浅析支撑轴力报警值的选取

蔡丰锡

【摘要】大量工程实践表明，多数基坑工程事故的发生都是有征兆的，基坑监测是预防不测，保证支护结构和周边环境安全的重要手段。对于内支撑支护体系，支撑系统的安全性等同于整个支护体系的安全性。因此，相关国标、行标以及地区规程规定，对于安全等级为二级及以上的内支撑支护体系，在基坑施工过程中，支撑轴力监测属于基坑监测的应测项目[1][2][3]。然而，《建筑基坑工程监测技术规范》规定支撑轴力报警值宜为构件承载能力设计值的60%～80%，笔者认为以这种方式确定轴力监测报警值是不合理的，应根据工程的实际情况合理选取报警值，方能充分发挥该项监测的作用。

【关键词】深基坑工程；支撑轴力；轴力监测；报警值；

1 引言

温州海滨平原是我国典型的巨厚软土发育地区之一。根据温州市房屋建筑深基坑工程管理规定，在典型的软土地层中，开挖深度超过4米（含4米）的基坑，严禁采用土钉墙或复合土钉墙支护。因此，在温州地区多采用钻孔灌注桩挡土内部架设混凝土内支撑的支护体系。内支撑系统在内支撑支护体系中发挥着极其重要的作用，故根据相关规范、规程要求，在基坑开挖过程中需对内支撑系统进行内力监测。监测报警是基坑工程实施監测的目的之一，也是预防基坑工程事故发生的重要措施。监测报警值是监测工作的实施前提。对于支撑轴力这项监测内容，规范给出了其确定轴力监测报警值的方法，但这种报警方式仅仅确保内支撑构件的安全性，然而基坑事故发生的原因往往是多方面的，故本文认为轴力监测报警值同样需要考虑其他因素的作用，方能为下一步施工与设计优化提供依据。同时，由于目前的支撑轴力监测方法与手段的局限性，使支撑轴力的监测结果往往出现异常，本文结合工程实际对可能造成监测结果异常的原因进行了分析，以便于支撑轴力监测结果的分析总结。

2 轴力监测报警值的合理选取

根据国标《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009）表8.0.4所示，支撑内力报警值为构件承载能力设计值的60%～80%。规范条文解释如下：在基坑工程中，当设计中构件的承载力设计值等于荷载效应的设计值，如监测到构件内力已达到承载能力设计值的60%～80%时，结构仍能满足结构设计的安全性而不至于引起构件破坏，但此时构件的内力已相当于按荷载标准值计算所得的内力，所以，应该及时报警以引起重视。而当设计中构件的承载力较为富裕，其设计值大于荷载效应的设计值，则构件的实际内力一般不会达到其承载能力设计值的60%～80%。因此，考虑基坑的安全等级，对支撑内力等构件内力，一级基坑达到承载能力设计值的60%～70%，而二、三级基坑达到70%～80%报警是适宜的。

笔者认为以构件承载能力设计值的百分比确定轴力监测报警值是不合理的，首先，根据规范给出支挡结构的结构分析模型，主动区荷载包括主动区土压力、水压力和坑外附加荷载，坑内抗力包括：内支撑提供的支点力和被动区土反力，在基坑开挖过程中，两者应处于一种动态平衡的状态，两者是息息相关、相互影响的。故支撑轴力是多方面因素的体现，其中包括开挖深度、周边超载、土体状态以及施工工艺等等，即支撑轴力监测的目的不应该仅仅监测支撑构件的安全性，而应是基坑整体受力状态的监控；其次，以构件承载能力设计值的百分比确定的轴力报警值往往远高于支撑轴力设计值，这样的轴力报警值往往在实际监测中难以触及，而失去监测的意义。本文认为在基坑设计过程中，应充分考虑实际开挖工况、开挖机械对原状土的扰动、基坑周边后期的超载变化等因素，直接以轴力计算设计值作为轴力监测报警值应该是相对合理的，能更好的为下一步施工与设计优化提供依据。

3 混凝土支撑轴力主要监测方法

在基坑工程中，通过应力传感器直接测得混凝土内支撑轴力的大小是十分很困难的，均是通过传感器观测获取钢筋混凝土结构的应变量（假设混凝土与钢筋协调应变），再通过公式计算出其轴力。具体的监测方法分为三种：（1）传感器使用表面应变计，安装于混凝土支撑表面，通过测得支撑表面的应变量来计算其轴力。（2）传感器使用混凝土应变计，安装于混凝土支撑内部，通过测得混凝土内部的应变量来计算其轴力。（3）传感器使用钢筋应力计，安装于混凝土支撑的主筋上，通过测量钢筋所受应力来计算其应变量，再计算整个支撑的轴力。

表面应变计由于长期暴露于空气中，受日照雨淋的影响，应变筒与振弦的线膨胀系数与温度变化不一致，通常是应变筒的温度比振弦的温度高，且由于施工的不确定性，不可能保证每一次测量都在均匀的温度场下完成测试工作，这就必然会影响测量轴力的精确性。而且，传感器置于混凝土表面，极易受到外力影响或损坏。因此，在实际工程中极少采用表面应变计。

混凝土应变计的测试结果同样受温度变化的影响，但是其相对于温度的敏感性较弱，因此混凝土应变计适用于温差变化较大或者不易进行温度修正计算的地区，同时，由于混凝土应变计在内支撑混凝土浇筑时容易被损坏或偏位等，将直接影响测量的精确性，故在温州地区亦极少使用混凝土应变计。

