温度应力对深基坑支护结构的影响分析以某工程为例定

科技与质量Scienceandtechnologyandquality127质量管理【文章摘要】温度应力对基坑支护结构应力与变形的影响不可忽略，中国南方地区昼夜温差达20℃，对内支撑应力的影响更大。根据某基坑的施工和监测成果，研究温度应力对内支撑轴力、支护结构变形的影响规律，提出减小温度应力对基坑支护结构影响的施工措施，以供实践借鉴。【关键词】深基坑；温度；应力；结构0前言随着人民生活水平的提高，高层建筑日益增多，深基坑工程越来越多，连续墙加内支撑成为普遍的支护结构型式。当内支撑的截面尺寸较大时，其温度应力对深基坑支护系统的内力与变形的影响不容忽视。从现有基坑规范可以看出，温度高低不同使得支护结构的性能发生明显变化；已有的研究成果表明：温度应力的变化受大气温差控制，当温差大于20℃时对内支撑温度应力的影响更为显著。1工程概况某工程项目基坑临海，普遍开挖深度10.6～12.2m，C35钢筋混凝土地下连续墙深29.8m、宽800mm，C40钢筋混凝土内支撑尺寸800mm×1100mm或800mm×800mm（高×宽），基坑临时支护结构体系设计使用年限为2a。2013年4月3日基坑土体开挖，4月21日完成内支撑浇灌，5月12日基坑均开挖至设计标高，5月26日完成小基坑底板浇注，之后暂停施工；8月中旬开始地下二层的施工，9月29日开始浇筑其顶板，10月7日基坑完成换撑；2014年1月17日施工地下一层，1月22日完成其顶板浇筑。（图1）场区地面高程为25.8m，从上至下岩土层分别为：温度应力对深基坑支护结构的影响分析--以某工程为例定甘朝锋福建省埕坤建设集团有限公司福建厦门361004①杂填土，层底高程约17.95m～21.15m；②-1粉质黏土夹粉土，层底高程约9.95～16.65m；②-2粉质黏土与粉土粉砂互层，层底高程约-2.01～8.15m；③-1细砂，粉质黏土与粉土粉砂互层，层底高程约-13.69～-3.41m；③-2细砂，粉质黏土与粉土粉砂互层，层底高程约-27.05～-26.56m。施工监测从2013年3月至2014年3月，历时1年；ZD1测点截面积为800mm×1100mm，ZD4测点截面积为800mm×800mm。2温度应力对支撑杆件内力的影响2.1基坑施工和监测期间的温度变化该地区属亚热带季风性湿润气候区，具有雨量充沛、夏季酷热和冬季寒冷的特点。该项目基坑施工和监测期间，其气温变化情况如图3所示。2.2温度应力对内支撑轴力的影响选定两根内支撑进行温度应力的监测，ZD1测点所在的内支撑截面积为800mm×1100mm，ZD4测点所在的内支撑截面积为800mm×800mm；用监测截面钢筋计的轴力的平均值，来计算监测截面处的内支撑轴力值。内支撑轴力的单日最大受力值、每日最高气温值的日变化曲线，见图3。根据监测结果，可以得到以下结论：（1）5月26日底板混凝土浇注完成后，内支撑的截面尺寸较大，随气温不同其轴力变化明显：气温升高时内支撑轴力明显增大，当气温降低时内支撑轴力明显减小。（2）7月21日中雨—阵雨，ZD1内支撑，测点处截面顶部的轴力约-9650kN、底部轴力约-9450kN，轴力差值为200kN系由内支撑自重所引起。（3）8月1日晴，17:00时，ZD1内支撑，测点处截面顶部的轴力约14070kN、底部轴力约12900kN；轴力差值为1170kN，系由于太阳照射导致梁上下温差不一致，温度应力使内支撑梁上下的应力分布不一致。由于8月1日的测量时间不是在中午最热时段，中午最热时段温度应力引起的内支撑轴力变化值较上述结果更大。（4）7月21日最高气温30℃，8月1日最高气温37℃，气温升高7℃时，ZD1内支撑测点处截面的轴力从-9550kN变化到-13480kN，轴力增加3930kN，增大41%，远大于内支撑轴力监测报警值8000kN。