章丹峰，李 均，熊 飛，黃 健，徐彥鋒

（1、廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司 廣州510500；2、華測工程檢測有限公司 廣州510317）

0 前言

隨著城市化建設(shè)的快速推進，為了充分利用有限的土地資源，基坑工程與日俱增，規(guī)模和深度不斷刷新記錄，這使得基坑工程的重要性與日俱增。然而基坑工程具有隱蔽性和多變性，往往很難全面掌握巖土信息。加之巖土體結(jié)構(gòu)的不確定性、施工的不可預(yù)見性、周邊環(huán)境的復(fù)雜性等，基坑坍塌、基坑周邊建筑物傾斜或開裂、管線爆裂等事故屢有發(fā)生，造成巨大的生命財產(chǎn)損失，對社會造成不良后果。在《建設(shè)工程安全生產(chǎn)管理條例》（國務(wù)院令第393 號）中，列舉“達到一定規(guī)模的危險性較大的分部分項工程”，基坑工程占了其中2 項：基坑支護與降水工程、土方開挖工程。所以說基坑工程安全是工程建設(shè)領(lǐng)域中涉及安全生產(chǎn)中最重要的一環(huán)［1-3］。

在建筑工程中，基坑監(jiān)測主要目的有以下三方面：①將實測監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算值進行比對，從而判斷計算模型中施工參數(shù)取值是否合理，從而不斷調(diào)整，達到信息化施工的目的。②根據(jù)實測結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計和施工，不斷完善設(shè)計方案和基坑工程施工方案，進而達到優(yōu)化的目的。③通過對比現(xiàn)場實測結(jié)果與計算值，反分析法推導(dǎo)更符合實際情況的理論公式，并利用優(yōu)化后的理論公式指導(dǎo)其它工程施工［2，4-5］。

目前，對基坑內(nèi)混凝土支撐軸力監(jiān)測的研究主要基于理論分析和工程經(jīng)驗總結(jié)，國內(nèi)相關(guān)研究工作大部分都停留在監(jiān)測值與設(shè)計值對比分析、軸力影響因素、軸力變化預(yù)測等方面［3，5-7］，上述研究均基于認為監(jiān)測值與構(gòu)件實際受力情況基本一致，而針對如何監(jiān)測值是否準確的相關(guān)研究比較少。國內(nèi)基坑監(jiān)測普遍依據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范：GB 50497—2009》，部分省、市地區(qū)關(guān)于基坑監(jiān)測的規(guī)范標準主要還是針對監(jiān)測項目、頻率、控制值做出要求，然而其對基坑內(nèi)力監(jiān)測闡述較少，且未給出支撐軸力監(jiān)測值的計算公式。通過檢索ANSI、BSI 和ISO，歐美國家并沒有涉及基坑工程監(jiān)測的專項技術(shù)標準或相應(yīng)條款，對支撐軸力監(jiān)測也無專項規(guī)定。國外文獻和論著多僅在應(yīng)變監(jiān)測中闡述應(yīng)變轉(zhuǎn)換應(yīng)力的方法，但未給出可用計算公式［8-12］。

本文探討混凝土支撐軸力計算原理，在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上，對目前的測量方法進行驗證，通過進行各項對比試驗，獲得影響混凝土支撐軸力測量的影響因素及各因素的影響程度；總結(jié)不同試驗方法的優(yōu)缺點，提出適用于工程現(xiàn)場測量的混凝土支撐軸力測量的改進方法。試驗分為室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗。

1 支撐軸力測試試驗研究

基坑中混凝土的支撐受力極其復(fù)雜，通常處于動態(tài)變化狀態(tài)。影響混凝土支撐軸力監(jiān)測值的因素很多，有些影響因素可通過一些方法和措施得到有效的減小或消除。另外一些因素則不然，需要通過試驗多角度分析和確定其是否存在影響以及影響程度大小。本次試驗選取代表性工程中混凝土支撐，建立全尺寸支撐軸力影響因素對比試驗，模擬基坑中受壓支撐受力狀況。采用預(yù)拉錨索模擬真實混凝土支撐受力情況，以錨索計測值為標準參考值，從支撐自重、儀器種類、儀器布設(shè)位置（截面或水平面）、儀器埋設(shè)方式、溫度等影響因素出發(fā)，選用8種對比工況開展對比試驗，如表1所示。

