SMW工法樁在高水位淤泥地層中的應用

王 禹

(中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361021)

1 工程概況

以東僑經濟技術開發區保障性住房“幸福佳園”三期地下室基坑圍護工程為例，介紹SMW工法樁+擴大頭預應力錨索相結合的聯合圍護體系在施工中的應用。在圍護體系中，擴大頭預應力錨索能提供較大的錨固力，結合SMW工法自身圍護與止水的優勢，在實際施工中起到了良好效果。

1.1 周圍環境

“幸福佳園”三期地下室基坑工程位于寧德市蕉城區漳灣鎮，福建東僑經濟開發區內，場地高程2.600～3.300m，地下室底板高程-1.550m，基坑安全等級為一級，基坑開挖面積約17 932m2，東、西側目前多為空地，南側為現有道路，距離約為13.0m，基坑圍護長度約573.0m，最大圍護高度約6.75m。

1.2 工程地質條件

勘察資料表明，經過對現場原位測試和室內土工試驗成果進行綜合分析，在場地施工影響深度范圍內地基土可劃分為8層，本文中僅考慮對基坑工程有影響土層，自上而下為：①雜填土 松散，稍濕，主要成分以黏性土為主，含碎石、塊石、碎磚塊、混凝土塊及生活垃圾等雜質，欠壓實，均勻性較差，厚度1.4～4.2m；②淤泥 飽和，流塑，成分以粉黏粒為主，夾雜腐殖質，有腥臭味，干強度中等，韌性中等，搖振反應慢，無光澤反應，厚度3.1～9.2m；③泥質礫砂 飽和，稍密～中密，以石英和長石組成，顆粒為次棱角狀，分選性一般，級配較差，多含泥質，局部相變為圓礫或含卵石粉質黏土，厚度1.5～7.5m；④殘積砂質黏性土 濕，以硬塑狀態為主，局部呈可塑，成分以高嶺土及少量石英質中粗砂為主,黏性低，韌性低，干強度中等，有光澤，母巖多為花崗巖，厚度2.2～10.1m，開挖范圍內穩定水位埋深變化約為1.77m。土層物理力學參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數

1.3 基坑特點

雖然該基坑開挖深度不大，但開挖面積大、地質條件差，地下水位高，并且存在淤泥等不利影響，開挖深度范圍內主要為雜填土與淤泥質土；受周邊現有構筑物影響，施工過程中地表變形沉降難以控制；除此之外，施工范圍較大，施工進度不好把控。

1.4 基坑圍護方案

該基坑圍護結構必須在保證施工安全的同時嚴格控制周邊地形沉降，要求圍護結構本身側向位移較小，由于地下水位較高，需要采取基坑降水等措施，避免因側壁滲水而引發安全事故。

針對工程特點，采用自然放坡+SMW工法樁+擴大頭預應力錨索相結合的聯合圍護體系?；禹敳?m范圍內自然放坡噴錨，掛鋼筋網并噴射C20混凝土，厚度80mm。頂部設置冠梁，冠梁采用C30鋼筋混凝土，截面高600mm，寬1 200mm。基坑側壁全部采用SMW工法樁圍護，SMW工法樁采用直徑850mm的攪拌樁，間距600mm，有效長度15.0m，H型鋼采用跳一插一的方式，每根中心位置間隔1.2m，截面尺寸為700mm×300mm×13mm×24mm，長度為15.0m，上方留出0.5m以方便拔出型鋼。冠梁處設置錨索，預應力錨索拉桿采用4φs15.2鋼絞線，每根鋼絞線由7φ5鋼絲組成，擴孔直徑450mm，傾角30°，總長度22～26m，錨固段9m，間距1.8m，拉力設計值150kN。

具體施工順序：放坡開挖至冠梁頂標高→SMW工法樁施工→預應力錨索、冠梁施工→邊坡噴錨→基坑降水施工→基坑土方開挖→其他工程。

基坑監測結合施工工藝、圍護結構形式、地質條件及周邊環境等因素，考慮基坑施工引起的應力場、位移場分布情況進行詳細布置。

1.5 基坑監測

本工程基坑規模較大，監測方向主要為針對基坑施工范圍內應力場、位移場變化進行布置，共設置水平位移觀測點45個，沉降觀測點35個。由于監測點較多，僅選取變化趨勢較大的監測點進行分析。

2 有限元分析

2.1 模型尺寸及計算參數選取

結合相關數據與實際情況，針對本工程采用Midas/GTS進行有限元模擬分析，考慮到具體的施工范圍與可能影響的具體規模，結合基坑開挖深度、周邊建(構)筑物的布置等具體數值，計算區域(模型規模)設置為500m×500m×50m。有限元軟件數值計算模型如圖1所示。

