基坑工程混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)方法的討論

1.混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)的問(wèn)題及現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)明挖基坑工程的監(jiān)測(cè)中,混凝土支撐系統(tǒng)的軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果異常(軸力監(jiān)測(cè)值過(guò)大，但實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中并非內(nèi)力過(guò)大或不穩(wěn)定；如：一根C35 1m×1m截面的鋼筋混凝土支撐，有時(shí)軸力監(jiān)測(cè)值會(huì)達(dá)到20000~30000kN，而依然處于正常工作狀態(tài))問(wèn)題普遍地存在著，時(shí)常會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析及工程施工的進(jìn)行造成不必要的阻礙。如蘇州軌道交通一號(hào)線(xiàn)廣濟(jì)·站基坑混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)隨著基坑開(kāi)挖深度的加深，基坑支撐的監(jiān)測(cè)軸力值變化較快并遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，有的甚至好幾倍，以標(biāo)準(zhǔn)段8-2道混凝土支撐軸力為例，最大監(jiān)測(cè)軸力值接近15000kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)該段8700kN的設(shè)計(jì)值。廣州地鐵五號(hào)線(xiàn)員村站基坑工程,在D101監(jiān)測(cè)點(diǎn)處支撐橫斷面下表面鋼筋所測(cè)應(yīng)力為負(fù)值，即為拉應(yīng)力，說(shuō)明斜撐在土壓力的作用下已向下彎曲，且下表面混凝土拉應(yīng)力為2.51 MPa，超過(guò)了混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，就現(xiàn)場(chǎng)觀看支撐上表面有細(xì)微裂縫，而軸力平均值才達(dá)到1440.44 kN，還遠(yuǎn)δ達(dá)到軸力設(shè)計(jì)報(bào)警值3000 kN。廣州某地鐵基坑工程混凝土支撐系統(tǒng)的軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果起初均為負(fù)值，隨著基坑的開(kāi)挖軸力值持續(xù)增大，一直到基坑開(kāi)挖結(jié)束，最大值達(dá)到設(shè)計(jì)允許值的6倍，而支撐系統(tǒng)一直處于正常工作的狀態(tài)。天津某軌道換乘中心⑩軸～⑩軸工程截至2009年8月6日，⑦軸軸力值為18247 kN，占設(shè)計(jì)值204％；⑦軸軸力值為18994 kN，占設(shè)計(jì)值213％；已大大超過(guò)支撐的安全報(bào)警值，但支撐一直安全工作，δ出現(xiàn)裂縫等不安全、失穩(wěn)跡象。上海虹橋國(guó)際商城基坑開(kāi)挖深度13.70m，3道混凝土支撐，第2道支撐(C351200mm×l000mm)軸力監(jiān)測(cè)值最大處曾達(dá)到30500kN，已大大超過(guò)支撐的安全報(bào)警值，但支撐一直安全工作，δ出現(xiàn)裂縫等不安全、失穩(wěn)跡象，直至支撐拆除；南京地鐵指揮中心基坑開(kāi)挖深度15.40m，4道鋼筋混凝土支撐，施工過(guò)程中第3道支撐(C35 1200mm×1000mm)軸力監(jiān)測(cè)值最大處達(dá)到21000kN，已超出軸力安全報(bào)警值，但并δ出現(xiàn)不安全工作的跡象，直至支撐拆除。南京鼓¥峨ü·北側(cè)某基坑工程混凝土軸力的設(shè)計(jì)值為2000kN，但是實(shí)際監(jiān)測(cè)值基本上都超過(guò)2000kN，最大值5139kN，超過(guò)了設(shè)計(jì)值的2.5倍。青島地鐵一期工程火車(chē)北站A區(qū)基坑第一層混凝土支撐軸力采用混凝土應(yīng)變計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，期間日變化量波動(dòng)很大，范Χ在-1140kN~1560kN之間，甚至一天內(nèi)上下午監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化達(dá)800kN�？梢钥闯�，國(guó)內(nèi)各基坑工程混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)過(guò)程中，該監(jiān)測(cè)異常的現(xiàn)象比較普遍。

本人參建揚(yáng)州某大型市政工程，其基坑工程第一層多為混凝土支撐，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)采用鋼筋應(yīng)力計(jì)進(jìn)行混凝土支撐軸力的量測(cè)，自2012年3月6日，大部分混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)值超過(guò)5000kN，有的甚至超過(guò)10000kN，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)軸力及設(shè)計(jì)所提控制值，現(xiàn)場(chǎng)就此事討論激烈。

