韓超超

(健研檢測(cè)集團(tuán)有限公司 福建廈門 361199)

0 引言

隨著城市地下空間開發(fā)利用程度不斷提高，房建、市政等多領(lǐng)域涌現(xiàn)出大量不同規(guī)模的深基坑工程[1]。鋼筋混凝土支撐作為常用的深基坑工程支護(hù)型式，其應(yīng)力狀態(tài)和變形情況是影響基坑側(cè)壁穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。深基坑混凝土支撐軸力實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)值是工程監(jiān)測(cè)的常態(tài)，但支撐結(jié)構(gòu)本身并未出現(xiàn)開裂、變形等異?，F(xiàn)象，從而無法準(zhǔn)確掌握支撐真實(shí)受力情況[2]，這不僅影響判定基坑所處的狀況，提高施工風(fēng)險(xiǎn)，也對(duì)支撐軸力監(jiān)測(cè)失去實(shí)質(zhì)意義。因此，準(zhǔn)確掌握深基坑混凝土支撐軸力是基坑施工中亟待解決的技術(shù)難題。

針對(duì)混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)值異常分析方法中，主要有理論模型修正法和數(shù)值模擬試驗(yàn)法兩類。對(duì)于理論模型修正法，多位專家學(xué)者圍繞混凝土收縮徐變、環(huán)境溫度、配筋率等不同方向開展研究，其中，混凝土收縮徐變是導(dǎo)致軸力異常的主要因素[3-5]。在國(guó)內(nèi)外混凝土收縮徐變研究領(lǐng)域，多位專家學(xué)者基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式，提出了多個(gè)混凝土收縮徐變預(yù)測(cè)模型。其中，國(guó)內(nèi)主要有建科院(1986)模型和公路橋涵規(guī)范(JTG D62-2004)提出的收縮徐變預(yù)測(cè)模型(以下簡(jiǎn)稱D62)；國(guó)外主要有CEB-FIP(1990)(以下簡(jiǎn)稱FIP90)、RILEM B3(1995)(以下簡(jiǎn)稱B3)和GL2000模型[6]。上述國(guó)內(nèi)外混凝土收縮徐變預(yù)測(cè)模型中，各模型考慮因素和數(shù)學(xué)表達(dá)式不盡相同,如:FIP90模型在考慮混凝土齡期、環(huán)境濕度和構(gòu)件體表比的基礎(chǔ)上，還考慮了環(huán)境溫度和混凝土28d彈性模量；B3模型除考慮常規(guī)影響因素外，還考慮了混凝土水灰比、含水量及骨料-水泥重量比等混凝土材料特性對(duì)收縮徐變的影響。綜合分析現(xiàn)有文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的大部分混凝土收縮徐變模型具有計(jì)算方法簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，但由于各模型所考慮的側(cè)重點(diǎn)不同，也導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果差異明顯，這便使得工程技術(shù)人員無法準(zhǔn)確選擇合理的模型開展混凝土支撐軸力計(jì)算。數(shù)值模擬方法在巖土體物理力學(xué)參數(shù)、本構(gòu)模型和網(wǎng)格劃分精度合理的前提下，其計(jì)算結(jié)果往往能較為真實(shí)地反映巖土工程實(shí)際情況，因此在巖土工程界得到廣泛應(yīng)用[7]。國(guó)內(nèi)外多位專家學(xué)者利用不同數(shù)值模擬軟件，對(duì)深基坑開挖全過程或某施工階段進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗(yàn)，并根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)混凝土支撐軸力進(jìn)行分析，并也取得了一定成果[8-9]。但數(shù)值模擬方法具有部分巖土體物理力學(xué)參數(shù)難確定、復(fù)雜工程建模困難、模型對(duì)計(jì)算機(jī)性能依賴性強(qiáng)等不足，阻礙了其在實(shí)際工程中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

