基坑監(jiān)測(cè)中混凝土支撐軸力測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究

章丹峰，李 均，熊 飛，黃 健，徐彥鋒

（1、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州510500；2、華測(cè)工程檢測(cè)有限公司 廣州510317）

0 前言

隨著城市化建設(shè)的快速推進(jìn)，為了充分利用有限的土地資源，基坑工程與日俱增，規(guī)模和深度不斷刷新記錄，這使得基坑工程的重要性與日俱增。然而基坑工程具有隱蔽性和多變性，往往很難全面掌握巖土信息。加之巖土體結(jié)構(gòu)的不確定性、施工的不可預(yù)見(jiàn)性、周邊環(huán)境的復(fù)雜性等，基坑坍塌、基坑周邊建筑物傾斜或開(kāi)裂、管線爆裂等事故屢有發(fā)生，造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)社會(huì)造成不良后果。在《建設(shè)工程安全生產(chǎn)管理?xiàng)l例》（國(guó)務(wù)院令第393 號(hào)）中，列舉“達(dá)到一定規(guī)模的危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程”，基坑工程占了其中2 項(xiàng)：基坑支護(hù)與降水工程、土方開(kāi)挖工程。所以說(shuō)基坑工程安全是工程建設(shè)領(lǐng)域中涉及安全生產(chǎn)中最重要的一環(huán)［1-3］。

在建筑工程中，基坑監(jiān)測(cè)主要目的有以下三方面：①將實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算值進(jìn)行比對(duì)，從而判斷計(jì)算模型中施工參數(shù)取值是否合理，從而不斷調(diào)整，達(dá)到信息化施工的目的。②根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，不斷完善設(shè)計(jì)方案和基坑工程施工方案，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化的目的。③通過(guò)對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算值，反分析法推導(dǎo)更符合實(shí)際情況的理論公式，并利用優(yōu)化后的理論公式指導(dǎo)其它工程施工［2，4-5］。

目前，對(duì)基坑內(nèi)混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)的研究主要基于理論分析和工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究工作大部分都停留在監(jiān)測(cè)值與設(shè)計(jì)值對(duì)比分析、軸力影響因素、軸力變化預(yù)測(cè)等方面［3，5-7］，上述研究均基于認(rèn)為監(jiān)測(cè)值與構(gòu)件實(shí)際受力情況基本一致，而針對(duì)如何監(jiān)測(cè)值是否準(zhǔn)確的相關(guān)研究比較少。國(guó)內(nèi)基坑監(jiān)測(cè)普遍依據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范：GB 50497—2009》，部分省、市地區(qū)關(guān)于基坑監(jiān)測(cè)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)主要還是針對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、頻率、控制值做出要求，然而其對(duì)基坑內(nèi)力監(jiān)測(cè)闡述較少，且未給出支撐軸力監(jiān)測(cè)值的計(jì)算公式。通過(guò)檢索ANSI、BSI 和ISO，歐美國(guó)家并沒(méi)有涉及基坑工程監(jiān)測(cè)的專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或相應(yīng)條款，對(duì)支撐軸力監(jiān)測(cè)也無(wú)專(zhuān)項(xiàng)規(guī)定。國(guó)外文獻(xiàn)和論著多僅在應(yīng)變監(jiān)測(cè)中闡述應(yīng)變轉(zhuǎn)換應(yīng)力的方法，但未給出可用計(jì)算公式［8-12］。

本文探討混凝土支撐軸力計(jì)算原理，在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上，對(duì)目前的測(cè)量方法進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)進(jìn)行各項(xiàng)對(duì)比試驗(yàn)，獲得影響混凝土支撐軸力測(cè)量的影響因素及各因素的影響程度；總結(jié)不同試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出適用于工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的混凝土支撐軸力測(cè)量的改進(jìn)方法。試驗(yàn)分為室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 支撐軸力測(cè)試試驗(yàn)研究

基坑中混凝土的支撐受力極其復(fù)雜，通常處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)。影響混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)值的因素很多，有些影響因素可通過(guò)一些方法和措施得到有效的減小或消除。另外一些因素則不然，需要通過(guò)試驗(yàn)多角度分析和確定其是否存在影響以及影響程度大小。本次試驗(yàn)選取代表性工程中混凝土支撐，建立全尺寸支撐軸力影響因素對(duì)比試驗(yàn)，模擬基坑中受壓支撐受力狀況。采用預(yù)拉錨索模擬真實(shí)混凝土支撐受力情況，以錨索計(jì)測(cè)值為標(biāo)準(zhǔn)參考值，從支撐自重、儀器種類(lèi)、儀器布設(shè)位置（截面或水平面）、儀器埋設(shè)方式、溫度等影響因素出發(fā)，選用8種對(duì)比工況開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)，如表1所示。

