鋼筋籠上浮及其控制措施的探討

向以和

（重慶黃浦建設(shè)集團(tuán)有限公司，重慶萬州 404000）

1 問題的提出

我公司承建的某工程位于三峽庫區(qū)，緊鄰長江，建筑紅線與長江之間僅有一條公路相隔，公路路堤采用透水壩形式，場內(nèi)地下水位高程隨著長江水位變化而變化.設(shè)計(jì)正負(fù)零高程為172.20米，場地原為溝谷地帶，經(jīng)車載拋填平場后作為工程選址，回填區(qū)形成時(shí)間不足兩年，平均回填層深度27米左右，最大填土厚達(dá)30.39米，未完成自重沉降、固結(jié)過程.本工程地基及基礎(chǔ)形式，地勘單位建議設(shè)計(jì)采用灌漿方式對地基進(jìn)行處理，采用嵌巖樁基礎(chǔ).

根據(jù)地勘單位提供的巖土工程勘察報(bào)告和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，我單位采用機(jī)械成孔，水下混凝土澆筑成樁的施工方案.第一組水下混凝土澆筑成樁后在剔鑿樁頭時(shí)發(fā)現(xiàn)有3根樁的鋼筋籠加密區(qū)箍筋被截?cái)?，鋼筋籠的頂標(biāo)高比設(shè)計(jì)標(biāo)高要高很多，最高的鋼筋籠頂標(biāo)高比設(shè)計(jì)標(biāo)高高出了176 cm.這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，使所有工作人員對成樁過程的施工質(zhì)量產(chǎn)生了極大的擔(dān)憂.項(xiàng)目部利用質(zhì)量控制因果分析手段，對樁孔驗(yàn)收記錄，鋼筋籠下料單，鋼筋籠驗(yàn)收記錄和吊放記錄等所有資料進(jìn)行了核對，沒有發(fā)現(xiàn)與尺寸不吻合、尺寸誤差超過驗(yàn)收規(guī)范要求的地方，現(xiàn)場又采用了對混凝土樁鉆取芯樣的方法，通過實(shí)物來進(jìn)一步核對相關(guān)尺寸，結(jié)果仍然沒有找出鋼筋籠高出設(shè)計(jì)標(biāo)高的原因，唯一一個(gè)造成鋼筋籠標(biāo)高誤差的因素就只有鋼筋籠上浮了.

“鋼筋籠上??？”這一現(xiàn)象令人產(chǎn)生質(zhì)疑.

2 混凝土澆筑過程中鋼筋籠受力分析

在混凝土澆筑過程中，根據(jù)孔內(nèi)混凝土面、鋼筋籠底端與導(dǎo)管底端的相互作用，鋼筋籠的受力情況可分兩種.

2.1 混凝土面剛進(jìn)入鋼筋籠

混凝土面剛進(jìn)入鋼筋籠，導(dǎo)管底端在鋼筋籠底端以下，鋼筋籠上浮大都發(fā)生在這種受力情況下.鋼筋籠受到向下的重力G、固定筋向上的懸掛力N、混凝土上返攜帶力F、泥漿產(chǎn)生的浮力F1、泥漿上返時(shí)攜帶力F2.

以上各力滿足下式：G = N + F + F1+ F2

在正常情況下，若泥漿密度滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，且沒有泥團(tuán)包裹鋼筋籠，F(xiàn)1+ F2可以忽略.

2.2 混凝土面、導(dǎo)管底端都進(jìn)入鋼筋籠

導(dǎo)管底端以上鋼筋籠受力同上，但導(dǎo)管底端以下鋼筋籠卻受到混凝土的壓持，當(dāng)鋼筋籠上浮時(shí)，這種壓持作用就表現(xiàn)出來，從而大大減小鋼筋籠上浮的可能性.

3 鋼筋籠上浮的物理本質(zhì)探討

在工程質(zhì)量控制的文獻(xiàn)中也提到過鋼筋籠上浮的現(xiàn)象，但是對鋼筋籠上浮的原因沒有專門論述.本文試圖通過建立鋼筋籠上浮的數(shù)學(xué)模型，從理論上探討鋼筋籠上浮現(xiàn)象產(chǎn)生的物理本質(zhì)，探索控制其上浮程度的技術(shù)措施.

通過分析相關(guān)技術(shù)規(guī)范、施工驗(yàn)收規(guī)范、現(xiàn)場施工過程，認(rèn)為鋼筋籠上浮的動(dòng)力來自于混凝土澆筑時(shí)混凝土勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，勢能和動(dòng)能的多次轉(zhuǎn)換，這兩種形式的能量迫使鋼筋籠和 C30混凝土、泥漿在樁孔中上下持續(xù)振動(dòng)，在振動(dòng)過程中由于受到孔壁的摩擦力和泥漿表面張力的阻尼作用，動(dòng)能被消耗殆盡，最后鋼筋籠穩(wěn)定在一個(gè)新的平衡點(diǎn)上，即形成了所謂鋼筋籠上浮的現(xiàn)象.

另外，鋼筋的比重為7.85 g/cm3，C30混凝土的比重為2.55 g/cm3，泥漿的比重為1.25 g/cm3，而后兩種物質(zhì)的平均比重為1.9 g/cm3.根據(jù)阿基米德定律：浮在液體中的物體所受到的浮力等于物體的重力，且等于物體排開液體的重量.但利用上述定律解釋“鋼筋籠上浮”現(xiàn)象，解釋不通.但阿基米德定律是揭示物體在相對靜止的液體中所受到的浮力的一般規(guī)律.而混凝土澆筑過程中，混凝土在重力作用下作自由落體運(yùn)動(dòng)，混凝土的勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，撞擊泥漿及鋼筋籠，混凝土連續(xù)不斷地撞擊泥漿及鋼筋籠，連續(xù)不斷地向上流動(dòng)擴(kuò)散，使鋼筋籠獲得足夠的向上的動(dòng)能，鋼筋籠開始緩慢上升到某個(gè)高度時(shí)，動(dòng)能變?yōu)榱?，勢能為某個(gè)值，即鋼筋籠的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢能，形成“鋼筋籠上浮”現(xiàn)象.

