基坑监测中混凝土支撑轴力测量实验研究

章丹峰，李 均，熊 飞，黄 健，徐彦锋

（1、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州510500；2、华测工程检测有限公司 广州510317）

0 前言

随着城市化建设的快速推进，为了充分利用有限的土地资源，基坑工程与日俱增，规模和深度不断刷新记录，这使得基坑工程的重要性与日俱增。然而基坑工程具有隐蔽性和多变性，往往很难全面掌握岩土信息。加之岩土体结构的不确定性、施工的不可预见性、周边环境的复杂性等，基坑坍塌、基坑周边建筑物倾斜或开裂、管线爆裂等事故屡有发生，造成巨大的生命财产损失，对社会造成不良后果。在《建设工程安全生产管理条例》（国务院令第393 号）中，列举“达到一定规模的危险性较大的分部分项工程”，基坑工程占了其中2 项：基坑支护与降水工程、土方开挖工程。所以说基坑工程安全是工程建设领域中涉及安全生产中最重要的一环［1-3］。

在建筑工程中，基坑监测主要目的有以下三方面：①将实测监测数据与计算值进行比对，从而判断计算模型中施工参数取值是否合理，从而不断调整，达到信息化施工的目的。②根据实测结果指导设计和施工，不断完善设计方案和基坑工程施工方案，进而达到优化的目的。③通过对比现场实测结果与计算值，反分析法推导更符合实际情况的理论公式，并利用优化后的理论公式指导其它工程施工［2，4-5］。

目前，对基坑内混凝土支撑轴力监测的研究主要基于理论分析和工程经验总结，国内相关研究工作大部分都停留在监测值与设计值对比分析、轴力影响因素、轴力变化预测等方面［3，5-7］，上述研究均基于认为监测值与构件实际受力情况基本一致，而针对如何监测值是否准确的相关研究比较少。国内基坑监测普遍依据《建筑基坑工程监测技术规范：GB 50497—2009》，部分省、市地区关于基坑监测的规范标准主要还是针对监测项目、频率、控制值做出要求，然而其对基坑内力监测阐述较少，且未给出支撑轴力监测值的计算公式。通过检索ANSI、BSI 和ISO，欧美国家并没有涉及基坑工程监测的专项技术标准或相应条款，对支撑轴力监测也无专项规定。国外文献和论著多仅在应变监测中阐述应变转换应力的方法，但未给出可用计算公式［8-12］。

本文探讨混凝土支撑轴力计算原理，在现有理论的基础上，对目前的测量方法进行验证，通过进行各项对比试验，获得影响混凝土支撑轴力测量的影响因素及各因素的影响程度；总结不同试验方法的优缺点，提出适用于工程现场测量的混凝土支撑轴力测量的改进方法。试验分为室内试验和现场试验。

1 支撑轴力测试试验研究

基坑中混凝土的支撑受力极其复杂，通常处于动态变化状态。影响混凝土支撑轴力监测值的因素很多，有些影响因素可通过一些方法和措施得到有效的减小或消除。另外一些因素则不然，需要通过试验多角度分析和确定其是否存在影响以及影响程度大小。本次试验选取代表性工程中混凝土支撑，建立全尺寸支撑轴力影响因素对比试验，模拟基坑中受压支撑受力状况。采用预拉锚索模拟真实混凝土支撑受力情况，以锚索计测值为标准参考值，从支撑自重、仪器种类、仪器布设位置（截面或水平面）、仪器埋设方式、温度等影响因素出发，选用8种对比工况开展对比试验，如表1所示。

本次实验采用3 家不同厂家生产的仪器，仪器种类有钢筋计、应变计，钢筋计采用螺纹套接、绑焊钢筋2 种方式进行安装，应变计采用绑扎固定于箍筋的内埋式、固定于混凝土梁外表面2种方式进行安装。

套接式钢筋计采用截断钢筋，将仪器通过套筒与钢筋固定于同一直线上；焊接式钢筋计是将钢筋计通过焊条固定与钢筋之上，保持两者变形一致；内埋式混凝土应变计通过钢丝绑扎在箍筋上，固定其测试方向为轴向，应变计浇筑于混凝土中；外设的混凝土表面应变计通过螺丝或固定胶固定于混凝土的外表面。试验梁仪器布置分为三部分，各部分以主要布置仪器供应厂家名称命名，即简称金码段、基康段和煊隆段，仪器布置如图1所示。

2 支撑轴力测试试验结果

图1 仪器布置示意图Fig.1 Instrument Layout

考虑自重的实验结果如图2～图4所示。试验梁两端悬架于2块横木（即梁的自重作为外力作用于梁上而不被抵消）的情况下不同仪器、布设方式等的结果对比，仪器测值均转换为轴力，以压力为负，拉力为正。

图2、图3 为距端头不同距离（1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m）截面上各仪器的曲线对比，由图2、图3 可见，2015年11 月12 日试验梁两端悬架后，仪器测得的轴力值的变化大致可分3个阶段：①2015年11月～2016年2月，试验梁架空初期，轴力测试值维持平稳。②2016年3～7 月，受混凝土徐变、弹性模量变化的影响，轴力测试值随时间逐渐增大变化。③2016 年8 月～2017 年1月，曲线较为平缓，有趋于平稳的趋势。

