戴遠(yuǎn)俊，何 欽，陳大江

（1、珠海市金灣區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站 廣東珠海 519090；2、廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)總站有限公司 廣州 510500）

0 引言

混凝土支撐對(duì)基坑的穩(wěn)定性十分重要。若支撐軸力超過設(shè)計(jì)值，便可能會(huì)造成基坑失穩(wěn)破壞。但目前在支撐軸力的監(jiān)測(cè)過程中，會(huì)出現(xiàn)支撐軸力監(jiān)測(cè)值遠(yuǎn)大于預(yù)警值以及設(shè)計(jì)值，但支撐仍然完整的情況。因此考慮對(duì)軸力監(jiān)測(cè)值進(jìn)行修正很有必要。

多年來，基坑軸力監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性未能得到有效提高。葉萬靈［1］較早發(fā)現(xiàn)混凝土支撐監(jiān)測(cè)軸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值的問題，并通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［2-5］，對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證（支撐軸力監(jiān)測(cè)值大于實(shí)際軸力值）。在此基礎(chǔ)上，學(xué)者們陸續(xù)開展對(duì)軸力監(jiān)測(cè)值的修正研究。其中考慮溫度與收縮徐變效應(yīng)的修正是較為常見的方法［6-10］，即在傳統(tǒng)的軸力計(jì)算公式中單一考慮溫度或收縮徐變效應(yīng)，此法雖能適當(dāng)修正監(jiān)測(cè)所得軸力，但忽略了溫度作用下彈性模量的變化及與混凝土徐變收縮共同作用造成的影響以及不同因素的影響大小。隨著有限元方法的成熟，相關(guān)研究也逐漸采用有限元模擬支撐的軸力［11-12］，該法能夠較好地反映支撐受力的實(shí)際情況，但往往參數(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行修正；此外還有對(duì)測(cè)量儀器初始參數(shù)如鋼筋計(jì)初始頻率進(jìn)行修正［13］等方法。雖然現(xiàn)有研究對(duì)影響支撐軸力的因素都做了相關(guān)探討，但僅考慮單一因素的影響。在《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 3362—2018》［14］中，提出考慮溫度與收縮徐變影響這一做法，但未詳細(xì)說明應(yīng)做何種修正。因此現(xiàn)有的軸力修正方法仍有待研究。

為了提高混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，本文在前人研究的基礎(chǔ)上考慮影響混凝土支撐軸力的因素，包括溫度、混凝土徐變與收縮。結(jié)合基坑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，探究了現(xiàn)有修正方法的修正效果，分析收縮徐變對(duì)支撐軸力的影響、修正值與預(yù)警值的關(guān)系，并對(duì)進(jìn)一步研究提出了相關(guān)建議。

1 修正理論

1.1 修正理論概述

當(dāng)前支撐軸力監(jiān)測(cè)所使用的鋼筋計(jì)或應(yīng)變計(jì)采用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系原理，通常在計(jì)算軸力時(shí)無法排除非荷載因素引起的應(yīng)變，因此往往造成支撐監(jiān)測(cè)軸力大于實(shí)際軸力。目前對(duì)非荷載因素的修正方法包括溫度修正、收縮修正和徐變修正等［6-7，10］。通過考慮溫度膨脹，混凝土在長期荷載下的徐變以及收縮效應(yīng)，在計(jì)算修正軸力時(shí)減去非荷載因素造成的變形，進(jìn)而求得修正軸力。

1.2 溫度影響作用

溫度作用下混凝土以及應(yīng)變計(jì)都會(huì)產(chǎn)生微小變形，但溫度會(huì)引起多個(gè)參數(shù)的變化。為簡化計(jì)算，現(xiàn)只考慮溫度作用下的膨脹變形。由于混凝土與應(yīng)變計(jì)的線膨脹系數(shù)不同，造成應(yīng)變計(jì)與混凝土之間相互變形不協(xié)調(diào)，產(chǎn)生了應(yīng)變偏差［6，10］。因此溫度作用下對(duì)應(yīng)變計(jì)的修正如下：

其中：F0=12.2 με∕℃，即鋼弦的線膨脹系數(shù)為12.2 με∕℃；F0=10，一般情況下，混凝土的線膨脹系數(shù)為10 με∕℃。

1.3 徐變效應(yīng)影響

在荷載的長期作用下，混凝土本身會(huì)發(fā)生徐變變形，對(duì)應(yīng)變監(jiān)測(cè)傳感器產(chǎn)生干擾。在荷載作用下，軸向受力的鋼筋混凝土支撐并考慮混凝土配筋率的徐變系數(shù)計(jì)算［7］可等效為式⑵：

式中：nc為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量比值；ρs為構(gòu)件界面配筋率；其中φ（t，t0）計(jì)算參考文獻(xiàn)［14］對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土徐變相關(guān)量的計(jì)算：