基此，本文立足某深基坑工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)際，分析混凝土支撐軸力實(shí)測(cè)值隨監(jiān)測(cè)時(shí)間的變化趨勢(shì)，采用3種不同的混凝土收縮徐變模型對(duì)實(shí)測(cè)軸力數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，而后利用三維數(shù)值模擬軟件對(duì)深基坑開挖全過程開展數(shù)值模擬試驗(yàn)，分析其軸力修正值和模擬值的數(shù)值關(guān)系。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況及地層條件

案例工程位于廈門市集美區(qū)禾山村，地下5層，占地面積約為9200 m2，開挖深度41.8 m，基坑水平輪廓尺寸為長(zhǎng)×寬=32.73 m×21.70 m。工程前期地質(zhì)勘察揭露的巖土層由上至下為素填土、殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、散體狀中風(fēng)化花崗巖、碎裂狀中風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖，各層巖土體體物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

1.2 深基坑概況

基坑開挖深度41.8 m，基坑邊長(zhǎng)×寬=32.73 m×21.7 m，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用灌注樁+內(nèi)支撐體系，灌注樁尺寸為1200@1400 mm?；庸膊捎?道鋼筋混凝土支撐，第一道支撐尺寸為800 mm×800 mm，冠梁尺寸2500 mm×1000 mm；第二、三和四道支撐尺寸1000 mm×1000 mm，第一、二道腰梁尺寸1600 mm×1000 mm，第三道腰梁尺寸1800 mm×1000 mm；第五道支撐尺寸1200 mm×1200 mm，第四道腰梁尺寸2100 mm×1000 mm。第一至第四道支撐支撐平均間距均7.0 m，第四至五道支撐間距6.5 m，第五道支撐距坑底13.2 m。灌注樁間采用800@1400三重管高壓旋噴樁與灌注樁咬合止水，旋噴樁施作于素填土、殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖和散體狀中風(fēng)化花崗巖面及以下至坑底?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)體系剖面如圖1所示。

圖1 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

2 混凝土支撐軸力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及模型修正對(duì)比分析

2.1 軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)設(shè)計(jì)及規(guī)范文件要求，深基坑混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置如圖2所示。各道混凝土支撐相應(yīng)位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)在豎向方向位于同一立面。

圖2 第一至五道混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為分析混凝土支撐軸力在一定監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的變化趨勢(shì)，本研究選取第五道支撐作為研究對(duì)象，分析其軸力監(jiān)測(cè)值隨監(jiān)測(cè)時(shí)間的變化情況。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3～圖5所示。由圖3～圖5分析可知，在1年的監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，軸力監(jiān)測(cè)值隨監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加整體呈先增加后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)。進(jìn)一步分析可知，第五道支撐于2018年4月10日施工完成，而后于4月25日開始從第五道支撐平面向下開挖，2018年5月10日至25日監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)， 基坑開挖深度由31.5 m增加到34.6 m，在此期間，第五道3個(gè)軸力監(jiān)測(cè)值陸續(xù)超過監(jiān)測(cè)預(yù)警值(10 500 kN)；2018年7月10日之后，3個(gè)軸力監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值陸續(xù)超過C35混凝土極限抗壓承載力(24 000 kN)，且具有持續(xù)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。從圖表數(shù)據(jù)可知，截止2019年4月24日，支撐軸力實(shí)測(cè)值已達(dá)到35 000 kN，這是非常不合理的。經(jīng)過持續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)巡視和其他監(jiān)測(cè)內(nèi)容(如深層水平位移)獲取的數(shù)據(jù)佐證，各支撐表面無開裂、變形等異常現(xiàn)象，各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在監(jiān)測(cè)后期均未超過預(yù)警值且數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。因此，現(xiàn)有支撐軸力監(jiān)測(cè)值計(jì)算中包含了收縮、徐變等多種復(fù)雜因素的影響，在文章后續(xù)內(nèi)容中，筆者擬采用現(xiàn)有的一些經(jīng)典理論模型對(duì)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行修正，并通過數(shù)值模擬來對(duì)比論證。

圖3 ZCL-01-05監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸力實(shí)測(cè)值與理論修正值對(duì)比曲線

圖4 ZCL-03-05監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸力實(shí)測(cè)值與理論修正值對(duì)比曲線