（5）内支撑混凝土强度等级为C30，其轴心抗压强度设计值为14.3kN/mm2、标准值为20.1N/mm2。根据监测成果，内支撑轴力最大值约为14070kN，截面应力为14.5kN/mm2，大于混凝土轴心抗压强度设计值，但小于标准值，内支撑结构仍能发挥工作效应。考虑到内支撑受力的不均性和环境的不利影响，为了保证内支撑的安全性，宜使内支撑的应力值控制在混凝土轴心抗压强度设计值以内。建议在进行基坑支护结构设计时，在遵循现有规范的基础上，对于施工期内温差较大者应将内支撑混凝土强度提高一个等级。2.3早期混凝土温度裂缝观测与分析因水泥水化放热，混凝土早期达到温度峰值；随后温度逐渐下降，混凝土表层温度下降快，造成由表至里不均匀收缩，使表层产生拉应力。当拉应力大于混凝土的抗拉强度时，产生温度裂缝。基坑中大截面尺寸的内支撑的温度裂缝。在监测过程中，未发现内支撑的早期温度裂缝有进一步扩大现象。其原因是：早期温度裂缝为不均匀的收缩裂缝，在基坑下挖至内支撑拆除期间，内支撑截面均处于受压状态；早期的温度裂缝对抗拉强度的影响，大于对抗压强度的影响。3杆件温度应力对支护结构变形影响3.1对地连墙及冠梁变形影响与分析基坑施工期间，对地连墙的深部水平位移进行了监测。HX3测斜管高出地面1.4m，从2013年4月10日开始测量，于2014年3月28日结束。测斜管的位移正体顺布平直。7基坑监测基坑开挖前针对现场实际作出系统的开挖监测方案，监测方案包括了监控目的、监测方法、监测点的布置、监测周期和记录制度以及信息反馈系统等。土方开挖及支护结构施工期间，坡顶水平位移及沉降观测按每3天1次；基坑开挖支护后地下室施工期间，坡顶水平位移及沉降观测按14天1次。当变形超过预警指标时，加密观测次数，并立即采取相应的加固措施（包括加长加密土钉、坑底坡脚堆砂袋反压、设置木桩等）。从土方开挖到地下室完成的三个月时间内，测得基坑面最大水平位移为10mm，最大的垂直沉降为5mm。（见图3、图4）8结论使用变形情况：基坑土方开挖后，在整个地下室施工期间，邻近的建筑物未因边坡沉降或位移而发生裂缝和倾斜，达到设计预期效果，保证基坑围护及建筑物的结构安全。实践表明：本工程基坑采用土钉墙、注浆微型桩和预应力锚索的复合支护型式，是一种受力合理，安全，经济可行的方案。科技与质量Scienceandtechnologyandquality128质量管理值表示位移方向朝向基坑内侧，HX3测斜管各点水平位移。根据监测结果可知：测斜管口以下10m处，该点的水平位移量最大，监测结束时达到31mm，超过水平位移报警值（报警值为24mm）。冠梁顶位于测斜管口以下1.5m处，该点的水平位移、管口下10m处的水平位移，日最高气温与监测时间的关系曲线，见图4。3.2对周边土体位移、地面裂缝影响与分析测斜管TX1的管口高出地面0.5m，位于基坑水沟外侧，距地连墙约4m。测斜管的水平位移正值表示朝向基坑内侧，TX1测斜管口下0.5，8m处的水平位移–时间变化曲线，如图5所示。坑壁外侧土体的最大水平位移出现在管口下8m处，根据TX1测斜管的监测成果，可知：（1）两测点的水平位移变化规律与气温变化有较好的相关性，其规律与地连墙的水平位移变化规律基本相似；2013年8月初，气温开始降低，水平位移从8月底开始增大，明显滞后于地连墙的位移变化，导致地连墙至边沟范围内土体出现大量裂缝。（2）2013年8月底，最大水平位移平均值约7mm；2014年2月中旬，最大水平位移增大至26mm，大于水平位移报警值24mm；因降温温度应力影响，最大水平位移增加了19mm，即增幅达271%。（3）受温降导致的温度应力影响，冠梁顶水平位移增加25mm，即墙顶部的水平位移受其影响，比墙中部要大。