钢筋应力计对温度的反应极其敏感，且传感器埋设于混凝土支撑内（如图1所示），不易受外部人为触碰的影响，在进行温度修正后，其观测数据较稳定，因此，钢筋应力计在目前的基坑监测中得到广泛应用。

图1 钢筋应力计安装图

4 监测结果异常原因

由于目前的支撑轴力监测方法与手段的局限性，混凝土支撑轴力结果异常的情况经常出现[4][5][6]，这些异常情况发生的原因是多方面的，笔者结合多年实际工程经验对其总结如下：

首先，在基坑围护结构设计时，设计人员根据勘察单位提供的场地岩土工程详细勘察报告给出的土层物理力学指标进行计算设计，但由于基坑工程设置于力学性质相当复杂的地层中，实际基坑开挖过程中对土体造成极大的扰动，致使基坑内被动区土体强度力学指标与原设计取值存较大差异，因此，此时支撑实际受力状态与设计考虑工况是不相符的，故在实际基坑工程中，轴力实测值远超设计值的现象普遍存在。

其次，钢筋混凝土支撑材料本身的复杂性。混凝土是存在微裂缝及空隙的多相材料，不是理想的彈性材料，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。同时，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。瑞安市下埠村新农村建设项目1#车库地下室基坑工程，基坑开挖深度5.5～6.5m，其中对撑长度120m，该工程在内支撑冬季浇筑完成后，由于某些原因工程长时间搁置，进入夏季开始基坑开挖，但由于气温的变化且支撑内力初始值在浇筑完成既已建立，在基坑尚未开挖，实测支撑轴力已接近设计值。

第三，基坑土方开挖的施工方法对支撑受力有直接影响，目前在实际工程施工中，对于内支撑覆盖部分土方的开挖均采用挖机直接站立于支撑上进行掏挖，而且采用一次性直接挖深至设计标高甚至超挖的挖土方式，这种挖土方式首先会加大对土体的扰动，其次挖机自重与操作荷载会增大支撑的变形，这些都会直接影响基坑轴力的实测数据。瑞安市人民医院急诊综合大楼地下室基坑工程，基坑开挖深度9.250～11.250m，由于本工程地处闹市，基坑土方外运受到限制，施工单位采用水冲法处理坑内土方，然而该施工方法对坑内被动区土体的扰动非常严重的，在开挖至第二道支撑垫层底工况时，第一道支撑实测轴力值（7000kN）远超设计值（3500kN）。

第四，基坑周边环境的变化同样会影响支撑实测内力值，基坑支护设计过程中经常涉及到汽车荷载的超载施加问题，施加多少，现行规程中并没有说明，导致实际基坑支护设计时，汽车超载施加无指导性方法可循，而且往往施工现场实际的出土线路与原由设计考虑线路存在一定的差异。另外，由于目前对地下空间使用率的大大提高，地下室与用地红线之间的退让距离越来越小，这给施工组织带来一定难度，施工材料堆场均在基坑周边设置，且与设计不符。瑞安市塘下镇肇平垟中村四号地块地下室基坑工程，基坑开挖深度4.750～5.650m，由于现场重车行走路线和施工材料堆场位置与设计考虑位置不符，导致支撑轴力实测值（2500kN）超出设计值（1500kN）较多，并最终导致基坑出现失稳坍塌。

第五，基坑开挖后立柱沉降或抬升亦会引起支撑轴力实测值出现异常，基坑开挖过程中，基底土体会有一个卸载回弹的过程，从而引起立柱抬升；而围护结构、立柱之间的变形差异导致支撑受力并不是单纯的轴向受力，存在一定的扭矩，甚至在支撑底部出现拉应力，从而导致实测的轴力值与理论计算值存在偏差。因此，在基坑监测过程中，在支撑轴力监测点附近宜布置立柱沉降观测点，为后期数据的综合分析处理提供数据依据。

5 结语

（一）支撑轴力监测不仅仅是为了监测支撑构件的安全性，而是监测基坑整体的受力状态，因此，以构件承载能力设计值的百分比确定轴力监测报警值是不合理的，应以支撑轴力设计值为基础，综合考虑施工工艺、开挖工况和周边超载等因素的影响，然后确定轴力监测报警值。

（二）目前普遍采用的支撑轴力监测方法是通过应变传感器观测混凝土支撑内部应变量，再计算获取轴力值毕竟是一种间接的监测方法，其过程中假设条件很多，如混凝土、钢筋的协调变形问题，同时，在监测过程受很多因素的影响，导致监测结果出现异常，不能为下步施工和设计优化提供依据，达不到监测目的，希望今后能有其他更直接、更有效的观测方法或者间接观测方法。

参考文献：

[1]JGJ120-2012建筑基坑支护技术规程[S].北京；中国建筑工业出版社.2012.

[2]GB50497-2009 建筑基坑工程监测技术规范[S].北京；中国计划出版社.2009.

[3]DB33/T 1096-2014建筑基坑工程技术规程[S].浙江；浙江工商大学出版社.2014.

[4]王成发.混凝土支撑轴力异常的原因及支撑拆除施工[J].山西建筑，2010，36（6）：107-108.

[5]张明富，王志良，赵良云.杭州地铁某车站基坑变形影响因素分析[J].都市快轨交通，2009，22（2）：59-61.

[6]胡正亮.基坑工程中混凝土支撑内力监测结果异常分析[J].西部探矿工程，2007，第2期：2-3.