圖5 ZCL-02-05監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸力實(shí)測(cè)值與理論修正值對(duì)比曲線

2.3 收縮徐變模型介紹

根據(jù)文獻(xiàn)資料分析，在現(xiàn)有的混凝土收縮徐變模型中，計(jì)算精度較高、參數(shù)考慮較全面且領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用廣泛的模型,主要有國(guó)內(nèi)的D62模型(基于FIP90模型)、國(guó)外的B3和GL2000模型[10]：

(1)D62模型

徐變系數(shù)：φ0(t,t0)=φ0·βc(t-t0)

收縮應(yīng)變：εcs(t,ts)=εCSO·βs(t-ts)

式中：t0為起始荷載施加齡期；ts為開始收縮齡期；t為計(jì)算截止齡期；φ0和βc(t-t0)均是與環(huán)境濕度、構(gòu)件理論厚度、起始加載齡期和計(jì)算齡期等有關(guān)的參數(shù)；εCSO是與立方體平均抗壓強(qiáng)度和環(huán)境濕度有關(guān)的參數(shù)；βs(t-ts)是與開始收縮齡期和計(jì)算齡期有關(guān)的參數(shù)。

(2)B3模型

徐變系數(shù)：

φ(t,t0)=E(t0)[q1+C0(t,t0)+Cd(t,t0,ts)]-1

收縮應(yīng)變：

式中：E(t0)為加載齡期下的混凝土彈性模量；q1為單位應(yīng)力下的瞬時(shí)應(yīng)變；C0(t,t0)是與加載齡期和水灰比有關(guān)的參數(shù)；Cd(t,t0,ts)是與環(huán)境濕度、立方體抗壓強(qiáng)度有關(guān)的參數(shù)；εs,∞是與立方體抗壓強(qiáng)度和砼含水量有關(guān)的參數(shù)；τsh是與構(gòu)件體表比和圓柱體抗壓強(qiáng)度有關(guān)的參數(shù)。

(3)GL2000模型

徐變系數(shù)：

收縮應(yīng)變：

εsp=εshuβRHβ(t0)

式中：φ(tc)為干縮修正系數(shù)；εshu是與水泥種類和圓柱體抗壓強(qiáng)度有關(guān)的參數(shù)；βRH是與環(huán)境濕度有關(guān)的參數(shù)；β(t0)是與起始加載齡期和構(gòu)件體表比有關(guān)的參數(shù)。

本文在上述模型基礎(chǔ)上，考慮構(gòu)件配筋對(duì)徐變系數(shù)的影響，引入徐變系數(shù)影響參數(shù)ks[4]：

式中：ne為鋼筋與砼彈性模量比值；ρs為配筋率。

2.4 軸力修正值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

利用上述3個(gè)理論模型對(duì)軸力實(shí)測(cè)值進(jìn)行修正后，得到支撐軸力修正值。依據(jù)圖3～圖5給出了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸力實(shí)測(cè)值與相應(yīng)理論修正值的對(duì)比曲線。由圖分析可知，D62、B3和GL2000模型均能明顯地對(duì)實(shí)測(cè)值進(jìn)行修正，各模型修正值在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)變化曲線趨勢(shì)相同，且數(shù)值較為接近。選取最后一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(監(jiān)測(cè)時(shí)間2019年4月24日)分析可知，各模型對(duì)ZCL-01-05監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)軸力值(35115.0 kN)修正后的軸力分別為13 382.5 kN、17 195.2 kN和15 718.5 kN，以Ar表示理論模型對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的修正幅度，則Ar分別為61.9%、51.0%和55.2%；對(duì)ZCL-02-05監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)軸力值(33 031.6 kN)修正后的軸力分別為12 504.4 kN、16 099.1 kN和14 678.0 kN，Ar分別為64.4%、54.2%和58.2%；對(duì)ZCL-03-05監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)軸力值(32 965.0 kN)修正后的軸力分別為12 476.3 kN、16 064.0 kN和14 644.7 kN，Ar分別為64.5%、54.3%和58.3%。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算模型介紹

