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温差对钢支撑轴力的影响及调整方法

发布日期:2019年5月6日 浏览:137次
   为了探明和量化在特定条件下温差对地铁钢支撑的影响并针对该影响采取相应措施指导施工,本文根据南宁轨道交通一号线广西大学站基坑工程的成功实例,分析了温差影响的相对幅度,并采用相应措施使“温差影响”变为“温差控制”。

    一、温差条件下钢支撑伸长率的实验
    实验目的:自由状态下或未施加预应力条件下单位温差及单位长度钢支撑伸长率
    实验日期:2019年4月5 日至5 月2日
    场地:钢支撑堆放场。
    日照条件:早晨9 时至下午16 时30 分均有日照
    初始量测时间:晚21 时或早6 时
    最终量测时间:午14 时
    量具:经标定的合格钢尺
    拉力:10kg,读数三次平均
    实验结果如表:
    
    气温每增加1 度时每米钢支撑的伸长率
    以上试验的前提是未施加附加应力,或者说支撑体尚未在支撑体系中受力,但当支撑体在支撑体系中处于受力状态时,气温的变化不一定引起支撑体按一定伸长率伸缩,在刚性系统中或者说在受约束条件明显时支撑体无法自由伸长而主要表现为支撑内力的增加,这主要取决于支护体系本身的刚性状态和周边岩土体的物理力学性能,这是很好理解的,针对工程实际,具体可从最常见的以下不同情况分析,从而做出正确的设计和施工:
    1、周边软土或可塑土层较厚,内支撑全部采用钢支撑。典型的如杭州某事故基坑。这种支护体系最大的弱点是抗倾覆能力较差,支撑内力的变化直接作用于周边土体,换句话说,若周边土体出现液化或水土流失等状况时将直接影响支护体系的安全;这种支护体系对温差的敏感性直接表现为围护结构的水平位移及周边土体的侧向位移,而支撑内力变化并不大。
    2、首道内支撑为混凝土支撑,其余均为钢支撑,但基坑两侧土体的软硬性状差异较大。这种情况下,尽管整个支护体系的稳定性较好,但在周边动荷载较大或两侧不平衡受力情况下容易引发支撑体系向软土一侧偏移。如广州地铁二号线某基坑在开挖至坑底正进行施工底板时支撑体系出现了连续若干天向软土侧偏移的情况,后经在硬土一侧补充施工预应力锚索才使得变化趋于稳定。这种支护体系对温差的敏感性主要表现为支撑内力的变化,而周边土体的侧向位移并不明显。
    3、周边软土或可塑土层较厚,首道内支撑为混凝土支撑,其余均为钢支撑。这种支护体系整体稳定性较好,在工程实践中采用非常多,一般来说,这种支撑结构本身的弱点并不明显,但在施工及基坑开挖过程中要特别注意周边水土体的稳定,若基坑某侧出现水位明显降低或砂土流失等现象要及时处理和补充,否则不平衡受力容易造成支撑体系向一侧偏移。这种支护体系对温差的敏感性主要表现为支撑内力的变化,而周边土体的侧向位移并不明显。
    4、围护结构(连续墙或桩)较深,下部嵌入风化岩内,基坑周边土层性状变化不大,首道内支撑为混凝土支撑,其余均为钢支撑。这种支护体系的整体稳定性非常好,在近年来的很多工程实例中经常被采用。但在经历雨季及跨季节等温差较大时支撑内力的变化幅度非常大,如何根据实际情况调整支撑内力是保证支撑安全的重要课题,本文将在后面的章节中具体分析。

    二、温差对钢支撑轴力的影响
    广西大学站是南宁轨道交通项目的第一个试验站,该站包括站台区和存车区,基坑总长465 米,标准段宽20.7 米,基坑平均深度18.4 米,属特大型基坑。支护体系采用地下连续墙+多道内支撑,连续墙深度平均27.6 米,嵌入不透水层强风化泥岩2 米,其中首道内支撑采用钢筋混凝土并与连续墙冠梁连成整体。而第二、第三及第四道换撑均采用Ф609 预应力钢支撑。
    钢支撑施工时段:本基坑钢支撑施工时段为2010 年6 月至2011 年2 月,经历并跨越了了雨季昼夜温差和冬夏季节温差的变化。
    如前所述,本基坑支撑体系的整体刚性及框架性比较好,温差对周边土体及支护结构产生的附加变形非常小,温差影响主要体现在支撑内力的变化,本实验数据主要根据监测及特殊条件下的加密监测结果而来,并且在大量的监测数据中概括和选取了有代表性的数据进行分析,分析前提:在监测实验两次数据中间过程中未人为增减预应力。
    1、温度变化对支撑轴力的影响是非常突出的,气温每增减1 度的轴力变化量平均达到45.9KN(4.6T);
    2、监测实验的数据虽然有一定的离散性,但基本的范围非常清晰,尽管在某较小范围内温度变化与轴力变化呈近似线性关系,但总体而言是否呈线性关系仍比较模糊,并且当气温高于或低于某一临界温度范围后这种变化很可能遵循其它的数学模式,但这是仍需要探讨的问题,在本项目的实践中,作者对较低温度和较高温度条件下的轴力变化作了较为粗浅的探讨,发现,当温度高于38 度或低于6 度时轴力变化要明显于其它温度段,但实验数据偏少,况且南宁地区气温低于5 度已不多见,这使得这项工作缺乏条件和充分的依据,希望看到其它地区有条件研究的同仁的成果。

