第27卷第9期岩土工程学报V01.27No.92005年9月ChineseJournalofGeotechnicalEngineeringSep.,2005基于深基坑工程测斜监测曲线的地下连续墙弯矩估算方法研究吴小将1,刘国彬1,卢礼顺2(1.同济大学地下建筑与工程系,上海200092:2.上海磁悬浮交通发展有限公司,上海201204)摘要:在深基坑工程中,为了保护基坑的安全,需对地下连续墙的弯矩承载力发挥情况做到心中有数,但就目前的工程现状来看,直接得到地下连续墙的真实弯矩很困难。为此本文作者根据深基坑工程中常规监测得到的地下连续墙的测斜曲线,建立了一种在不需要知道钢筋应力情况下就能估算地墙弯矩的简便方法,能够直接为广大工程人员掌握。这种估算方法的应用,可以节约深基坑工程中的监测费用,让工程师们及时了解地下连续墙承载力发挥情况,提前采取措施避免由于地下连续墙设计不合理引起的工程事故的发生。关键词:深基坑;地下连续墙;弯矩;测斜中图分类号:Tu432文献标识码:A文章编号:1000~4548(2005)09一1086—05作者简介:吴小将(1978一),男,安徽省潜山县人,博士生,主要从事岩土工程与地下结构的研究工作。ResearchonapproximatemethodofcalculatingbendingmomentbasedonlateraldefbmationofdiaphragmwaUsWUXiao_jian91,LIUGuo_binl,LULi—shun2(1.DepanmentofGeotechIlicalEngineering,Ton鲥iuniversity,sh柚曲ai200092,china;2.sh柚ghaiMagleVTransportationDeVelopmentCo.,Ltd.,ShaIlghai201204,China)Abstract:Basedontllebeamtheory,merelationbetweenthebendingmomentalldthemeasuredlateraldefomlationofdiaphragmwallscouldbeestablished.Theautllorintroducedthedetailedproceduret0calculatebendingmomentbythismethod.withthismetllod出een酉neerScouldl(110wthebendingmomentduringthepitexcavati伽a11dtal(emeasufestoaVojdmediaphragmwallmptureifmebendingmomentachievedtomelimitvalue.More,withme印plicationoft11ismetllodindeepfoundationpit,thefieldmeasurementsofstressofreinforcementcouldbecallceledaIldmetotalexpensewouldbereduced.Keywords:deepfoundationpit;diaphragmwall;bendingInoment;lateraldefomation工期间就发生了地下连续墙由于抗弯能力不足而在基0引言坑开挖底面附近发生折断的严重事故。钢筋混凝土构筑的地下连续墙,墙体刚度大,不由于目前设计无法考虑到基坑工程中的方方面面但能承受作用于墙面上的侧压力,还具有挡水防渗功的影响因素,做出的深基坑围护结构设计即使设计者能,且变形小,可以作为主体结构的地下室外墙或其们为了安全起见将地下连续墙内的配筋增大,有时也一部分,因此在软土深基坑工程中得到了大量应用。