深基坑混凝土支撑轴力监测结果分析研究

杨春柳

(上海汇谷岩土工程技术有限公司，上海 201108)

0 引言

随着土地资源的日趋紧张，向地下发展空间已成为必然趋势。更深、更大、更复杂的地下工程(地下商场、停车场)并不少见，这对于基坑工程的设计和施工提出了更高的要求［1-5］。钢筋混凝土内支撑+地连墙作为一种目前普遍运用的基坑围护形式，无论从工程投资角度还是施工工期而言都占据整个工程的较大比例。一方面是设计者的“安全可靠”，另一方面是业主要求的“经济合理”，两者需要很好的平衡，归根结底是要确保工程安全有序的进行。基坑土体卸荷引起坑内外侧土压力失衡，此时围护体系特别是支撑将起到抵抗外侧土压力以维持内外平衡的作用，但由于土体作用的非确定性(土质的地域性和干扰因素的复杂)、施工和设计的经验性，支撑轴力在时空分布上可能会与原定意想不一致，或在某种程度上以受监控基坑特有的规律进行发展，确保施工的安全进行，验证设计结果的合理性，钢筋混凝土轴力监测就显得很有必要。

依托实际工程实例，实际监测结果与设计理论值进行对比，对存在的可能影响测试结果的原因进行分析总结，为以后工程获得更为合理的监测结果提供借鉴。

1 工程概况及周边环境

本项目位于浦东陆家嘴金融贸易区，基坑大致呈等边三角形状，面积约12 331 m2。地下室为3层，用作地下车库和设备用房及人防。开挖总面积约7 370 m2，开挖深度约16.05 m，分东西两区分期施工。围护结构采用地下连续墙加钢筋混凝土支撑体系。靠世纪大道区间隧道侧的地下连续墙厚1 000 mm，深42 m;靠张杨路共同沟侧的地下连续墙厚1 000 mm，深36 m;靠崂山路侧的地下连续墙厚800 mm，深36 m(靠近地铁隧道侧部分深42 m)，中隔墙采用厚800 mm，深32 m的地下连续墙。支撑体系采用四道钢筋混凝土支撑，从上到下各位于地面以下1.0 m，5.0 m，8.9 m，12.7 m，支撑截面从上到下分别为 800 mm × 800 mm，900 mm×900 mm，1 000 mm×1 000 mm和1 000 mm×1 000 mm，项目围护平面及轴力测点布置图见图1。

2 监测流程

2.1 轴力测点布置及安装

混凝土支撑轴力监测点布置在支撑内力较大的支撑上。每道支撑平面内监测点不少于3个且每道支撑轴力监测点位置在竖向上保持一致;支撑轴力测点与围护体测斜监测点对应。为获得较真实的支撑轴力数据，对钢筋混凝土支撑在每道支撑选择左右两侧中间部位的主筋上进行力传感元件(钢筋应力计)的安装，取其测量平均值作为支撑轴力监测值，以减少支撑的“梁件”作用影响。

传感器(钢筋应力计)的安装主要采用焊接的方式进行，为保证应力分布的一致性及应变的协调性，传感元件的外接连杆与焊接的截面四角的主筋直径相同，焊接安装好后的信号传输线沿主筋方向安全有效地捆绑并引出，引出部位设置套管等加以保护。本项目共布设56组测点。

图1 项目围护平面及轴力测点布置图

2.2 轴力测试原理

钢筋混凝土支撑轴向受压计算的理论前提是受压钢筋混凝土截面上各处钢筋和混凝土的压应变相等并满足平截面假定。对于某一道支撑上安装的多个传感器，分别按照每个传感器计算出该支撑的轴向压力，再取均值，得最终该支撑轴力计算值。混凝土支撑轴向受压计算公式为:

式中:N——钢筋混凝土支撑计算轴力，N;

σs——实测单根钢筋应力，Pa;

Ec——钢筋混凝土支撑中混凝土的弹性模量，Pa;

Es——钢筋混凝土支撑中钢筋的弹性模量，Pa;

Ac——支撑中混凝土面积，m2;

As——支撑中所有纵向钢筋面积之和，m2;

