對基坑混凝土支撐軸力計算方法的優化

張朋杰 王 琪 吳 浩

中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司（710000）

0 引言

混凝土支撐是基坑支護結構的重要組成部分。在基坑安全評價中，支撐軸力是一個重要的指標，而基坑往往處于力學性質相當復雜的地層中，由于諸多因素的影響，施工監測所獲得的數據與設計值之間存在一定的差異，經常會出現混凝土支撐實測軸力遠大于設計軸力的情況。結合深圳地鐵十二號線太海豎井支撐軸力監測結果，以及基坑圍護結構的變形數據，對混凝土支撐軸力監測結果的精準性進行了分析，并對混凝土支撐軸力的計算公式進行了優化，對類似工程具有參考價值。

1 工程概況

太子灣站-海上世界站區間豎井中心里程:右線 DK2+720.000，豎井基坑長 15 m、寬 34.4 m、深約30 m。 豎井小里程端區間豎井采用盾構法施工,大里程端采用礦山法施工，豎井兼顧盾構吊出井和礦山法施工豎井， 并在豎井范圍內設置1#聯絡通道。

豎井基坑圍護結構形式采用φ100 mm 鉆孔樁，間距為1 150 mm，嵌入基底3 m，填土層及強風化地層樁間采用φ600 mm 雙管旋噴樁止水， 中風化地層根據漏水情況， 樁間采用背后注漿止水；采用混凝土支撐及環框梁作為內支撐，共設置5 道支撐，支撐間距為4 m，并設置2 口降水井；下沉段及泵房采用放坡開挖，坡率為1∶0.1，掛網噴混凝土支護，墊層厚度為100 mm。

2 計算分析

2.1 監測結果與計算結果的差異分析

在實際監測過程中發現，隨著基坑開挖深度的加深，基坑支撐的監測軸力值變化較快并遠大于設計值，有的甚至大好幾倍，以標準段3-3 道混凝土支撐軸力為例，最大監測軸力值達到18 000 kN，遠超5 519 kN 的設計值， 而其他監測項目并未出現超過設計值的情況，現場巡視并未發現混凝土支撐有裂縫。

圖1

影響混凝土支撐軸力監測的因素眾多，目前已有眾多學者、技術人員在無數的工程實踐中分析和總結了影響軸力監測的因素，如監測元件精度、布設方法、初始頻率、環境溫度、環境荷載、混凝土收縮徐變等。 這里將通過3-3 道混凝土支撐附近的5 號測斜孔監測數據來判斷混凝土支撐軸力監測值的準確性。

經過測算，第3-3 道混凝土支撐鋼筋計的量程為 12 000 kN，6 月 18 日和 6 月 19 日的軸力值分別為 10 202 kN 和 12 826 kN，6 月 19 日的軸力值已經超過量程，故我們選擇軸力初始值采集日5 月25日到6 月18 日期間的數據為研究對象，5 月25 日到6 月18 日期間，5 號測斜孔在第三道支撐標高處的位移從10.92 mm 變到16.67 mm。

第3-3 道混凝土支撐采用鋼筋混凝土支撐，支撐長度為11 500 mm，支撐間距為7 500 mm，支撐截面為 800 mm×1 000 mm，混凝土為 C30，Ec=3×104N/mm2，Ac=793 657.2 mm2， 縱向主筋為 HRB400，Es=2×105N/mm2，As=6 342.8 mm2，根據 JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》及《基坑工程手冊》，采用彈性支點法計算鋼筋混凝土支撐軸力。

圖2

等效彈性模量:

剛度系數:

鋼筋混凝土支撐軸力:

根據設計圖紙，3-3 道混凝土的支撐軸力設計值為5 519 kN，與采用彈性支點法計算的數據吻合，從理論上證明了支撐軸力監測數據偏大的事實。

2.2 計算方法優化

根據材料力學，支撐工作分為3 個階段:彈性階段、彈塑性階段、破壞階段。 在軸力N 較小時，截面混凝土和鋼筋基本處于彈性階段(第I 階段)，鋼筋應力σs和混凝土應力σc與N 基本呈線性關系；隨著軸力N 的增大， 混凝土進入明顯的非線性階段，在相同的應變增量下， 混凝土應力增加的速度減緩，而鋼筋應力增加的速度加快，構件進入彈塑性階段(第Ⅱ階段)；當鋼筋受壓屈服后，構件進入破壞階段(第Ⅲ階段)，此時鋼筋應變增加但應力不增大，反過來導致混凝土壓應力迅速增大，直至破壞。

根據《混凝土結構設計規范》GB 50010—2010，并結合本工程的實際情況，混凝土受壓的應力與應變關系如下:

當εc≤ε0≤εcu時，σc=fc；

其中ε0=0.002，n=2，。

由于第Ⅲ階段為構件的破壞階段，實際工程中一般不會出現，因此支撐的軸力為:

2.3 結論

采用測斜數據與彈塑性理論計算得出的軸力值，與實際監測到的數據相差甚遠:實際監測的結果為10 201.9 kN，遠遠大于設計支撐軸力5 519 kN，但改進計算方法后的結果為4 634.518 kN，與設計值比較接近，也比較合理。

3 結語

在鋼筋混凝土彈性工作階段，傳統方法的計算結果基本上符合支撐的實際受力狀態。 但在混凝土進人彈塑性階段后，鋼筋混凝土的應力應變關系非常復雜，呈非線性變化，虎克定律不再適用，應進行修正。 改進后的計算方法參考了《我國混凝土結構設計規范》GB 50010—2010 中混凝土受壓的應力與應變關系，因此，比傳統的計算方法在理論上更完善。 但是，這種優化后的計算方法必須經過大量的試驗及實踐證明。