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混凝土支撑轴力监测分析
摘  要：结合广州地铁某基坑工程的设计和施工方案， 对混凝土支撑轴力监测的原理进行介绍。 在对基坑施工过程中轴力监测数据变化进行分析的基础上， 对其形成原因进行了探讨， 得到一些经验性规律， 供类似工程参考。
关键词： 钢筋混凝土； 支撑轴力； 监测； 分析
引言
我国基础建设的快速发展， 深基坑工程的建设也越来越多， 在深基坑施工过程中， 深基坑的支护起着举足轻重的作用。 只有对基坑支护结构、 基坑周围的土体和相邻的构筑物进行全面、系统的监测， 才能对基坑工程的安全性和对周围环境的影响程度有全面的了解， 支撑结构轴力的监测是基坑工程现场监测的主要内容之一 通过对轴力的监测， 可准确掌握支护结构的受力状况，从而对基坑的安全性状进行分析， 在出现异常情况时及时反馈， 并采取必要的工程应急措施， 甚至调整施工工艺或修改设计方案， 从而保证基坑       本身和周围建筑物、 构筑物的安全， 以确保工程的顺利进行。 结合广州地铁某基坑工程的设计方案和监测数据， 对基坑的混凝土支撑轴力变化进行初步分析。
1工程概况
该工程包括盾构始发井兼轨排井及后明挖段，设计为 1～3 跨的闭合框架结构， 其中盾构始发井基坑开挖深度约为 18.9 m， 明挖段基坑开挖深度约17.5 m； 基坑深度范围内大部分为砂层， 以淤泥质粉细砂层为主， 基坑底部几乎全部位于淤泥质粉细砂层。 基坑设计采用 800 mm 厚的地下连续墙+内支撑的围护结构体系。 内支撑采用 3 道支撑体系，第一道为具有一定刚度的冠梁， 第二、 三道为Ф 600、 t=14 的钢管， 在灌梁和斜撑上共埋设 13 个钢筋混凝土支撑轴力监测点。 基坑监测点平面位置见图 1。

由于基坑开挖深度较大且附近有一级公路高架桥和铁路双线桥， 属于一级基坑， 必须通过监测随时掌握土层和支护结构的内力变化情况， 将监测数据与设计预估值进行分析对比， 以判断前一步施工工艺和施工参数是否符合预期值， 以确定优化下一步施工参数， 以此达到信息化施工的目的， 确保工程安全。
2轴力监测的原理
对于混凝土支撑， 目前实际工程采用较多的是钢弦式应力计方法测量钢筋的应力， 其基本原理是利用振动频率与其应力之间的关系建立的。 受力后， 钢筋两端固定点的距离发生变化， 钢弦的振动频率也发生变化， 根据所测得的钢弦振动频率变化即可求得弦内应力的变化值。 其计算公式如下：
Pg＝K (  ) + b                             ⑴
Pg 平均= (P1+P2+P3+P4+…+Pn) /n       ⑵
δg=Pg 平均/Sg                                    ⑶
P混凝土=δg·S混凝土·E混凝土/Eg              ⑷
式中 Pg———钢筋计轴力； Pg 平均———钢筋计荷载平均值； δg———钢筋计应力值； Sg———钢筋计截面积； P混凝土———混凝土桩荷载值； E混凝土———混凝土弹性模量； Eg———钢筋弹性模量 ；S混凝土———混凝土桩横截面积。      
在监测中由于内外部温差变化以及混凝土徐变特性会使钢筋应力计产生一定的伸缩变形， 引起其自振动频率变化， 因此必须采取必要的修正参数进行温差改正， 以提高监测结果的可靠性。
3 监测方案
3.1 测点的布置
本工程混凝土支撑设计强度等级为 C30， 弯曲抗压强度为 16 MPa， 抗拉力为 1.75 MPa， 采用钢弦式钢筋计进行轴力监测。 监测点位埋设在混凝土支撑中部位置， 应力计安装位置如图 2 所示，分别对应所在的支撑编号后加编 1、 2、 3、 4 予以区分。

3.2 监测方法和要求
