季國(guó)富

(福州軌道交通設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350002 )

0 引言

地鐵車站基坑開挖時(shí)，鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)是施工現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容之一，是信息化施工的重要項(xiàng)目。通過對(duì)支撐軸力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可掌握支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀況，從而對(duì)基坑的安全狀態(tài)進(jìn)行判斷，并在出現(xiàn)異常情況及時(shí)報(bào)警，以便采取必要的工程應(yīng)急措施，保證基坑本身和周圍建筑物的安全，確保工程順利進(jìn)行。

但在實(shí)際施工中，(全國(guó)各地)經(jīng)常會(huì)發(fā)生鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)值超過設(shè)計(jì)預(yù)警值的情況，有的甚至?xí)龊芏郲1]。而大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)情況是，其他監(jiān)測(cè)指標(biāo)均比較正常(如圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜、支撐撓曲變形、地面沉降等)，這些支撐并沒有發(fā)生顯著的變形，也沒有明顯的受力裂縫，軸力監(jiān)測(cè)數(shù)值與結(jié)構(gòu)表像不相符合。是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確還是設(shè)計(jì)預(yù)警值過于保守？對(duì)此，現(xiàn)有文獻(xiàn)定性分析較多，尚缺乏定量分析資料，對(duì)后續(xù)指導(dǎo)施工操作性不足。基此，本研究擬對(duì)支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的各項(xiàng)誤差進(jìn)行定量修正，并提出更合理的監(jiān)測(cè)預(yù)警值。

1 工程概況

某地鐵終點(diǎn)站，采用地下一層側(cè)式站臺(tái)，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬35.6m～50.3m、深8.6m～10.7m、局部坑中坑深1.65m～5.65m。車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ800@1000鉆孔灌注樁+Φ800@550三重旋噴樁止水帷幕+兩道鋼筋混凝土支撐，局部坑中坑采用旋噴樁加固+放坡法施工，具體如圖1所示。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面及剖面圖注：加黑者為本文討論的支撐

施工中，當(dāng)主體基坑開挖至坑中、坑底部時(shí)，第二道混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)發(fā)出紅色預(yù)警，軸力監(jiān)測(cè)值達(dá)到14 887kN(表1)，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)預(yù)警值(設(shè)計(jì)提供的軸力預(yù)警值為7147kN)，但其他監(jiān)測(cè)指標(biāo)均未見異常，混凝土支撐及腰梁并未出現(xiàn)明顯裂縫、支撐撓曲(水平和豎向)不明顯，圍護(hù)樁變形(測(cè)斜)也在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

表1 支撐軸力監(jiān)測(cè)彈模影響修正表

筆者仔細(xì)分析了監(jiān)測(cè)方法，查看了施工日志和設(shè)計(jì)文件，發(fā)現(xiàn)如下問題：其一，監(jiān)測(cè)數(shù)值沒有根據(jù)施工的實(shí)際情況進(jìn)行誤差修正，軸力監(jiān)測(cè)數(shù)值偏高；其二，設(shè)計(jì)提供的軸力預(yù)警值相對(duì)于支撐的極限承載力偏低。

下文筆者分別就這兩個(gè)問題進(jìn)行詳細(xì)論述。

2 對(duì)混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)值的修正

2.1 目前混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)值的測(cè)算方法及存在問題

2.1.1目前軸力監(jiān)測(cè)方法

鋼筋混凝土支撐的軸力是由鋼筋和混凝土共同承擔(dān)的，即：

N總=N鋼+N砼=ε鋼×E鋼×A鋼+ε砼×E砼×A砼

式(1)[2]

以目前的工程監(jiān)測(cè)技術(shù)水平，對(duì)鋼筋混凝土支撐的軸力監(jiān)測(cè)和計(jì)算大多采用如下方法(該工程亦如此)：通過鋼筋計(jì)測(cè)量受力鋼筋的頻率→算出支撐中鋼筋的應(yīng)力→算出鋼筋的應(yīng)變→根據(jù)變形協(xié)調(diào)得出混凝土的應(yīng)變→根據(jù)鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變算出支撐的軸力[3]。