无法确保深基坑工程在开挖中的安全性,所以在深基但是目前地下连续墙的设计方法通常是采用杆系有限坑工程施工过程中要对地下连续墙的内力做到心中有元方法,由于缺乏柔性挡土墙侧面土压力切实可行的数,这就要对地下连续墙内的钢筋应力或应变进行跟计算方法,计算结果与实际差之甚远。这样在深基坑踪监测。但是从目前的深基坑工程项目来看,进行这工程围护结构设计中就出现了两个极端现象,一方面样的监测无疑要花大量的经费,而且往往由于仪器和设计者们为了安全起见,地下连续墙内的配筋偏大,数据采集方面的原因,得到的结果有可能失真,不能从而造成不必要的浪费;另一方面,业主要求深基坑客观反映地下连续墙的实际受力情况。因此一般的深围护结构的设计尽量做到合理,这样在设计过程中往基坑工程从节约投资的角度出发,在施工时不对钢筋往忽略了实际工程中某些对基坑稳定不利因素的影响,进而导致基坑事故的发生,如上海某深基坑在施收稿日期:2004—11—25万 方数据第9期吴小将,等.基于深基坑工程测斜监测曲线的地下连续墙弯矩估算方法研究1087的应力或应变进行监测。对于一些重大的超深基坑工程,施工时只在部分断面上的几个截面进行了监测,根本无法考虑到其他断面上的地下连续墙弯矩发挥情况。针对以上的矛盾,笔者根据深基坑工程中常规的地下连续墙测斜监测数据推导了一种能够估算地下连续墙弯矩的方法,使得广大工程师在深基坑工程中能够根据地下连续墙的测斜估算各个工况下的地墙各截面上弯矩承载力发挥情况,及时预防由于抗弯能力不足引起的工程事故的发生。11.1地下连续墙基坑开挖过程中,在竖直方向一般只受到自身重力的作用,因此在基坑开挖过程中,可以把地下连续墙看作轴向不受力的纯弯构件。由材料力学受弯构件的基本性质可知,地下连续墙的测斜曲线与变形曲率破满足以下关系式警一去一妒,一≈一一=一,,J.血。|R㈤一●/-式中v(x)为地下连续墙测斜曲线的方程;z为地下按照公式(2)计算地下连续墙各个截面上的曲率连续墙竖向坐标;R为曲率半径。痧,就需对地下连续墙测斜进行拟合。按照数学理论,可以采用线性最小二乘法或非线性最小二乘法对地下连续墙测斜曲线拟合。在文献[2】中,王印昌得到了采用非线性最小二乘法拟合结果使得拟合曲线不具有均差性的结论,即非线性拟合曲线不是从数据点中间穿过,而是单侧偏离,因此采用曲线对地下连续墙测斜进行拟合时宜选用线性最小二乘法,即取多项式对测斜曲线进行拟合。在一定的假设下,地下连续墙变形的挠曲线方程有着明显的物理意义。这个假设就是基于弹性地基梁理论的假设。如果把地下连续墙看作是弹性地基上的纵深梁,按照弹性地基梁模型,地下连续墙的变形挠曲线方程应满足以下关系式:地墙弯矩估算法思路介绍变形曲率矽的计算变形曲率娓表示地下连续墙侧向变形曲线弯曲程度的度量,与墙体的曲率半径R互为倒数。变形曲率厕以通过以下两种方法来计算。(1)几何算法图1所示的为包含3个连续测斜点(卜l、f和“1)的一段变形墙体,现在来建立墙体水平位移量与变形曲率之间的数学关系。在图l中,尺为墙体挠曲线的曲率半径,Z为测斜点之间的间距,y“、),j和),“1分别为f一1、f、“1测点的水平位移量。町半+p(z)=q(x),(3)式中p(工)为地下连续墙被动侧分布荷载;q(x)为地按照朗肯土压力理论,p(x)、鸟(z)应该为竖向坐下连续墙主动侧分布荷载。标的1次线性函数,如果v(工)要满足式(3),则v(x)应该为5次曲线,则可以用5次线性多项式来拟合出墙体的变形曲线v(x)。但是,由于土压力的影响因素很多,如土性、围护系统的刚度、土性的改善和加固、在图1中可以认为尺>>Z;Zlz如zZ=Z7;口7z图1测点水平位移量与变形曲率半径的几何关系Fig.1GeometricalrelationbetweendistortionradiusaIldlateraldefbnnation预加轴力的采用和支撑位置、特别是开挖和施工工艺p;szsl—s;;s:=s2。