馮翠霞,劉立東,陸麗君 (上海申元巖土工程有限公司,上海 200011)
近年來,城市地下空間發(fā)展迅速,基坑工程面臨超大超深、地質(zhì)條件復(fù)雜、環(huán)境保護(hù)要求嚴(yán)格等技術(shù)難題。水平鋼筋混凝土支撐體系因其剛度大、變形小,布置靈活等優(yōu)點,常應(yīng)用于深大基坑工程項目。支撐體系對基坑的整體安全至關(guān)重要,支撐軸力則是基坑監(jiān)測的重要指標(biāo)[1]。
常規(guī)鋼筋混凝土支撐多采用振弦式鋼筋應(yīng)力計監(jiān)測軸力,通過測定鋼弦自振頻率計算出鋼弦應(yīng)變,進(jìn)而求得支撐軸力。該測試方法多受非荷載因素,如溫度、混凝土收縮,徐變等影響。魯智明等[2]考慮溫差影響,通過現(xiàn)場制作無約束鋼筋混凝土試件,求出溫度補償系數(shù),得出支撐軸力在考慮溫度因素和不考慮溫度因素兩種條件下,支撐軸力相差約18%~25%。葉萬靈[3]在支撐中間嵌入鋼測試段,通過對比鋼箱測試值和應(yīng)力計測試值,得出后者是前者的2~3 倍,而鋼箱測試值更接近支撐實際軸力。葉真華等[4]分析一例停工約2 年的基坑工程,在基坑圍壓不變的條件下,支撐軸力監(jiān)測值受混凝土徐變影響,增大75%至3倍。結(jié)合作者多年基坑工程經(jīng)驗,常規(guī)基坑軸力監(jiān)測方法存在較大的誤差,無法準(zhǔn)確評估基坑支撐結(jié)構(gòu)狀態(tài),尚需結(jié)合基坑圍護(hù)其他監(jiān)測項目綜合判斷。
除常規(guī)支撐軸力測量儀器外,光纖傳感技術(shù)也逐漸應(yīng)用于地鐵隧道領(lǐng)域的深基坑項目。光纖傳感器可實現(xiàn)實時遠(yuǎn)程分布式監(jiān)測,可穩(wěn)定、連續(xù)地獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)[5]。但該項技術(shù)因傳輸光纖極易遭受破壞,且相較常規(guī)測試方法監(jiān)測費用高出約36%[6],目前尚未得到廣泛應(yīng)用。
在此背景下,本文旨在提出一種支撐軸力測試方法,既可準(zhǔn)確獲取支撐實時軸力,又能方便操作,力求合理評估基坑支撐結(jié)構(gòu)狀態(tài),預(yù)判基坑變形趨勢,指導(dǎo)基坑工程安全施工。
本測試方法為現(xiàn)場取樣測試,通過獲取支撐表面小塊混凝土試塊應(yīng)力釋放前后的數(shù)據(jù),來推算支撐實時受力狀態(tài)下的混凝土應(yīng)力。
①在基坑支撐受力狀態(tài)下,確定支撐取樣位置、放線及定位;
②取樣區(qū)域的支撐混凝土表面打磨平整;
③安裝應(yīng)變片并讀取初始數(shù)據(jù);
④切割取樣,切割過程中不得損傷支撐縱筋,盡可能不切斷或少切斷箍筋;
⑤取樣后靜置試塊,再次讀取應(yīng)變片數(shù)據(jù);
⑥對比前后測試數(shù)據(jù),計算出混凝土試塊取樣前后應(yīng)力差值,用以估算支撐當(dāng)前軸力。
本測試方法實施便捷,可按需對前期未預(yù)埋監(jiān)測點的支撐桿件進(jìn)行內(nèi)力測試。在前期預(yù)埋監(jiān)測點損壞的情況下,可作為補測措施。在支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)異常的情況下,亦可補測并提供校核驗證。
測試取樣尚需注意:①取樣位置宜位于支撐桿件跨度的1/3 處,且距離立柱凈距不小于1m;②取樣點應(yīng)避開支撐箍筋加密區(qū),并避開縱筋及箍筋,若箍筋無法避開,應(yīng)先加固后再取樣;③測試點需在支撐頂、底面相對位置成對設(shè)置,以抵消彎矩作用;④取樣應(yīng)盡可能接近支撐中軸線;⑤支撐軸力已超過承載力設(shè)計值時,應(yīng)對測試點周邊進(jìn)行預(yù)加固后再取樣,支撐軸力未超過承載力設(shè)計值,可先取樣后做加固,加固建議采用粘貼鋼板方式;⑥測試點可靠近原有預(yù)埋軸力監(jiān)測點,以便驗證已有監(jiān)測數(shù)據(jù);⑦切割取樣時補的破壞支撐主筋,不得采用強沖擊設(shè)備,可采用小直徑排鉆切割。
圖1 測試取樣位置
圖2 測試取樣樣圖
圖3 測試取樣剖面詳圖
