基坑工程混凝土支撐軸力監測方法的討論

基坑工程混凝土支撐軸力監測方法的討論

1.混凝土支撐軸力監測的問題及現狀

國內明挖基坑工程的監測中,混凝土支撐系統的軸力監測結果異常(軸力監測值過大，但實際工程結構中并非內力過大或不穩定；如：一根C35 1m×1m截面的鋼筋混凝土支撐，有時軸力監測值會達到20000~30000kN，而依然處于正常工作狀態)問題普遍地存在著，時常會對監測結果分析及工程施工的進行造成不必要的阻礙。如蘇州軌道交通一號線廣濟路站基坑混凝土支撐軸力監測數據，在實際監測過程中發現隨著基坑開挖深度的加深，基坑支撐的監測軸力值變化較快并遠大于設計值，有的甚至好幾倍，以標準段8-2道混凝土支撐軸力為例，最大監測軸力值接近15000kN，遠遠超過該段8700kN的設計值。廣州地鐵五號線員村站基坑工程,在D101監測點處支撐橫斷面下表面鋼筋所測應力為負值，即為拉應力，說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力為2.51 MPa，超過了混凝土的設計抗拉強度，就現場觀看支撐上表面有細微裂縫，而軸力平均值才達到1440.44 kN，還遠未達到軸力設計報警值3000 kN。廣州某地鐵基坑工程混凝土支撐系統的軸力監測結果起初均為負值，隨著基坑的開挖軸力值持續增大，一直到基坑開挖結束，最大值達到設計允許值的6倍，而支撐系統一直處于正常工作的狀態。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，占設計值204％；⑦軸軸力值為18994 kN，占設計值213％；已大大超過支撐的安全報警值，但支撐一直安全工作，未出現裂縫等不安全、失穩跡象。上海虹橋國際商城基坑開挖深度13.70m，3道混凝土支撐，第2道支撐(C351200mm×l000mm)軸力監測值最大處曾達到30500kN，已大大超過支撐的安全報警值，但支撐一直安全工作，未出現裂縫等不安全、失穩跡象，直至支撐拆除；南京地鐵指揮中心基坑開挖深度15.40m，4道鋼筋混凝土支撐，施工過程中第3道支撐(C35 1200mm×1000mm)軸力監測值最大處達到21000kN，已超出軸力安全報警值，但并未出現不安全工作的跡象，直至支撐拆除。南京鼓樓峨眉路北側某基坑工程混凝土軸力的設計值為2000kN，但是實際監測值基本上都超過2000kN，最大值5139kN，超過了設計值的2.5倍。青島地鐵一期工程火車北站A區基坑第一層混凝土支撐軸力采用混凝土應變計進行監測，期間日變化量波動很大，范圍在-1140kN~1560kN之間，甚至一天內上下午監測數據變化達800kN?？梢钥闯?，國內各基坑工程混凝土支撐軸力監測過程中，該監測異常的現象比較普遍。

本人參建揚州某大型市政工程，其基坑工程第一層多為混凝土支撐，現場監測采用鋼筋應力計進行混凝土支撐軸力的量測，自2012年3月6日，大部分混凝土支撐軸力監測值超過5000kN，有的甚至超過10000kN，遠大于設計軸力及設計所提控制值，現場就此事討論激烈。

2.混凝土支撐軸力的主要監測方法

在基坑工程中，混凝土支撐與鋼支撐不同，通過應力傳感器直接測得其軸力的大小是十分很困難的，均是通過傳感器觀測獲取鋼筋混凝土結構的應變量（假設混凝土與鋼筋協調應變），再計算其軸力。具體的監測方法分為三種：

（1）傳感器使用表面應變計，安裝于混凝土支撐表面，通過測得支撐表面的應變量來計算其軸力。

 

圖1 表面應變計及安裝實景圖

（2）傳感器使用混凝土應變計，安裝于混凝土支撐內部，通過測得混凝土內部的應變量來計算其軸力。

 

