軟土地區(qū)深基坑混凝土支撐梁軸力監(jiān)測值計算方法優(yōu)化

摘要：軟土地區(qū)深基坑支護監(jiān)測經(jīng)常遇到混凝土支撐梁軸力報警且預警時間較早的情況，對施工進度和風險管控帶來干擾。以珠海橫琴佳景美食廣場基坑支護支撐梁報警為例，根據(jù)其他指標監(jiān)測數(shù)據(jù)的預警狀態(tài)，再結合實際現(xiàn)場巡查，綜合判斷基坑的安全性。進而提出基于混凝土應力-應變本構的軸力新計算方法。新計算方法得出的軸力監(jiān)測值約為原監(jiān)測值的50%～60%，且均未報警，新監(jiān)測值更能體現(xiàn)基坑的整體安全狀態(tài)。

關鍵詞：基坑； 混凝土支撐； 軸力監(jiān)測； 計算方法

中國分類號：TU94+2A

［定稿日期］2022-03-31

［作者簡介］袁暢（1992—），男，碩士，工程師，注冊巖土工程師，主要從事巖土設計及巖土監(jiān)測等工作。

0 引言

支撐梁軸力是樁撐支護體系的重要監(jiān)測指標，由于基坑施工邊界的復雜性及存在非荷載因素的影響，支撐結構軸力的實測值與設計值存在較大差異 ［1-3］ 。在軟土地區(qū)監(jiān)測中經(jīng)常遇到軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)報警且預警時間較早的情況，結合其他指標監(jiān)測數(shù)據(jù)和日常現(xiàn)場巡查進行綜合分析后，工程各方往往對監(jiān)測單位的軸力報警數(shù)據(jù)存在疑惑。這些給后續(xù)施工進度帶來影響，同時也給政府監(jiān)督部門風險管控帶來挑戰(zhàn)。

劉雄鷹等［4］通過鋼筋應力計和混凝土應變計分別對支撐軸力進行監(jiān)測，總結了2種軸力監(jiān)測傳感器的差異影響因素。金生吉等［5］通過某基坑軸力監(jiān)測值與Midas數(shù)值模擬值進行比較，分析了兩者差異的影響因素。吳連祥等［6］剔除混凝土收縮、徐變對支撐實測軸力的影響，綜合判斷支護結構的工作狀態(tài)。劉建軍［7］認為溫度、混凝土徐變、偏心荷載是影響軸力監(jiān)測值的主要因素。樓岱等［8］通過理論分析、數(shù)值模擬和工程實踐總結了不同工況的軸力監(jiān)測傳感器布設方式。肖振燁等［9］考慮非荷載因素對鋼筋混凝土支撐應變進行了修正，進而修正了軸力監(jiān)測值。章丹峰等［10］通過多種監(jiān)測傳感器開展對比試驗，研究結果認為軸力監(jiān)測值應取常用計算方法監(jiān)測數(shù)值的60%更為合理。以上研究主要針對影響軸力監(jiān)測值的因素開展了大量工作，但未涉及到支撐梁軸力監(jiān)測值的計算方法。本文通過其他監(jiān)測指標和現(xiàn)場巡查情況綜合判斷基坑安全性，進而提出一種基于應力-應變本構模型的軸力值計算方法。

1 混凝土支撐梁軸力監(jiān)測值計算原方法

對于混凝土支撐桿件，目前主要采用預埋設鋼筋應力計或混凝土應變計進行軸力監(jiān)測。混凝土應變計因其價格便宜且現(xiàn)場安裝方便，支撐梁內(nèi)力監(jiān)測一般采用應變計。應變計在支撐梁綁扎鋼筋籠時捆綁在主筋上，并令其受力方向與主筋軸向平行，安裝截面選在距梁柱節(jié)點L/3處（L為支撐梁長度）。監(jiān)測斷面布置4個混凝土應變計，對于截面尺寸較大的支撐監(jiān)測斷面點可以布置6個混凝土應變計，位置分別選擇在四側的中間位置或支撐斷面的角點處。

