某基坑钢筋混凝土支撑轴力监测实例分析

刘雄鹰，杨清灵，侯海清

（珠海市建设工程质量监测站，广东 珠海 519015）

0 引言

城市深基坑工程近年来发展迅猛，由于地下工程设计与施工的地质条件、工况等差异，深基坑支护监测项目中内力监测尤为重要。目前相关研究成果不能完全满足实际需求，工程各方对内力监测成果分析利用方法有不同意见。本文以珠海某口岸工程基坑钢筋混凝土支撑监测为例，通过在现场分别安装钢筋计和应变计，对其轴力变化进行监测，分析钢筋计与应变计实测值差异的影响因素及实测力值的应用。

1 工程概况

珠海某口岸工程场地地形复杂，地质条件较差，有较厚的淤泥层；基坑外围支护桩周长为1546m，基坑开挖面积约 11.5 万 m2，基坑周边大部分绝对标高约为 3.5 m，基坑坑底绝对标高为 -5.7～-9.7 m，基坑深度约 9.2～13.2 m。基坑外围采用直径 1.5 m 的旋挖桩作为围护墙，设置两～三道钢筋混凝土内支撑；上述项目为重点工程项目。本文所选钢筋混凝土支撑轴力监测分别为某阳角处第二道斜撑和相邻处的第二道对撑梁。对撑梁截面尺寸为 1 500 mm×1 200 mm，长度为 144 m；角撑梁截面支撑尺寸为 1 200 mm×1 200 mm，长度为 21 m。上述混凝土标号为 C 40，第二道支撑内力设计报警值分别为24000 kN、19250 kN（按构件承载力设计值的 70 % 确定）。

2 支撑轴力监测方法

支撑内力监测是利用与矩形支撑梁四根主筋绑扎连接的混凝土应变计或钢筋应力计两种钢弦式传感器，获得所绑扎连接的主筋应变或应力；再推算每截面四根主筋的应变或应力的平均值；再根据 GB 50010－2010《混凝土结构设计规范》推算出钢筋混凝土的支撑内力，所推算的数值与设计报警值比较，提出是否预警，从而达到内力监测的目的。

2.1 钢筋混凝土应力计监测

2.1.1 精度及计算方法

式中：F 为混凝土支撑轴力，kN；fi为钢筋计测试得到的当次频率，Hz；f0为钢筋计测试选取的初始频率，Hz；K 为钢筋计标定系数，kN/F；Ac、As分别为混凝土、钢筋的截面面积，mm2；Ec、Es分别为混凝土、钢筋的弹性模量，N/ mm2；aS为钢筋计截面面积，mm2。

2.1.2 安装方法

通过先把钢筋计安装位置处的钢筋截断，利用套筒连接或焊接连接（见图 1）。

图1 钢筋混凝土应力计安装示意图

2.2 振弦式应变计监测

2.2.1 精度及计算方法

振弦式应变计精度为≤0.5 %F·S。振弦式应变计混凝土支撑轴力计算见式（2）：

式中：F 为凝土支撑轴力，kN；fi为应变计测试得到的当次频率，Hz；f0为应变计测试选取的初始频率，Hz；K 为应变计标定系数，με/F；AC为混凝土的截面面积，mm2；EC为混凝土的弹性模量，N/ mm2。

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2.2.2 安装方法

采用绑扎连接方法（见图 2）。

2.3 监测传感器的埋设位置

在钢筋混凝土混凝土支撑中，预先在支撑的钢筋笼四个角或四条边位置分别埋设 1 个传感器（见图 3）。

图2 振弦式混凝土应变计安装示意图

图3 测试元件安装示意图

3 支撑轴力实例分析

通过在基坑支撑梁第二道对撑及第二道斜撑的相同位置，同时埋设钢筋应力计和应变计。其中 ZL 1、ZL 2 为第二道对撑轴力监测点；ZL 3、ZL 4 为第二道斜撑轴力监测点，对其轴力变化进行监测，结合施工工况及监测的支撑轴力变化曲线图进行实例分析。根据监测结果、对基坑的结构分析及处理措施，分析钢筋计与应变计实测值差异的影响因素及其应用。

3.1 监测结果

3.1.1 第二道对撑梁轴力分析

1）开挖第二道支撑下土方至第三道支撑标高阶段（见表 1 时间节点：2018.10.12-2018.11.10），轴力逐步增大到 10 015 kN（见图 4、图 5）

2）第三道支撑梁垫层施工阶段，栈桥超载，监测区域格构柱钢翼板开裂，原来相对稳定的轴力增大至12 339 kN（见图 4、图 5），处于峰值状态，未超出设计报警值。

表1 监测区域 2018.07.01～2019.01.29 施工工况记录表

图4 对撑 ZL1 支撑轴力曲线图

图5 对撑ZL2支撑轴力曲线图

3）后续工序施工阶段，轴力相对稳定。

3.1.2 第二道阳角斜撑梁轴力分析

1）开挖第二道支撑下土方至第三道支撑标高阶段（见表 1 时间节点：2018.10.12-2018.11.10），轴力逐步增大到 5 342 kN（见图 6、图 7），处于峰值状态，未超出设计报警值。

2）后续工序施工阶段，轴力相对稳定。

3.2 结构分析

当基坑开挖到第三道支撑标高处时，栈桥板上方超载，格构立柱翼板出现爆裂现象（见图 8）。

图6 阳角处斜撑 ZL 3 支撑轴力曲线图

图7 阳角处斜撑 ZL 4 支撑轴力曲线图

图8 格构立柱破裂情况

3.3 处理措施

1）专家会议要求对钢构立柱加固处理（见图 9）。

图9 应急抢险过程

2）处理结果：格构立柱加固处理完成，经验收合格（见图 10）。

图10 加固后格构立柱

3.4 结果分析

根据此实例，可作出以下结论。

1）应变计和应力计均能监测轴力的变化情况，能够真实反应所测轴力变化趋势。

2）应力计和应变计实测轴力有差异，应变计所测数据偏大。

3）内力并非全部由荷载产生，还有多种非荷载因素产生的附加应力，如支撑梁内外温差、混凝土徐变、开挖前的初始频率选取等。

4）设计二维内力与实际围护结构三维受力及设计简化了地层和结构支撑都与工程实际有差异。

5）应变计和应力计都是通过量测钢筋变形，认为钢筋与混凝土同步变形反算内力，导致计算得到的内力过大。

6）设计方需明确支撑轴力报警值是按 GB 50497－2009《建筑基坑工程监测技术规范》中第 8.0.4 条款的 f3荷载设计允许值还是 f2构件承载力设计允许值的 70 % 确定［2］，建议采用 f2。

4 结语

基坑支护结构力值监测往往与实际情况会有较大差异，原因包括但不限于安装方法、测试元器件、计算方法、现场综合原因等，当与实际有较大差异的监测力值会使现场工程师产生误判。实际工程中，需针对基坑监测力值、现场其他监测数据情况等具体分析，提出合理的处理意见，既确保了深基坑的施工安全，又能为建设单位节省资金投入，值得工程参与各方参考借鉴。