2.混凝土支撐軸力的主要監(jiān)測(cè)方法

在基坑工程中，混凝土支撐與鋼支撐不同，通過(guò)應(yīng)力傳感器直接測(cè)得其軸力的大小是十分很困難的，均是通過(guò)傳感器觀測(cè)獲取鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變量（假設(shè)混凝土與鋼筋協(xié)調(diào)應(yīng)變），再計(jì)算其軸力。具體的監(jiān)測(cè)方法分為三種：

（1）傳感器使用表面應(yīng)變計(jì)，安裝于混凝土支撐表面，通過(guò)測(cè)得支撐表面的應(yīng)變量來(lái)計(jì)算其軸力。

圖1 表面應(yīng)變計(jì)及安裝實(shí)景圖

（2）傳感器使用混凝土應(yīng)變計(jì)，安裝于混凝土支撐內(nèi)部，通過(guò)測(cè)得混凝土內(nèi)部的應(yīng)變量來(lái)計(jì)算其軸力。

圖2 混凝土應(yīng)變計(jì)及安裝實(shí)景圖

（3）傳感器使用鋼筋應(yīng)力計(jì)，安裝于混凝土支撐的主筋上，通過(guò)測(cè)量鋼筋所受應(yīng)力來(lái)計(jì)算其應(yīng)變量，再計(jì)算整個(gè)支撐的軸力。

圖3 鋼筋應(yīng)力計(jì)及安裝實(shí)景圖

3.試驗(yàn)設(shè)計(jì)

筆者以揚(yáng)州某大型市政工程為背景，選擇某混凝土支撐斷面為試驗(yàn)斷面，同時(shí)安裝了鋼筋應(yīng)力計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)、表面應(yīng)變計(jì)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，獲取不同開(kāi)挖工況下，不同傳感器測(cè)試所得的支撐軸力。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，達(dá)到以下目的：

（1）總結(jié)影響混凝土支撐軸力變化的因素

（2）探索對(duì)混凝土支撐軸力附加應(yīng)力的修正方法

（3）對(duì)比評(píng)價(jià)三種監(jiān)測(cè)方法

圖4 傳感器埋設(shè)λ置

詳細(xì)的試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析就不做描述了，若感興趣的同仁可以單獨(dú)找我討論，這里僅和大家分享一下試驗(yàn)成果，不足之處希望批評(píng)指正。

4.影響混凝土支撐軸力的因素及修正方法

影響混凝土支撐軸力因素很多，包括傳感器安裝是否正確、傳感器靈敏度、風(fēng)荷載、地面堆載、溫度、混凝土支撐配筋、混凝土收縮與徐變等。

（1）傳感器靈敏度

傳感器的靈敏度越高，意ζ著它可以檢測(cè)到被測(cè)物理量的變化越小，但通常測(cè)量范Χ也會(huì)越窄，對(duì)外界干擾也就越敏感，在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，選擇不同的傳感器對(duì)所測(cè)的物理量差異也存在一定的影響。

（2）混凝土支撐配筋

目前普遍應(yīng)用的混凝土軸力計(jì)算公式是將混凝土截面積按其和鋼筋彈性模量關(guān)系折算成鋼筋的截面積，然后根據(jù)ÿ個(gè)應(yīng)力計(jì)測(cè)量的平均值計(jì)算鋼筋單λ截面積所受應(yīng)力值，再根據(jù)單λ截面積的應(yīng)力值，計(jì)算換算后的整個(gè)支撐截面的應(yīng)力值，中間存在著一定的換算過(guò)程和換算假設(shè)，因此換算后的計(jì)算結(jié)果和實(shí)際值必然存在一定的誤差，因此，混凝土支撐配筋、截面積以及彈性模量指標(biāo)也會(huì)影響支撐軸力監(jiān)測(cè)的精確性。

（3）溫度

溫度對(duì)混凝土支撐軸力的影響是顯著的，因?yàn)殇摻钜约皞鞲衅鞅旧淼臒崤蛎浵禂?shù)大于混凝土，因此隨著溫度的變化，鋼筋中也會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，這是導(dǎo)致混凝土支撐軸力過(guò)大的主要原因之一，下圖是2012年5月12日同一天不同溫度下各混凝土支撐的軸力（鋼筋應(yīng)力計(jì)算所得軸力）情況：

圖5 混凝土支撐不同溫度下軸力

由上圖可以看出大多數(shù)支撐在溫度相對(duì)低時(shí)的軸力比溫度高的軸力要小，而且都小1000kN左右。

在監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，不少監(jiān)測(cè)人員認(rèn)為溫度對(duì)振弦式應(yīng)力計(jì)的影響很少，可忽略不計(jì)，以至于û有加上溫度修正，若加上溫度修正，其計(jì)算公式為：

