趙 亮 李偉強(qiáng) 瞿少尉

0 引言

近20年來，我國高度超過100 m的建筑物已有約200座。這些已建和在建的超高層建筑，其基坑深度已逐漸由6 m，8 m發(fā)展至10 m，20 m以上，最深的達(dá)到40 m，深基坑支護(hù)在地下施工中起著舉足輕重的作用。在現(xiàn)代基坑工程中，監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為必要和重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

在采用鋼筋混凝土支撐支護(hù)的基坑工程中，支撐軸力是設(shè)計(jì)、監(jiān)理和施工單位共同關(guān)心的內(nèi)容。鋼筋混凝土支撐受力以受壓為主，對(duì)混凝土材料來說，存在體積收縮、徐變、溫度等因素影響對(duì)支撐受力的測(cè)量，并且，直接用測(cè)得的應(yīng)變值、混凝土彈模計(jì)算混凝土應(yīng)力和支撐軸力存在計(jì)算值偏大的異常情況，為避免這種誤差影響施工，有必要對(duì)影響混凝土應(yīng)力的各因素進(jìn)行分析，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。

1 軸力監(jiān)測(cè)的原理

對(duì)于鋼筋混凝土支撐，主要采用鋼筋計(jì)測(cè)量鋼筋的應(yīng)力，一般預(yù)先在支撐內(nèi)的鋼筋籠四角或中間位置各埋設(shè)一組鋼筋計(jì)，與支撐主筋焊接在一起。然后通過共同工作、變形協(xié)調(diào)條件反算支撐的混凝土軸力［1］。

按照這種軸力的監(jiān)測(cè)計(jì)算方法，測(cè)試的軸力一般是設(shè)計(jì)值的2倍～3倍，甚至更大，而且同一天不同時(shí)間的測(cè)量值也相差很大，這些對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生了很大的阻礙，我們必須增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性，從而消耗了更多的人力、財(cái)力。有時(shí)在加固了圍護(hù)結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)值還是持續(xù)偏大，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)并未發(fā)生破壞，可見實(shí)際的支撐軸力并沒有監(jiān)測(cè)的結(jié)果那么大。在實(shí)際工程中影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的原因很多，但重要的不是監(jiān)測(cè)人員的失誤以及監(jiān)測(cè)儀器的問題，而是這種監(jiān)測(cè)方法并沒有完全考慮鋼筋混凝土材料受力特點(diǎn)。也就是實(shí)際監(jiān)測(cè)的埋在鋼筋混凝土中的鋼筋的應(yīng)力并不是完全由荷載產(chǎn)生的，而是有一部分非荷載應(yīng)力的影響。

2 某深基坑支撐軸力的監(jiān)測(cè)

某深基坑工程位于南京鼓樓峨眉路北側(cè)?；娱_挖深度為9.5 m，有效開挖面積為(37.3 ×26.1)m2。該綜合樓地上7 層，建筑高度23.65 m，框架結(jié)構(gòu)。場(chǎng)地北側(cè)為已建成的6層110 kV變電站，基礎(chǔ)形式為天然地基，設(shè)一層地下室，距基坑最近距離為2.4 m。

因擬建場(chǎng)地東側(cè)、南側(cè)、西側(cè)緊鄰建筑物，支護(hù)方案采用人工挖孔樁，樁之間進(jìn)行壓密注漿;基坑北側(cè)以樹根樁進(jìn)行支護(hù)。

基坑開挖至5 m后在2008年9月21日完成混凝土支撐，繼續(xù)土方開挖至約9 m，在2008年10月27日完成鋼支撐的換撐，拆除混凝土支撐并繼續(xù)土方開挖。支撐斷面為0.5 m×0.7 m，在四角分別埋設(shè)振弦式鋼筋測(cè)力計(jì)，埋設(shè)斷面見圖1。

現(xiàn)只針對(duì)上部的鋼筋計(jì)做考慮，并選取左邊鋼筋計(jì)為主要研究對(duì)象。監(jiān)測(cè)每天一次，一般均在8:00～8:30完成測(cè)量，共計(jì)測(cè)量36 d，監(jiān)測(cè)的鋼筋計(jì)頻率值如圖2所示。

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，頻率值迅速降低，直至穩(wěn)定。可見由于土方的開挖使支撐的軸力迅速升高，單從頻率來看，并未發(fā)現(xiàn)異常。

混凝土支撐軸力計(jì)算采用常規(guī)算法，假定在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋的應(yīng)變與混凝土的應(yīng)變相同，于是兩者的應(yīng)力存在如下關(guān)系:

根據(jù)斷面的配筋情況可得混凝土軸力為:

