深基坑混凝土支撐軸力監測研究

劉建軍

(寧波市軌道交通集團有限公司,浙江寧波 315000)

支撐軸力是基坑監測的重要指標[1]。 目前,對混凝土支撐軸力的監測多采用鋼弦式應力計,其原理為:鋼弦因外力作用發生變形,其振動頻率隨之發生改變,物理量轉變為電量[2]。 不少學者對鋼筋混凝土支撐軸力監測的相關問題進行了研究。 潘華[3]認為環境溫度是影響混凝土支撐軸力監測結果的主要因素。 魯智明[4]等介紹了混凝土支撐軸力的計算原理,并提出了溫度修正的軸力計算方法。 王輝[5]分析了基坑施工過程中支撐軸力監測數據變化情況,建議計算時需消除溫度影響導致的附加軸力值。

選取寧波某地鐵車站基坑支護工程混凝土支撐軸力進行試驗研究,依據實測數據,研究各因素對混凝土支撐軸力測試結果的影響。

1 概述

1.1 混凝土支撐軸力監測的影響因素

(1)測試溫度的影響

根據相關研究,實測軸力和實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,鋼筋與混凝土都會隨著時間發生徐變。 兩種材料徐變量存在差異,鋼筋的徐變量較混凝土小,鋼筋會產生附加軸向壓應力,混凝土會產生附加軸向拉應力。 在此作用下,會使支撐體系產生附加應力。 如果軸力的初值采集時間過早,將導致測出的軸力數據偏大[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,土體應力狀態的改變,會使立柱和圍護樁發生隆起[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,在實際監測過程中,4 個角點測得的軸力往往不同。

1.2 混凝土支撐軸力監測優化建議

(1)應盡量選在溫度接近的時段進行支撐軸力的日常測量。 如果溫差較大,應對測算數據進行修正。

(2)盡量延后初值的采集時間,以減小混凝土收縮和徐變產生的附加壓力對支撐軸力監測數據的影響。

(3)應在支撐的4 個角設置鋼筋計,取測量的平均值作為測算數據,以減少偏心荷載對監測數據的影響。

2 工程概況

寧波市某地鐵車站基坑采用了“地下連續墻+混凝土支撐”的圍護結構形式。 其中,地下連續墻墻厚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)、灰色淤泥質粉質黏土(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,根據區域地質資料,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、灰黃色砂質粉土中,被地下連續墻隔斷。

3 試驗研究

3.1 監測點布置

基坑西南側第一道混凝土支撐的軸力監測點布置見圖1。 鋼筋應力計應嚴格按照以下要求進行安裝: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力計,在平行于支撐軸線的方向將鋼筋計和鋼筋主筋焊接牢固,搭焊的長度應滿足規范要求[10]。 為避免焊接產生的高溫致鋼筋計內部的元器件損壞,應使用濕布包裹鋼筋計[11]。 為方便測試,在澆筑支撐混凝土時,應將鋼筋應力計上的電線引至合適位置,其原因為: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力計固定在主筋上,易導致鋼筋計在支撐受力過程中與鋼筋發生相對偏移,使得監測數據較實際軸力值偏大[13]。 在混凝土支撐四角設置鋼筋計進行測量并取平均值,可以較為準確地反映支撐的實際受力狀況。

圖1 測點布置

3.2 軸力計算

本工程采用鋼筋應力計測量混凝土支撐軸力,計算公式為

圖2 鋼筋計布設

其中:

N—受力值/kN;

n—鋼筋應力計數量,n=4;

k—標定系數,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/Hz;

fi—觀測頻率讀數/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鋼筋計的截面積,Asj=380.1 mm2;

Tsj—應力計的溫度修正系數,10-6/℃,取值見表1;

Ti—應力計的本次測試溫度值/℃;

T0—應力計的初始測試溫度值/℃。

3.3 試驗簡介

以第一道混凝土支撐5 個軸力監測點(編號為zh8-1 ～zh12-1)為研究對象,研究混凝土支撐軸力監測的影響因素。

(1)驗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,計算某天(2012 年11 月19 日,現場工況為第一道支撐下土方開挖)的支撐軸力。 支撐軸力的測量應選在每天溫度接近的時段進行。

(2)驗證溫度的影響

驗證溫度對混凝土支撐軸力測試結果的影響,需滿足兩個條件:①選取溫度變化較明顯的時段;②在同一工況下,維持恒荷載不變的條件進行連續測量。 實際測量過程中,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定,在某天(2012-11-15)早、中、晚各測4 次支撐軸力的頻率,同時記錄每次測量的環境溫度。 由環境溫度-頻率關系得出現場溫度應力修正系數,并與廠家提供的溫度應力修正系數進行比較。

(3)軸力比較

綜合分析4 個角點處鋼筋應力計的支撐軸力,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 混凝土支撐軸力實測頻率受溫度影響曲線

圖5 典型軸力實測頻率與環境溫度關系擬合曲線(zh12-1)

3.4 試驗結果分析

可由不同初始頻率計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,混凝土徐變產生的附加壓力對支撐軸力測試值影響較大。

圖4 為軸力實測頻率與環境溫度的關系。 現場工況為第一道混凝土支撐澆筑完畢,基坑尚未開挖,當日最低環境溫度為16 ℃,最高環境溫度為26 ℃。 由圖4 可知,隨著溫度升高,軸力頻率減小,由此可以得出,溫度對混凝土支撐軸力影響較為顯著。

溫度修正系數為頻率與環境溫度關系擬合直線的斜率值(見圖5)[15]。 鋼筋應力計廠家給出的溫度修正系數Ts0是應力計在自由狀態下測得的,在現場工況下,應力計處于受力狀態,相較于自由狀態,其溫度修正系數有所不同。 由圖5 可知,對應4 個角位置的溫度應力修正系數分別為: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Ts0=0.272 存在較大差異。 因此,鋼筋應力計應采用現場實測修正系數。 各測點現場實測溫度修正系數見表1。

表1 現場實測溫度修正系數

表2 為鋼筋計實測軸力統計。 由表2 可以看出,4 個角點鋼筋計的實測軸力值均不相同。 其中,zh8-1 鋼筋計實測軸力最小值為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,導致支撐4 個角的受力存在較大的差異。

4 監測方案優化及現場數據分析

基于以上各因素對混凝土支撐軸力監測的影響,為準確反映混凝土支撐的實際受力狀況,優化了現場監測作業實施方案:①支撐軸力的日常測量,應選在每天溫度接近的時段進行。 如果溫差較大,可按照式(1)對監測數據進行修正,現場實測修正系數見表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 個角點設置鋼筋計,取測量的平均值作為測算數據。

表2 鋼筋計實測軸力統計 kN

圖6 典型軸力時程曲線(zh12-1)

表3 軸力實測最大值與設計值對比統計 kN

圖6 為混凝土支撐軸力時程曲線,隨著基坑被動區土方的開挖,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,支撐開始分擔坑外主動區土壓力,第一道支撐軸力趨于穩定,所測支撐軸力數據與現場工況相符。表3 為混凝土支撐軸力設計值和實測值對比,由表3 可知,實測軸力最大值接近理論設計軸力值,說明監測方案精確性較高。