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[分享]基坑工程混凝土支撑轴力监测方法的讨论
1.混凝土支撑轴力监测的问题及现状
国内明挖基坑工程的监测中,混凝土支撑系统的轴力监测结果异常(轴力监测值过大，但实际工程结构中并非内力过大或不稳定；如：一根C35 1m×1m截面的钢筋混凝土支撑，有时轴力监测值会达到20000~30000kN，而依然处于正常工作状态)问题普遍地存在着，时常会对监测结果分析及工程施工的进行造成不必要的阻碍。如苏州轨道交通一号线广济路站基坑混凝土支撑轴力监测数据，在实际监测过程中发现随着基坑开挖深度的加深，基坑支撑的监测轴力值变化较快并远大于设计值，有的甚至好几倍，以标准段8-2道混凝土支撑轴力为例，最大监测轴力值接近15000kN，远远超过该段8700kN的设计值。广州地铁五号线员村站基坑工程,在D101监测点处支撑横断面下表面钢筋所测应力为负值，即为拉应力，说明斜撑在土压力的作用下已向下弯曲，且下表面混凝土拉应力为2.51 MPa，超过了混凝土的设计抗拉强度，就现场观看支撑上表面有细微裂缝，而轴力平均值才达到1440.44 kN，还远未达到轴力设计报警值3000 kN。广州某地铁基坑工程混凝土支撑系统的轴力监测结果起初均为负值，随着基坑的开挖轴力值持续增大，一直到基坑开挖结束，最大值达到设计允许值的6倍，而支撑系统一直处于正常工作的状态。天津某轨道换乘中心⑩轴～⑩轴工程截至2009年8月6日，⑦轴轴力值为18247 kN，占设计值204％；⑦轴轴力值为18994 kN，占设计值213％；已大大超过支撑的安全报警值，但支撑一直安全工作，未出现裂缝等不安全、失稳迹象。上海虹桥国际商城基坑开挖深度13.70m，3道混凝土支撑，第2道支撑(C351200mm×l000mm)轴力监测值最大处曾达到30500kN，已大大超过支撑的安全报警值，但支撑一直安全工作，未出现裂缝等不安全、失稳迹象，直至支撑拆除；南京地铁指挥中心基坑开挖深度15.40m，4道钢筋混凝土支撑，施工过程中第3道支撑(C35 1200mm×1000mm)轴力监测值最大处达到21000kN，已超出轴力安全报警值，但并未出现不安全工作的迹象，直至支撑拆除。南京鼓楼峨眉路北侧某基坑工程混凝土轴力的设计值为2000kN，但是实际监测值基本上都超过2000kN，最大值5139kN，超过了设计值的2.5倍。青岛地铁一期工程火车北站A区基坑第一层混凝土支撑轴力采用混凝土应变计进行监测，期间日变化量波动很大，范围在-1140kN~1560kN之间，甚至一天内上下午监测数据变化达800kN。可以看出，国内各基坑工程混凝土支撑轴力监测过程中，该监测异常的现象比较普遍。
本人参建扬州某大型市政工程，其基坑工程第一层多为混凝土支撑，现场监测采用钢筋应力计进行混凝土支撑轴力的量测，自2012年3月6日，大部分混凝土支撑轴力监测值超过5000kN，有的甚至超过10000kN，远大于设计轴力及设计所提控制值，现场就此事讨论激烈。
2.混凝土支撑轴力的主要监测方法
在基坑工程中，混凝土支撑与钢支撑不同，通过应力传感器直接测得其轴力的大小是十分很困难的，均是通过传感器观测获取钢筋混凝土结构的应变量（假设混凝土与钢筋协调应变），再计算其轴力。具体的监测方法分为三种：
（1）传感器使用表面应变计，安装于混凝土支撑表面，通过测得支撑表面的应变量来计算其轴力。
图1 表面应变计及安装实景图
（2）传感器使用混凝土应变计，安装于混凝土支撑内部，通过测得混凝土内部的应变量来计算其轴力。
