不足以使“钢筋笼上浮”.

4 钢筋笼上浮的数学模型探讨

能量既不会凭空产生，也不会凭空消灭，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变，这就是能量守恒定律，如今被人们普遍认同.

经过对钢筋笼受力分析、钢筋笼上浮物理本质探讨，结合能量守恒定律，推导和整理得到钢筋笼上浮的公式：

式中：h—钢筋笼上浮量（米）

K—考虑孔壁与泥浆之间的摩擦力和泥浆表面张力的阻尼因素的修正系数

M—浇筑的第一斗混凝土的质量（千克）

m1—钢筋笼的质量（千克）

m2—桩孔内泥浆的质量（千克）

H—混凝土自由下落的高度（米），自混凝土储备漏斗阀门至桩孔底面的高度

5 预防钢筋笼上浮的技术措施

建立钢筋笼上浮的数学模型不是研究的主要目的，利用上述公式计算出钢筋笼上浮量也没有很大的实际意义，目的是要通过数学模型的建立过程和数学模型本身来探讨预防钢筋笼上浮的技术措施，解决工程施工过程中遇到的实际问题.

从钢筋笼上浮的公式中可以看出，从理论上讲钢筋笼上浮是一种很自然的物理现象，其发生是必然的.但从工程实际的要求来看，要使钢筋笼绝对不上浮也是不必要的，只要控制住上浮量不超过工程允许的误差范围就可以.因此，可以采取以下的技术措施来控制钢筋笼上浮量的大小.

1）钢筋笼的浮动过程可以看作是一个质点在阻尼介质中的振动过程，为了使钢筋笼上浮度最小，在第一斗混凝土浇筑完成后应静置一段时间，让钢筋笼稳定后再继续浇注混凝土.一般情况下静置时间为3～5分钟.如果没有让钢筋笼趋于稳定的静置时间，就连续浇筑混凝土，这无疑相当于给处于振动中的钢筋笼提供了激振能量，这对控制钢筋笼上浮是十分不利的.

2）第一斗混凝土的量应尽可能少，只要满足相关技术规范要求即可.从公式中可以看出钢筋笼上浮量与第一斗混凝土质量m成正比.因此，m越大，h也就越大.

3）在满足技术规范要求的前提下，混凝土的坍落度越大，对控制钢筋笼上浮越有利.

4）将钢筋笼固定.从式中可以看出钢筋笼的上浮量 h与钢筋笼的质量 m1成反比，如果将钢筋笼与大地连成一体，那么m1就要变得无穷大了.事实上只须将钢筋笼与适当重量的物体固定起来就可以控制钢筋笼的上浮了.

5）导管提升时不要挂住钢筋笼.

6）桩孔内泥浆的质量m2对钢筋笼的上浮量影响不大.因为规范要求必须二次清孔达到泥浆比重为1.2～1.3 g/cm3才能浇筑混凝土.

7）对于有经验的设计人员，根据具体情况，适当增大钢筋笼底部箍筋间距，对防止钢筋笼上浮是有效的.

8）避免钢筋笼弯曲.

9）避免泥浆密度过大、粘度过高或其中有泥团.

10）尽量减小混凝土灌注速度.

11）尽量减小导管埋深.

6 技术措施效果评估

本文中所探讨的预防钢筋笼上浮的各项技术措施已落实到我公司承建的该工程基础施工阶段的质量控制中.该工程利用水下混凝土浇筑成桩总数共311根，除第一组桩中有3根桩出现了不同程度的较明显的钢筋笼上浮现象以外，其余的桩均未发生钢筋笼上浮量超过允许误差范围的现象.这就说明在水下混凝土浇筑施工过程中钢筋笼上浮的现象是可以控制的，同时也说明了所采取的控制钢筋笼上浮的技术措施是得当的.

[1]江正荣.地基与基础工程施工禁忌手册[M].北京：机械工业出版，2006.

[2]向以和.冲孔桩施工质量控制方法探讨——万州体育中心 1号地下车库桩基础施工质量控制[J].重庆三峡学院学报，2013，29（3）：67-69.

[3]叶雯.周晓龙.建筑施工技术及规范[M].北京：北京大学出版社，2010.