為得到深基坑混凝土支撐較為真實(shí)的軸力值，采用數(shù)值模擬方法對(duì)整個(gè)基坑開挖過程進(jìn)行模擬試驗(yàn)。圖6分別給出了三維深基坑計(jì)算模型剖面圖和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型。如圖6所示，整體計(jì)算模型尺寸長(zhǎng)×寬×高=150m×120m×80m，將其劃分為54 500個(gè)六面體單元，34 394個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型中各項(xiàng)地層參數(shù)及基坑尺寸同本文1.1和1.2節(jié)內(nèi)容。

(a) 計(jì)算模型剖面 (b) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型圖6 深基坑數(shù)值計(jì)算模型

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖7給出了基坑開挖至坑底后支撐軸力計(jì)算結(jié)果。由圖7分析可知，在基坑深度方向，各道支撐平均軸力隨深度增加而增大，第五道支撐平均軸力最大。第五道支撐中，軸力最大值出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZCL-02-05所在的橫撐，其值為15 231.1 kN；監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZCL-01-05和ZCL-03-05所在斜撐軸力值分別為14 985.6 kN、14 913.7 kN。

圖7 支撐軸力計(jì)算結(jié)果

3.3 軸力修正值與模擬值對(duì)比分析

為進(jìn)一步討論各理論模型修正值的可靠程度，擬將其與相應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。選取最后一次實(shí)測(cè)軸力值(監(jiān)測(cè)時(shí)間2019年4月24日)對(duì)應(yīng)的理論修正值與基坑開挖數(shù)值模擬得到的軸力計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。由表2分析可知，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸力模擬值均介于相應(yīng)理論修正值之間。以Dl表示軸力修正值與模擬值的偏離程度，對(duì)于ZCL-01-05監(jiān)測(cè)點(diǎn)，Dl分別為10.7%、-14.7%和-4.9%；對(duì)于ZCL-02-05監(jiān)測(cè)點(diǎn)，Dl分別為17.9%、-5.7%和3.6%；對(duì)于ZCL-03-05監(jiān)測(cè)點(diǎn)，Dl分別為16.3%、-7.6%和1.8%。其中，Dl為正值表示理論修正值小于模擬值，負(fù)值表示理論修正值大于模擬值。

表2 軸力修正值與數(shù)值計(jì)算值對(duì)比 kN

4 收縮徐變模型對(duì)比分析

根據(jù)上述結(jié)果，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)理論模型對(duì)實(shí)測(cè)軸力值的修正幅度按大小順序排列為：Ar(D62)>Ar(GL2000)>Ar(B3)模型；另一方面，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸力修正值與模擬值偏離程度絕對(duì)值按大小順序排列為：對(duì)于ZCL-01-05監(jiān)測(cè)點(diǎn)Dl(GL2000)

進(jìn)一步對(duì)D62模型和GL2000模型在修正幅度上的表現(xiàn)進(jìn)行分析，兩模型在計(jì)算徐變系數(shù)時(shí)，分別選取了構(gòu)件理論厚度和體表比作為計(jì)算參數(shù)，兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)特性參數(shù)直接導(dǎo)致徐變應(yīng)變出現(xiàn)明顯差異(相差約55個(gè)微應(yīng)變)，進(jìn)而引起軸力修正值相差約2000 kN。通過將GL2000模型中的體表比換算為構(gòu)件理論厚度后，其相應(yīng)的軸力修正幅度明顯提升。

5 結(jié)論

(1)混凝土收縮徐變是造成支撐軸力實(shí)測(cè)值超限的主要原因，由收縮徐變產(chǎn)生的軸力值最高可達(dá)實(shí)測(cè)值的64.5%。

(2)在D62、B3和GL2000常用的3個(gè)收縮徐變模型中，GL2000模型整體表現(xiàn)最為優(yōu)異，計(jì)算結(jié)果更符合工程實(shí)際。

(3)在GL2000模型計(jì)算混凝土徐變系數(shù)過程，若將計(jì)算參數(shù)中的體表比換算為構(gòu)件理論厚度，可明顯增加模型的修正幅度，進(jìn)一步提升模型整體性能。