等,现场实测得到的土压力数据和古典土压力理论并不一致。根据太沙基对柏林地铁砂土挖方支撑土压力量测结果的分析,虽然砂土十分均匀,但土压力差异很大,从十个断面量测的结果来看,土压力分布总体上接近于抛物线型;另外,对挡土结构的内力进行分析时,《日本建筑结构基础设计规范》推荐的弹塑性法也假定主动侧土压力采用竖向坐标的二次函数。由以上的分析可得,考虑到土压力沿深度方向的非线形分(1)布,用多项式对地下连续墙的测斜进行线形最小二乘法拟合时,至少应该采用6次多项式。(3)痧值两种计算方法的选择当通过几何方法计算计算地下连续墙各个测点的变形曲率矽时,由于仪器的误差(一般每个测点的测由此可得tan目:曼。曼。tan口,。旦。三,而SfS1z),i一),f一1;SS2z),件l—yi’所以tan目z=(M一咒一1)一()'f+1一),f)。(yf—yf—1)一(),f+l—yf)fZ尺≈一・≯:三;丛丑』垫虻剑。RZ。上式即为通过几何关系建立的变形曲率矽计算公式。(2)测斜曲线拟合直接求导法万方数据 岩土工程学报2005年斜绝对值误差小于等于O.5mm),计算结果有可能与单筋矩形梁相似。在基坑开挖过程中,M通常处于第实际的磋别很大。如取某地下连续墙上三点(两相1I阶段,即带裂缝工作阶段,在此阶段内截面抗弯刚邻测点间的距离f_1m)的监测数据来看,f_1、f、度随弯矩的增大而变小。因此我们通过地下连续墙的f+1测点的测斜值分别为49.69mm、50.39I姗和50.25测斜位移估算地下连续墙的弯矩就不能直接套用公式mm,考虑到测量误差,这3个测点的测斜值范围分(4)进行计算,而应该根据不同工况对地下连续墙的别为49.69±0.5mm、50.39Ⅱlm±0.5mm和50.25±0.5抗弯刚度日进行修正,具体步骤如下:nHn,则通过几何方法计算的第f点的雅取值范围为M一1.16×10一~2.84×10-6之间,而按监测报告上提供的数据直接计算的结果只是难取值范围中最大值和最‰晦小值的平均值,不能真实的反应实际f点的变形曲率勿。‰采用(2)中的方法计算地下连续墙各个测点的变形曲率矽时,由于测斜拟合曲线反应的是沿地墙整个D钆札十深度范围内的侧向变形情况,能够有效的避免地下连续墙侧向变形监测中单个测点的测量误差对整个地墙的变形曲线造成的影响,因此计算的各点的变形曲率俱有很好的精度,避免了采用几何方法计算结果与实际变形曲率磋别过大的缺点。另外采用(2)中的计算方法计算变形曲率耐,还可以直接计算出地墙上其他深度出的变形曲率矽,而采用(1)中几何方法只能计算出有测点深度出的难,而其他深度难要通过插值计算出来。因此在采用本文下面介绍的方法对基坑工程中地下连续墙的弯矩进行估算时建议采用d)根据c)中的计算结果计算各深度处截面的修(2)中的方法来计算地下连续墙上各深度出的变形曲率机1.2地下连续墙截面弯矩的估算步骤④由材料力学纯弯构件梁的平截面假定可知,按照最5盛,刁‘弹性均质材料考虑,梁上每个截面的变形曲率屿弯式中最为钢筋弹性模量;A。为纵向受拉钢筋截面积;矩肘之间有以下关系式成立而。为截面的有效高度;诉为钢筋的弹性模量和混凝土M=田矽。(4)上式中日是梁的截面抗弯刚度,M为计算的所在截面的弯矩。实际上地下连续墙是钢筋混凝土构件,%p/f=o.2+6魄p;缈为裂缝间纵向受拉钢筋应变属于非均质非弹性材料,但是均质弹性材料纯弯梁的不均匀系数,按照公式缈=1.1一o.65丘/(p把嚷。),当力学概念仍然适合基坑开挖过程中地墙的受力和变形特性,即地下连续墙的测斜曲线与弯矩仍满足公式(4),只是截面抗弯刚度随着地墙的受力变化而不为妒=0.2;,墩为混凝土抗拉强度的标准值;p忙为以有恒为常量而已。