圖2 混凝土應變計及安裝實景圖

（3）傳感器使用鋼筋應力計，安裝于混凝土支撐的主筋上，通過測量鋼筋所受應力來計算其應變量，再計算整個支撐的軸力。

 

圖3 鋼筋應力計及安裝實景圖

3.試驗設計

筆者以揚州某大型市政工程為背景，選擇某混凝土支撐斷面為試驗斷面，同時安裝了鋼筋應力計、混凝土應變計、表面應變計進行對比試驗，獲取不同開挖工況下，不同傳感器測試所得的支撐軸力。通過對監測數據分析，達到以下目的：

（1）總結影響混凝土支撐軸力變化的因素

（2）探索對混凝土支撐軸力附加應力的修正方法

（3）對比評價三種監測方法

圖4 傳感器埋設位置

詳細的試驗過程及數據分析就不做描述了，若感興趣的同仁可以單獨找我討論，這里僅和大家分享一下試驗成果，不足之處希望批評指正。

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，意味著它可以檢測到被測物理量的變化越小，但通常測量范圍也會越窄，對外界干擾也就越敏感，在實際監測過程中，選擇不同的傳感器對所測的物理量差異也存在一定的影響。

（2）混凝土支撐配筋

目前普遍應用的混凝土軸力計算公式是將混凝土截面積按其和鋼筋彈性模量關系折算成鋼筋的截面積，然后根據每個應力計測量的平均值計算鋼筋單位截面積所受應力值，再根據單位截面積的應力值，計算換算后的整個支撐截面的應力值，中間存在著一定的換算過程和換算假設，因此換算后的計算結果和實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也會影響支撐軸力監測的精確性。

（3）溫度

溫度對混凝土支撐軸力的影響是顯著的，因為鋼筋以及傳感器本身的熱膨脹系數大于混凝土，因此隨著溫度的變化，鋼筋中也會產生附加應力，這是導致混凝土支撐軸力過大的主要原因之一，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（鋼筋應力計算所得軸力）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支撐在溫度相對低時的軸力比溫度高的軸力要小，而且都小1000kN左右。

在監測領域，不少監測人員認為溫度對振弦式應力計的影響很少，可忽略不計，以至于沒有加上溫度修正，若加上溫度修正，其計算公式為：

                          

式中  

b.溫度補償系數推定

為了測得溫度對應力計的影響，必須具備兩個條件：一是需要一個較為明顯的溫差；二是維持恒荷載條件，連續測量；實際測量時，從混凝土澆筑后，收縮頻率基本穩定時開始測量溫度與頻率的關系，測得溫度變化引起的應力計頻率-溫度關系，選用最佳擬合直線的斜率作為修正溫度系數kt，由于出廠時的應力計跟現場應力計所處的狀態不同，即使廠家給出溫度補償系數，也不能直接運用，需要根據工程的不同情況去推定，本工程的補償系數平均值為kt=0. 146 kN /0C。

（4）混凝土的收縮和徐變

導致混凝土支撐軸力過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天內且未開挖頻率值的變化（混凝土為補償性收縮混凝土）：

圖6 混凝土澆筑完五天內頻率變化曲線

a.混凝土收縮的影響

鋼筋混凝土支撐澆筑完畢后，混凝土一直在發生體積收縮?；炷潦湛s是混凝土體內水泥凝膠體中游離水蒸發，而使其本身體積縮小的一種物理化學現象，影響混凝土收縮的因素包括環境的相對空氣濕度、環境溫度、構件的厚度、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，考慮到假設條件兩者變形協調，鋼筋混凝土中的鋼筋便會阻礙混凝土的收縮變形，在阻礙過程中鋼筋就會發生形變，產生附加應力，這一附加應力隨著時間而持續增大，直到混凝土收縮趨于穩定。這一附加應力主要是由于混凝土收縮引起的，導致通過應力計反算混凝土支撐軸力偏大，跟基坑的開挖沒有任何關系。

b.混凝土徐變的影響

混凝土的徐變與外力荷載及時間均有關系，在持續荷載作用下，混凝土內水泥膠體微孔隙中的游離水將從毛細管里擠出并蒸發，導致膠體體積縮小，形成徐變過程，是混凝土結構的非彈性變形隨時間不斷增加的一種現象。