本次實(shí)驗(yàn)采用3 家不同廠家生產(chǎn)的儀器，儀器種類(lèi)有鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)，鋼筋計(jì)采用螺紋套接、綁焊鋼筋2 種方式進(jìn)行安裝，應(yīng)變計(jì)采用綁扎固定于箍筋的內(nèi)埋式、固定于混凝土梁外表面2種方式進(jìn)行安裝。

套接式鋼筋計(jì)采用截?cái)噤摻?，將儀器通過(guò)套筒與鋼筋固定于同一直線上；焊接式鋼筋計(jì)是將鋼筋計(jì)通過(guò)焊條固定與鋼筋之上，保持兩者變形一致；內(nèi)埋式混凝土應(yīng)變計(jì)通過(guò)鋼絲綁扎在箍筋上，固定其測(cè)試方向?yàn)檩S向，應(yīng)變計(jì)澆筑于混凝土中；外設(shè)的混凝土表面應(yīng)變計(jì)通過(guò)螺絲或固定膠固定于混凝土的外表面。試驗(yàn)梁儀器布置分為三部分，各部分以主要布置儀器供應(yīng)廠家名稱(chēng)命名，即簡(jiǎn)稱(chēng)金碼段、基康段和煊隆段，儀器布置如圖1所示。

2 支撐軸力測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

圖1 儀器布置示意圖Fig.1 Instrument Layout

考慮自重的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖4所示。試驗(yàn)梁兩端懸架于2塊橫木（即梁的自重作為外力作用于梁上而不被抵消）的情況下不同儀器、布設(shè)方式等的結(jié)果對(duì)比，儀器測(cè)值均轉(zhuǎn)換為軸力，以壓力為負(fù)，拉力為正。

圖2、圖3 為距端頭不同距離（1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m）截面上各儀器的曲線對(duì)比，由圖2、圖3 可見(jiàn)，2015年11 月12 日試驗(yàn)梁兩端懸架后，儀器測(cè)得的軸力值的變化大致可分3個(gè)階段：①2015年11月～2016年2月，試驗(yàn)梁架空初期，軸力測(cè)試值維持平穩(wěn)。②2016年3～7 月，受混凝土徐變、彈性模量變化的影響，軸力測(cè)試值隨時(shí)間逐漸增大變化。③2016 年8 月～2017 年1月，曲線較為平緩，有趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。

表1 試驗(yàn)工況Tab.1 Experiment Condition

圖2 金碼段距離端頭不同距離截面儀器曲線對(duì)比Fig.2 Contrastive Curves of Jinma Sensor in Cross Sections with Different Distances to the Ends

圖4 為對(duì)同種儀器的曲線對(duì)比。焊接式鋼筋計(jì)、套接式鋼筋計(jì)相對(duì)錨索計(jì)測(cè)值均有1.0～2.0 倍左右的偏差，內(nèi)埋式應(yīng)變計(jì)有1.5～3.0 倍左右的偏差，而外貼式應(yīng)變計(jì)測(cè)值與錨索計(jì)測(cè)值相近，有0.5～1.5 倍左右的偏差。儀器測(cè)值與錨索計(jì)測(cè)值之差與錨索計(jì)測(cè)值的比值即偏離率統(tǒng)計(jì)如表2 所示。套接式鋼筋計(jì)、焊接式鋼筋計(jì)、內(nèi)埋式應(yīng)變計(jì)與錨索計(jì)相差較大，金碼內(nèi)埋式應(yīng)變計(jì)偏離率最大，為303%，金碼套接式鋼筋計(jì)偏離率最小，為99%，不同廠家儀器的偏離率平均值區(qū)間為122%～278%。外貼式應(yīng)變計(jì)中基康儀器平均值的偏離率為153%，煊隆儀器平均值的偏離率為60%，金碼儀器平均值的偏離率為43%，相對(duì)其他3種儀器布設(shè)方式較為接近錨索計(jì)的測(cè)值，能相對(duì)真實(shí)地反映試驗(yàn)梁的軸向受力情況。

圖3 基康段距離端頭不同距離截面儀器曲線對(duì)比Fig.3 Contrastive Curves of Jikang Sensor in Cross Sections with Different Distances to the Ends

表2 不同儀器與錨索計(jì)測(cè)值偏離率統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of Deviations of Different Instruments from Anchor Dynamometer’s Measured Values

