SMW工法和魚腹梁支撐圍護(hù)深基坑的應(yīng)用研究

汪 曠

（安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 2320 01）

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐加快，基坑工程應(yīng)用更加廣泛。通常基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要形式有土釘墻、深層水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁、鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻和SMW工法等。對于基坑工程，根據(jù)其工程地質(zhì)條件和環(huán)境特點(diǎn)，選擇合適的圍護(hù)結(jié)構(gòu)十分重要。隨著新技術(shù)出現(xiàn)，基坑圍護(hù)也進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。特別是對于一些新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)，由于缺乏工程經(jīng)驗(yàn)，其設(shè)計(jì)方法還不夠完善，在此情況下，采用大型軟件進(jìn)行數(shù)值模擬進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化尤為重要。為此，本文以安慶某基坑工程為例，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析。

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

某高層商務(wù)樓基坑項(xiàng)目位于安慶市皖江大道與獨(dú)秀大道交叉口，其基坑北側(cè)為皖江大道、東西兩側(cè)均有管道，且其東側(cè)近鄰高層住宅，環(huán)境條件復(fù)雜。

高層商務(wù)樓設(shè)計(jì)2層地下室，基坑底埋深9．1 m，承臺(tái)相對基底落深500 mm，集水坑和電梯井落深2．0～3．2 m。根據(jù)相關(guān)基坑規(guī)范，結(jié)合本深基坑工程特點(diǎn)，將該基坑安全等級(jí)定為一級(jí)，基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)使用年限定為1年。

1.2 工程地質(zhì)及水文條件

該場地的地貌單元為長江漫灘地段，基坑場地總體地勢平坦，局部不平。根據(jù)場地野外鉆孔、原位測試及室內(nèi)土工試驗(yàn)等資料綜合分析該地的土層自上而下分別如下。

第①層為雜填土，稍濕，松散。主要是一部分是由黏性土和建筑垃圾組成，另一部分是耕土。該層土的層厚 0．3～0．9 m，層底埋深 3．50～0．30 m。

第②層為粉質(zhì)黏土，灰黃和褐黃色，土質(zhì)呈軟塑-可塑狀態(tài)，局部流塑狀態(tài)，含氧化鐵、少量有機(jī)物及粉砂，具有水平微層理，稍密狀態(tài)。并且有一定的中等強(qiáng)度，但韌性不高。該層土厚1．9～10．1 m，由長江沖積而成，所以該土質(zhì)分布較為穩(wěn)定。

第③層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，青灰色，該土層間夾雜著粉土及粉砂，土質(zhì)呈飽和及流塑狀態(tài)，該土層強(qiáng)度中等且韌性低。但一定范圍土質(zhì)呈軟塑狀態(tài)且含有腐殖物等有機(jī)物。該層土層頂埋深10．9～2．4 m，土層厚度 9．7～19．4 m，并且該層土分布較為穩(wěn)定。

第④－1層為粉質(zhì)黏土，青灰色和灰黑色，并夾雜細(xì)砂，呈可塑～軟塑狀態(tài)。該土層含有有機(jī)物和氧化鐵局部夾雜稍密細(xì)砂和中砂。該層土厚0．4～10．9 m，埋深 22．5～15．9 m。由于沖洪積成原因，該層土局部缺少。

第④－2層為粉質(zhì)黏土，灰黑和青灰色，主要以可塑狀為主，部分土層呈軟塑狀態(tài)。該層土強(qiáng)度中等，含氧化鐵及少量的鐵錳等，并且韌性中等，土埋深在 28．3～18．8 m層厚 0．5～6．8 m。

第④－3層為粉質(zhì)黏土，灰黃色和褐黃色，可塑～硬塑狀態(tài)，且土體強(qiáng)度中高等。土層含氧化鐵及少量的鐵錳結(jié)核。該層土無搖振反應(yīng)。土層厚度0．8～7．2 m，埋深 26．8～21．2 m。

第⑤層土為中砂，灰黃和黃灰色。該層土土質(zhì)呈飽和中密狀態(tài)，且該土層含有云母、石英和氧化鐵及局部夾雜中粗砂和少量角礫。土層厚度0．6～7．8 m，埋深 30．2～23．2 m。該層土為沖積形成并且分布穩(wěn)定。

根據(jù)工程勘察資料，基坑主要土層的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 主要土層參數(shù)

