SMW工法中不同影響因素對樁身的影響研究

田浩帆，包太，游帥，鄧智中，田鎮偉

(貴州大學， 貴州 貴陽 550025)

0 引言

在現代城市修建的深基坑工程中，基坑的優化設計尤為重要，SMW工法是Soil-cement Mixing Wall的縮寫，于1976年在日本首先應用。該工法構造簡單，與地下連續墻相比結構整體性和防水性能均較好，施工時噪音小、對周圍環境破壞程度小、結構強度可靠，速度快、能大幅度地縮短工期，同時，由于H型鋼可在后期從水泥攪拌樁拔出，對型鋼材料可回收再利用，符合可持續發展的理念[1-3]。目前，該方法現已廣泛應用于世界各地，近幾年在上海、杭州、南京等地也迅速推廣并應用。

基坑開挖過程中，對于地表建筑、管線等的影響是不可忽略的，可通過數值模擬或者理論計算減少對地表建筑物的負面影響[4-6]。樁身變形及內力產生的原因有很多，本文通過探究不同影響因素下的樁身變形及內力變化規律，為控制樁身形變及最大內力值提供一定的參考依據。

1 工程概況

本工程位于天津市臨港工業區，以SMW工法為施工背景，地面堆載為20 kPa，預開挖深度為7 m，地下水深為1.5 m，采用厚度為1 m的攪拌樁圍護結構，共設兩道支撐，樁頂標高為0 m，在攪拌樁中加型鋼，型鋼慣性矩為2.01×105cm4，型鋼間中心距為1000 mm。場地地質條件參數和工況見表1和圖1。

2 基坑穩定性驗算

基坑的穩定性驗算包括多方面的驗算，參照國家行業標準《建筑基坑支護技術規程》JGJ 120-2012）以及上海市標準《基坑工程設計規程》[7-9]，依次對其進行極限平衡嵌固深度驗算、抗管涌驗算、墻底抗隆起驗算、坑底抗隆起驗算、對于帶支撐的，還要進行抗傾覆驗算，最后再進行整體性驗算。

表1 地質條件參數

圖1 工程基本情況

（1）極限平衡嵌固深度驗算。先按確定的水、土壓力模式計算圍護結構兩側壓力相等的點后按等值梁法確定支撐軸力T1、T2、…，再按下式計算壓力比和力矩比。

（2）抗管涌安全系數。對于砂類土：

對于黏性土：

（3）墻底抗隆起驗算。根據 Terzaghi解，抗隆起安全系數為：

（4）坑底抗隆起驗算。坑底抗隆起驗算類似于圓弧面整體穩定驗算，但圓心取最下一道支撐與擋墻的交點，并且圓弧通過墻底端，最下一道支撐以下為圓弧滑動面，以上為豎直直線。圓弧面上的滑動力和抗滑力的求法與瑞典條分法一致（但考慮水平應力），豎直滑動面上的抗滑力為：

（5）穩定安全系數等于最下一道支撐以下圍護結構兩側土壓力對最下一道支撐點的力矩之比：

（6）整體穩定性驗算。基坑的整體穩定性分析實際是對支護結構的直立土坡進行穩定性分析，采用圓弧滑動面簡單條分法，按總應力法計算，并考慮水平應力的影響，整體穩定性計算見圖2。

圖2 整體穩定性計算

3 不同影響因素下的樁身變形及內力情況分析

通過控制不同樁徑[10]，不同支撐位置及不同嵌固深度，通過計算工具分析其樁身變形及內力的變化規律。

3.1 不同樁徑對樁身變形及內力影響

當嵌固深度為12 m，支撐位置為2 m和5 m時，分別選取樁徑為0.6 m，0.8 m，1 m，樁身的內力及變形如圖3所示。

由圖3可發現，在SMW工法中，水平位移及內力值都隨著深度的變化呈現出先增大后減小的趨勢，同時隨著樁徑的逐漸變大，樁頂水平位移和樁身最大水平位移逐漸減小、樁身最大彎矩值位置約在7.75 m附近，樁徑變化對其影響較小，最大彎矩值隨著樁徑變大而逐漸增大，樁身最大剪力值位置在5 m附近，當樁徑為1 m時，最大剪力值位置在13.8 m處，可見樁徑的逐漸變化對最大剪力值的位置也有一定影響，樁底水平位移隨樁徑增大而逐漸增大。樁身最大內力及變形見表2。

圖3 不同樁徑下的變形及內力

表2 不同樁徑的樁身最大內力及變形

3.2 不同支撐位置對樁身變形及內力影響

當嵌固深度為12 m，樁徑為1 m時，分別改變支撐位置為1 m和5 m、2 m和5 m、3 m和5 m時，樁身內力及變形如圖4所示。

圖4為SMW工法中樁身內力及位移的變化規律，當固定第二道支撐的位置固定在5 m處時，通過調整第一道支撐位置分別為1 m、2 m、3 m時，隨著支撐位置的逐漸下降，樁頂的水平位移逐漸增大，樁身的最大水平位移先增大后減少，最大水平位移所對應的深度分別為8.5 m、8.25 m、6.25 m。由此可以看出，當支撐位置逐漸下調時，樁身最大水平位移點的深度也因其支撐位置的下調而向上抬升。樁身彎矩整體呈現出先增加后減少的趨勢，最大彎矩值隨其支撐位置的變化而逐漸減小，而樁身剪力值的出現和支撐位置有著密切的關系，即剪力值的出現點即為支撐點，同時最大剪力值隨著支撐位置變化先增加后減少。樁底處水平位移整體變化并不是很明顯。不同支撐位置的樁身最大變形及內力見表3。

3.3 不同嵌固深度對樁身變形及內力影響

在樁徑為1 m，支撐位置為2 m和5 m時，嵌固深度D分別取11 m、12 m、13 m時，其樁身變形及內力如圖5所示。

圖4 不同支撐位置的樁身變形及內力

表3 不同支撐位置的樁身最大變形及內力

圖5 不同嵌固深度下的樁身變形及內力

由圖5可知，在SMW工法中，嵌固深度對樁身的形變及內力基本無影響，故無需再做分析討論。

4 結論

在SMW工法中，樁徑和支撐位置的改變能夠對樁身的水平位移和開挖面的內力有一定影響，當樁徑逐漸增加時，樁頂的水平位移隨之增大，樁底水平位移則也隨其增大，而樁身的最大水平位移則減少，樁身最大彎矩也增大。因此在實際工程中，如需控制樁身形變量，在滿足設計要求的前提下可適當增大樁徑。

當第一道水平支撐位置下降，第二道水平支撐不變時，樁頂水平位移增大，而樁身的水平位移先增大后減少，樁身最大彎矩值呈減少趨勢，而樁底水平位移無顯著變化。因此在實際工程中，如需有效控制樁身形變，可下調支撐位置來獲得較優的支撐位置。嵌固深度對樁身的形變和內力影響可忽略不計。