深基坑混凝土支撐軸力監(jiān)測研究

劉建軍

(寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司,浙江寧波 315000)

支撐軸力是基坑監(jiān)測的重要指標(biāo)[1]。 目前,對(duì)混凝土支撐軸力的監(jiān)測多采用鋼弦式應(yīng)力計(jì),其原理為:鋼弦因外力作用發(fā)生變形,其振動(dòng)頻率隨之發(fā)生改變,物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏縖2]。 不少學(xué)者對(duì)鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測的相關(guān)問題進(jìn)行了研究。 潘華[3]認(rèn)為環(huán)境溫度是影響混凝土支撐軸力監(jiān)測結(jié)果的主要因素。 魯智明[4]等介紹了混凝土支撐軸力的計(jì)算原理,并提出了溫度修正的軸力計(jì)算方法。 王輝[5]分析了基坑施工過程中支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況,建議計(jì)算時(shí)需消除溫度影響導(dǎo)致的附加軸力值。

選取寧波某地鐵車站基坑支護(hù)工程混凝土支撐軸力進(jìn)行試驗(yàn)研究,依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù),研究各因素對(duì)混凝土支撐軸力測試結(jié)果的影響。

1 概述

1.1 混凝土支撐軸力監(jiān)測的影響因素

(1)測試溫度的影響

根據(jù)相關(guān)研究,實(shí)測軸力和實(shí)際軸力的偏差值隨著初測溫度和測試溫度差異的增加而變大[6]。

(2)混凝土收縮和徐變的影響

混凝土支撐澆筑后,鋼筋與混凝土都會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生徐變。 兩種材料徐變量存在差異,鋼筋的徐變量較混凝土小,鋼筋會(huì)產(chǎn)生附加軸向壓應(yīng)力,混凝土?xí)a(chǎn)生附加軸向拉應(yīng)力。 在此作用下,會(huì)使支撐體系產(chǎn)生附加應(yīng)力。 如果軸力的初值采集時(shí)間過早,將導(dǎo)致測出的軸力數(shù)據(jù)偏大[7]。

(3)偏心荷載的影響

基坑的開挖是基底土體卸載回彈的過程,土體應(yīng)力狀態(tài)的改變,會(huì)使立柱和圍護(hù)樁發(fā)生隆起[8]。 混凝土支撐不僅承受軸向壓力,還承受偏心荷載作用(包含彎矩、剪力和扭矩[9])。 因此,在實(shí)際監(jiān)測過程中,4 個(gè)角點(diǎn)測得的軸力往往不同。

1.2 混凝土支撐軸力監(jiān)測優(yōu)化建議

(1)應(yīng)盡量選在溫度接近的時(shí)段進(jìn)行支撐軸力的日常測量。 如果溫差較大,應(yīng)對(duì)測算數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

(2)盡量延后初值的采集時(shí)間,以減小混凝土收縮和徐變產(chǎn)生的附加壓力對(duì)支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。

(3)應(yīng)在支撐的4 個(gè)角設(shè)置鋼筋計(jì),取測量的平均值作為測算數(shù)據(jù),以減少偏心荷載對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。

2 工程概況

寧波市某地鐵車站基坑采用了“地下連續(xù)墻+混凝土支撐”的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。 其中,地下連續(xù)墻墻厚1.0 m,墻高36.1 m,基坑的平均寬度為53 m,平均開挖深度為16.88 m。 基坑開挖涉及到的土層自上而下主要有:雜填土(層厚2.5 m)、灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(層厚4.3 m)、灰色含黏性土粉砂(層厚3.2 m)、灰色淤泥質(zhì)黏土(層厚4 m)、灰黃色可塑狀黏性土(層厚5.1 m)。

本工程地下水由淺部土層中的潛水、砂性土層中的微承壓水及深部粉(砂)性土層中的承壓水組成,潛水主要賦存于黏性土中。 地下水位隨降雨、潮汛影響而略有變化,根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,地下水位變化幅度一般在0.5 ～1.0 m 之間。 承壓水賦存于灰色粉砂、灰黃色砂質(zhì)粉土中,被地下連續(xù)墻隔斷。