當(dāng)然，此時(shí)的鋼筋籠也受到浮力作用，但僅僅浮力不足以使“鋼筋籠上浮”.

4 鋼筋籠上浮的數(shù)學(xué)模型探討

能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消滅，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量不變，這就是能量守恒定律，如今被人們普遍認(rèn)同.

經(jīng)過對鋼筋籠受力分析、鋼筋籠上浮物理本質(zhì)探討，結(jié)合能量守恒定律，推導(dǎo)和整理得到鋼筋籠上浮的公式：

式中：h—鋼筋籠上浮量（米）

K—考慮孔壁與泥漿之間的摩擦力和泥漿表面張力的阻尼因素的修正系數(shù)

M—澆筑的第一斗混凝土的質(zhì)量（千克）

m1—鋼筋籠的質(zhì)量（千克）

m2—樁孔內(nèi)泥漿的質(zhì)量（千克）

H—混凝土自由下落的高度（米），自混凝土儲(chǔ)備漏斗閥門至樁孔底面的高度

5 預(yù)防鋼筋籠上浮的技術(shù)措施

建立鋼筋籠上浮的數(shù)學(xué)模型不是研究的主要目的，利用上述公式計(jì)算出鋼筋籠上浮量也沒有很大的實(shí)際意義，目的是要通過數(shù)學(xué)模型的建立過程和數(shù)學(xué)模型本身來探討預(yù)防鋼筋籠上浮的技術(shù)措施，解決工程施工過程中遇到的實(shí)際問題.

從鋼筋籠上浮的公式中可以看出，從理論上講鋼筋籠上浮是一種很自然的物理現(xiàn)象，其發(fā)生是必然的.但從工程實(shí)際的要求來看，要使鋼筋籠絕對不上浮也是不必要的，只要控制住上浮量不超過工程允許的誤差范圍就可以.因此，可以采取以下的技術(shù)措施來控制鋼筋籠上浮量的大小.

1）鋼筋籠的浮動(dòng)過程可以看作是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在阻尼介質(zhì)中的振動(dòng)過程，為了使鋼筋籠上浮度最小，在第一斗混凝土澆筑完成后應(yīng)靜置一段時(shí)間，讓鋼筋籠穩(wěn)定后再繼續(xù)澆注混凝土.一般情況下靜置時(shí)間為3～5分鐘.如果沒有讓鋼筋籠趨于穩(wěn)定的靜置時(shí)間，就連續(xù)澆筑混凝土，這無疑相當(dāng)于給處于振動(dòng)中的鋼筋籠提供了激振能量，這對控制鋼筋籠上浮是十分不利的.

2）第一斗混凝土的量應(yīng)盡可能少，只要滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求即可.從公式中可以看出鋼筋籠上浮量與第一斗混凝土質(zhì)量m成正比.因此，m越大，h也就越大.

3）在滿足技術(shù)規(guī)范要求的前提下，混凝土的坍落度越大，對控制鋼筋籠上浮越有利.

4）將鋼筋籠固定.從式中可以看出鋼筋籠的上浮量 h與鋼筋籠的質(zhì)量 m1成反比，如果將鋼筋籠與大地連成一體，那么m1就要變得無窮大了.事實(shí)上只須將鋼筋籠與適當(dāng)重量的物體固定起來就可以控制鋼筋籠的上浮了.

5）導(dǎo)管提升時(shí)不要掛住鋼筋籠.

6）樁孔內(nèi)泥漿的質(zhì)量m2對鋼筋籠的上浮量影響不大.因?yàn)橐?guī)范要求必須二次清孔達(dá)到泥漿比重為1.2～1.3 g/cm3才能澆筑混凝土.

7）對于有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員，根據(jù)具體情況，適當(dāng)增大鋼筋籠底部箍筋間距，對防止鋼筋籠上浮是有效的.

8）避免鋼筋籠彎曲.

9）避免泥漿密度過大、粘度過高或其中有泥團(tuán).

10）盡量減小混凝土灌注速度.

11）盡量減小導(dǎo)管埋深.

6 技術(shù)措施效果評估

本文中所探討的預(yù)防鋼筋籠上浮的各項(xiàng)技術(shù)措施已落實(shí)到我公司承建的該工程基礎(chǔ)施工階段的質(zhì)量控制中.該工程利用水下混凝土澆筑成樁總數(shù)共311根，除第一組樁中有3根樁出現(xiàn)了不同程度的較明顯的鋼筋籠上浮現(xiàn)象以外，其余的樁均未發(fā)生鋼筋籠上浮量超過允許誤差范圍的現(xiàn)象.這就說明在水下混凝土澆筑施工過程中鋼筋籠上浮的現(xiàn)象是可以控制的，同時(shí)也說明了所采取的控制鋼筋籠上浮的技術(shù)措施是得當(dāng)?shù)?

[1]江正榮.地基與基礎(chǔ)工程施工禁忌手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版，2006.

[2]向以和.沖孔樁施工質(zhì)量控制方法探討——萬州體育中心 1號地下車庫樁基礎(chǔ)施工質(zhì)量控制[J].重慶三峽學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，29（3）：67-69.

[3]葉雯.周曉龍.建筑施工技術(shù)及規(guī)范[M].北京：北京大學(xué)出版社，2010.