效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率,由文献【1】可知,单筋矩形受弯构件实验研究结果几=A/气,当几≤o.01时,取风=o.ol;钆为地的M~矽的关系曲线如图2所示:在裂缝出现以前的I阶段,M一矽曲线和直线DA几乎重合,因而截面抗弯刚度仍可视为常数。当接近裂缝出现时,即进入第1阶段末时,膨一矽曲线已经偏离直线,逐渐弯曲,进入第1I阶段后,膨一≯曲线发生转折,增加较快,截为裂缝截面处内力臂长度系数,刁=1一o.4√%p;面抗弯刚度明显降低。钢筋屈服后进入第1II阶段,M墙的截面抗弯刚度日的修正值,代入到公式(4)中增加很少,而驴激增,截面抗弯刚度急剧降低j地下连续墙虽然是双面配筋,但是其受弯特性与万 方数据第9期吴小将,等.基于深基坑工程测斜监测曲线的地下连续墙弯矩估算方法研究1089若两次弯矩结果变化范围很小,则将这次计算结果视为当前工况下的该截面的实际弯矩的估算结果,若前后两次结算结果差别较大,则重复b)~e)的步骤,直到计算的弯矩结果收敛为止,并将最后一次计算所程中先采用六次多项式对各工况下的侧向变形进行线性拟合,然后按照公式(2)计算各个工况下的变形曲率驴,按照是否对地下连续墙的抗弯刚度进行修正分别估算对应工况的弯矩,计算结果如图5和图6所示。得弯矩作为当前工况下所算截面实际弯矩的估算值。在上面介绍的地下连续墙弯矩的估算步骤当中,根据钢筋混凝土理论计算瞑。比较麻烦,当要大量计算时费时很多,可以根据中华人民共和国国家标准《混凝土结构设计规范GB50010—2002》中的给出了氓。的公式近似计算,该公式为铲赤。(6)2工程实例计算分析2.1工程概况上海市某地铁车站,主体结构为地下三层三跨结构或四层三跨框架结构,车站外包长171.3m,宽约22.8m,标准段基坑开挖深度约23m,端头井开挖深度约25m,是施工时上海市最深的车站基坑,基坑保护等级为一级。车站基坑采用1000mm厚的地下连续墙,标准段墙深38m,端头井墙深40m,地墙采用C30,S8混凝土,钢筋笼纵向垂直主筋采用II级热轧钢筋,主钢筋净保护层厚度外侧(迎土面)70IIlIn,内侧(开挖面)为50l砌,接头采用接头管柔性接头。支撑体系采用矽609×16钢管支撑,标准段6道,端头井7道,钢支撑安装过程中施加预应力。本深基坑工程在基坑开挖工程中进行了墙项沉降、墙体测斜、轴力等常规监测,另外配合科研需要进行了地下连续墙内钢筋应力的监测,围护结构及测点布置如图3所示。矿勾墙顶水平位移、沉降点M为墙体俐筋应力测点Q为墙体测斜点z为支撑轴力测点图3基坑测点布置图Fig.3ArraIlgementofmonitoringins仃Ilment2.2根据测斜估算的弯矩结果图4是该深基坑开挖进行到14.4m(完成第四道撑后)、18.3m(完成第五道支撑后)、20.9m(完成第六道支撑后)、23m(垫层浇注后)4个工况下的地下连续墙侧向变形情况。本文作者根据该Q3测点4个工况下的侧向位移对相应工况下地下连续墙5~32.5m深度范围内的12个截面的弯矩进行了估算。为了比较刚度修正对弯矩估算结果的影响,在计算过万 方数据侧向位移,mm图4部分工况下Q3测点Fig.4Lateraldef6mlationindi髓rentcases弯矩,100kN・m,m”加雠聪弭簧笛如弘一萋津剽奏笊裁斟∥1090岩土工程学报2005年1260.82,1451.16kN・m,而考虑刚度修正后计算所得最大弯矩分别为696.12,795.33,777.37,846.12kN・m,只是前者的67%,61%,62%和58%。