具體工程中，E鋼、A鋼、A砼是常量，ε鋼是根據(jù)鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)換算出來的，并假定：

(1)E砼為常量，一般取設(shè)計(jì)值；

(2)ε砼=ε鋼(根據(jù)變形協(xié)調(diào))；

將上述參數(shù)代入式(1)，這樣就計(jì)算出了支撐的軸力N。

2.1.2現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法存在的問題

上述兩個(gè)假定有如下問題：

(1)E砼取設(shè)計(jì)值不符合該工程實(shí)際情況

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料看，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)軸力計(jì)算采用的混凝土彈性模量Ec為設(shè)計(jì)值，即Ec=3.0×104MPa，而C30混凝土彈模要達(dá)到這個(gè)值一般在20℃養(yǎng)護(hù)條件下需要28d。施工日志反映，支撐在養(yǎng)護(hù)6d時(shí)即開始受力，環(huán)境溫度約為5～10℃，故此時(shí)混凝土彈模沒有達(dá)到設(shè)計(jì)值，因此N砼實(shí)際值比監(jiān)測(cè)計(jì)算值要小。

資料表明[4]，混凝土齡期與彈模關(guān)系非常密切，如表2所示。

表2 混凝土彈性模量與齡期[4]

養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)混凝土彈模的發(fā)展也有顯著影響[5]。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度低于10℃時(shí)，混凝土28d齡期的彈模一般只有設(shè)計(jì)值的90%。

該工程恰恰這兩種情況同時(shí)發(fā)生，一是混凝土支撐在養(yǎng)護(hù)6d即開始受力(基坑開挖)；二是當(dāng)時(shí)為1月份最冷的幾天，環(huán)境溫度較低。因此，支撐混凝土的實(shí)際彈模小于設(shè)計(jì)值，計(jì)算混凝土軸力時(shí)需對(duì)此項(xiàng)影響進(jìn)行修正。

在式(1)中，計(jì)算混凝土支撐監(jiān)測(cè)軸力時(shí)ε砼采用ε鋼不符合實(shí)際情況[6]。

實(shí)際上，混凝土變形由3部分組成，包括彈性變形、徐變變形和收縮變形，即ε砼=ε彈性+ε徐變+ε收縮。由于該工程混凝土支撐受力時(shí)養(yǎng)護(hù)齡期較短(6d)，雖然鋼筋和混凝土的變形是協(xié)調(diào)的(即ε砼=ε鋼)，但由于早期混凝土收縮徐變影響較大(即ε徐變+ε收縮較大)，有時(shí)結(jié)構(gòu)的累計(jì)徐變變形可達(dá)到同應(yīng)力下彈性變形的1.5～3倍或更大，因此混凝土實(shí)際的受力應(yīng)變?chǔ)艔椥员圈配撔?，所以N砼實(shí)際值比監(jiān)測(cè)計(jì)算值也要小。

綜上，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的混凝土軸力偏大，也就是軸力監(jiān)測(cè)值比實(shí)際值偏大，影響了監(jiān)測(cè)值的準(zhǔn)確性，必須進(jìn)行定量修正[7]。

2.2 軸力監(jiān)測(cè)值的定量修正

該地鐵車站混凝土支撐采用C30混凝土，支撐截面為800mm×800mm，支撐總長(zhǎng)度為30.1m，豎向設(shè)置了2根格構(gòu)柱，水平向設(shè)置2道混凝土系梁，如圖1所示。

2.2.1對(duì)混凝土彈性模量進(jìn)行修正

表1可知，由于混凝土支撐受荷齡期較早，混凝土實(shí)際彈性模量比設(shè)計(jì)值低很多，由此引起的監(jiān)測(cè)誤差在受荷第21d時(shí)達(dá)到3000kN，占比約20%。

2.2.2對(duì)混凝土徐變影響進(jìn)行修正

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2012)計(jì)算徐變影響。具體步驟為：根據(jù)加載齡期t0和計(jì)算齡期t計(jì)算出混凝土的徐變系數(shù)φ(t,t0)。→根據(jù)徐變系數(shù)計(jì)算出砼的彈性應(yīng)變，即：ε彈性=ε砼/(1+φ(t,t0))→推算出砼支撐軸力N砼和支撐軸力N總。

