對(duì)基坑混凝土支撐軸力計(jì)算方法的優(yōu)化

張朋杰 王 琪 吳 浩

中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司（710000）

0 引言

混凝土支撐是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。在基坑安全評(píng)價(jià)中，支撐軸力是一個(gè)重要的指標(biāo)，而基坑往往處于力學(xué)性質(zhì)相當(dāng)復(fù)雜的地層中，由于諸多因素的影響，施工監(jiān)測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值之間存在一定的差異，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)混凝土支撐實(shí)測(cè)軸力遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)軸力的情況。結(jié)合深圳地鐵十二號(hào)線太海豎井支撐軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果，以及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形數(shù)據(jù)，對(duì)混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性進(jìn)行了分析，并對(duì)混凝土支撐軸力的計(jì)算公式進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)類似工程具有參考價(jià)值。

1 工程概況

太子灣站-海上世界站區(qū)間豎井中心里程:右線 DK2+720.000，豎井基坑長(zhǎng) 15 m、寬 34.4 m、深約30 m。 豎井小里程端區(qū)間豎井采用盾構(gòu)法施工,大里程端采用礦山法施工，豎井兼顧盾構(gòu)吊出井和礦山法施工豎井， 并在豎井范圍內(nèi)設(shè)置1#聯(lián)絡(luò)通道。

豎井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(qiáng)風(fēng)化地層樁間采用φ600 mm 雙管旋噴樁止水， 中風(fēng)化地層根據(jù)漏水情況， 樁間采用背后注漿止水；采用混凝土支撐及環(huán)框梁作為內(nèi)支撐，共設(shè)置5 道支撐，支撐間距為4 m，并設(shè)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(wǎng)噴混凝土支護(hù)，墊層厚度為100 mm。

2 計(jì)算分析

2.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的差異分析

在實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)，隨著基坑開挖深度的加深，基坑支撐的監(jiān)測(cè)軸力值變化較快并遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，有的甚至大好幾倍，以標(biāo)準(zhǔn)段3-3 道混凝土支撐軸力為例，最大監(jiān)測(cè)軸力值達(dá)到18 000 kN，遠(yuǎn)超5 519 kN 的設(shè)計(jì)值， 而其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目并未出現(xiàn)超過設(shè)計(jì)值的情況，現(xiàn)場(chǎng)巡視并未發(fā)現(xiàn)混凝土支撐有裂縫。

圖1

影響混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)的因素眾多，目前已有眾多學(xué)者、技術(shù)人員在無數(shù)的工程實(shí)踐中分析和總結(jié)了影響軸力監(jiān)測(cè)的因素，如監(jiān)測(cè)元件精度、布設(shè)方法、初始頻率、環(huán)境溫度、環(huán)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(hào)測(cè)斜孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來判斷混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)值的準(zhǔn)確性。

經(jīng)過測(cè)算，第3-3 道混凝土支撐鋼筋計(jì)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(jīng)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(shù)據(jù)為研究對(duì)象，5 月25 日到6 月18 日期間，5 號(hào)測(cè)斜孔在第三道支撐標(biāo)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(zhǎng)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(jù) JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》及《基坑工程手冊(cè)》，采用彈性支點(diǎn)法計(jì)算鋼筋混凝土支撐軸力。

圖2

等效彈性模量:

剛度系數(shù):

鋼筋混凝土支撐軸力:

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，3-3 道混凝土的支撐軸力設(shè)計(jì)值為5 519 kN，與采用彈性支點(diǎn)法計(jì)算的數(shù)據(jù)吻合，從理論上證明了支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偏大的事實(shí)。

2.2 計(jì)算方法優(yōu)化

根據(jù)材料力學(xué)，支撐工作分為3 個(gè)階段:彈性階段、彈塑性階段、破壞階段。 在軸力N 較小時(shí)，截面混凝土和鋼筋基本處于彈性階段(第I 階段)，鋼筋應(yīng)力σs和混凝土應(yīng)力σc與N 基本呈線性關(guān)系；隨著軸力N 的增大， 混凝土進(jìn)入明顯的非線性階段，在相同的應(yīng)變?cè)隽肯拢?混凝土應(yīng)力增加的速度減緩，而鋼筋應(yīng)力增加的速度加快，構(gòu)件進(jìn)入彈塑性階段(第Ⅱ階段)；當(dāng)鋼筋受壓屈服后，構(gòu)件進(jìn)入破壞階段(第Ⅲ階段)，此時(shí)鋼筋應(yīng)變?cè)黾拥珣?yīng)力不增大，反過來導(dǎo)致混凝土壓應(yīng)力迅速增大，直至破壞。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010—2010，并結(jié)合本工程的實(shí)際情況，混凝土受壓的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系如下:

當(dāng)εc≤ε0≤εcu時(shí)，σc=fc；

其中ε0=0.002，n=2，。

由于第Ⅲ階段為構(gòu)件的破壞階段，實(shí)際工程中一般不會(huì)出現(xiàn)，因此支撐的軸力為:

2.3 結(jié)論

采用測(cè)斜數(shù)據(jù)與彈塑性理論計(jì)算得出的軸力值，與實(shí)際監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn):實(shí)際監(jiān)測(cè)的結(jié)果為10 201.9 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)支撐軸力5 519 kN，但改進(jìn)計(jì)算方法后的結(jié)果為4 634.518 kN，與設(shè)計(jì)值比較接近，也比較合理。

3 結(jié)語(yǔ)

在鋼筋混凝土彈性工作階段，傳統(tǒng)方法的計(jì)算結(jié)果基本上符合支撐的實(shí)際受力狀態(tài)。 但在混凝土進(jìn)人彈塑性階段后，鋼筋混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系非常復(fù)雜，呈非線性變化，虎克定律不再適用，應(yīng)進(jìn)行修正。 改進(jìn)后的計(jì)算方法參考了《我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010—2010 中混凝土受壓的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，因此，比傳統(tǒng)的計(jì)算方法在理論上更完善。 但是，這種優(yōu)化后的計(jì)算方法必須經(jīng)過大量的試驗(yàn)及實(shí)踐證明。