刘建军

(宁波市轨道交通集团有限公司,浙江宁波 315000)

支撑轴力是基坑监测的重要指标[1]。 目前,对混凝土支撑轴力的监测多采用钢弦式应力计,其原理为:钢弦因外力作用发生变形,其振动频率随之发生改变,物理量转变为电量[2]。 不少学者对钢筋混凝土支撑轴力监测的相关问题进行了研究。 潘华[3]认为环境温度是影响混凝土支撑轴力监测结果的主要因素。 鲁智明[4]等介绍了混凝土支撑轴力的计算原理,并提出了温度修正的轴力计算方法。 王辉[5]分析了基坑施工过程中支撑轴力监测数据变化情况,建议计算时需消除温度影响导致的附加轴力值。

选取宁波某地铁车站基坑支护工程混凝土支撑轴力进行试验研究,依据实测数据,研究各因素对混凝土支撑轴力测试结果的影响。

1 概述

1.1 混凝土支撑轴力监测的影响因素

(1)测试温度的影响

根据相关研究,实测轴力和实际轴力的偏差值随着初测温度和测试温度差异的增加而变大[6]。

(2)混凝土收缩和徐变的影响

混凝土支撑浇筑后,钢筋与混凝土都会随着时间发生徐变。 两种材料徐变量存在差异,钢筋的徐变量较混凝土小,钢筋会产生附加轴向压应力,混凝土会产生附加轴向拉应力。 在此作用下,会使支撑体系产生附加应力。 如果轴力的初值采集时间过早,将导致测出的轴力数据偏大[7]。

(3)偏心荷载的影响

基坑的开挖是基底土体卸载回弹的过程,土体应力状态的改变,会使立柱和围护桩发生隆起[8]。 混凝土支撑不仅承受轴向压力,还承受偏心荷载作用(包含弯矩、剪力和扭矩[9])。 因此,在实际监测过程中,4 个角点测得的轴力往往不同。

1.2 混凝土支撑轴力监测优化建议

(1)应尽量选在温度接近的时段进行支撑轴力的日常测量。 如果温差较大,应对测算数据进行修正。

(2)尽量延后初值的采集时间,以减小混凝土收缩和徐变产生的附加压力对支撑轴力监测数据的影响。

(3)应在支撑的4 个角设置钢筋计,取测量的平均值作为测算数据,以减少偏心荷载对监测数据的影响。

2 工程概况

宁波市某地铁车站基坑采用了“地下连续墙+混凝土支撑”的围护结构形式。 其中,地下连续墙墙厚1.0 m,墙高36.1 m,基坑的平均宽度为53 m,平均开挖深度为16.88 m。 基坑开挖涉及到的土层自上而下主要有:杂填土(层厚2.5 m)、灰色淤泥质粉质黏土(层厚4.3 m)、灰色含黏性土粉砂(层厚3.2 m)、灰色淤泥质黏土(层厚4 m)、灰黄色可塑状黏性土(层厚5.1 m)。

本工程地下水由浅部土层中的潜水、砂性土层中的微承压水及深部粉(砂)性土层中的承压水组成,潜水主要赋存于黏性土中。 地下水位随降雨、潮汛影响而略有变化,根据区域地质资料,地下水位变化幅度一般在0.5 ～1.0 m 之间。 承压水赋存于灰色粉砂、灰黄色砂质粉土中,被地下连续墙隔断。

3 试验研究

3.1 监测点布置

基坑西南侧第一道混凝土支撑的轴力监测点布置见图1。 钢筋应力计应严格按照以下要求进行安装:将支撑总长度三分之一处的主筋切断,并在切断部位焊接钢筋应力计,在平行于支撑轴线的方向将钢筋计和钢筋主筋焊接牢固,搭焊的长度应满足规范要求[10]。 为避免焊接产生的高温致钢筋计内部的元器件损坏,应使用湿布包裹钢筋计[11]。 为方便测试,在浇筑支撑混凝土时,应将钢筋应力计上的电线引至合适位置,其原因为:①支撑长度三分之一位置的截面所承受弯矩作用较小,该截面受偏心荷载的作用较小[12]。 ②若采用绑扎的方式将钢筋应力计固定在主筋上,易导致钢筋计在支撑受力过程中与钢筋发生相对偏移,使得监测数据较实际轴力值偏大[13]。 在混凝土支撑四角设置钢筋计进行测量并取平均值,可以较为准确地反映支撑的实际受力状况。

图1 测点布置

3.2 轴力计算

本工程采用钢筋应力计测量混凝土支撑轴力,计算公式为

图2 钢筋计布设

其中:

N—受力值/kN;

n—钢筋应力计数量,n=4;

k—标定系数,k=5.1×10-5kN/Hz2;

Ab—支撑截面面积,Ab=1 m2;

As—钢筋截面面积,As=7 602 mm2;

f0—初始频率读数/Hz;

fi—观测频率读数/Hz;