本次實驗采用3 家不同廠家生產(chǎn)的儀器，儀器種類有鋼筋計、應(yīng)變計，鋼筋計采用螺紋套接、綁焊鋼筋2 種方式進行安裝，應(yīng)變計采用綁扎固定于箍筋的內(nèi)埋式、固定于混凝土梁外表面2種方式進行安裝。

套接式鋼筋計采用截斷鋼筋，將儀器通過套筒與鋼筋固定于同一直線上；焊接式鋼筋計是將鋼筋計通過焊條固定與鋼筋之上，保持兩者變形一致；內(nèi)埋式混凝土應(yīng)變計通過鋼絲綁扎在箍筋上，固定其測試方向為軸向，應(yīng)變計澆筑于混凝土中；外設(shè)的混凝土表面應(yīng)變計通過螺絲或固定膠固定于混凝土的外表面。試驗梁儀器布置分為三部分，各部分以主要布置儀器供應(yīng)廠家名稱命名，即簡稱金碼段、基康段和煊隆段，儀器布置如圖1所示。

2 支撐軸力測試試驗結(jié)果

圖1 儀器布置示意圖Fig.1 Instrument Layout

考慮自重的實驗結(jié)果如圖2～圖4所示。試驗梁兩端懸架于2塊橫木（即梁的自重作為外力作用于梁上而不被抵消）的情況下不同儀器、布設(shè)方式等的結(jié)果對比，儀器測值均轉(zhuǎn)換為軸力，以壓力為負，拉力為正。

圖2、圖3 為距端頭不同距離（1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m）截面上各儀器的曲線對比，由圖2、圖3 可見，2015年11 月12 日試驗梁兩端懸架后，儀器測得的軸力值的變化大致可分3個階段：①2015年11月～2016年2月，試驗梁架空初期，軸力測試值維持平穩(wěn)。②2016年3～7 月，受混凝土徐變、彈性模量變化的影響，軸力測試值隨時間逐漸增大變化。③2016 年8 月～2017 年1月，曲線較為平緩，有趨于平穩(wěn)的趨勢。

表1 試驗工況Tab.1 Experiment Condition

圖2 金碼段距離端頭不同距離截面儀器曲線對比Fig.2 Contrastive Curves of Jinma Sensor in Cross Sections with Different Distances to the Ends

圖4 為對同種儀器的曲線對比。焊接式鋼筋計、套接式鋼筋計相對錨索計測值均有1.0～2.0 倍左右的偏差，內(nèi)埋式應(yīng)變計有1.5～3.0 倍左右的偏差，而外貼式應(yīng)變計測值與錨索計測值相近，有0.5～1.5 倍左右的偏差。儀器測值與錨索計測值之差與錨索計測值的比值即偏離率統(tǒng)計如表2 所示。套接式鋼筋計、焊接式鋼筋計、內(nèi)埋式應(yīng)變計與錨索計相差較大，金碼內(nèi)埋式應(yīng)變計偏離率最大，為303%，金碼套接式鋼筋計偏離率最小，為99%，不同廠家儀器的偏離率平均值區(qū)間為122%～278%。外貼式應(yīng)變計中基康儀器平均值的偏離率為153%，煊隆儀器平均值的偏離率為60%，金碼儀器平均值的偏離率為43%，相對其他3種儀器布設(shè)方式較為接近錨索計的測值，能相對真實地反映試驗梁的軸向受力情況。

圖3 基康段距離端頭不同距離截面儀器曲線對比Fig.3 Contrastive Curves of Jikang Sensor in Cross Sections with Different Distances to the Ends

表2 不同儀器與錨索計測值偏離率統(tǒng)計Tab.2 Statistics of Deviations of Different Instruments from Anchor Dynamometer’s Measured Values

