基坑混凝土支撑轴力监测值修正方法

2021-11-13徐昭辰章定文朱湘旭王治宇

建筑科学与工程学报 2021年6期

徐昭辰，王强，章定文，朱湘旭，王治宇

(1. 东南大学交通学院，江苏南京 211189； 2. 东南大学道路交通工程国家级实验教学示范中心，江苏南京 211189； 3. 中建八局轨道交通建设有限公司，江苏南京 210046)

0 引言

钢筋混凝土支撑轴力监测值是支撑工作状态的判断指标，也是基坑支护结构安全与否的主要判别依据[1-3]。基坑工程中混凝土支撑轴力监测值经常超过设计限值但支撑仍完好无损，且基坑的其他监测指标均处于正常范围内，混凝土支撑轴力监测值存在与基坑的安全稳定状态不一致的问题[4-6]。混凝土支撑轴力通常采用振弦式钢筋应力计(简称钢筋计)测试，假设混凝土应变与钢筋应变相同，通过测量钢弦频率换算出钢筋计的应力计算钢筋应变，再结合混凝土支撑的物理力学参数间接计算支撑轴力[7]。

钢筋计初始频率、大气温度、混凝土弹性模量和混凝土收缩、徐变等非荷载因素均会影响混凝土支撑的轴力监测值。不少学者开展了非荷载因素对混凝土支撑轴力监测值的影响研究。张哲[4]和陈科[8]指出钢筋计的频率在混凝土浇筑前后和养护前后都会发生明显的变化，并建议取混凝土浇筑并养护完成后的频率作为初始频率。Boone等[9]指出钢筋计监测的应变中包含了温度变化引起的应变，计算轴力时应进行温度修正。Blackburn等[10]指出由温度变化引起的轴力可达支撑轴力的40%，必须考虑温度引起的附加应力的影响。刘畅等[11]基于某停工基坑16个月连续监测结果指出，混凝土支撑轴力监测值随大气温度变化而变化，当气温从11 ℃下降到-2 ℃时，轴力下降幅度可超过12 000 kN。一些学者研究表明，经过混凝土收缩、徐变修正的轴力计算值为监测原始值的30%～60%，收缩和徐变是影响轴力监测的重要因素[12-16]。

混凝土支撑轴力的监测原始值与真实值间存在较大误差。已有研究大多针对某单一因素进行分析，较少考虑多因素的共同作用。为此，本文综合钢筋计初始频率、温度、混凝土模量、混凝土收缩和徐变等因素的影响，提出了考虑多因素影响的混凝土支撑轴力监测值修正方法，并采用宁句城际轨道句容站基坑工程的实测数据验证该方法的合理性，以期为混凝土支撑轴力监测值分析提供参考。

1 宁句城际轨道句容站基坑工程概况

1.1 工程概况与工程地质条件

句容站基坑标准宽度为20.7 m，一期基坑长约308 m，底板埋深为16.68～19.51 m。基坑采用明挖法施工，围护结构采用φ1 000@800 mm钻孔咬合桩，桩长21 m。支撑体系为3道水平内支撑，第1道为钢筋混凝土支撑，截面尺寸为800 mm×1 000 mm，间距约8 m，第2道和第3道为φ609×16钢支撑，间距约4 m。桩顶设置钢筋混凝土冠梁，断面尺寸为1 000 mm×1 400 mm。基坑剖面设计如图1所示。

图1 基坑支护剖面(单位：m)Fig.1 Section of Foundation Pit Supports (Unit:m)

基坑开挖范围内的主要土层包括杂填土、粉质黏土、强风化粉砂质泥岩、中风化凝灰角砾岩和破碎凝灰角砾岩，主要物理力学参数见表1。场地地下水主要包括松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。松散岩类孔隙水主要为孔隙潜水，近地表分布。基岩裂隙水主要赋存于粉砂质泥岩、中风化凝灰角砾岩和凝灰角砾岩强风化带。潜水与下伏基岩裂隙水之间的水力联系微弱，地下水对基坑开挖影响较小。

表1 土层主要物理力学参数Table 1 Physical and Mechanical Parameters of Soil Layers

1.2 混凝土支撑轴力监测点布置与监测值分析

采用钢筋计监测混凝土支撑轴力，监测点布置如图2所示。基坑施工过程中，土体开挖第1天就有部分支撑的轴力监测值超过了报警值，随着开挖进行，基坑所有混凝土支撑的轴力均远超设计限值并保持超高轴力状态直至拆除，但基坑周围地表沉降和桩身水平位移等项目的监测值均小于设计限值，混凝土支撑自身也未出现裂缝、掉块等现象，基坑及其周边环境均处于稳定安全状态。部分混凝土支撑的轴力最大监测值与设计限值见表2。施工现场采用2根钢支撑替换监测点ZL6-1处的混凝土支撑，钢支撑的轴力最大值仅为420 kN，远小于混凝土支撑轴力监测值，这表明支撑轴力实际值与监测值差异显著。

表2 部分混凝土支撑轴力监测最大值及限值Table 2 Maximum and Limited Values of Monitoring Axial Forces of Partial Concrete Struts

图2 句容站混凝土支撑轴力监测点布置Fig.2 Monitoring Points of Axial Force of Concrete Struts at Jurong Station