由于混凝土初期浇筑会产生水化热， 为了减少温度的影响， 在混凝土浇筑 24 h 以后进行量测，在以后的几天内混凝土散热渐次进行， 可认为混凝土的收缩是产生应力计中应力的主要来源。 现场条件下， 为了控制无外荷条件， 在混凝土浇筑后 4~7 d 内， 未进行挖土的条件下， 连续测得应力计读数与时间的关系， 读得应力计读数基本稳定时的值， 作为修正后应力计值， 以此作为初始值进行应力量测。
3.3 支撑轴力测试与计算
支撑轴力的测试是了解围护结构受力特性、监测结构物安全性的重要依据。 在监测过程中首先通过采集钢筋计的读数， 按照上述公式编制相应的程序进行轴力结果自动计算， 然后在支撑浇筑初期计入混凝土龄期对弹性模量的影响。 在室外温度变化幅度较大的季节， 通过相应的温度改正， 避免暴冷暴热温差对测试结果的干扰影响测试精度。 图 3 是部分支撑轴力测试值随时间的变化曲线图。

总的来看， 从 6 月初期基坑开挖施工开始，随着基坑逐步分区域开挖的进行与开挖深度的加大， 支撑结构的支撑轴力逐渐加大， 到 8 月底开挖至坑底时， 支撑轴力逐渐趋于稳定。 图 3 中盾构始发井和轨排井所在区域的监测点E101 最终支撑轴力接近8 500 kN， E102 最终支撑轴力接近7 000 kN，E103 最终支撑轴力接近 6 500 kN， E104 最 终 支撑 轴 力 接 近6 000 kN， E105最终 支撑轴 力 接 近5 500 kN， E106 最 终 支 撑 轴 力 接 近 5 000 kN，都远远大于其所在混凝土支撑设计值 1 600 kN， 明挖段的监测点 E107、 E108、 E109 最终支撑轴力接近3 000 kN， 也都远远大于设计值 1 100 kN 的2 倍。 E103 和 E104、 E105 和 E106 等两个位置相邻的测点监测结果曲线基本一致， 所有的混凝土支撑曲线形状基本类似， 只是处于盾构始发井钢筋混凝土支撑的最终轴力比明挖段的最终轴力大，可以认为是由于开挖深度不同导致。
4监测数据分析
4.1 监测数据异常分析
监测初期， E104、 E105 和 E106 测点的支撑轴力实测值为负值， 随开挖深度的加大， 支撑轴力由负变正， 即由理论上的轴向拉力变为轴向压。出现负值的原因， 笔者认为是埋设在支撑上的钢筋计、 应变计等元件所测到的钢筋或混凝土应力并非全部是由荷载产生的， 还有多种非荷载因素产生的附加应力， 而引起非荷载应力的主要原因有混凝土的干缩、 湿胀、 徐变和构件温度变化等。
混凝土支撑系统的轴力监测在基坑开挖 6 月 9日至 25 日期间， E101、 E102、 E103、 E104 已经超过设计允许值。 随着开挖的进行， 到 8 月底，轴力监测值最大监测点 E101 处达到 8 500 kN， 其余几个监测点的轴力监测值也已大大超过支撑的设计安全值 1 600 kN， 但支撑一直安全工作， 未出现裂缝等不安全、 失稳迹象。 同步监测的支护结构墙 （桩） 顶水平位移和沉降、 支护结构 （墙体）侧向位移也没有突然变化加大的趋势， 一直处于变形比较稳定的状态。 由于基坑场地范围砂质地层厚度大， 砂层含水丰富、 渗透性强， 为了确保基坑安全施工， 基坑安全应急处理专家在 7 月 2日采取停止基坑开挖和加强监测频率的应急预案。通过后来连续 3 天的监测结果表明基坑各项变形暂时比较缓慢， 观察支撑未出现裂缝等不安全、失稳迹象。 通过检查验证监测方法和监测数据的计算后， 综合分析同步监测的支护结构墙 （桩）顶水平位移和沉降、 支护结构 （墙体） 侧向位移监测数据， 基坑安全应急处理专家小组集体判断认为基坑暂时处于安全状态。 混凝土支撑系统的轴力监测结果普遍异常一直到基坑开挖结束， 最大值达到设计允许值的 6 倍， 而支撑系统一直处于正常的工作状态。
