基坑混凝土支撐軸力監(jiān)測值修正方法

徐昭辰，王 強(qiáng)，章定文，朱湘旭，王治宇

(1. 東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 211189； 2. 東南大學(xué) 道路交通工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，江蘇 南京 211189； 3. 中建八局軌道交通建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210046)

0 引 言

鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測值是支撐工作狀態(tài)的判斷指標(biāo)，也是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全與否的主要判別依據(jù)[1-3]?；庸こ讨谢炷林屋S力監(jiān)測值經(jīng)常超過設(shè)計限值但支撐仍完好無損，且基坑的其他監(jiān)測指標(biāo)均處于正常范圍內(nèi)，混凝土支撐軸力監(jiān)測值存在與基坑的安全穩(wěn)定狀態(tài)不一致的問題[4-6]?；炷林屋S力通常采用振弦式鋼筋應(yīng)力計(簡稱鋼筋計)測試，假設(shè)混凝土應(yīng)變與鋼筋應(yīng)變相同，通過測量鋼弦頻率換算出鋼筋計的應(yīng)力計算鋼筋應(yīng)變，再結(jié)合混凝土支撐的物理力學(xué)參數(shù)間接計算支撐軸力[7]。

鋼筋計初始頻率、大氣溫度、混凝土彈性模量和混凝土收縮、徐變等非荷載因素均會影響混凝土支撐的軸力監(jiān)測值。不少學(xué)者開展了非荷載因素對混凝土支撐軸力監(jiān)測值的影響研究。張哲[4]和陳科[8]指出鋼筋計的頻率在混凝土澆筑前后和養(yǎng)護(hù)前后都會發(fā)生明顯的變化，并建議取混凝土澆筑并養(yǎng)護(hù)完成后的頻率作為初始頻率。Boone等[9]指出鋼筋計監(jiān)測的應(yīng)變中包含了溫度變化引起的應(yīng)變，計算軸力時應(yīng)進(jìn)行溫度修正。Blackburn等[10]指出由溫度變化引起的軸力可達(dá)支撐軸力的40%，必須考慮溫度引起的附加應(yīng)力的影響。劉暢等[11]基于某停工基坑16個月連續(xù)監(jiān)測結(jié)果指出，混凝土支撐軸力監(jiān)測值隨大氣溫度變化而變化，當(dāng)氣溫從11 ℃下降到-2 ℃時，軸力下降幅度可超過12 000 kN。一些學(xué)者研究表明，經(jīng)過混凝土收縮、徐變修正的軸力計算值為監(jiān)測原始值的30%～60%，收縮和徐變是影響軸力監(jiān)測的重要因素[12-16]。

混凝土支撐軸力的監(jiān)測原始值與真實(shí)值間存在較大誤差。已有研究大多針對某單一因素進(jìn)行分析，較少考慮多因素的共同作用。為此，本文綜合鋼筋計初始頻率、溫度、混凝土模量、混凝土收縮和徐變等因素的影響，提出了考慮多因素影響的混凝土支撐軸力監(jiān)測值修正方法，并采用寧句城際軌道句容站基坑工程的實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證該方法的合理性，以期為混凝土支撐軸力監(jiān)測值分析提供參考。

1 寧句城際軌道句容站基坑工程概況

1.1 工程概況與工程地質(zhì)條件

句容站基坑標(biāo)準(zhǔn)寬度為20.7 m，一期基坑長約308 m，底板埋深為16.68～19.51 m?；硬捎妹魍诜ㄊ┕ぃ瑖o(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 000@800 mm鉆孔咬合樁，樁長21 m。支撐體系為3道水平內(nèi)支撐，第1道為鋼筋混凝土支撐，截面尺寸為800 mm×1 000 mm，間距約8 m，第2道和第3道為φ609×16鋼支撐，間距約4 m。樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，斷面尺寸為1 000 mm×1 400 mm?；悠拭嬖O(shè)計如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)剖面(單位：m)Fig.1 Section of Foundation Pit Supports (Unit:m)

基坑開挖范圍內(nèi)的主要土層包括雜填土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化凝灰角礫巖和破碎凝灰角礫巖，主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。場地地下水主要包括松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。松散巖類孔隙水主要為孔隙潛水，近地表分布。基巖裂隙水主要賦存于粉砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化凝灰角礫巖和凝灰角礫巖強(qiáng)風(fēng)化帶。潛水與下伏基巖裂隙水之間的水力聯(lián)系微弱，地下水對基坑開挖影響較小。

表1 土層主要物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and Mechanical Parameters of Soil Layers