其中，下標(biāo)1，2分別代表鋼筋和混凝土，通過計(jì)算，混凝土軸力的分布如圖3所示。

混凝土軸力的設(shè)計(jì)值為2 000 kN，從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際監(jiān)測(cè)值基本上都超過2 000 kN，最大值5 139 kN，超過了設(shè)計(jì)值的2.5倍。按照監(jiān)測(cè)換算的軸力，混凝土支撐應(yīng)該會(huì)發(fā)生較大的變形或者出現(xiàn)裂縫，但實(shí)際混凝土并沒有出現(xiàn)裂縫，因此可以斷定監(jiān)測(cè)得出的混凝土軸力是偏大的。

3 軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果偏大的原因分析

非荷載的因素是軸力出現(xiàn)異常偏大的主要原因，具體主要是混凝土的徐變、收縮和溫度變化。

3.1 混凝土徐變的影響

徐變與外力荷載及時(shí)間均有關(guān)系。在長(zhǎng)期荷載作用下，混凝土內(nèi)水泥膠體微孔隙中的游離水將從毛細(xì)管里擠出并蒸發(fā)，導(dǎo)致膠體體積縮小，形成徐變過程?；炷恋男熳兇笮?，取決于荷載、混凝土齡期、環(huán)境條件、混凝土配合比、構(gòu)件厚度以及時(shí)間長(zhǎng)短等因素［2］。

在澆筑后混凝土的徐變隨著齡期的變化而逐漸增大，直至趨于穩(wěn)定?；炷恋男熳儾粏闻c荷載、時(shí)間以及外部環(huán)境等因素相關(guān)，還與歷史應(yīng)力、加載齡期密切相關(guān)［3，4］;徐變的發(fā)生會(huì)增大混凝土結(jié)構(gòu)的變形。對(duì)于鋼筋，雖然也會(huì)發(fā)生徐變，但是鋼筋的徐變只與當(dāng)前應(yīng)力相關(guān)，與歷史應(yīng)力無關(guān)。徐變的速率遠(yuǎn)沒有初期的混凝土徐變速率大，混凝土軸向變形速率要大于鋼筋的軸向變形速率，這就必然引起兩者之間的附加內(nèi)力，因此這使得測(cè)量值比實(shí)際值大出很多。

3.2 混凝土收縮的影響

在鋼筋混凝土支撐開始受荷進(jìn)入工作狀態(tài)后，混凝土一直在發(fā)生體積收縮?；炷恋氖湛s是混凝土體內(nèi)水泥凝膠體中游離水蒸發(fā)，而使其本身體積縮小的一種物理化學(xué)現(xiàn)象［5］。影響混凝土收縮的主要因素是環(huán)境的相對(duì)空氣濕度和混凝土齡期，還與構(gòu)件的厚度、水灰比以及環(huán)境溫度等因素有關(guān)。

收縮的影響與徐變的影響相似，混凝土在收縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生收縮變形，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋不會(huì)收縮，考慮到變形協(xié)調(diào)，鋼筋會(huì)阻礙混凝土收縮變形，在阻礙過程中鋼筋就會(huì)發(fā)生變形，產(chǎn)生附加的壓應(yīng)力。隨著時(shí)間的增大混凝土收縮會(huì)產(chǎn)生持續(xù)增大的收縮變形，因此鋼筋的附加壓應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間的增大而持續(xù)增大，這主要是由于混凝土的收縮引起的，從而導(dǎo)致通過鋼筋計(jì)的頻率反算出混凝土的軸力偏大。

4 結(jié)語

深基坑工程的監(jiān)測(cè)是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，采用鋼筋應(yīng)力計(jì)量測(cè)鋼筋混凝土軸力時(shí)，會(huì)出現(xiàn)混凝土支撐軸力值偏大的異常情況，軸力值往往比設(shè)計(jì)值高出許多，針對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果偏大進(jìn)行了簡(jiǎn)要的原因分析、解釋和總結(jié)，同時(shí)提出在工程中針對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正的必要性，避免因?yàn)榻Y(jié)果的偏大而影響工程的設(shè)計(jì)和施工。

［1］夏才初，李永盛.地下工程測(cè)試?yán)碚撆c監(jiān)測(cè)技術(shù)［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2002.

［2］葉萬靈.圍護(hù)結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土支撐軸力和變形的研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2000(10):21-23.

［3］馮圣清，崗鎮(zhèn)輝.楊浦大橋主塔工程混凝土收縮徐變控制技術(shù)研究［J］.混凝土與水泥制品，1994(4):38-40.

［4］祝昌暾，陳 敏，楊 楊，等.高強(qiáng)混凝土的收縮和早期徐變特性［J］.混凝土與水泥制品，2005(2):16-17.

［5］胡正亮.基坑工程中混凝土支撐內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果異常分析［J］.西部探礦工程，2007(2):98-99.