    三、针对温差对轴力的影响而采取的“温差控制”措施
    在气温变化异常的时期,我们对基坑监测的诸多项目均作了深入分析,发现因温差引起的围护结构水平位移、围护结构变形、周边土体变形等变化均非常小,而由之引起的钢支撑轴力变化则非常明显,这说明:在这种支护结构中,只有掌握轴力的变化规律并科学合理地采取措施,使“温差影响”变为“温差控制”,才能保证基坑安全。
    1、架设钢支撑的要点
    1)地面组装时检查好支撑体的平直度和完好性,变形或破损的一律不用;
    2)钢支撑与腰梁要充分接触,对架设时存在偏心现象的立即采取置换或调整垫板等方式使得达到充分接触轴心受力效果;
    3)架设钢支撑时充分焊牢钢支撑中部的限位装置。
    2、预应力施加要点
    1)尽量避免每日气温最高或最低时施加初始应力;
    2)施加预应力时若气温高则适当增加预应力,否则适当减少预应力;要纠正一种错误做法:认为在气温高时施加预应力应当降低预加值、在气温低时施加预应力应当增加预加值。
    3、轴力调整的时间和方法
    1) 调整时间的选择关于预应力调整时间的选择,工程实例中很多做法是不可行的,一般均认为在发生较大温差后及时调整就可以了。这是非常不当的做法,确切地说是一种补救手段,不少施组或专项方案中仍明确指出:当监测发现温差较大引起较大的轴力变化后要及时采取措施处理。试想,若支护结构存在缺陷,支撑轴力全部大幅度增加或衰减的时间段会发生什么?这往往是不可想象的,但也是实实在在的,不少教训说明了这一点。
    如深圳地铁某基坑工程,因台风来临,傍晚开始全面停工,施工方要求监测组晚上加强基坑安全监测,出现异常立即汇报值班负责人,以便及时采取措施处理。但当深夜暴雨来临时,因雨势过大,监测人员根本无法进行正常监测,第二天中午雨停后,巡查人员发现地下连续墙出现了多处不明原因的裂缝和渗漏,施工方立即要求监测人员对支撑体系全面监测一次并将快速上报结果。监测发现,连续墙多处变形已超限、周边土体测斜多处超限,而支撑轴力与前一天中午所测相比较部分支撑轴力反而增大。这使得施工方找不到墙体变形及渗漏的根本原因,最后归结为暴雨使得周边水位骤升从而使坑外水压力增加导致连续墙变形。该区域的地下稳定水位平常就仅为地面以下1.2 米,显然这个理由是非常迁强的。其实根本原因就是支撑轴力发生了突变。而恰恰第二天监测时的气温和前一天中午时相差无几,这个假象蒙蔽了施工方,认为钢支撑不会有问题,当然,支撑没问题,问题出在轴力调整上。当时深圳中午气温高达37 度,而夜间暴雨时气温只有16 度,一天的变幅达到了21 度,这意味着暴雨时段所有钢支撑60%以上的轴力将消失,这个变化是可怕的。换个角度,如果在暴雨来临前就对支撑轴力适当调整,则根本不会出现以上事故了。
    但是,在发生较大温差前如何预知温差变化?这种预测不可能十分准确,但对基坑安全则意义重大。要牢牢依据气象部门天气预报、反常及恶劣天气的气象警报及正确掌握季节及昼夜温差的变化规律。
    2) 调整方法
    很多工程实例中都采取统一同时调整的方法,这也是不正确的。这种方法的弊端是短时间内使整个支撑体系的支撑轴力大幅增加或衰减,这对整个基坑的稳定性是不利的,特殊条件下如气温突变速度过速、坑边荷载突然增加、围护结构突然涌水等情况发生时极易引发事故。
    轴力调整应遵循的原则是:
    A、快速:包括快速增加和快速释放。如在暴雨前气温已有落差时快速增加轴力而在暴雨后气温已有升幅时快速释放轴力。
    B、部分:要选择部分关键支撑区域的支撑作为调整对象,若支撑体系受力均衡,则跳跃式选择50~60%的钢支撑作为支撑轴力调整对象。
    C、分次:不能一次调整过大,要在一定的时间段(1~2 小时左右)通过2~3次完成调整幅度,特别是在释放轴力时更要注意这点。
    D、跟踪:调整后要对整个基坑的稳定性进行跟踪加密监测,确保轴力调整的合理性和安全性。

    四、结语
    温差影响是基坑工程中钢支撑体系的普遍问题,科学地掌握温差变化规律并正确地进行轴力调整在基坑工程中非常关键。本文是在南宁地区特殊的地理和气候条件下通过工程实例总结出来的,有一定的局限性,但对南宁以后的地铁及工程建设及相类地区的工程建设不无参考意义。

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