式中：t為計(jì)算時(shí)的齡期（d）；fcm為強(qiáng)度等級(jí)為C25～C50 的混凝土齡期在28 d 齡期時(shí)的平均圓柱體抗壓強(qiáng)度（MPa），fcm=0.8fcu，k+8MPa；fcu，k為齡期為28 d立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）；β RH為與年平均相對(duì)濕度相關(guān)的系數(shù)；RH為環(huán)境年平均相對(duì)濕度（%）；h為構(gòu)件理論厚度（mm），h=2A∕u；A為構(gòu)件截面面積；u為構(gòu)件與大氣接觸的周邊長度；RH0=100%；h0=100 mm；t1=1 d；fcmo=10 MPa。

1.4 收縮效應(yīng)的影響

在初期凝結(jié)、硬化、以及周圍環(huán)境變化過程中會(huì)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，混凝土收縮屬于混凝土自身性質(zhì)，并非由荷載作用引起，同樣會(huì)引起應(yīng)變計(jì)的監(jiān)測(cè)誤差。目前應(yīng)變收縮的計(jì)算公式參考文獻(xiàn)［14］如下：

式中：ts為收縮開始時(shí)混凝土齡期（d），可假定為3～7 d；εts（t，ts）為變收縮開始齡期為ts，計(jì)算考慮齡期為t的收縮應(yīng)變；εcso為名義收縮系數(shù)；βs為收縮隨時(shí)間發(fā)展系數(shù)；βsc為對(duì)一般硅酸鹽水泥或快硬水泥，βsc=5.0。

2 工程概況

2.1 工程概況

珠海某基坑面積為25 870 m2，基坑周長為676 m。基坑開挖深度為13 m，采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)加兩道支撐體系。混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)傳感器采用混凝土應(yīng)變計(jì)，型號(hào)為JMZX-3001，應(yīng)變計(jì)在澆注混凝土前綁扎在主鋼筋上，并保證應(yīng)變計(jì)與受力方向在同一軸線上。每個(gè)截面4 個(gè)角點(diǎn)或上下表面中間各布設(shè)1 個(gè)應(yīng)變計(jì)。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)開始施工時(shí)對(duì)支撐軸力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2 支撐監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在對(duì)基坑兩道支撐進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)后，監(jiān)測(cè)過程中軸力異常變化如表1 所示，超出報(bào)警值的部分占報(bào)警值的比例如圖1 所示。對(duì)于第一道支撐，其占比變化較明顯，監(jiān)測(cè)值超出報(bào)警值的比例最大為52%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過報(bào)警值，最小比例約為1%。第二道支撐所占比例最大值達(dá)到90%，最小比例約為5%。但在基坑施工的整個(gè)周期中，兩道支撐結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞，基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 支撐軸力監(jiān)測(cè)值與報(bào)警值Tab.1 Support Shaft Force Monitoring Value and Alarm Value

圖1 軸力超出值與報(bào)警值之比Fig.1 Ratio of Axial Force Exceeding Value to Alarm Value

第一道支撐軸力隨時(shí)間變化的趨勢(shì)如圖2?所示?？芍?，支撐軸力前期呈增長趨勢(shì)，而后逐漸減小最終趨于穩(wěn)定值。其中測(cè)點(diǎn)ZC10-1 在檢測(cè)過程中最大軸力達(dá)到約34 000 kN。

第二道支撐軸力隨時(shí)間變化的趨勢(shì)如圖2?所示。在基坑施工結(jié)束前，第二道支撐軸力在1 個(gè)月內(nèi)增長迅速，后期變化逐漸平穩(wěn)，并且最終軸力整體大于第一道支撐。在基坑施工過程中，測(cè)點(diǎn)ZC15-2 最大軸力達(dá)到37 835.1 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸力設(shè)計(jì)值。在此期間基坑始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 軸力變化趨勢(shì)Fig.2 Axis Force Change Trend Chart

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，在基坑穩(wěn)定狀態(tài)下，部分支撐軸力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在偏大的情況，甚至接近2 倍的設(shè)計(jì)值。但支撐仍舊完好，基坑未發(fā)生較大位移。分析上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是軸力監(jiān)測(cè)儀器只能測(cè)得混凝土的應(yīng)變，但無法區(qū)分荷載因素引起的應(yīng)變與非荷載因素引起的應(yīng)變，造成監(jiān)測(cè)軸力偏大的現(xiàn)象。而對(duì)于只有部分支撐軸力增大這一現(xiàn)象，筆者認(rèn)為不同部位的支撐受力情況不同，收縮徐變也存在較大差異。但由于情況較為復(fù)雜，將不在此考慮本現(xiàn)象，只針對(duì)軸力偏大的支撐進(jìn)行修正分析。