式中  

b.溫度補(bǔ)償系數(shù)推定

為了測(cè)得溫度對(duì)應(yīng)力計(jì)的影響，必須具備兩個(gè)條件：一是需要一個(gè)較為明顯的溫差；二是維持恒荷載條件，連續(xù)測(cè)量；實(shí)際測(cè)量時(shí)，從混凝土澆筑后，收縮頻率基本穩(wěn)定時(shí)開(kāi)始測(cè)量溫度與頻率的關(guān)系，測(cè)得溫度變化引起的應(yīng)力計(jì)頻率-溫度關(guān)系，選用最佳擬合直線(xiàn)的斜率作為修正溫度系數(shù)kt，由于出廠(chǎng)時(shí)的應(yīng)力計(jì)跟現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力計(jì)所處的狀態(tài)不同，即使廠(chǎng)家給出溫度補(bǔ)償系數(shù)，也不能直接運(yùn)用，需要根據(jù)工程的不同情況去推定，本工程的補(bǔ)償系數(shù)平均值為kt=0. 146 kN /0C。

（4）混凝土的收縮和徐變

導(dǎo)致混凝土支撐軸力過(guò)大的主要原因也包括混凝土的收縮和徐變。一般在混凝土澆筑完畢后5天，收縮和徐變對(duì)于混凝土支撐軸力的影響十分顯著，圖6是工作井混凝土支撐澆筑完后5天內(nèi)且δ開(kāi)挖頻率值的變化（混凝土為補(bǔ)償性收縮混凝土）：

圖6 混凝土澆筑完五天內(nèi)頻率變化曲線(xiàn)

a.混凝土收縮的影響

鋼筋混凝土支撐澆筑完畢后，混凝土一直在發(fā)生體積收縮�；炷�土收縮是混凝土體內(nèi)水泥凝膠體中游離水蒸發(fā)，而使其本身體積縮小的一種物理化學(xué)現(xiàn)象，影響混凝土收縮的因素包括環(huán)境的相對(duì)空氣濕度、環(huán)境溫度、構(gòu)件的厚度、水灰比和混凝土齡期。

由于混凝土與鋼筋的剛度不同，混凝土收縮比鋼筋要快得多，考慮到假設(shè)條件兩者變形協(xié)調(diào)，鋼筋混凝土中的鋼筋便會(huì)阻礙混凝土的收縮變形，在阻礙過(guò)程中鋼筋就會(huì)發(fā)生形變，產(chǎn)生附加應(yīng)力，這一附加應(yīng)力隨著時(shí)間而持續(xù)增大，直到混凝土收縮趨于穩(wěn)定。這一附加應(yīng)力主要是由于混凝土收縮引起的，導(dǎo)致通過(guò)應(yīng)力計(jì)反算混凝土支撐軸力偏大，跟基坑的開(kāi)挖û有任何關(guān)系。

b.混凝土徐變的影響

混凝土的徐變與外力荷載及時(shí)間均有關(guān)系，在持續(xù)荷載作用下，混凝土內(nèi)水泥膠體微孔隙中的游離水將從ë細(xì)管里擠出并蒸發(fā)，導(dǎo)致膠體體積縮小，形成徐變過(guò)程，是混凝土結(jié)構(gòu)的非彈性變形隨時(shí)間不斷增加的一種現(xiàn)象。

影響混凝土徐變的因素有荷載、混凝土齡期、環(huán)境條件、混凝土配合比、構(gòu)件厚度、時(shí)間長(zhǎng)短、歷史應(yīng)力等。

混凝土澆筑完畢后，其徐變隨著齡期的變化而逐漸增大，直至趨于穩(wěn)定。徐變的發(fā)生會(huì)增大混凝土結(jié)構(gòu)的變形；而對(duì)于鋼筋，雖然也會(huì)發(fā)生徐變，但是徐變的速率遠(yuǎn)û有初期的混凝土徐變速率大，因?yàn)殇摻畹男熳冎慌c當(dāng)前應(yīng)力相關(guān)，與歷史應(yīng)力無(wú)關(guān)，混凝土軸向變形速率要大于鋼筋的軸向變形速率，鋼筋就必然會(huì)阻礙混凝土收縮變形，在阻礙過(guò)程中鋼筋也就必然會(huì)發(fā)生變形，產(chǎn)生附加的壓應(yīng)力，從而導(dǎo)致通過(guò)鋼筋計(jì)的頻率反算出混凝土的軸力偏大。