1.2 混凝土支撐軸力監(jiān)測點(diǎn)布置與監(jiān)測值分析

采用鋼筋計監(jiān)測混凝土支撐軸力，監(jiān)測點(diǎn)布置如圖2所示?；邮┕み^程中，土體開挖第1天就有部分支撐的軸力監(jiān)測值超過了報警值，隨著開挖進(jìn)行，基坑所有混凝土支撐的軸力均遠(yuǎn)超設(shè)計限值并保持超高軸力狀態(tài)直至拆除，但基坑周圍地表沉降和樁身水平位移等項(xiàng)目的監(jiān)測值均小于設(shè)計限值，混凝土支撐自身也未出現(xiàn)裂縫、掉塊等現(xiàn)象，基坑及其周邊環(huán)境均處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。部分混凝土支撐的軸力最大監(jiān)測值與設(shè)計限值見表2。施工現(xiàn)場采用2根鋼支撐替換監(jiān)測點(diǎn)ZL6-1處的混凝土支撐，鋼支撐的軸力最大值僅為420 kN，遠(yuǎn)小于混凝土支撐軸力監(jiān)測值，這表明支撐軸力實(shí)際值與監(jiān)測值差異顯著。

表2 部分混凝土支撐軸力監(jiān)測最大值及限值Table 2 Maximum and Limited Values of Monitoring Axial Forces of Partial Concrete Struts

圖2 句容站混凝土支撐軸力監(jiān)測點(diǎn)布置Fig.2 Monitoring Points of Axial Force of Concrete Struts at Jurong Station

2 基于理論的修正公式法

2.1 混凝土支撐軸力的理論修正公式

在計算混凝土支撐軸力時，理想的應(yīng)變只包含支撐在兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)作用下的變形，故軸力計算公式中應(yīng)對混凝土收縮應(yīng)變、徐變應(yīng)變和溫度應(yīng)變進(jìn)行修正。混凝土的收縮和徐變有多種計算模型[17-19]，本文采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[20]中的方法進(jìn)行計算。

(1)

(2)

(3)

式中：kn為混凝土長期內(nèi)力分配系數(shù)；ρs為鋼筋混凝土支撐配筋率；ne為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量比值；εcs和φ(t,t0)分別為混凝土收縮應(yīng)變和混凝土徐變系數(shù)，由《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[20]條文說明附錄K中的公式進(jìn)行計算。

溫度補(bǔ)償應(yīng)變εT[22]為

εT=(αs-αc)ΔT

(4)

式中：αs，αc分別為鋼弦和混凝土的熱膨脹系數(shù)；ΔT為某時刻大氣溫度與初始溫度的差值。

由式(1)～(4)及鋼筋計平均應(yīng)變εs可得混凝土支撐修正應(yīng)變εr為

(5)

考慮混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的混凝土截面應(yīng)力[20]σc為

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：Ec為混凝土彈性模量；ρc，n為混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系參數(shù)；fcm為混凝土平均抗壓強(qiáng)度；εcr為與fcm相應(yīng)的混凝土峰值壓應(yīng)變；fck為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；δc為混凝土強(qiáng)度變異系數(shù)。

鋼筋截面應(yīng)力σs為

σs=εsEs

(10)

式中：Es為鋼筋彈性模量。

由式(6)～(10)可得混凝土支撐軸力監(jiān)測修正值Nc為

Nc=σsAs+σcAc

(11)

式中：Ac為混凝土截面總面積；As為鋼筋截面總面積。

采用修正公式(11)對句容站基坑的ZL2-1，ZL3-1監(jiān)測點(diǎn)處的混凝土支撐軸力進(jìn)行計算，相關(guān)的計算參數(shù)見表3，其中RH為年平均相對濕度。由于缺少溫度數(shù)據(jù)，計算時暫不考慮溫度修正。

表3 混凝土支撐軸力計算系數(shù)Table 3 Calculation Coefficients of Axial Force of Concrete Strut

2根支撐的軸力修正計算結(jié)果如圖3所示。由圖3可見：修正后的軸力值與原始監(jiān)測值相差較大，ZL2-1，ZL3-1處混凝土支撐軸力的最大監(jiān)測值分別為12 828，16 937 kN，而修正后的最大軸力分別為7 774，10 089 kN；修正軸力值與監(jiān)測值的差距隨著時間t的增加而逐漸增加，當(dāng)t=30 d時，修正值約為原始監(jiān)測值的64%，而當(dāng)t=100 d時，修正值僅為原始監(jiān)測值的55%。隨著基坑開挖時間的增加，混凝土收縮、徐變等因素對軸力監(jiān)測值的影響也逐漸增大。