3 計(jì)算與分析

3.1 計(jì)算分析

根據(jù)上述修正公式⑴、⑵、⑷，綜合考慮溫度、收縮、徐變因素的修正公式以及軸力計(jì)算如下：

在現(xiàn)場(chǎng)軸力監(jiān)測(cè)中，總應(yīng)變即為應(yīng)變計(jì)所測(cè)出的應(yīng)變值。未對(duì)支撐軸力進(jìn)行修正，監(jiān)測(cè)值中包含非荷載因素產(chǎn)生的影響，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)值遠(yuǎn)大于荷載引起的實(shí)際軸力值。在修正計(jì)算時(shí)，為了更好的探究收縮與徐變?cè)斐傻挠绊?，只考慮混凝土收縮與徐變效應(yīng)。利用上述修正公式對(duì)支撐軸力進(jìn)行修正，以求得軸力的修正值。修正結(jié)果以及各種因素占比如圖3、圖4所示。

圖3 監(jiān)測(cè)值、修正值與報(bào)警值Fig.3 Monitoring Value，Correction Value and Alarm Value

圖4 修正值占比Fig.4 Correction Value Percentage Chart

3.2 修正分析

修正后軸力值與監(jiān)測(cè)值以及報(bào)警值對(duì)比的曲線如圖3?所示?？芍?，經(jīng)過修正后的軸力明顯小于監(jiān)測(cè)值。其中ZC3-1，ZC20-1，ZC28-1預(yù)警值為16 000 kN，ZC27-1 預(yù)警值為13 000 kN，其余支撐預(yù)警值均為20 000 kN。圖3?中所示的修正后軸力均低于設(shè)置的預(yù)警值。非荷載因素引起第一道支撐的軸力值、收縮徐變值、修正值與報(bào)警值之比如圖4?所示。其中第一道支撐修正值與監(jiān)測(cè)值之比約為51%～54%，收縮占比6%～11%，徐變占比42%～45%；修正后值占預(yù)警值比為42%～74%，均小于設(shè)置的預(yù)警值。

第二道支撐修正值與監(jiān)測(cè)值以及預(yù)警值的對(duì)比情況分別如圖3?、圖4?所示。其中ZC6-2，ZC8-2預(yù)警值為25 000 kN，其余均為20 000 kN。第二道支撐修正值與監(jiān)測(cè)值之比約為45%～47%，收縮占比3%～6%，徐變占比40%～42%；修正值與報(bào)警值之比約為56%～100.3%。出現(xiàn)比值100%的情況是由于支撐ZC15-2 修正后的軸力值仍高于報(bào)警值，因此比值超過100%，但最終結(jié)果處于設(shè)計(jì)值之內(nèi)；對(duì)于兩道支撐的軸力縮減幅度存在差異，其原因?yàn)榈谝坏乐未嬖跁r(shí)間較長，產(chǎn)生的收縮徐變的工期大于第二道支撐，因此其收縮徐變所占比例較大。

由上述兩道支撐數(shù)據(jù)可得，考慮收縮徐變修正后，修正比例最高達(dá)到54%。表明收縮徐變效應(yīng)對(duì)混凝土支撐確實(shí)存在一定程度的影響，并且徐變效應(yīng)在非荷載因素中占主要地位，而收縮產(chǎn)生的軸力基本維持在3%～10%。但由于混凝土徐變與收縮的復(fù)雜性，修正后軸力與實(shí)際軸力的關(guān)系需要進(jìn)一步研究。除此之外，支撐軸力的預(yù)警值設(shè)置也存在一定的不合理性，修正后的軸力一般約為預(yù)警值的60%～70%，因此也可以考慮重新設(shè)置預(yù)警值。支撐軸力的影響因素較多，對(duì)于不同類型支撐其參數(shù)也有所差別；并且軸力通過間接測(cè)量得到，想要獲得精確的結(jié)果極其困難。本文只考慮幾個(gè)影響較大的因素，因此存在一定的誤差也是正常的。

4 結(jié)論

本文分析收縮與徐變因素對(duì)支撐軸力造成的影響，對(duì)珠海某基坑中軸力異常的支撐進(jìn)行修正，比較修正前后的軸力值與預(yù)警值的關(guān)系。得到以下相關(guān)結(jié)論：

⑴在修正計(jì)算過程中，非荷載因素中收縮產(chǎn)生的軸力較小，約占總軸力的3%～10%；因收縮與混凝土的初凝期有關(guān)，在不同支撐中存在一定差異。

⑵徐變產(chǎn)生的軸力約占總軸力的45%～54%，對(duì)軸力造成的影響較大，是監(jiān)測(cè)過程中的一個(gè)主要影響因素，并且徐變隨時(shí)間而增長，其對(duì)中后期的軸力影響較大；除此之外，徐變涉及因素較多，其具體影響還有待繼續(xù)研究。

⑶支撐軸力修正后，大部分修正值保持在一定范圍內(nèi)并低于預(yù)警值，但仍有部分支撐軸力在修正后仍接近或高于預(yù)警值。其原因在于徐變與收縮公式中實(shí)際涉及變量較多，并且對(duì)不同的混凝土支撐所涉及的參數(shù)也存在差別。基于上述修正結(jié)果與分析，現(xiàn)有的收縮與徐變收縮公式還需要進(jìn)一步的探究。