表1 试验工况Tab.1 Experiment Condition

图2 金码段距离端头不同距离截面仪器曲线对比Fig.2 Contrastive Curves of Jinma Sensor in Cross Sections with Different Distances to the Ends

图4 为对同种仪器的曲线对比。焊接式钢筋计、套接式钢筋计相对锚索计测值均有1.0～2.0 倍左右的偏差，内埋式应变计有1.5～3.0 倍左右的偏差，而外贴式应变计测值与锚索计测值相近，有0.5～1.5 倍左右的偏差。仪器测值与锚索计测值之差与锚索计测值的比值即偏离率统计如表2 所示。套接式钢筋计、焊接式钢筋计、内埋式应变计与锚索计相差较大，金码内埋式应变计偏离率最大，为303%，金码套接式钢筋计偏离率最小，为99%，不同厂家仪器的偏离率平均值区间为122%～278%。外贴式应变计中基康仪器平均值的偏离率为153%，煊隆仪器平均值的偏离率为60%，金码仪器平均值的偏离率为43%，相对其他3种仪器布设方式较为接近锚索计的测值，能相对真实地反映试验梁的轴向受力情况。

图3 基康段距离端头不同距离截面仪器曲线对比Fig.3 Contrastive Curves of Jikang Sensor in Cross Sections with Different Distances to the Ends

表2 不同仪器与锚索计测值偏离率统计Tab.2 Statistics of Deviations of Different Instruments from Anchor Dynamometer’s Measured Values

图4 同种仪器曲线对比Fig.4 Contrastive Curves of the Same Instrument

同截面、不同仪器曲线对比如图5 所示。图5⒜显示早期基康外贴式应变计较接近锚索计测值，过程中应变计比钢筋计测值波动大，后期收敛且测值相差不大。图5⒝显示外贴式应变计测值较钢筋计测值更接近实际轴力。图5⒞、图5⒟显示钢筋计与内埋式应变计测值对比曲线趋势较一致。截至2016年1月22日，应变计比钢筋计测值波动大，后期收敛且测值相差不大。图5⒡显示外贴式应变计较钢筋计测值更接近实际轴力值，内埋式应变计测值为15 717～17 467 kN，测值偏大。

图5 各截面不同仪器曲线对比Fig.5 Contrastive Curves of Different Instruments in Different Cross Sections

由试验其他数据分析，可以得出以下结果：

⑴距离端头不同距离（2.5 m、3.0 m）截面、不同连接方式的仪器测值对比可见，金码内埋式应变计测值相对较大，是锚索计测值的4倍左右，基康内埋式应变计及各种钢筋计测值为锚索计测值的3 倍左右，外贴式应变计均与锚索计测值较为接近，其中以金码外贴式钢筋计测值最为接近锚索计测值。

⑵由试验梁顶部、中部、中下部、底部四个水平面上布设的仪器测值对比可见，不同水平面上的仪器外设的应变计较锚索计测值更为接近，而煊隆钢筋计及金码内埋式应变计较锚索计测值偏差较大，其中以金码内埋式应变计测值最大，达到15 803 kN。

⑶距离端头不同距离截面上同种仪器的数据对比可见，对于钢筋计，同一截面同一侧的仪器，普遍有下部的仪器测值大于上部仪器测值的规律（即下部绝对值比上部大）。而对于应变计（内埋、外设）均有下部的仪器测值小于上部仪器测值的规律。显然，应变计的测试结果更符合压力和弯矩共同作用下构件的轴力分布理论。

⑷不同仪器有无温度修正的数据对比可见，经过温度修正，各仪器的轴力都有一定的变大，修正值为60～300 kN，占测值的0.5%～3.0%，说明温度并不是影响混凝土支撑轴力监测值的主要因素。

3 结论

本课题对基坑中多项影响混凝土支撑轴力因素入手，基于理论研究，开展对比试验，研究了混凝土支撑轴力测试技术，得出结论具体如下：

⑴基于混凝土支撑轴力测试原理，逐一分析可能对混凝土支撑轴力测试造成影响的因素，包括理论计算、传感器安装的部位，传感器种类，环境温度，混凝土收缩、徐变及弹性模量。

⑵选取代表性工程中混凝土支撑，建立全尺寸支撑轴力影响因素对比试验。对比8种对比工况开展对比试验（见表1）。对比试验结果显示：

①传感器种类的选择对测试结果影响较大。

②传感器安装的部位对测试结果影响较小。

③内埋式连接方式传感器受影响的因素较多（如安装精度、施工影响等），而外贴式连接方式能较好的解决安装精度问题，测试数据更接近真实值。

④采用混凝土应变计取得的测值，比采用钢筋计测值更接近真实值，混凝土应变计的测值更接近压力和弯矩共同作用下构件的轴力分布理论。

⑤温度对混凝土支撑轴力监测值的影响较小。

⑶在目前常用计算方法的情况下，按其计算结果的60%作为轴力监测值，比较合理。