对基坑混凝土支撑轴力计算方法的优化

张朋杰 王 琪 吴 浩

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司（710000）

0 引言

混凝土支撑是基坑支护结构的重要组成部分。在基坑安全评价中，支撑轴力是一个重要的指标，而基坑往往处于力学性质相当复杂的地层中，由于诸多因素的影响，施工监测所获得的数据与设计值之间存在一定的差异，经常会出现混凝土支撑实测轴力远大于设计轴力的情况。结合深圳地铁十二号线太海竖井支撑轴力监测结果，以及基坑围护结构的变形数据，对混凝土支撑轴力监测结果的精准性进行了分析，并对混凝土支撑轴力的计算公式进行了优化，对类似工程具有参考价值。

1 工程概况

太子湾站-海上世界站区间竖井中心里程:右线 DK2+720.000，竖井基坑长 15 m、宽 34.4 m、深约30 m。 竖井小里程端区间竖井采用盾构法施工,大里程端采用矿山法施工，竖井兼顾盾构吊出井和矿山法施工竖井， 并在竖井范围内设置1#联络通道。

竖井基坑围护结构形式采用φ100 mm 钻孔桩，间距为1 150 mm，嵌入基底3 m，填土层及强风化地层桩间采用φ600 mm 双管旋喷桩止水， 中风化地层根据漏水情况， 桩间采用背后注浆止水；采用混凝土支撑及环框梁作为内支撑，共设置5 道支撑，支撑间距为4 m，并设置2 口降水井；下沉段及泵房采用放坡开挖，坡率为1∶0.1，挂网喷混凝土支护，垫层厚度为100 mm。

2 计算分析

2.1 监测结果与计算结果的差异分析

在实际监测过程中发现，随着基坑开挖深度的加深，基坑支撑的监测轴力值变化较快并远大于设计值，有的甚至大好几倍，以标准段3-3 道混凝土支撑轴力为例，最大监测轴力值达到18 000 kN，远超5 519 kN 的设计值， 而其他监测项目并未出现超过设计值的情况，现场巡视并未发现混凝土支撑有裂缝。

图1

影响混凝土支撑轴力监测的因素众多，目前已有众多学者、技术人员在无数的工程实践中分析和总结了影响轴力监测的因素，如监测元件精度、布设方法、初始频率、环境温度、环境荷载、混凝土收缩徐变等。 这里将通过3-3 道混凝土支撑附近的5 号测斜孔监测数据来判断混凝土支撑轴力监测值的准确性。

经过测算，第3-3 道混凝土支撑钢筋计的量程为 12 000 kN，6 月 18 日和 6 月 19 日的轴力值分别为 10 202 kN 和 12 826 kN，6 月 19 日的轴力值已经超过量程，故我们选择轴力初始值采集日5 月25日到6 月18 日期间的数据为研究对象，5 月25 日到6 月18 日期间，5 号测斜孔在第三道支撑标高处的位移从10.92 mm 变到16.67 mm。

第3-3 道混凝土支撑采用钢筋混凝土支撑，支撑长度为11 500 mm，支撑间距为7 500 mm，支撑截面为 800 mm×1 000 mm，混凝土为 C30，Ec=3×104N/mm2，Ac=793 657.2 mm2， 纵向主筋为 HRB400，Es=2×105N/mm2，As=6 342.8 mm2，根据 JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》及《基坑工程手册》，采用弹性支点法计算钢筋混凝土支撑轴力。

图2

等效弹性模量:

刚度系数:

钢筋混凝土支撑轴力:

根据设计图纸，3-3 道混凝土的支撑轴力设计值为5 519 kN，与采用弹性支点法计算的数据吻合，从理论上证明了支撑轴力监测数据偏大的事实。

2.2 计算方法优化

根据材料力学，支撑工作分为3 个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段。 在轴力N 较小时，截面混凝土和钢筋基本处于弹性阶段(第I 阶段)，钢筋应力σs和混凝土应力σc与N 基本呈线性关系；随着轴力N 的增大， 混凝土进入明显的非线性阶段，在相同的应变增量下， 混凝土应力增加的速度减缓，而钢筋应力增加的速度加快，构件进入弹塑性阶段(第Ⅱ阶段)；当钢筋受压屈服后，构件进入破坏阶段(第Ⅲ阶段)，此时钢筋应变增加但应力不增大，反过来导致混凝土压应力迅速增大，直至破坏。

根据《混凝土结构设计规范》GB 50010—2010，并结合本工程的实际情况，混凝土受压的应力与应变关系如下:

当εc≤ε0≤εcu时，σc=fc；

其中ε0=0.002，n=2，。

由于第Ⅲ阶段为构件的破坏阶段，实际工程中一般不会出现，因此支撑的轴力为:

2.3 结论

采用测斜数据与弹塑性理论计算得出的轴力值，与实际监测到的数据相差甚远:实际监测的结果为10 201.9 kN，远远大于设计支撑轴力5 519 kN，但改进计算方法后的结果为4 634.518 kN，与设计值比较接近，也比较合理。

3 结语

在钢筋混凝土弹性工作阶段，传统方法的计算结果基本上符合支撑的实际受力状态。 但在混凝土进人弹塑性阶段后，钢筋混凝土的应力应变关系非常复杂，呈非线性变化，虎克定律不再适用，应进行修正。 改进后的计算方法参考了《我国混凝土结构设计规范》GB 50010—2010 中混凝土受压的应力与应变关系，因此，比传统的计算方法在理论上更完善。 但是，这种优化后的计算方法必须经过大量的试验及实践证明。