图2 混凝土应变计及安装实景图
（3）传感器使用钢筋应力计，安装于混凝土支撑的主筋上，通过测量钢筋所受应力来计算其应变量，再计算整个支撑的轴力。
图3 钢筋应力计及安装实景图
3.试验设计
笔者以扬州某大型市政工程为背景，选择某混凝土支撑断面为试验断面，同时安装了钢筋应力计、混凝土应变计、表面应变计进行对比试验，获取不同开挖工况下，不同传感器测试所得的支撑轴力。通过对监测数据分析，达到以下目的：
（1）总结影响混凝土支撑轴力变化的因素
（2）探索对混凝土支撑轴力附加应力的修正方法
（3）对比评价三种监测方法
图4 传感器埋设位置
详细的试验过程及数据分析就不做描述了，若感兴趣的同仁可以单独找我讨论，这里仅和大家分享一下试验成果，不足之处希望批评指正。
4.影响混凝土支撑轴力的因素及修正方法
影响混凝土支撑轴力因素很多，包括传感器安装是否正确、传感器灵敏度、风荷载、地面堆载、温度、混凝土支撑配筋、混凝土收缩与徐变等。
（1）传感器灵敏度
传感器的灵敏度越高，意味着它可以检测到被测物理量的变化越小，但通常测量范围也会越窄，对外界干扰也就越敏感，在实际监测过程中，选择不同的传感器对所测的物理量差异也存在一定的影响。
（2）混凝土支撑配筋
目前普遍应用的混凝土轴力计算公式是将混凝土截面积按其和钢筋弹性模量关系折算成钢筋的截面积，然后根据每个应力计测量的平均值计算钢筋单位截面积所受应力值，再根据单位截面积的应力值，计算换算后的整个支撑截面的应力值，中间存在着一定的换算过程和换算假设，因此换算后的计算结果和实际值必然存在一定的误差，因此，混凝土支撑配筋、截面积以及弹性模量指标也会影响支撑轴力监测的精确性。
（3）温度
温度对混凝土支撑轴力的影响是显著的，因为钢筋以及传感器本身的热膨胀系数大于混凝土，因此随着温度的变化，钢筋中也会产生附加应力，这是导致混凝土支撑轴力过大的主要原因之一，下图是2012年5月12日同一天不同温度下各混凝土支撑的轴力（钢筋应力计算所得轴力）情况：
图5 混凝土支撑不同温度下轴力
由上图可以看出大多数支撑在温度相对低时的轴力比温度高的轴力要小，而且都小1000kN左右。
式中
b.温度补偿系数推定
为了测得温度对应力计的影响，必须具备两个条件：一是需要一个较为明显的温差；二是维持恒荷载条件，连续测量；实际测量时，从混凝土浇筑后，收缩频率基本稳定时开始测量温度与频率的关系，测得温度变化引起的应力计频率-温度关系，选用最佳拟合直线的斜率作为修正温度系数kt，由于出厂时的应力计跟现场应力计所处的状态不同，即使厂家给出温度补偿系数，也不能直接运用，需要根据工程的不同情况去推定，本工程的补偿系数平均值为kt=0. 146 kN /0C。
（4）混凝土的收缩和徐变
导致混凝土支撑轴力过大的主要原因也包括混凝土的收缩和徐变。一般在混凝土浇筑完毕后5天，收缩和徐变对于混凝土支撑轴力的影响十分显著，图6是工作井混凝土支撑浇筑完后5天内且未开挖频率值的变化（混凝土为补偿性收缩混凝土）：
图6 混凝土浇筑完五天内频率变化曲线
a.混凝土收缩的影响
钢筋混凝土支撑浇筑完毕后，混凝土一直在发生体积收缩。混凝土收缩是混凝土体内水泥凝胶体中游离水蒸发，而使其本身体积缩小的一种物理化学现象，影响混凝土收缩的因素包括环境的相对空气湿度、环境温度、构件的厚度、水灰比和混凝土龄期。
由于混凝土与钢筋的刚度不同，混凝土收缩比钢筋要快得多，考虑到假设条件两者变形协调，钢筋混凝土中的钢筋便会阻碍混凝土的收缩变形，在阻碍过程中钢筋就会发生形变，产生附加应力，这一附加应力随着时间而持续增大，直到混凝土收缩趋于稳定。这一附加应力主要是由于混凝土收缩引起的，导致通过应力计反算混凝土支撑轴力偏大，跟基坑的开挖没有任何关系。
