鋼筋混凝土支撐軸力實(shí)時(shí)測(cè)試可行性研究

馮翠霞，劉立東，陸麗君 （上海申元巖土工程有限公司，上海 200011）

1 引言

近年來(lái)，城市地下空間發(fā)展迅速，基坑工程面臨超大超深、地質(zhì)條件復(fù)雜、環(huán)境保護(hù)要求嚴(yán)格等技術(shù)難題。水平鋼筋混凝土支撐體系因其剛度大、變形小，布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，常應(yīng)用于深大基坑工程項(xiàng)目。支撐體系對(duì)基坑的整體安全至關(guān)重要，支撐軸力則是基坑監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)[1]。

常規(guī)鋼筋混凝土支撐多采用振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)軸力，通過(guò)測(cè)定鋼弦自振頻率計(jì)算出鋼弦應(yīng)變，進(jìn)而求得支撐軸力。該測(cè)試方法多受非荷載因素，如溫度、混凝土收縮，徐變等影響。魯智明等[2]考慮溫差影響，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)制作無(wú)約束鋼筋混凝土試件，求出溫度補(bǔ)償系數(shù)，得出支撐軸力在考慮溫度因素和不考慮溫度因素兩種條件下，支撐軸力相差約18%～25%。葉萬(wàn)靈[3]在支撐中間嵌入鋼測(cè)試段，通過(guò)對(duì)比鋼箱測(cè)試值和應(yīng)力計(jì)測(cè)試值，得出后者是前者的2～3 倍，而鋼箱測(cè)試值更接近支撐實(shí)際軸力。葉真華等[4]分析一例停工約2 年的基坑工程，在基坑圍壓不變的條件下，支撐軸力監(jiān)測(cè)值受混凝土徐變影響，增大75%至3倍。結(jié)合作者多年基坑工程經(jīng)驗(yàn)，常規(guī)基坑軸力監(jiān)測(cè)方法存在較大的誤差，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估基坑支撐結(jié)構(gòu)狀態(tài)，尚需結(jié)合基坑圍護(hù)其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目綜合判斷。

除常規(guī)支撐軸力測(cè)量?jī)x器外，光纖傳感技術(shù)也逐漸應(yīng)用于地鐵隧道領(lǐng)域的深基坑項(xiàng)目。光纖傳感器可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程分布式監(jiān)測(cè)，可穩(wěn)定、連續(xù)地獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[5]。但該項(xiàng)技術(shù)因傳輸光纖極易遭受破壞，且相較常規(guī)測(cè)試方法監(jiān)測(cè)費(fèi)用高出約36%[6]，目前尚未得到廣泛應(yīng)用。

在此背景下，本文旨在提出一種支撐軸力測(cè)試方法，既可準(zhǔn)確獲取支撐實(shí)時(shí)軸力，又能方便操作，力求合理評(píng)估基坑支撐結(jié)構(gòu)狀態(tài)，預(yù)判基坑變形趨勢(shì)，指導(dǎo)基坑工程安全施工。

2 鋼筋混凝土支撐軸力實(shí)時(shí)測(cè)試方法

本測(cè)試方法為現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試，通過(guò)獲取支撐表面小塊混凝土試塊應(yīng)力釋放前后的數(shù)據(jù)，來(lái)推算支撐實(shí)時(shí)受力狀態(tài)下的混凝土應(yīng)力。

2.1 測(cè)試方法步驟

①在基坑支撐受力狀態(tài)下，確定支撐取樣位置、放線及定位；

②取樣區(qū)域的支撐混凝土表面打磨平整；

③安裝應(yīng)變片并讀取初始數(shù)據(jù)；

④切割取樣，切割過(guò)程中不得損傷支撐縱筋，盡可能不切斷或少切斷箍筋；

⑤取樣后靜置試塊，再次讀取應(yīng)變片數(shù)據(jù)；

⑥對(duì)比前后測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算出混凝土試塊取樣前后應(yīng)力差值，用以估算支撐當(dāng)前軸力。

2.2 適用范圍及注意事項(xiàng)

本測(cè)試方法實(shí)施便捷，可按需對(duì)前期未預(yù)埋監(jiān)測(cè)點(diǎn)的支撐桿件進(jìn)行內(nèi)力測(cè)試。在前期預(yù)埋監(jiān)測(cè)點(diǎn)損壞的情況下，可作為補(bǔ)測(cè)措施。在支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常的情況下，亦可補(bǔ)測(cè)并提供校核驗(yàn)證。

測(cè)試取樣尚需注意：①取樣位置宜位于支撐桿件跨度的1/3 處，且距離立柱凈距不小于1m；②取樣點(diǎn)應(yīng)避開(kāi)支撐箍筋加密區(qū)，并避開(kāi)縱筋及箍筋，若箍筋無(wú)法避開(kāi)，應(yīng)先加固后再取樣；③測(cè)試點(diǎn)需在支撐頂、底面相對(duì)位置成對(duì)設(shè)置，以抵消彎矩作用；④取樣應(yīng)盡可能接近支撐中軸線；⑤支撐軸力已超過(guò)承載力設(shè)計(jì)值時(shí)，應(yīng)對(duì)測(cè)試點(diǎn)周邊進(jìn)行預(yù)加固后再取樣，支撐軸力未超過(guò)承載力設(shè)計(jì)值，可先取樣后做加固，加固建議采用粘貼鋼板方式；⑥測(cè)試點(diǎn)可靠近原有預(yù)埋軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以便驗(yàn)證已有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；⑦切割取樣時(shí)補(bǔ)的破壞支撐主筋，不得采用強(qiáng)沖擊設(shè)備，可采用小直徑排鉆切割。