圖4 同種儀器曲線對比Fig.4 Contrastive Curves of the Same Instrument

同截面、不同儀器曲線對比如圖5 所示。圖5?顯示早期基康外貼式應(yīng)變計較接近錨索計測值，過程中應(yīng)變計比鋼筋計測值波動大，后期收斂且測值相差不大。圖5?顯示外貼式應(yīng)變計測值較鋼筋計測值更接近實際軸力。圖5?、圖5?顯示鋼筋計與內(nèi)埋式應(yīng)變計測值對比曲線趨勢較一致。截至2016年1月22日，應(yīng)變計比鋼筋計測值波動大，后期收斂且測值相差不大。圖5?顯示外貼式應(yīng)變計較鋼筋計測值更接近實際軸力值，內(nèi)埋式應(yīng)變計測值為15 717～17 467 kN，測值偏大。

圖5 各截面不同儀器曲線對比Fig.5 Contrastive Curves of Different Instruments in Different Cross Sections

由試驗其他數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)果：

⑴距離端頭不同距離（2.5 m、3.0 m）截面、不同連接方式的儀器測值對比可見，金碼內(nèi)埋式應(yīng)變計測值相對較大，是錨索計測值的4倍左右，基康內(nèi)埋式應(yīng)變計及各種鋼筋計測值為錨索計測值的3 倍左右，外貼式應(yīng)變計均與錨索計測值較為接近，其中以金碼外貼式鋼筋計測值最為接近錨索計測值。

⑵由試驗梁頂部、中部、中下部、底部四個水平面上布設(shè)的儀器測值對比可見，不同水平面上的儀器外設(shè)的應(yīng)變計較錨索計測值更為接近，而煊隆鋼筋計及金碼內(nèi)埋式應(yīng)變計較錨索計測值偏差較大，其中以金碼內(nèi)埋式應(yīng)變計測值最大，達到15 803 kN。

⑶距離端頭不同距離截面上同種儀器的數(shù)據(jù)對比可見，對于鋼筋計，同一截面同一側(cè)的儀器，普遍有下部的儀器測值大于上部儀器測值的規(guī)律（即下部絕對值比上部大）。而對于應(yīng)變計（內(nèi)埋、外設(shè)）均有下部的儀器測值小于上部儀器測值的規(guī)律。顯然，應(yīng)變計的測試結(jié)果更符合壓力和彎矩共同作用下構(gòu)件的軸力分布理論。

⑷不同儀器有無溫度修正的數(shù)據(jù)對比可見，經(jīng)過溫度修正，各儀器的軸力都有一定的變大，修正值為60～300 kN，占測值的0.5%～3.0%，說明溫度并不是影響混凝土支撐軸力監(jiān)測值的主要因素。

3 結(jié)論

本課題對基坑中多項影響混凝土支撐軸力因素入手，基于理論研究，開展對比試驗，研究了混凝土支撐軸力測試技術(shù)，得出結(jié)論具體如下：

⑴基于混凝土支撐軸力測試原理，逐一分析可能對混凝土支撐軸力測試造成影響的因素，包括理論計算、傳感器安裝的部位，傳感器種類，環(huán)境溫度，混凝土收縮、徐變及彈性模量。

⑵選取代表性工程中混凝土支撐，建立全尺寸支撐軸力影響因素對比試驗。對比8種對比工況開展對比試驗（見表1）。對比試驗結(jié)果顯示：

①傳感器種類的選擇對測試結(jié)果影響較大。

②傳感器安裝的部位對測試結(jié)果影響較小。

③內(nèi)埋式連接方式傳感器受影響的因素較多（如安裝精度、施工影響等），而外貼式連接方式能較好的解決安裝精度問題，測試數(shù)據(jù)更接近真實值。

④采用混凝土應(yīng)變計取得的測值，比采用鋼筋計測值更接近真實值，混凝土應(yīng)變計的測值更接近壓力和彎矩共同作用下構(gòu)件的軸力分布理論。

⑤溫度對混凝土支撐軸力監(jiān)測值的影響較小。

⑶在目前常用計算方法的情況下，按其計算結(jié)果的60%作為軸力監(jiān)測值，比較合理。