表3為支撐軸力監(jiān)測(cè)徐變影響修正表。

表3 支撐軸力監(jiān)測(cè)徐變影響修正表

由表3可知，由于混凝土支撐受荷齡期偏早，混凝土徐變影響很大，由此引起的監(jiān)測(cè)誤差在第21d時(shí)達(dá)到4318kN，占比36.3%。

2.2.3對(duì)混凝土收縮影響進(jìn)行修正

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2012)計(jì)算收縮影響，與計(jì)算徐變影響類似，具體步驟為：根據(jù)收縮開始齡期ts和計(jì)算時(shí)齡期t計(jì)算出砼的收縮應(yīng)變?chǔ)與s(t,ts)→計(jì)算出混凝土的彈性應(yīng)變?chǔ)艔椥?ε砼-εcs→推算出砼軸力和支撐軸力[8]，如表4所示。

表4 支撐軸力監(jiān)測(cè)收縮影響修正表

由表4可知，混凝土支撐在受荷第21d收縮系數(shù)為0.3291×10-4，收縮變形對(duì)監(jiān)測(cè)軸力的影響約為648kN，占比約為8.6%。

2.2.4各項(xiàng)修正(混凝土彈模、混凝土徐變收縮)合計(jì)

按照2.2.1～2.2.3的方法，對(duì)早期受荷的混凝土支撐軸力影響較大的因素逐一進(jìn)行修正，即先對(duì)彈性模量影響進(jìn)行修正，再采用彈模修正后的軸力對(duì)徐變影響進(jìn)行修正，再根據(jù)徐變修正后的軸力對(duì)收縮影響進(jìn)行修正，最終得到更加“真實(shí)”的支撐軸力值，結(jié)果如表5所示。

表5 支撐軸力監(jiān)測(cè)修正匯總表

計(jì)算表明，砼支撐在加載第21d監(jiān)測(cè)軸力顯示為148 87kN，經(jīng)各項(xiàng)修正后的軸力為6922kN，誤差達(dá)53%，如圖2所示。

圖2 砼支撐軸力監(jiān)測(cè)修正匯總圖

3 關(guān)于混凝土支撐軸力預(yù)警值(N預(yù)警)的設(shè)定問題

3.1 目前軸力預(yù)警值存在的問題

目前，軸力預(yù)警值一般由設(shè)計(jì)單位提供，但預(yù)警值的標(biāo)準(zhǔn)沒有相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行明確，各家設(shè)計(jì)單位把握上不盡相同。

以該工程為例，設(shè)計(jì)單位提供的預(yù)警值為：在設(shè)計(jì)工況下，支撐所受軸力的設(shè)計(jì)值。也就是說，在施工工況與設(shè)計(jì)工況完全符合的情況下，監(jiān)測(cè)最后也會(huì)報(bào)警。而對(duì)于實(shí)際施工工況比設(shè)計(jì)工況差時(shí)(如施工不規(guī)范或?qū)嶋H地質(zhì)情況比地勘情況更糟)，那就必然要提早報(bào)警了。

筆者認(rèn)為，這個(gè)預(yù)警值值得商榷。它反映的是設(shè)計(jì)與施工情況的符合問題，沒有準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的安全問題。很多情況下，雖然實(shí)際施工情況比設(shè)計(jì)“不理想”，但并不代表結(jié)構(gòu)就處于不安全狀態(tài)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)總是有一定安全富余度。

3.2 工程混凝土支撐承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算

已知條件前文已述，計(jì)算步驟如下：應(yīng)用有限元軟件sap2000計(jì)算支撐的長(zhǎng)度系數(shù)μc=0.425→根據(jù)《混規(guī)》第6.2.15條查表得φ=0.87→計(jì)算支撐極限承載力為14 581kN。

理論上，該混凝土支撐軸力超過14 581kN時(shí)，支撐才會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)破壞[9]。為安全起見，筆者推薦，監(jiān)測(cè)安全預(yù)警值初始值可選極限承載力的80%，即14 581×80%=11 665kN。