影響混凝土徐變的因素有荷載、混凝土齡期、環境條件、混凝土配合比、構件厚度、時間長短、歷史應力等。

混凝土澆筑完畢后，其徐變隨著齡期的變化而逐漸增大，直至趨于穩定。徐變的發生會增大混凝土結構的變形；而對于鋼筋，雖然也會發生徐變，但是徐變的速率遠沒有初期的混凝土徐變速率大，因為鋼筋的徐變只與當前應力相關，與歷史應力無關，混凝土軸向變形速率要大于鋼筋的軸向變形速率，鋼筋就必然會阻礙混凝土收縮變形，在阻礙過程中鋼筋也就必然會發生變形，產生附加的壓應力，從而導致通過鋼筋計的頻率反算出混凝土的軸力偏大。

c.修正關鍵-傳感器初始值的選取

在監測領域中，對于采用傳感器求混凝土支撐軸力的方法，測量初始值的爭議較大，有人認為應該取未安裝狀態下的值為初始值，或直接用標定系數中的初始值，有人認為應該取剛安裝完后的讀數，也有人認為應該取基坑開挖前的值作為為初始值?？偨Y之前的經驗，應該取基坑開挖前的數值作為初始值，因為在混凝土支撐澆筑后，混凝土的硬化收縮和徐變等因素都必然會導致傳感器產生一定量的附加壓力，如采用標定系數作為初始值，則后續監測過程中所測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挖所引起的，這樣就會導致測算的軸力相對于設計軸力值偏大；所以采用取基坑開挖前的數值作為初始值的選取方案可有效避免附加壓力對支撐綜合軸力的影響，從而使得實測支撐軸力值更接近于支撐真實受力值，使結果更為精確。

（5）基坑開挖后圍護結構位移及立柱隆沉

基坑開挖過程中，基底土體會有一個卸載回彈的過程，基坑內外的土體狀態也會有一個由原來的靜止土壓力向被動和主動土壓力的轉變過程，從而引起立柱隆沉、圍護結構承受荷載產生變形；而圍護結構、立柱之間的變形差異導致支撐受力并不是單純的軸向受力，存在一定的扭矩，所測得應力分布不均，從而導致計算的軸力值與理論值存在偏差，該部分也是軸力監測的主要對象。

5.使用三種傳感器進行軸力監測的方法對比

（1）表面應變計

表面應變計長期暴露于空氣中,由于日照的影響，應變筒與振弦的線膨脹系數與溫度變化不一致，通常是應變筒的溫度比振弦的溫度高，由于施工的不確定性，不可能保證每一次測量都在日出以前均勻的溫度場下完成測試工作，這就必然會影響測量軸力的精確性。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變計。

（2）鋼筋應力計

鋼筋應力計反映的混凝土支撐軸力變化曲線跟溫度變化曲線基本是吻合的，其對溫度的反應極其敏感，且傳感器埋設于混凝土支撐內，不易受外部人為觸碰的影響，在進行溫度修正后，其觀測數據較穩定。

（3）混凝土應變計

混凝土應變計的測試結果也隨著溫度的變化而變化，但是其相對于溫度的敏感性較弱，而且曲線相對于溫度曲線變化有所滯后，揚州地區該監測周期內滯后約5~6小時，因此在溫差變化較大或者不易進行溫度修正計算的地區，可使用混凝土應變計進行觀測。

6.結語

通過應變傳感器觀測混凝土支撐內部應變量，再計算獲取軸力值畢竟是一種間接的監測方法，其過程中假設的理想條件很多，如混凝土、鋼筋的協調變形問題，混凝土支撐自重的影響，實際混凝土的強度是否符合所選取的彈性模量等等，因此，該類監測方法更多的是提供軸力變化趨勢，而不能準確的獲取軸力值。希望今后能夠與大家一起探索其他更直接的觀測方法或者間接觀測方法。

司小東    

2014年1月18日

山東·青島