b.混凝土徐变的影响
混凝土的徐变与外力荷载及时间均有关系，在持续荷载作用下，混凝土内水泥胶体微孔隙中的游离水将从毛细管里挤出并蒸发，导致胶体体积缩小，形成徐变过程，是混凝土结构的非弹性变形随时间不断增加的一种现象。
影响混凝土徐变的因素有荷载、混凝土龄期、环境条件、混凝土配合比、构件厚度、时间长短、历史应力等。
混凝土浇筑完毕后，其徐变随着龄期的变化而逐渐增大，直至趋于稳定。徐变的发生会增大混凝土结构的变形；而对于钢筋，虽然也会发生徐变，但是徐变的速率远没有初期的混凝土徐变速率大，因为钢筋的徐变只与当前应力相关，与历史应力无关，混凝土轴向变形速率要大于钢筋的轴向变形速率，钢筋就必然会阻碍混凝土收缩变形，在阻碍过程中钢筋也就必然会发生变形，产生附加的压应力，从而导致通过钢筋计的频率反算出混凝土的轴力偏大。
c.修正关键-传感器初始值的选取
在监测领域中，对于采用传感器求混凝土支撑轴力的方法，测量初始值的争议较大，有人认为应该取未安装状态下的值为初始值，或直接用标定系数中的初始值，有人认为应该取刚安装完后的读数，也有人认为应该取基坑开挖前的值作为为初始值。总结之前的经验，应该取基坑开挖前的数值作为初始值，因为在混凝土支撑浇筑后，混凝土的硬化收缩和徐变等因素都必然会导致传感器产生一定量的附加压力，如采用标定系数作为初始值，则后续监测过程中所测算的轴力值就必然包含了这种附加压力，但其并不是因基坑开挖所引起的，这样就会导致测算的轴力相对于设计轴力值偏大；所以采用取基坑开挖前的数值作为初始值的选取方案可有效避免附加压力对支撑综合轴力的影响，从而使得实测支撑轴力值更接近于支撑真实受力值，使结果更为精确。
（5）基坑开挖后围护结构位移及立柱隆沉
基坑开挖过程中，基底土体会有一个卸载回弹的过程，基坑内外的土体状态也会有一个由原来的静止土压力向被动和主动土压力的转变过程，从而引起立柱隆沉、围护结构承受荷载产生变形；而围护结构、立柱之间的变形差异导致支撑受力并不是单纯的轴向受力，存在一定的扭矩，所测得应力分布不均，从而导致计算的轴力值与理论值存在偏差，该部分也是轴力监测的主要对象。
5.使用三种传感器进行轴力监测的方法对比
（1）表面应变计
表面应变计长期暴露于空气中,由于日照的影响，应变筒与振弦的线膨胀系数与温度变化不一致，通常是应变筒的温度比振弦的温度高，由于施工的不确定性，不可能保证每一次测量都在日出以前均匀的温度场下完成测试工作，这就必然会影响测量轴力的精确性。而且，传感器置于混凝土表面，极易受到外力影响或损坏。因此，一般情况下不推荐使用表面应变计。
（2）钢筋应力计
钢筋应力计反映的混凝土支撑轴力变化曲线跟温度变化曲线基本是吻合的，其对温度的反应极其敏感，且传感器埋设于混凝土支撑内，不易受外部人为触碰的影响，在进行温度修正后，其观测数据较稳定。
（3）混凝土应变计
混凝土应变计的测试结果也随着温度的变化而变化，但是其相对于温度的敏感性较弱，而且曲线相对于温度曲线变化有所滞后，扬州地区该监测周期内滞后约5~6小时，因此在温差变化较大或者不易进行温度修正计算的地区，可使用混凝土应变计进行观测。
6.结语
通过应变传感器观测混凝土支撑内部应变量，再计算获取轴力值毕竟是一种间接的监测方法，其过程中假设的理想条件很多，如混凝土、钢筋的协调变形问题，混凝土支撑自重的影响，实际混凝土的强度是否符合所选取的弹性模量等等，因此，该类监测方法更多的是提供轴力变化趋势，而不能准确的获取轴力值。希望今后能够与大家一起探索其他更直接的观测方法或者间接观测方法。