地连墙和坑壁外侧土体的水平位移受降温影响显著，对周边建筑物的安全影响较大，特别是砖混凝土结构、有两种以上基础型式的建筑物，例如在本基坑工程中，靠近基坑侧为2～3层裙楼的基础为条形基础，16层大楼主楼为桩基础，在裙楼和主楼的连接处出现连续贯穿裂缝，二楼的裂缝宽度达到2～3cm。4防止支撑裂缝与控制变形措施由于温度应力导致支护结构变形，图1基坑支护结构的平面图图2基坑监测期间气温变化情况图3内支撑轴力、气温变化值的日变化曲线科技与质量Scienceandtechnologyandquality129质量管理对超静定基坑支护系统的极限承载力影响较小，但影响支护结构裂缝的开展密度和深度。因此，确保基坑支护系统的安全、可靠，主要是防止或减少由于温度变化引起的裂缝。防止内支撑产生裂缝采用“抗、放、防”的综合措施如下：（1）抗由于温度应力在超静定结构中引起的内力，随杆件刚度增大而增大，因此采用增大结构截面尺寸不是合理措施。可采取适当提高混凝土抗压强度等级、施工中采用两次振捣等方法提高混凝土密实度和均匀性改善混凝土质量；配置小直径（8～14mm）、小间距（≯150mm）构造筋，有利于减少裂缝密度和深度；对结合永久运用、抗裂要求较高的内支撑及楼板可限制钢筋使用应力不超过1200～1500MPa。（2）放采用分段浇筑混凝土、逐步形成整体支撑；设置后浇块，每隔30～40m在梁、板内力较小部位设一个宽0.7～1.0m后浇块，待两侧混凝土浇筑30d后，用提高一个强度等级的混凝土回填，使早期混凝土温降及混凝土自身收缩基本完成，后浇块内钢筋应连续；也可设置宽2～3m的膨胀加强带，即浇混凝土到膨胀带时改浇延滞性微膨胀混凝土，来补偿混凝土收缩效应，通过膨胀带后再浇普通混凝土。（3）防内支撑断面截面尺寸变化时，应设置逐渐变化的过渡段，并加强配筋，尽可能消除应力集中现象；支撑及楼板内的孔洞周边增加配筋；底板下表面贴油毡形成滑动层，减少约束应力；采用保温措施，使混凝土缓慢降温，创造应力松弛条件，保持良好潮湿状态以减少混凝土收缩；在炎热季节，太阳辐射采用洒水或保温材料覆盖；冬季采用封闭风口及保温措施。4.3减少支撑收缩变形对支护结构位移影响措施采用上述减少支撑收缩变形、防止支撑裂缝措施，均有利于减少支护结构向坑内位移。还可采用下述措施减少支护结构位移。（1）基坑各边支护结构的中部变形量相对较大，宜适当加大桩、墙埋入深度。（2）增大支撑构件断面积，减少支撑杆件长度，以增大支撑水平刚度系数。（3）尽可能在低温季节或较低气温时段浇筑内支撑混凝土，减少混凝土最高温度。（4）由于混凝土支撑收缩，支护结构向基坑内位移形成的地面裂缝，及时灌注水泥黏土浆填充。（5）地下结构完成后，尽早覆土或进行上部建筑施工。5结论通过上述分析，可以得出如下结论（1）监测成果表明，当温度从30℃增加到37℃时，内支撑的轴力增幅达41%，使得内支撑轴力值大于监测报警值；内支撑的截面应力大于混凝土轴心抗压强度设计值，但小于标准值，内支撑结构仍能发挥工作效应。建议在进行基坑支护结构设计时，在遵循现有规范的基础上，对于施工期内温差较大者应将内支撑混凝土强度提高一个等级。（2）温度升高使内支撑受热膨胀，冠梁水平位移有较明显的降低；因降温温度应力影响，冠梁顶水平位移增加17mm，地连墙顶部的水平位移受温度应力影响比墙深部大。气温开始降低，坑壁外侧土体的水平位移变化明显滞后于地连墙的位移变化，导致地连墙至边坡范围内土体出现大量裂缝。（3）混凝土支撑降温收缩引起支护结构向基坑内侧的位移，会随着温度升高、杆件伸长会有所恢复，可不考虑其对距基坑有一定距离建筑物的影响，但对紧邻基坑的建筑物的控制变形较严部位，宜考虑支护结构位移的影响，适当减少支护结构位移允许值。（4）建议补充：当支撑长度大于40m，宜取1.2；当未采取必要保温、保湿措施时，可达1.4以上。