支撐梁內(nèi)力計算公式作出基本假設：

（1）混凝土和鋼筋未發(fā)生滑移，共同受力狀態(tài)，兩者應變相同。

（2）支撐梁的混凝土和受壓鋼筋變形處于彈性變形階段，滿足廣義胡克定律σ=εE。

（3）截面應力均勻分布，用平均應變表示整個截面受力。

式中：f1：測定頻率（Hz）；f0：應變計安裝完成測定初始頻率（Hz）；K：標定系數(shù)（ε/Hz2）；εi：監(jiān)測截面第i個應變計的應變；：監(jiān)測截面的平均應變；Es、As：鋼筋的彈性模量（N/mm2）及監(jiān)測截面鋼筋面積（mm2）；Ec、Ac：混凝土的彈性模量（N/mm2）及監(jiān)測截面混凝土面積（mm2）；F：支撐梁軸力（kN）。

2 工程概況

佳景美食廣場基坑支護工程項目位于珠海市橫琴中心溝，橫琴新家園小區(qū)北側，共建3層地下室。基坑支護開挖深度為14.10 m，支護長度約520.3 m，面積約為13 646.8 m2。

珠海橫琴地區(qū)基坑開挖涉及主要土層為人工填土和淤泥，具體土層分布和參數(shù)見表1。地下水主要屬潛水，根據(jù)其賦存方式分為：一是第四系土層孔隙潛水；二是基巖裂隙潛水，潛水穩(wěn)定水面埋藏深度介于0.00～0.80 m之間，中砂層（2-4）和粗砂層（2-5）為承壓含水層。

該基坑工程安全等級為一級，采用放坡+支護樁+內(nèi)支撐的支護方式，并在樁間設置單管旋噴樁、水泥攪拌樁的整體止水的支護方案。支護樁采用1 200@1 400 mm的鉆孔灌注樁，冠梁截面尺寸為1 400 mm×1 000 mm，第1道內(nèi)支撐截面尺寸為1 000 mm×1 000 mm，第2道內(nèi)支撐截面尺寸1 200 mm×1 000 mm。各監(jiān)測項目的點位平面布置見圖1。

基坑支撐梁軸力監(jiān)測在開挖期間出現(xiàn)過多個報警點，且有部分報警點的監(jiān)測最終數(shù)值極大，見表2。本基坑全區(qū)域于2020年7月23開挖到底。第1道支撐梁軸力監(jiān)測于2019年11月22日采初值，1-ZL8、1-ZL13于2020年1月29日開始報警，如圖2所示；第2道支撐梁軸力監(jiān)測于2020年4月15日采初值，2-ZL10、2-ZL13于2020年5月15日開始報警，如圖3所示。

2.支撐梁混凝土強度均為C35；

3.表中理論計算值和監(jiān)測值均為基坑開挖到底時的數(shù)值。

項目坑頂水平位移累計值預警值30 mm、深層水平位移累計值預警值50 mm、支撐軸力預警值最大值為60%f2符合GB 50497-2019《建筑基坑工程監(jiān)測技術標準》表8.0.4規(guī)定要求［11］。根據(jù)監(jiān)測結果顯示：坑頂水平位移和深層水平位移累計值均未報警，處于安全閾值之內(nèi)。項目日常現(xiàn)場巡查情況良好，混凝土支撐梁結構完整無裂縫，樁頂放坡坡面無開裂，支護體系完整。綜上，結合現(xiàn)場的日常巡查情況和坑頂水平位移、深層水平位移預警狀態(tài)綜合判斷：基坑處于安全狀態(tài)，軸力數(shù)據(jù)過大是由于其他因素造成。

3 基于混凝土應力-應變本構的軸力監(jiān)測值計算新方法

我國有關標準規(guī)定混凝土彈性模量是取30%軸心抗壓強度應力下的割線模量，而通過混凝土應力-應變本構關系可知E應該是不斷變化的，所以不能粗糙地通過固定的混凝土彈性模量σ=εEc來計算應力，而應該直接通過應力應變函數(shù)來計算軸力［12］。