圖1 數值計算模型

考慮到SMW工法樁作為一種復合樁型，計算前對SMW進行建模時按照等面積法將圓弧形的外側等效為一個平面，其厚度計算公式如下：

(1)

式中：D為樁徑；t為樁凈距；h為折算厚度。

計算結果為0.772 7m，取整厚度0.8m。

相關模量參數由于地勘資料有限，對相關經驗參數進行了保守考慮。模型中土體采用Modified Mohr-Coulomb本構，現有道路采用三維彈性本構，錨索為植入式桁架單元，H型鋼為植入式梁單元，SMW工法樁等效為地下連續墻采用2D板單元，冠梁為1D梁單元，地下水考慮到施工前進行管井降水，按照2m考慮，臨近荷載按20kPa考慮。計算參數結合地勘報告與相關經驗進行部分調整，如表2～4所示。

表2 土體材料參數

2.2 計算過程

1)模擬實際現場建立模型，將模型的細部內容進行網格劃分、建立初始計算模型，將模型范圍內應力清零，排除其他因素干擾達到初始地應力平衡狀態。

2)根據施工步驟分層分類模擬實際施工階段，激活鈍化相關網格。

3)開挖到坑底后，計算圍護結構與相關范圍內的應力及位移，分析變形、沉降等數據。

表3 各結構材料參數

表4 基坑圍護結構及建筑物基礎屬性

3 計算結果

3.1 樁身水平位移變化

基坑工程施工結束時，監測點X1處SMW工法樁樁身水平位移沿深度變化曲線如圖2所示，從圖中可以明顯看出，有限元數值模擬計算結果與基坑監測結果變化趨勢基本一致，水平位移隨樁長變化較為規律，與拋物線相似，樁身水平位移最大值在距離樁頂處。樁頂水平位移值11.15mm，表明SMW工法樁具有較高強度，SMW工法樁樁身抗剪滿足本工程要求；理論計算最大位移為17.3mm，計算結果較實際監測數值偏大，分析其原因在于對樁身建模時進行等面積處理，基坑圍護結構中型鋼對復合結構的剛度貢獻考慮過于保守導致，但從實際施工考慮，有限元計算樁身變形結果與實際結果趨勢相同，為實際施工安全性留有較大富裕，更為保守的結果也能為具體施工提供安全保障。

圖2 圍護結構水平位移曲線

3.2 地表沉降變化

實際施工過程中基坑監測點J1～J8的地表沉降監測數據如表5所示，范圍內實際沉降最大值為5.99mm，有限元模擬計算結果最大值為12.37mm。由于有限元計算考慮土體時對其相關模量參數均以最不利考慮，且并不能反映壓縮參數隨埋置深度變化而產生的影響，所以計算結果較大，但相對誤差仍能滿足施工需要。在以往工程中，地基沉降均參照相關經驗公式進行計算考慮，這對于地域性較強的基坑工程而言并不準確，有限元模擬計算沉降相較于其他方式而言更為嚴謹，能夠為基坑工程的理論計算提供更多選擇。

表5 J1～J8觀測點地表沉降統計 mm

結合部分監測結果與有限元對應位置計算結果分析，實際基坑側壁最大水平位移11.15mm，計算結果17.3mm；監測結果顯示，該點最大沉降量5.99mm，計算結果為12.37mm?？紤]到有限元軟件計算時參數人為的影響，從施工安全考慮參數的選取更為保守，計算誤差基本可以接受。通過模擬計算，結合實際監測進行對比分析，說明SMW工法+擴孔錨索這種圍護系統能夠應用于實際施工中，有限元模擬在基坑工程的理論計算也具有較強的適用性。

4 結語

綜上所述，SMW工法+擴孔錨索作為一種圍護結構，在地層水位較高、存在淤泥軟土的情況下具有一定的適用性，采用有限元模擬施工過程從而分析施工過程中圍護結構的相關變化也有著較好的適用性，并且在相似地質情況下采用SMW工法+擴孔錨索時，運用有限元軟件進行分析能夠為實際設計與施工提供幫助。針對本工程，結合實際情況與理論計算的分析研究，也能夠為類似工程提供借鑒。結合上述分析說明，得出結論如下。

1)SMW工法樁在高水位淤泥地層會有較大的使用和發展空間。

2)通過有限元模擬分析與基坑監測數據對比，MIDAS/GTS能夠根據有限元模擬計算分析基坑變形、沉降的趨勢，并具有一定準確性，但受限于土體復雜特性，計算結果存在部分誤差，相信隨著科學技術水平的提高會有更好的發展。