4.2 原因分析
在实际工程施工过程中， 出现混凝土轴力监测异常的原因是多方面的， 主要有以下几个：
a） 由于基坑工程设置于力学性质相当复杂的地层中， 基坑围护结构支撑的空间受力是三维的，而在基坑围护结构设计和变形预估时， 一方面，基坑围护体系所承受的土压力等荷载存在着较大的不确定性； 另一方面， 对地层和围护结构支撑一般都作了较多的简化和假定， 与工程实际有一定的差异。 因此现阶段在基坑工程设计时，对结构内力计算以及结构和土体变形的预估与工程实际情况有较大的差异， 并在相当程度上仍依靠经验。
b） 在钢筋混凝土支撑开始受荷进入工作状态后， 有两个方面应该引起注意： ①混凝土材料本身的复杂性。 混凝土是存在微裂缝及空隙的多相材料， 不是理想的弹性材料， 弹性模量等力学参数随时间而变化， 存在徐变、 松弛、 热胀冷缩、湿胀干缩等现象， 骨料分离可能导致的不均匀性等。 ②混凝土一直存在体积收缩和徐变， 收缩和徐变的发生都会增大结构的变形， 也都会使混凝土的弹性模量降低， 同时造成结构内力重分布，即产生次内力。 钢筋不发生收缩， 但存在徐变，其徐变速率不及混凝土， 当轴力荷载作用在钢筋混凝土杆件时， 由于收缩和徐变的发生， 混凝土轴向变形速率高于钢筋， 钢筋的变形和轴力在混凝土与钢筋间的粘结力的作用下会明显地增加，导致发生更大的弹性压缩， 尤其是在混凝土徐变和收缩发展较快的初期。 因此， 钢筋混凝土支撑中存在的这两个现象， 导致混凝土在荷载下的变形比在理论上进行分析、 计算、 设计时要大。
c） 在监测中测量轴力的应力计正是通过量测钢筋的变形， 认为钢筋与混凝土的弹性变形是完全协调同步， 从而反算支撑内力的， 所以测得过大的钢筋变形， 必然反算而得到过大的支撑内力。
5 结束语
通过实例分析， 在混凝土收缩和徐变发展速度较快的相当长一段时间内， 测得的钢筋混凝土支撑内力大于实际内力， 实际内力并非有监测得到的异常结果那么大。 而且大量的工程实践也支持着这一结论： 例如广州地铁六号线大坦沙站基坑开挖深度 20.5 m， 2 道混凝土支撑， 第 2 道支撑(C30 800 mm × 800 mm) 轴力监测值最大处曾达到12 010 kN， 已大大超过支撑的安全报警值 ， 但支撑一直安全工作， 未出现裂缝等不安全、 失稳迹象， 直至施工封顶完成； 广州地铁二、 八号线凤凰新村站基坑开挖深度22.3 m， 3 道钢筋混凝土支撑， 施工过程中第 3 道支撑(C30 1 200 mm×1 000 mm)轴力监测值最大处达到 13 500 kN， 已超出轴力安全报警值， 但并未出现不安全工作的迹象， 直至支撑拆除。 在实际工程中， 大部分出现此类情况的基坑支撑系统是处于安全状态的。 经过以上的分析监测结果， 得出以下几个方面的结论：
 a） 根据工程经验对现有的监测方法得到的监测结果进行合理的修正。
b） 由于目前缺乏能直接观测混凝土应力的有效实用仪器， 在监测中主要利用应变计观测混凝土的应变， 然后利用混凝土的弹性模量及徐变等试验资料， 其间需要做相当程度的简化和必要的理论上的假定， 通过计算间接得到混凝土的应力。因此， 有必要研究、 采用新的更为准确的混凝土支撑内力监测手段。
c） 轴力监测值不大时， 监测值可以作为较保守的内力值供工程参考。
d） 在基坑工程中对设计计算分析和施工质量控制中可以考虑适当提高钢筋混凝土支撑的轴力监测报警值， 以解决混凝土支撑内力监测中较为普遍地出现结果异常的问题。
总之， 混凝土应力应变分析具有理论和实践紧密结合的特点， 需要充分考虑到结构特点、 材料因素、 工程施工及运行状况以及计算理论的合理性， 才能得到较为准确可靠的成果。
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