圖1 測(cè)試取樣位置

圖2 測(cè)試取樣樣圖

圖3 測(cè)試取樣剖面詳圖

3 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)旨在驗(yàn)證卸載條件下支撐軸力實(shí)時(shí)檢測(cè)方法的可行性。試件考慮常規(guī)基坑支撐截面特性、配筋及混凝土強(qiáng)度等級(jí)，共制作截面尺寸200mm×200mm×500mm 的素混凝土試件4 個(gè)（S1～S4，齡期45d），以及鋼筋混凝土試件3 個(gè)（S5～S6，齡期76d），混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

試件在四面軸線位置對(duì)稱(chēng)粘貼80mm 混凝土應(yīng)變片，并通過(guò)高剛度混凝土全曲線壓力機(jī)軸向加、卸載，讀取表面應(yīng)變值。

本試驗(yàn)不考慮偏心受壓對(duì)試件的影響，試件軸向加載值取構(gòu)件承載能力設(shè)計(jì) 值 的1.2 倍（1.2fc），即17.16MPa，C30[7]。

同時(shí)，試驗(yàn)制作兩批素混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，并測(cè)算不同齡期下的混凝土彈性模量（T1～T2，齡期45d，T3～T5，齡期76d，截面尺寸150mm×150mm×150mm）。

圖4 S5-S6試件配筋詳圖，配筋率1.5%

圖5 試件加載裝置及應(yīng)變片安裝

圖6 試件S5受荷與應(yīng)變關(guān)系曲線

圖7 試件S6受荷與應(yīng)變關(guān)系曲線

圖8 試件S7受荷與應(yīng)變關(guān)系曲線

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

①由S5～S7試件受荷與應(yīng)變關(guān)系曲線可知，試件在卸載條件下（17.6MPa～0MPa），試件表面應(yīng)變接近線彈性變形，可利用公式：

③根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并計(jì)算，素混凝土試件S2～S4 在1.2fc卸載過(guò)程中，通過(guò)讀取試件表面應(yīng)變差值，并乘以實(shí)測(cè)計(jì)算的混凝土彈性模量，可推算出試件所受的軸向應(yīng)力平均值約為17.38MPa，計(jì)算偏差約1.3%。

鋼筋混凝土試件S5～S7 在1.2fc卸載過(guò)程中，通過(guò)讀取試件表面應(yīng)變差值，并乘以實(shí)測(cè)計(jì)算的鋼筋混凝土復(fù)合材料彈性模量，可推算出試件所受的軸向應(yīng)力平均值約為16.12MPa，計(jì)算偏差約6.1%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)在試件表面粘貼應(yīng)變片，讀取試件軸向卸載條件下的表面應(yīng)變差值，可以反向推算出試件軸向受荷，并且推算出的軸力值誤差較小，在可控范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

①本文提出一種鋼筋混凝土支撐軸力實(shí)時(shí)測(cè)試方法，即通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)切割支撐表面小塊混凝土試塊，獲取其應(yīng)力釋放前后的數(shù)據(jù)，來(lái)推算支撐實(shí)時(shí)軸力的方法。該測(cè)試方法可靈活選取測(cè)試點(diǎn)，操作方便快捷，材料成本較低。相較傳統(tǒng)支撐軸力測(cè)試方法，受環(huán)境溫度變化影響小，且不受混凝土的收縮、徐變等影響；相較光纖傳感測(cè)量技術(shù)，操作難度與測(cè)試成本均更低，適用范圍更廣。

②室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，試件在卸載條件下，表面應(yīng)變接近線彈性變形。可以推斷基坑水平鋼筋混凝土支撐構(gòu)件在承載能力設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，其表面應(yīng)變也接近線彈性變形。

③試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該支撐軸力實(shí)時(shí)測(cè)試方法的可行性，同時(shí)驗(yàn)證了普通混凝土應(yīng)變片可應(yīng)用于該實(shí)測(cè)方法。

試驗(yàn)中，通過(guò)獲取鋼筋混凝土試件在卸載條件下的表面應(yīng)變差值和鋼筋混凝土復(fù)合材料彈性模量，可推算出試件所受的軸向應(yīng)力值，計(jì)算值與實(shí)際受荷偏差約6.1%。基坑工程中，首道支撐軸力報(bào)警值按構(gòu)件承載能力的80%取值[10]，以截面800mm×800mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30 的支撐為例，其支撐軸力報(bào)警值可取7300kN。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，按本文提出的支撐軸力實(shí)時(shí)測(cè)試方法，計(jì)算偏差約445kN。相比傳統(tǒng)支撐軸力測(cè)試方法，該誤差值較小，測(cè)試結(jié)果更為接近支撐實(shí)際受力狀態(tài)。

④本方法尚需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，支撐測(cè)試點(diǎn)的具體位置尚需結(jié)合基坑整體支撐體系布置，以及基坑當(dāng)前現(xiàn)狀綜合判斷并選取，力求在確保基坑安全的前提下，獲得支撐軸力的代表性數(shù)據(jù)。

同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)切割試塊還需針對(duì)測(cè)試支撐點(diǎn)位進(jìn)行預(yù)加固處理，或者后期補(bǔ)強(qiáng)加固。對(duì)切割試塊所需的設(shè)備、操作方法以及測(cè)試人員也有較高的要求，需要進(jìn)行多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)范操作流程，形成一套有效的支撐軸力測(cè)試及加固操作手冊(cè)。