圖4 同種儀器曲線對(duì)比Fig.4 Contrastive Curves of the Same Instrument

同截面、不同儀器曲線對(duì)比如圖5 所示。圖5?顯示早期基康外貼式應(yīng)變計(jì)較接近錨索計(jì)測(cè)值，過(guò)程中應(yīng)變計(jì)比鋼筋計(jì)測(cè)值波動(dòng)大，后期收斂且測(cè)值相差不大。圖5?顯示外貼式應(yīng)變計(jì)測(cè)值較鋼筋計(jì)測(cè)值更接近實(shí)際軸力。圖5?、圖5?顯示鋼筋計(jì)與內(nèi)埋式應(yīng)變計(jì)測(cè)值對(duì)比曲線趨勢(shì)較一致。截至2016年1月22日，應(yīng)變計(jì)比鋼筋計(jì)測(cè)值波動(dòng)大，后期收斂且測(cè)值相差不大。圖5?顯示外貼式應(yīng)變計(jì)較鋼筋計(jì)測(cè)值更接近實(shí)際軸力值，內(nèi)埋式應(yīng)變計(jì)測(cè)值為15 717～17 467 kN，測(cè)值偏大。

圖5 各截面不同儀器曲線對(duì)比Fig.5 Contrastive Curves of Different Instruments in Different Cross Sections

由試驗(yàn)其他數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)果：

⑴距離端頭不同距離（2.5 m、3.0 m）截面、不同連接方式的儀器測(cè)值對(duì)比可見(jiàn)，金碼內(nèi)埋式應(yīng)變計(jì)測(cè)值相對(duì)較大，是錨索計(jì)測(cè)值的4倍左右，基康內(nèi)埋式應(yīng)變計(jì)及各種鋼筋計(jì)測(cè)值為錨索計(jì)測(cè)值的3 倍左右，外貼式應(yīng)變計(jì)均與錨索計(jì)測(cè)值較為接近，其中以金碼外貼式鋼筋計(jì)測(cè)值最為接近錨索計(jì)測(cè)值。

⑵由試驗(yàn)梁頂部、中部、中下部、底部四個(gè)水平面上布設(shè)的儀器測(cè)值對(duì)比可見(jiàn)，不同水平面上的儀器外設(shè)的應(yīng)變計(jì)較錨索計(jì)測(cè)值更為接近，而煊隆鋼筋計(jì)及金碼內(nèi)埋式應(yīng)變計(jì)較錨索計(jì)測(cè)值偏差較大，其中以金碼內(nèi)埋式應(yīng)變計(jì)測(cè)值最大，達(dá)到15 803 kN。

⑶距離端頭不同距離截面上同種儀器的數(shù)據(jù)對(duì)比可見(jiàn)，對(duì)于鋼筋計(jì)，同一截面同一側(cè)的儀器，普遍有下部的儀器測(cè)值大于上部?jī)x器測(cè)值的規(guī)律（即下部絕對(duì)值比上部大）。而對(duì)于應(yīng)變計(jì)（內(nèi)埋、外設(shè)）均有下部的儀器測(cè)值小于上部?jī)x器測(cè)值的規(guī)律。顯然，應(yīng)變計(jì)的測(cè)試結(jié)果更符合壓力和彎矩共同作用下構(gòu)件的軸力分布理論。

⑷不同儀器有無(wú)溫度修正的數(shù)據(jù)對(duì)比可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)溫度修正，各儀器的軸力都有一定的變大，修正值為60～300 kN，占測(cè)值的0.5%～3.0%，說(shuō)明溫度并不是影響混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)值的主要因素。

3 結(jié)論

本課題對(duì)基坑中多項(xiàng)影響混凝土支撐軸力因素入手，基于理論研究，開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)，研究了混凝土支撐軸力測(cè)試技術(shù)，得出結(jié)論具體如下：

⑴基于混凝土支撐軸力測(cè)試原理，逐一分析可能對(duì)混凝土支撐軸力測(cè)試造成影響的因素，包括理論計(jì)算、傳感器安裝的部位，傳感器種類(lèi)，環(huán)境溫度，混凝土收縮、徐變及彈性模量。

⑵選取代表性工程中混凝土支撐，建立全尺寸支撐軸力影響因素對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)比8種對(duì)比工況開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)（見(jiàn)表1）。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果顯示：

①傳感器種類(lèi)的選擇對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大。

②傳感器安裝的部位對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較小。

③內(nèi)埋式連接方式傳感器受影響的因素較多（如安裝精度、施工影響等），而外貼式連接方式能較好的解決安裝精度問(wèn)題，測(cè)試數(shù)據(jù)更接近真實(shí)值。

④采用混凝土應(yīng)變計(jì)取得的測(cè)值，比采用鋼筋計(jì)測(cè)值更接近真實(shí)值，混凝土應(yīng)變計(jì)的測(cè)值更接近壓力和彎矩共同作用下構(gòu)件的軸力分布理論。

⑤溫度對(duì)混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)值的影響較小。

⑶在目前常用計(jì)算方法的情況下，按其計(jì)算結(jié)果的60%作為軸力監(jiān)測(cè)值，比較合理。