3.3 工程混凝土支撐監(jiān)測(cè)預(yù)警值分析

工程混凝土支撐監(jiān)測(cè)軸力值為14 887kN，經(jīng)彈模和收縮徐變修正后的準(zhǔn)確軸力為6922kN，混凝土支撐的極限承載力為14 581kN，混凝土支撐軸力設(shè)計(jì)值(即原軸力預(yù)警值)為7147kN。上述表明：

(1)混凝土支撐的真實(shí)軸力(6922kN)小于軸力設(shè)計(jì)值(7147kN)，表明施工狀況在設(shè)計(jì)工況范圍之內(nèi)。

(2)混凝土支撐的真實(shí)軸力(6922kN)遠(yuǎn)小于支撐極限承載力(14581kN)，表明現(xiàn)有施工狀況下支撐結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

(3)如果支撐結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)預(yù)警值按筆者推薦的方法進(jìn)行設(shè)定，即設(shè)定極限承載力的80%(11 665kN)，則混凝土支撐的真實(shí)軸力(6922kN)小于監(jiān)測(cè)報(bào)警值，監(jiān)測(cè)不會(huì)報(bào)警。

圖3為該工程各項(xiàng)軸力對(duì)比示意。

圖3 該工程各項(xiàng)軸力對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況混凝土支撐并無異樣，未出現(xiàn)明顯撓度、變形或裂縫等征兆，表明對(duì)監(jiān)測(cè)軸力值進(jìn)行的上述修正是合理的。

4 結(jié)論及建議

(1)地鐵車站鋼筋砼支撐在受荷齡期較早時(shí)，混凝土的彈性模量、收縮徐變影響很大(誤差有時(shí)可達(dá)50%)，不可忽略，在軸力監(jiān)測(cè)時(shí)需要進(jìn)行修正。

(3)施工監(jiān)測(cè)各項(xiàng)參數(shù)取值應(yīng)與施工的實(shí)際情況相吻合，不吻合時(shí)要進(jìn)行必要的修正。如：彈性模量實(shí)際值應(yīng)根據(jù)同期混凝土試塊試驗(yàn)獲取，徐變即收縮影響可根據(jù)規(guī)范公式并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)計(jì)算獲取。

(4)當(dāng)軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常時(shí)，應(yīng)認(rèn)真分析原因，并結(jié)合其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目(如測(cè)斜、位移等)多方面核查、互相驗(yàn)證，以獲得準(zhǔn)確可靠信息，并指導(dǎo)后續(xù)工程推進(jìn)。

(5)建議地鐵車站鋼筋混凝土支撐在達(dá)到設(shè)計(jì)要求后(強(qiáng)度、彈模等)方可進(jìn)行后續(xù)施工。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張哲.基坑混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常情況分析與探討[J].隧道建設(shè),2016,36(08):976-981.

[2] 張啟輝,朱葒,趙錫宏.考慮收縮與溫度應(yīng)力的鋼筋混凝土支撐軸力研究[J].巖土工程技術(shù),2000(01):51-54.

[3] 李文峰.對(duì)地鐵基坑混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)性的探討[J].隧道建設(shè),2009,29(04):424-426.

[4] 林星平.混凝土彈性模量及徐變度的計(jì)算[J].云南水力發(fā)電, 1999 (04) :15-18.

[5] 陳彥博.云南高速公路C50混凝土彈性模量影響因素分析與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 昆明：云南大學(xué) 2016

[6] 孫璨. 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期徐變收縮效應(yīng)研究應(yīng)用[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

[7] 段飛,趙治海,盛云鷗.深基坑鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)對(duì)比試驗(yàn)研究[J].陜西建筑,2016(01):33-36.

[8] 張啟輝,朱葒,趙錫宏.考慮收縮與溫度應(yīng)力的鋼筋混凝土支撐軸力研究[J].巖土工程技術(shù),2000(01):51-54.

[9] 梅若非. 鋼支撐與混凝土支撐效果實(shí)例分析[D].武漢：武漢工程大學(xué),2016.

[10] 蔡豐錫.淺析支撐軸力報(bào)警值的選取[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2015(19):1843,1773.