εs——钢筋混凝土中混凝土和钢筋的应变，无量纲。

传感器埋设前检查其无受力状态时频率f0，当其与出厂标定的频率f0在误差范围内时方可以采用。在基坑开挖前，应连续测读3次，取其平均值作为轴力计算初始频率。日常监测值与初始值的差值为其累计变化量，本次值与前次值的差值为其本次变化量。

2.3 数据分析

为能获得真实的支撑轴力变化值，本工程轴力监测于下一层土方开挖当天开始，尽量减小混凝土水化热对传感器的影响。对监测结果进行分析可以得出:

1)第一道支撑轴力最大处出现在 Z4监测点，监测值为4 041.9 kN，达到了报警值。从图2～图5可以看出，在第三层土方开挖结束后和底板养护期间，Z1～Z7监测点轴力值出现两个小峰值，这两个时间段可能出于整个支撑体系应力调整平衡阶段。在第三层土方开挖结束后各监测点的轴力值已经接近平稳，在第四道支撑拆除后，轴力值出现了下降趋势。

图2 基坑东区第一道撑代表测点变化历时曲线图（2009年）

图3 基坑东区第二道撑代表测点变化历时曲线图（2009年）

图4 基坑东区第三道撑代表测点变化历时曲线图（2009年）

2)四道支撑中，第二道支撑轴力变化最大，设计报警值为6 500 kN，其中有接近60%的监测点超过了报警值，而且从图3可以发现，这些监测点在第三层土方开挖结束后就基本上达到了报警值，显然这和第三层土方开挖面暴露时间长有直接关系。第三、四道支撑轴力变化相对平稳，没有出现较大波动，在支撑拆除前都没有达到报警值，这也和支撑施工及时有关。

图5 基坑东区第四道撑代表测点变化历时曲线图（2009年）

3)整个测试过程中，从各道支撑的实测结果来看，第二、三道支撑轴力并不符合理论设计中的逐渐变大趋势。

4)第一道支撑2组测点、第二道支撑5组测点超出报警值，与外界温度，基坑周边施工环境(施工机械、材料的堆放等)等因素的影响存在关系。

3 结论与建议

3.1 主要结论

本文介绍了某基坑工程的混凝土支撑轴力监测流程及结果，由监测结果可以得出:

1)整个监测阶段，第一道支撑轴力呈平稳波动趋势，总体处于安全状态;第二～第四道各支撑轴力总体呈增大趋势，但是自上而下各支撑轴力并没有呈现变大趋势。这与目前使用的土压力的理论计算公式选取有关，土压力并没有呈现三角形分布，而是梯形分布。

2)进行轴力测试时，应固定时间、固定仪器，巡视现场施工情况，以消除仪器、温度、施工带来的附加测试误差。通过对不同仪器进行对比测试，差值总体呈正态分布，总体频率差值在±0.3之间。读数误差可能与仪器设备的激发电流有关。

3)轴力的测试结果应该配合测斜测试结果加以综合判断，使监测数据更加符合实际工况。

4)根据本次的监测结果，第二、第三道支撑承担了大部分的轴力，此结论与测斜结果(此部分地墙变形值最大)一致。

3.2 建议

1)根据立柱隆沉的监测数据来修正轴力的监测结果，有待进一步研究出方便快捷的修正方式。

2)目前使用的轴力计算公式，没有考虑混凝土支撑裂缝、混凝土模量变化带来的影响。

3)不同断面尺寸、配筋率情况下，kN/Hz的变化值应该加以对比研究，以方便现场快速判断轴力变化值。

［1］赵 亮，李伟强，瞿少尉.影响钢筋混凝土支撑轴力因素的研究［J］.山西建筑，2011，37(20):80-81.

［2］叶 强，吴庆令.某深基坑工程的监测分析与变形特性［J］.岩土工程学报，2010，32(sup):541-543.

［3］鲁智明，和再良，陈 刚.基坑工程监测中钢筋混凝土支撑轴力测试计算方法［J］.上海地质，2010(1):46-48.

［4］潘隆武.地铁车站基坑施工过程监控及数值模拟研究［D］.长沙:长沙理工大学，2011.

［5］DG/TJ 08-2001-2006，基坑工程施工监测规程［S］.