3 試驗(yàn)研究

3.1 監(jiān)測點(diǎn)布置

基坑西南側(cè)第一道混凝土支撐的軸力監(jiān)測點(diǎn)布置見圖1。 鋼筋應(yīng)力計(jì)應(yīng)嚴(yán)格按照以下要求進(jìn)行安裝:將支撐總長度三分之一處的主筋切斷,并在切斷部位焊接鋼筋應(yīng)力計(jì),在平行于支撐軸線的方向?qū)摻钣?jì)和鋼筋主筋焊接牢固,搭焊的長度應(yīng)滿足規(guī)范要求[10]。 為避免焊接產(chǎn)生的高溫致鋼筋計(jì)內(nèi)部的元器件損壞,應(yīng)使用濕布包裹鋼筋計(jì)[11]。 為方便測試,在澆筑支撐混凝土?xí)r,應(yīng)將鋼筋應(yīng)力計(jì)上的電線引至合適位置,其原因?yàn)?①支撐長度三分之一位置的截面所承受彎矩作用較小,該截面受偏心荷載的作用較小[12]。 ②若采用綁扎的方式將鋼筋應(yīng)力計(jì)固定在主筋上,易導(dǎo)致鋼筋計(jì)在支撐受力過程中與鋼筋發(fā)生相對(duì)偏移,使得監(jiān)測數(shù)據(jù)較實(shí)際軸力值偏大[13]。 在混凝土支撐四角設(shè)置鋼筋計(jì)進(jìn)行測量并取平均值,可以較為準(zhǔn)確地反映支撐的實(shí)際受力狀況。

圖1 測點(diǎn)布置

3.2 軸力計(jì)算

本工程采用鋼筋應(yīng)力計(jì)測量混凝土支撐軸力,計(jì)算公式為

圖2 鋼筋計(jì)布設(shè)

其中:

N—受力值/kN;

n—鋼筋應(yīng)力計(jì)數(shù)量,n=4;

k—標(biāo)定系數(shù),k=5.1×10-5kN/Hz2;

Ab—支撐截面面積,Ab=1 m2;

As—鋼筋截面面積,As=7 602 mm2;

f0—初始頻率讀數(shù)/Hz;

fi—觀測頻率讀數(shù)/Hz;

Ec—混凝土彈性模量,Ec=30 GPa;

Es—鋼筋彈性模量,Es=200 GPa;

Asj—第sj鋼筋計(jì)的截面積,Asj=380.1 mm2;

Tsj—應(yīng)力計(jì)的溫度修正系數(shù),10-6/℃,取值見表1;

Ti—應(yīng)力計(jì)的本次測試溫度值/℃;

T0—應(yīng)力計(jì)的初始測試溫度值/℃。

3.3 試驗(yàn)簡介

以第一道混凝土支撐5 個(gè)軸力監(jiān)測點(diǎn)(編號(hào)為zh8-1 ～zh12-1)為研究對(duì)象,研究混凝土支撐軸力監(jiān)測的影響因素。

(1)驗(yàn)證混凝土徐變的影響

分別取第一道混凝土支撐澆筑后3 d、7 d、14 d、21 d、28 d 的頻率作為初始頻率,計(jì)算某天(2012 年11 月19 日,現(xiàn)場工況為第一道支撐下土方開挖)的支撐軸力。 支撐軸力的測量應(yīng)選在每天溫度接近的時(shí)段進(jìn)行。

(2)驗(yàn)證溫度的影響

驗(yàn)證溫度對(duì)混凝土支撐軸力測試結(jié)果的影響,需滿足兩個(gè)條件:①選取溫度變化較明顯的時(shí)段;②在同一工況下,維持恒荷載不變的條件進(jìn)行連續(xù)測量。 實(shí)際測量過程中,支撐混凝土澆筑后28 d 以后,支撐軸力受混凝土徐變影響的收縮頻率基本趨于穩(wěn)定,在某天(2012-11-15)早、中、晚各測4 次支撐軸力的頻率,同時(shí)記錄每次測量的環(huán)境溫度。 由環(huán)境溫度-頻率關(guān)系得出現(xiàn)場溫度應(yīng)力修正系數(shù),并與廠家提供的溫度應(yīng)力修正系數(shù)進(jìn)行比較。

(3)軸力比較

綜合分析4 個(gè)角點(diǎn)處鋼筋應(yīng)力計(jì)的支撐軸力,比較軸力值的大小,分析支撐受壓狀況。

圖3 初始頻率軸力影響曲線

圖4 混凝土支撐軸力實(shí)測頻率受溫度影響曲線

圖5 典型軸力實(shí)測頻率與環(huán)境溫度關(guān)系擬合曲線(zh12-1)