關于混凝土受壓應力應變模型在國內(nèi)外學者大量的研究改進下已有數(shù)十條表達式，常見的表達式包括我國GB 50010-2010《混凝土結構設計規(guī)范》、歐洲規(guī)范CEB-FIP model code、清華過鎮(zhèn)海、美國Hognestad的建議關系曲線。目前我國GB 50010-2010《混凝土結構設計規(guī)范》采用的是德國魯西提出的二次拋物線加水平直線，如圖4所示。

根據(jù)GB 50010-2010《混凝土設計規(guī)范》，根據(jù)混凝土受壓時的應力-應變曲線，綜合考慮混凝土強度特性，將混凝土受壓時的應力-應變本構模型簡化為2段表達式［13］。

式中：σc：混凝土壓應變?yōu)棣與時的壓應力；fc：混凝土抗壓強度設計值；ε0：混凝土壓應力為fc時的混凝土壓應變，當計算的ε0小于0.002時取0.002；εcu：正截面的混凝土極限壓應變，當處于非均勻受壓且按公式8計算的值大于0.003 3時，取為0.003 3；當處于軸心受壓時取為ε0；fcu，k：混凝土立方體抗壓強度標準值;n：系數(shù)，要求n≤2.0。

鋼筋屈服階段前，可認為其符合廣義胡克定律σ=εE鋼筋因分擔軸力較小，加之鋼筋受力時處于線彈性階段，因此可用其彈性模量來計算其應力。

4 基于混凝土應力-應變本構模型的支撐梁軸力監(jiān)測值修正

以1-ZL8為示例，截面尺寸為1 000 mm×1 000 mm，受壓縱筋為12 541 mm2，混凝土強度為C35，選取1-ZL8在監(jiān)測日期2019/11/30的平均應變?yōu)?.78×10-5，則有：

基于混規(guī)的應力應變本構關系，對1-ZL8、1-ZL13、1-ZL15、2-ZL6、2-ZL10、2-ZL13軸力監(jiān)測值通過新算法進行修正，各點修正值見表3、表4。

由表3可知：原監(jiān)測值較早超過預警值，而修正后的1-ZL8、1-ZL13、1-ZL15各期監(jiān)測值都未報警，且距離預警值還有較大安全裕度。綜合考慮其他指標監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場巡查情況，認為修正后軸力監(jiān)測值更符合基坑的整體安全狀態(tài)。

由表4可知，原監(jiān)測值較早超過預警值，且開挖到底后的監(jiān)測值超過抗壓極限承載力設計值，而修正后的1-ZL8、1-ZL13、1-ZL15各期監(jiān)測值都未報警，綜合考慮其他指標監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場巡查情況，修正后的軸力監(jiān)測值更為符合基坑的整體安全狀態(tài)。

5 結論

（1）采用彈性模量法計算支撐內(nèi)力時，發(fā)現(xiàn)軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)過大，甚至會在開挖前期就發(fā)生預警。同其他指標的監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析，結合實際現(xiàn)場巡查情況，認為軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)不符合基坑整體安全狀態(tài)。基坑支護是體系結構，監(jiān)測指標種類繁多，應綜合性分析多項監(jiān)測指標的數(shù)據(jù)情況來判斷基坑整體安全性，避免用單一指標孤立評價。

（2）混凝土支撐梁軸力監(jiān)測值計算原方法是采用彈性模量來計算應力，而混凝土實際的應力-應變曲線是非線性的，且根據(jù)混凝土強度不同有所差異。基于混凝土強度特性的應力應變本構模型，采用新算法計算的各期軸力監(jiān)測值約為原監(jiān)測值的50%～60%，且均未報警，較原計算方法更能體現(xiàn)基坑的安全狀態(tài)。

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