圖3 混凝土支撐軸力監(jiān)測值與修正值對比Fig.3 Comparison of Monitored and Corrected Axial Forces of Concrete Struts

圖4 軸力修正系數(shù)隨時間變化曲線Fig.4 Change Curves of Correction Factor of Axial Force with Time

2.2 各因素影響程度分析

分別僅進(jìn)行徐變、收縮和彈性模量修正以探究各因素對支撐軸力的影響程度。ZL2-1處混凝土支撐軸力修正值如圖5所示。僅彈性模量修正的計算結(jié)果約為監(jiān)測值的98%，僅進(jìn)行收縮修正的計算結(jié)果為監(jiān)測值的82%～96%，僅進(jìn)行徐變修正的計算結(jié)果為監(jiān)測值的60%～87%?？梢?，對混凝土支撐軸力監(jiān)測值影響程度由大到小依次為混凝土徐變、混凝土收縮和混凝土彈性模量，徐變是影響軸力監(jiān)測值的最主要因素?；炷列熳兊某掷m(xù)時間很長，徐變變形可比瞬時彈性變形大1倍～3倍，對混凝土支撐軸力監(jiān)測值有顯著影響[23]。

圖5 不同因素修正后軸力隨時間變化曲線Fig.5 Change Curves of Axial Force Corrected by Various Factors with Time

3 基于現(xiàn)場實(shí)測的修正系數(shù)法

混凝土支撐的軸力還可以采用現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行修正，主要有殘余軸力修正法和鋼箱測試修正法。本研究對句容站基坑的部分混凝土支撐開展了殘余軸力監(jiān)測，對混凝土支撐2次切割及拆除過程中的支撐軸力進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，現(xiàn)場試驗(yàn)如圖6所示。ZL12-1和ZL13-1處測試結(jié)果如圖7所示，混凝土支撐在一端切割后軸力立刻下降，在另一端切割后軸力仍有小幅下降，在拆除后略有下降并趨于穩(wěn)定，最終殘余軸力值約為3 500 kN，由此計算得到混凝土支撐軸力修正系數(shù)為0.57。當(dāng)t=100 d時，由圖4中的包絡(luò)線公式可算得理論修正系數(shù)K(t)=0.56，與本文現(xiàn)場試驗(yàn)得到的軸力修正系數(shù)接近。

圖6 混凝土支撐殘余軸力監(jiān)測試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.6 Residual Axial Force Monitoring Test Site of Concrete Struts

圖7 混凝土支撐殘余軸力監(jiān)測結(jié)果Fig.7 Residual Axial Force Monitoring Values of Concrete Struts

文獻(xiàn)[24]和文獻(xiàn)[25]采用鋼箱測試法分析同一支撐混凝土段和鋼箱段的軸力監(jiān)測值，其結(jié)果如圖8所示。支撐鋼箱段的軸力監(jiān)測值小于混凝土段的監(jiān)測值，兩者的差距在主要施工階段隨時間增加而增大，而后基本維持穩(wěn)定，與理論公式計算得到的變化趨勢相同。支撐軸力趨于穩(wěn)定后，3根支撐鋼箱段的軸力監(jiān)測值分別為混凝土段的0.48倍、0.63倍、0.56倍。

圖8 混凝土支撐鋼箱測試結(jié)果Fig.8 Test Results of Concrete Supported Steel Box

綜合上述分析，實(shí)際基坑工程中可在支撐軸力變化趨于穩(wěn)定后取修正系數(shù)0.5～0.65來估算混凝土支撐的真實(shí)軸力值。

4 結(jié) 語

(1)混凝土徐變和收縮、混凝土彈性模量和溫度是影響基坑鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測值的主要因素，其中混凝土徐變影響最大?，F(xiàn)場實(shí)測軸力計算中應(yīng)考慮上述非荷載因素的影響，避免基坑混凝土支撐軸力監(jiān)測值過大而誤報警。

(2)依據(jù)理論修正的混凝土支撐軸力修正公式可考慮非荷載因素影響。結(jié)合工程現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，獲得了句容站基坑軸力修正系數(shù)隨時間的經(jīng)驗(yàn)公式為K(t)=0.868-0.068ln(t-0.846)；基坑軸力修正值為監(jiān)測值的55%～64%。

(3)工程實(shí)踐中可以通過支撐殘余軸力監(jiān)測法、鋼箱測試法獲得軸力修正系數(shù)。綜合理論分析、現(xiàn)場實(shí)測和文獻(xiàn)中實(shí)測數(shù)據(jù)，實(shí)際基坑工程中考慮非荷載因素影響，混凝土支撐軸力修正系數(shù)可取0.5～0.65來估算支撐的真實(shí)軸力值。