c.修正關(guān)鍵-傳感器初始值的選取

在監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，對(duì)于采用傳感器求混凝土支撐軸力的方法，測(cè)量初始值的爭(zhēng)議較大，有人認(rèn)為應(yīng)該取δ安裝狀態(tài)下的值為初始值，或直接用標(biāo)定系數(shù)中的初始值，有人認(rèn)為應(yīng)該取剛安裝完后的讀數(shù)，也有人認(rèn)為應(yīng)該取基坑開(kāi)挖前的值作為為初始值。總結(jié)之前的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)該取基坑開(kāi)挖前的數(shù)值作為初始值，因?yàn)樵诨炷�土支撐澆筑后，混凝土的硬化收縮和徐變等因素都必然會(huì)導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生一定量的附加壓力，如采用標(biāo)定系數(shù)作為初始值，則后續(xù)監(jiān)測(cè)過(guò)程中所測(cè)算的軸力值就必然包含了這種附加壓力，但其并不是因基坑開(kāi)挖所引起的，這樣就會(huì)導(dǎo)致測(cè)算的軸力相對(duì)于設(shè)計(jì)軸力值偏大；所以采用取基坑開(kāi)挖前的數(shù)值作為初始值的選取方案可有效避免附加壓力對(duì)支撐綜合軸力的影響，從而使得實(shí)測(cè)支撐軸力值更接近于支撐真實(shí)受力值，使結(jié)果更為精確。

（5）基坑開(kāi)挖后Χ護(hù)結(jié)構(gòu)λ移及立柱¡沉

基坑開(kāi)挖過(guò)程中，基底土體會(huì)有一個(gè)卸載回彈的過(guò)程，基坑內(nèi)外的土體狀態(tài)也會(huì)有一個(gè)由原來(lái)的靜止土壓力向被動(dòng)和主動(dòng)土壓力的轉(zhuǎn)變過(guò)程，從而引起立柱¡沉、Χ護(hù)結(jié)構(gòu)承受荷載產(chǎn)生變形；而Χ護(hù)結(jié)構(gòu)、立柱之間的變形差異導(dǎo)致支撐受力并不是單純的軸向受力，存在一定的扭矩，所測(cè)得應(yīng)力分布不均，從而導(dǎo)致計(jì)算的軸力值與理論值存在偏差，該部分也是軸力監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象。

5.使用三種傳感器進(jìn)行軸力監(jiān)測(cè)的方法對(duì)比

（1）表面應(yīng)變計(jì)

表面應(yīng)變計(jì)長(zhǎng)期暴¶于空氣中,由于日照的影響，應(yīng)變筒與振弦的線(xiàn)膨脹系數(shù)與溫度變化不一致，通常是應(yīng)變筒的溫度比振弦的溫度高，由于施工的不確定性，不可能保證ÿ一次測(cè)量都在日出以前均勻的溫度場(chǎng)下完成測(cè)試工作，這就必然會(huì)影響測(cè)量軸力的精確性。而且，傳感器置于混凝土表面，極易受到外力影響或損壞。因此，一般情況下不推薦使用表面應(yīng)變計(jì)。

（2）鋼筋應(yīng)力計(jì)

鋼筋應(yīng)力計(jì)反映的混凝土支撐軸力變化曲線(xiàn)跟溫度變化曲線(xiàn)基本是吻合的，其對(duì)溫度的反應(yīng)極其敏感，且傳感器埋設(shè)于混凝土支撐內(nèi)，不易受外部人為觸碰的影響，在進(jìn)行溫度修正后，其觀測(cè)數(shù)據(jù)較穩(wěn)定。

（3）混凝土應(yīng)變計(jì)

混凝土應(yīng)變計(jì)的測(cè)試結(jié)果也隨著溫度的變化而變化，但是其相對(duì)于溫度的敏感性較弱，而且曲線(xiàn)相對(duì)于溫度曲線(xiàn)變化有所滯后，揚(yáng)州地區(qū)該監(jiān)測(cè)周期內(nèi)滯后約5~6小時(shí)，因此在溫差變化較大或者不易進(jìn)行溫度修正計(jì)算的地區(qū)，可使用混凝土應(yīng)變計(jì)進(jìn)行觀測(cè)。

6.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)應(yīng)變傳感器觀測(cè)混凝土支撐內(nèi)部應(yīng)變量，再計(jì)算獲取軸力值畢竟是一種間接的監(jiān)測(cè)方法，其過(guò)程中假設(shè)的理想條件很多，如混凝土、鋼筋的協(xié)調(diào)變形問(wèn)題，混凝土支撐自重的影響，實(shí)際混凝土的強(qiáng)度是否符合所選取的彈性模量等等，因此，該類(lèi)監(jiān)測(cè)方法更多的是提供軸力變化趨勢(shì)，而不能準(zhǔn)確的獲取軸力值。希望今后能夠與大家一起探索其他更直接的觀測(cè)方法或者間接觀測(cè)方法。