Ec—混凝土弹性模量,Ec=30 GPa;

Es—钢筋弹性模量,Es=200 GPa;

Asj—第sj钢筋计的截面积,Asj=380.1 mm2;

Tsj—应力计的温度修正系数,10-6/℃,取值见表1;

Ti—应力计的本次测试温度值/℃;

T0—应力计的初始测试温度值/℃。

3.3 试验简介

以第一道混凝土支撑5 个轴力监测点(编号为zh8-1 ～zh12-1)为研究对象,研究混凝土支撑轴力监测的影响因素。

(1)验证混凝土徐变的影响

分别取第一道混凝土支撑浇筑后3 d、7 d、14 d、21 d、28 d 的频率作为初始频率,计算某天(2012 年11 月19 日,现场工况为第一道支撑下土方开挖)的支撑轴力。 支撑轴力的测量应选在每天温度接近的时段进行。

(2)验证温度的影响

验证温度对混凝土支撑轴力测试结果的影响,需满足两个条件:①选取温度变化较明显的时段;②在同一工况下,维持恒荷载不变的条件进行连续测量。 实际测量过程中,支撑混凝土浇筑后28 d 以后,支撑轴力受混凝土徐变影响的收缩频率基本趋于稳定,在某天(2012-11-15)早、中、晚各测4 次支撑轴力的频率,同时记录每次测量的环境温度。 由环境温度-频率关系得出现场温度应力修正系数,并与厂家提供的温度应力修正系数进行比较。

(3)轴力比较

综合分析4 个角点处钢筋应力计的支撑轴力,比较轴力值的大小,分析支撑受压状况。

图3 初始频率轴力影响曲线

图4 混凝土支撑轴力实测频率受温度影响曲线

图5 典型轴力实测频率与环境温度关系拟合曲线(zh12-1)

3.4 试验结果分析

可由不同初始频率计算得到支撑轴力曲线(见图3),由图3 可知,支撑轴力整体呈递减趋势。 以第3 d作为初始频率,混凝土轴力平均值为2 600 kN,以第28 d 作为初始频率,混凝土轴力平均值为644 kN,两者差值为1 956 kN。 由此可见,混凝土徐变产生的附加压力对支撑轴力测试值影响较大。

图4 为轴力实测频率与环境温度的关系。 现场工况为第一道混凝土支撑浇筑完毕,基坑尚未开挖,当日最低环境温度为16 ℃,最高环境温度为26 ℃。 由图4 可知,随着温度升高,轴力频率减小,由此可以得出,温度对混凝土支撑轴力影响较为显著。

温度修正系数为频率与环境温度关系拟合直线的斜率值(见图5)[15]。 钢筋应力计厂家给出的温度修正系数Ts0是应力计在自由状态下测得的,在现场工况下,应力计处于受力状态,相较于自由状态,其温度修正系数有所不同。 由图5 可知,对应4 个角位置的温度应力修正系数分别为:Ts1=1.92、Ts2=2.21、Ts3=1.87、Ts4=2.4,平均值Ts=2.1,这与厂家提供的温度修正参数Ts0=0.272 存在较大差异。 因此,钢筋应力计应采用现场实测修正系数。 各测点现场实测温度修正系数见表1。

表1 现场实测温度修正系数

表2 为钢筋计实测轴力统计。 由表2 可以看出,4 个角点钢筋计的实测轴力值均不相同。 其中,zh8-1 钢筋计实测轴力最小值为1 500.2 kN,最大值为5 202.1 kN,差值为3 701.9 kN,轴力最小值约为最大值的30%。 说明混凝土支撑受到较大偏心荷载的作用,导致支撑4 个角的受力存在较大的差异。

4 监测方案优化及现场数据分析

基于以上各因素对混凝土支撑轴力监测的影响,为准确反映混凝土支撑的实际受力状况,优化了现场监测作业实施方案:①支撑轴力的日常测量,应选在每天温度接近的时段进行。 如果温差较大,可按照式(1)对监测数据进行修正,现场实测修正系数见表1。②在混凝土支撑浇筑28 d 后、基坑开挖前采集初值。③分别在混凝土支撑的4 个角点设置钢筋计,取测量的平均值作为测算数据。

表2 钢筋计实测轴力统计 kN

图6 典型轴力时程曲线(zh12-1)

表3 轴力实测最大值与设计值对比统计 kN

图6 为混凝土支撑轴力时程曲线,随着基坑被动区土方的开挖,混凝土支撑轴力呈增大趋势。 从开挖至第二道支撑浇筑之前,支撑轴力呈快速增长趋势,轴力达到了2 900 kN,约为最大轴力值的92%;第二道支撑浇筑后,支撑开始分担坑外主动区土压力,第一道支撑轴力趋于稳定,所测支撑轴力数据与现场工况相符。表3 为混凝土支撑轴力设计值和实测值对比,由表3 可知,实测轴力最大值接近理论设计轴力值,说明监测方案精确性较高。