依据公式(4)可知,4种工况下最大弯矩所在截面的最后修正抗弯刚度分别是修正前的67%,61%,62%和58%,由此可见,当地下连续墙截面上所承受的弯矩越大时,该截面上抗弯刚度降低的幅度也越大,这一点与文献[1]中的试验结果完全吻合。2.3弯矩估算结果与实测计算结果对比本基坑工程对部分截面上的钢筋应力进行了跟踪监测,利用跟踪监测的应力,可以计算出地下连续墙上钢筋应力计所在截面处在各个工况下的实际弯矩,这样就可以将实际弯矩与本文介绍的墙体弯矩估算方法计算的结果进行比较,部分工况下的对比结果见图7。其中“修正前”曲线表示在弯矩估算过程未对地下连续墙的截面抗弯刚度进行修正,认为在整个开挖过程中地下连续墙的截面抗弯刚度日为常数的弯矩估算结果;“修正后”曲线表示按照1.2中的弯矩估算步骤,通过迭代逐渐对地下连续墙的截面抗弯刚度进行修正得到的弯矩估算结果。“实测”表示由布置在地下连续墙内钢筋上的应力计监测结果计算的实际弯矩。由图7可以看出,各工况下墙体的实际弯矩与利用地下连续墙的测斜通过短期刚度修正的弯矩估算方法计算结果很接近,而与未考虑截面抗弯刚度修正的计算结果差别较大。从图中还可以发现,当挖土深度越大时,实测结果与修正反计算的弯矩结果吻合的更好,这是因为随着基坑开挖深度的增加,墙体测斜不断增大,使得测斜相对误差减小,从而使得墙体测斜拟合曲线计算的变形曲率硝于精确,短期刚度修正后的弯矩计算结果也就更加接近于实际地下连续墙的弯矩了。相反如果地下连续墙的测斜较小,则测斜相对误差较大,计算得到的变形曲率碳差也就越大,采用修正刚度计算的弯矩结果误差也就大了。从图7中还可以看出,通过修正刚度B计算的地下连续墙弯矩与实际地下连续墙的弯矩数值相比较,估算结果一般稍大于实际的墙体弯矩,因此在基坑施工过程中可以通过这种地下连续墙的弯矩计算方法估算墙体的抗弯能力发挥情况,防止基坑围护结构由于设计上的不合理而导致的地下连续墙体受弯破坏,在发现地墙弯矩接近地墙允许的极限抗弯能力时,可以及时做出补救措施,避免基坑失稳,减小损失。3结论通过以上理论分析和工程实例计算结果可知:在万 方数据12009()0皇6()0Z300喜。鼎一300静一600一9005lO1520253035深度,m四撑后(挖深m)弯矩对比网5101520253035深度,m六撑后(挖深20.9m)弯矩对比图15001000E500至。蒋一1000吾_500一1500101520253035深度,m底板浇注后后(挖深23m)弯矩对比图图7Q3估算弯矩与Wvl实测计算弯矩对比结果图Fig.7Comparisonofcalculated蚰dmeasuredbendingmoment深基坑施工过程中,采用本文中介绍的地下连续墙弯矩估算方法对地下连续墙内实际弯矩进行近似计算完全可行,而且计算结果与实际弯矩吻合较好。因此若将本文弯矩估算方法用于指导深基坑工程施工,则可以在不用对钢筋应力进行监测的情况下及时掌握深基坑开挖过程中地下连续墙抗弯能力发挥情况,不但可以节约深基坑工程的监测项目投资,还能做到防忠于未然,避免地下连续墙由于抗弯能力不足引起的工程事故的发生,确保工程的安全顺利进行。因此本文研究成果的应用具有明显的经济效益和社会效益。参考文献:[1】王传志,滕智明.钢筋混凝土结构理论[M】.北京:中国建筑工业出版社,1994.[2】刘国彬,王印昌.实测钢筋计应力推算地下连续墙弯矩方法探讨[J】.地下工程与隧道,2003,l:6—12.[3】王印昌.超深地铁车站基坑地下连续墙内力分析研究[D].上海:同济大学,2003.[4】GB50010—2002,混凝土结构设计规范[S】.北京:中国建筑工业出版社,2002.