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

可由不同初始頻率計(jì)算得到支撐軸力曲線(見圖3),由圖3 可知,支撐軸力整體呈遞減趨勢。 以第3 d作為初始頻率,混凝土軸力平均值為2 600 kN,以第28 d 作為初始頻率,混凝土軸力平均值為644 kN,兩者差值為1 956 kN。 由此可見,混凝土徐變產(chǎn)生的附加壓力對(duì)支撐軸力測試值影響較大。

圖4 為軸力實(shí)測頻率與環(huán)境溫度的關(guān)系。 現(xiàn)場工況為第一道混凝土支撐澆筑完畢,基坑尚未開挖,當(dāng)日最低環(huán)境溫度為16 ℃,最高環(huán)境溫度為26 ℃。 由圖4 可知,隨著溫度升高,軸力頻率減小,由此可以得出,溫度對(duì)混凝土支撐軸力影響較為顯著。

溫度修正系數(shù)為頻率與環(huán)境溫度關(guān)系擬合直線的斜率值(見圖5)[15]。 鋼筋應(yīng)力計(jì)廠家給出的溫度修正系數(shù)Ts0是應(yīng)力計(jì)在自由狀態(tài)下測得的,在現(xiàn)場工況下,應(yīng)力計(jì)處于受力狀態(tài),相較于自由狀態(tài),其溫度修正系數(shù)有所不同。 由圖5 可知,對(duì)應(yīng)4 個(gè)角位置的溫度應(yīng)力修正系數(shù)分別為:Ts1=1.92、Ts2=2.21、Ts3=1.87、Ts4=2.4,平均值Ts=2.1,這與廠家提供的溫度修正參數(shù)Ts0=0.272 存在較大差異。 因此,鋼筋應(yīng)力計(jì)應(yīng)采用現(xiàn)場實(shí)測修正系數(shù)。 各測點(diǎn)現(xiàn)場實(shí)測溫度修正系數(shù)見表1。

表1 現(xiàn)場實(shí)測溫度修正系數(shù)

表2 為鋼筋計(jì)實(shí)測軸力統(tǒng)計(jì)。 由表2 可以看出,4 個(gè)角點(diǎn)鋼筋計(jì)的實(shí)測軸力值均不相同。 其中,zh8-1 鋼筋計(jì)實(shí)測軸力最小值為1 500.2 kN,最大值為5 202.1 kN,差值為3 701.9 kN,軸力最小值約為最大值的30%。 說明混凝土支撐受到較大偏心荷載的作用,導(dǎo)致支撐4 個(gè)角的受力存在較大的差異。

4 監(jiān)測方案優(yōu)化及現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析

基于以上各因素對(duì)混凝土支撐軸力監(jiān)測的影響,為準(zhǔn)確反映混凝土支撐的實(shí)際受力狀況,優(yōu)化了現(xiàn)場監(jiān)測作業(yè)實(shí)施方案:①支撐軸力的日常測量,應(yīng)選在每天溫度接近的時(shí)段進(jìn)行。 如果溫差較大,可按照式(1)對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,現(xiàn)場實(shí)測修正系數(shù)見表1。②在混凝土支撐澆筑28 d 后、基坑開挖前采集初值。③分別在混凝土支撐的4 個(gè)角點(diǎn)設(shè)置鋼筋計(jì),取測量的平均值作為測算數(shù)據(jù)。

表2 鋼筋計(jì)實(shí)測軸力統(tǒng)計(jì) kN

圖6 典型軸力時(shí)程曲線(zh12-1)

表3 軸力實(shí)測最大值與設(shè)計(jì)值對(duì)比統(tǒng)計(jì) kN

圖6 為混凝土支撐軸力時(shí)程曲線,隨著基坑被動(dòng)區(qū)土方的開挖,混凝土支撐軸力呈增大趨勢。 從開挖至第二道支撐澆筑之前,支撐軸力呈快速增長趨勢,軸力達(dá)到了2 900 kN,約為最大軸力值的92%;第二道支撐澆筑后,支撐開始分擔(dān)坑外主動(dòng)區(qū)土壓力,第一道支撐軸力趨于穩(wěn)定,所測支撐軸力數(shù)據(jù)與現(xiàn)場工況相符。表3 為混凝土支撐軸力設(shè)計(jì)值和實(shí)測值對(duì)比,由表3 可知,實(shí)測軸力最大值接近理論設(shè)計(jì)軸力值,說明監(jiān)測方案精確性較高。