2 基于理论的修正公式法

2.1 混凝土支撑轴力的理论修正公式

在计算混凝土支撑轴力时，理想的应变只包含支撑在两侧围护结构作用下的变形，故轴力计算公式中应对混凝土收缩应变、徐变应变和温度应变进行修正。混凝土的收缩和徐变有多种计算模型[17-19]，本文采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[20]中的方法进行计算。

(1)

(2)

(3)

式中：kn为混凝土长期内力分配系数；ρs为钢筋混凝土支撑配筋率；ne为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量比值；εcs和φ(t,t0)分别为混凝土收缩应变和混凝土徐变系数，由《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[20]条文说明附录K中的公式进行计算。

温度补偿应变εT[22]为

εT=(αs-αc)ΔT

(4)

式中：αs，αc分别为钢弦和混凝土的热膨胀系数；ΔT为某时刻大气温度与初始温度的差值。

由式(1)～(4)及钢筋计平均应变εs可得混凝土支撑修正应变εr为

(5)

考虑混凝土应力-应变关系的混凝土截面应力[20]σc为

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：Ec为混凝土弹性模量；ρc，n为混凝土单轴受压应力-应变关系参数；fcm为混凝土平均抗压强度；εcr为与fcm相应的混凝土峰值压应变；fck为混凝土抗压强度标准值；δc为混凝土强度变异系数。

钢筋截面应力σs为

σs=εsEs

(10)

式中：Es为钢筋弹性模量。

由式(6)～(10)可得混凝土支撑轴力监测修正值Nc为

Nc=σsAs+σcAc

(11)

式中：Ac为混凝土截面总面积；As为钢筋截面总面积。

采用修正公式(11)对句容站基坑的ZL2-1，ZL3-1监测点处的混凝土支撑轴力进行计算，相关的计算参数见表3，其中RH为年平均相对湿度。由于缺少温度数据，计算时暂不考虑温度修正。

表3 混凝土支撑轴力计算系数Table 3 Calculation Coefficients of Axial Force of Concrete Strut

2根支撑的轴力修正计算结果如图3所示。由图3可见：修正后的轴力值与原始监测值相差较大，ZL2-1，ZL3-1处混凝土支撑轴力的最大监测值分别为12 828，16 937 kN，而修正后的最大轴力分别为7 774，10 089 kN；修正轴力值与监测值的差距随着时间t的增加而逐渐增加，当t=30 d时，修正值约为原始监测值的64%，而当t=100 d时，修正值仅为原始监测值的55%。随着基坑开挖时间的增加，混凝土收缩、徐变等因素对轴力监测值的影响也逐渐增大。

图3 混凝土支撑轴力监测值与修正值对比Fig.3 Comparison of Monitored and Corrected Axial Forces of Concrete Struts

图4 轴力修正系数随时间变化曲线Fig.4 Change Curves of Correction Factor of Axial Force with Time

2.2 各因素影响程度分析

分别仅进行徐变、收缩和弹性模量修正以探究各因素对支撑轴力的影响程度。ZL2-1处混凝土支撑轴力修正值如图5所示。仅弹性模量修正的计算结果约为监测值的98%，仅进行收缩修正的计算结果为监测值的82%～96%，仅进行徐变修正的计算结果为监测值的60%～87%。可见，对混凝土支撑轴力监测值影响程度由大到小依次为混凝土徐变、混凝土收缩和混凝土弹性模量，徐变是影响轴力监测值的最主要因素。混凝土徐变的持续时间很长，徐变变形可比瞬时弹性变形大1倍～3倍，对混凝土支撑轴力监测值有显著影响[23]。

图5 不同因素修正后轴力随时间变化曲线Fig.5 Change Curves of Axial Force Corrected by Various Factors with Time

3 基于现场实测的修正系数法

混凝土支撑的轴力还可以采用现场试验进行修正，主要有残余轴力修正法和钢箱测试修正法。本研究对句容站基坑的部分混凝土支撑开展了残余轴力监测，对混凝土支撑2次切割及拆除过程中的支撑轴力进行连续监测，现场试验如图6所示。ZL12-1和ZL13-1处测试结果如图7所示，混凝土支撑在一端切割后轴力立刻下降，在另一端切割后轴力仍有小幅下降，在拆除后略有下降并趋于稳定，最终残余轴力值约为3 500 kN，由此计算得到混凝土支撑轴力修正系数为0.57。当t=100 d时，由图4中的包络线公式可算得理论修正系数K(t)=0.56，与本文现场试验得到的轴力修正系数接近。

图6 混凝土支撑残余轴力监测试验现场Fig.6 Residual Axial Force Monitoring Test Site of Concrete Struts

图7 混凝土支撑残余轴力监测结果Fig.7 Residual Axial Force Monitoring Values of Concrete Struts

文献[24]和文献[25]采用钢箱测试法分析同一支撑混凝土段和钢箱段的轴力监测值，其结果如图8所示。支撑钢箱段的轴力监测值小于混凝土段的监测值，两者的差距在主要施工阶段随时间增加而增大，而后基本维持稳定，与理论公式计算得到的变化趋势相同。支撑轴力趋于稳定后，3根支撑钢箱段的轴力监测值分别为混凝土段的0.48倍、0.63倍、0.56倍。