本試驗旨在驗證卸載條件下支撐軸力實時檢測方法的可行性。試件考慮常規(guī)基坑支撐截面特性、配筋及混凝土強度等級,共制作截面尺寸200mm×200mm×500mm 的素混凝土試件4 個(S1~S4,齡期45d),以及鋼筋混凝土試件3 個(S5~S6,齡期76d),混凝土強度等級為C30。
試件在四面軸線位置對稱粘貼80mm 混凝土應(yīng)變片,并通過高剛度混凝土全曲線壓力機(jī)軸向加、卸載,讀取表面應(yīng)變值。
本試驗不考慮偏心受壓對試件的影響,試件軸向加載值取構(gòu)件承載能力設(shè)計 值 的1.2 倍(1.2fc),即17.16MPa,C30[7]。
同時,試驗制作兩批素混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行抗壓試驗,并測算不同齡期下的混凝土彈性模量(T1~T2,齡期45d,T3~T5,齡期76d,截面尺寸150mm×150mm×150mm)。
圖4 S5-S6試件配筋詳圖,配筋率1.5%
圖5 試件加載裝置及應(yīng)變片安裝
圖6 試件S5受荷與應(yīng)變關(guān)系曲線
圖7 試件S6受荷與應(yīng)變關(guān)系曲線
圖8 試件S7受荷與應(yīng)變關(guān)系曲線
①由S5~S7試件受荷與應(yīng)變關(guān)系曲線可知,試件在卸載條件下(17.6MPa~0MPa),試件表面應(yīng)變接近線彈性變形,可利用公式:
③根據(jù)試驗結(jié)果并計算,素混凝土試件S2~S4 在1.2fc卸載過程中,通過讀取試件表面應(yīng)變差值,并乘以實測計算的混凝土彈性模量,可推算出試件所受的軸向應(yīng)力平均值約為17.38MPa,計算偏差約1.3%。
鋼筋混凝土試件S5~S7 在1.2fc卸載過程中,通過讀取試件表面應(yīng)變差值,并乘以實測計算的鋼筋混凝土復(fù)合材料彈性模量,可推算出試件所受的軸向應(yīng)力平均值約為16.12MPa,計算偏差約6.1%。
試驗結(jié)果表明,通過在試件表面粘貼應(yīng)變片,讀取試件軸向卸載條件下的表面應(yīng)變差值,可以反向推算出試件軸向受荷,并且推算出的軸力值誤差較小,在可控范圍內(nèi)。
①本文提出一種鋼筋混凝土支撐軸力實時測試方法,即通過現(xiàn)場切割支撐表面小塊混凝土試塊,獲取其應(yīng)力釋放前后的數(shù)據(jù),來推算支撐實時軸力的方法。該測試方法可靈活選取測試點,操作方便快捷,材料成本較低。相較傳統(tǒng)支撐軸力測試方法,受環(huán)境溫度變化影響小,且不受混凝土的收縮、徐變等影響;相較光纖傳感測量技術(shù),操作難度與測試成本均更低,適用范圍更廣。
②室內(nèi)試驗結(jié)果表明,試件在卸載條件下,表面應(yīng)變接近線彈性變形??梢酝茢嗷铀戒摻罨炷林螛?gòu)件在承載能力設(shè)計值范圍內(nèi),其表面應(yīng)變也接近線彈性變形。
③試驗進(jìn)一步驗證了該支撐軸力實時測試方法的可行性,同時驗證了普通混凝土應(yīng)變片可應(yīng)用于該實測方法。
試驗中,通過獲取鋼筋混凝土試件在卸載條件下的表面應(yīng)變差值和鋼筋混凝土復(fù)合材料彈性模量,可推算出試件所受的軸向應(yīng)力值,計算值與實際受荷偏差約6.1%?;庸こ讨?,首道支撐軸力報警值按構(gòu)件承載能力的80%取值[10],以截面800mm×800mm,混凝土強度等級C30 的支撐為例,其支撐軸力報警值可取7300kN。根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果,按本文提出的支撐軸力實時測試方法,計算偏差約445kN。相比傳統(tǒng)支撐軸力測試方法,該誤差值較小,測試結(jié)果更為接近支撐實際受力狀態(tài)。
④本方法尚需進(jìn)行現(xiàn)場測試驗證?,F(xiàn)場測試時,支撐測試點的具體位置尚需結(jié)合基坑整體支撐體系布置,以及基坑當(dāng)前現(xiàn)狀綜合判斷并選取,力求在確?;影踩那疤嵯?,獲得支撐軸力的代表性數(shù)據(jù)。
同時,現(xiàn)場切割試塊還需針對測試支撐點位進(jìn)行預(yù)加固處理,或者后期補強加固。對切割試塊所需的設(shè)備、操作方法以及測試人員也有較高的要求,需要進(jìn)行多次現(xiàn)場測試規(guī)范操作流程,形成一套有效的支撐軸力測試及加固操作手冊。