2 基坑圍護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.1 圍護(hù)方案確定

考慮到本工程場地臨近道路和建筑物，且周圍地下管線也多，環(huán)境條件復(fù)雜，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和變形控制要求高。為此，在基坑圍護(hù)方案選擇時(shí)，對多種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析對比。其中，SMW工法是一種比較經(jīng)濟(jì)的深基坑圍護(hù)方法［1-2］。SMW工法圍護(hù)樁體剛度大、變形小、占地少，工藝構(gòu)造簡單，止水防滲性能好，可較好地解決復(fù)雜場地下的圍護(hù)問題。

為此，通過方案對比，本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)確定采用SMW工法，具體設(shè)計(jì)為：采用三軸攪拌樁插入型鋼加2道支撐，其中第1道支撐為單層、第2道支撐為雙層。基坑平面取左半部分如圖1所示。

2.2 MW工法樁參數(shù)初步設(shè)計(jì)

通過設(shè)計(jì)計(jì)算，SMW工法樁的圍護(hù)和止水帷幕有效長度26 m，樁體進(jìn)入坑底以下約17．5 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用三軸攪拌并隔1插2，基坑內(nèi)采用兩軸攪拌加固土。

圖1 基坑平面（左半邊）

2.3 魚腹梁鋼支撐

內(nèi)支撐設(shè)計(jì)采用魚腹梁結(jié)構(gòu)，由支腹桿、斜腹桿、橫梁、鋼絞線、錨具及三角件等組成［3-4］。

魚腹梁體系是將預(yù)應(yīng)力魚腹梁通過三角件連接角撐和對撐梁等組成［5-6］。魚腹梁支撐體系與傳統(tǒng)支撐體系兩者的受力對比如圖2，3所示。

傳統(tǒng)支撐由混凝土或鋼支撐組成，破壞形式為脆性破壞，但魚腹梁支撐體系破壞形式為延性破壞，增加了基坑安全可靠度。同時(shí)采用魚腹梁體系占用很少空間，從而為施工提供較大空間，并可拆卸回收重新使用，有利于縮短工期和節(jié)約成本。

圖2 傳統(tǒng)支撐受力分析

圖3 魚腹梁支撐受力分析

由圖3可看出，魚腹梁體系在水土壓力的共同作用下，將向基坑內(nèi)變形移動(dòng)。通過張拉器張拉鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力，而張拉的鋼絞線反作用給魚腹梁結(jié)構(gòu)支撐桿件1個(gè)反作用力。這個(gè)反力可抵消部分作用在腰梁上水土壓力，從而有效減少作用于腰梁上的彎矩，即有效減少魚腹梁結(jié)構(gòu)體系變形值。同時(shí)張拉鋼絞線時(shí)，由于鋼絞線的張拉會(huì)使對撐與鋼絞線連接的三角件產(chǎn)生向坑內(nèi)的拉力。這個(gè)拉力會(huì)使三角件處的腰梁產(chǎn)生向坑內(nèi)發(fā)生移動(dòng)的趨勢。但同時(shí)對對撐施加預(yù)應(yīng)力后會(huì)對該處腰梁產(chǎn)生坑內(nèi)的壓力，該壓力會(huì)抵消部分水土壓力，鋼絞線張拉帶來的拉力也可有效減少該處腰梁的彎矩。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

3.1 模擬分析理論

在初步設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采用南京庫倫GEO5深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)分析軟件分別就彈塑性共同變形法和規(guī)范中的彈性支點(diǎn)法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算對比分析。

設(shè)計(jì)中常用的彈性支點(diǎn)法［7-8］是把圍護(hù)結(jié)構(gòu)看成豎向放置的彈性地基梁，作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)背后的土壓力考慮為主動(dòng)土壓力，施工中開挖面以下的土層考慮為一系列彈簧以模擬分析，而開挖面以上內(nèi)支撐則看作彈性支座模擬分析［9］。其模型是假設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)開挖側(cè)為Winkler彈簧，則另一側(cè)為主動(dòng)土壓力。整個(gè)模擬計(jì)算過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)后面的土壓力始終考慮為主動(dòng)土壓力，但實(shí)際中作用在支撐附近的土壓力大于主動(dòng)土壓力，現(xiàn)實(shí)情況與計(jì)算假設(shè)情況不符合。并且隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩邊的土壓力也應(yīng)隨之發(fā)生變化，特別是當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入土體深度不足時(shí)，圍護(hù)體會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)樁體轉(zhuǎn)動(dòng)較大時(shí)，在轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)以下的土壓力應(yīng)該為被動(dòng)土壓力，但在彈性支點(diǎn)法中卻一直假設(shè)為主動(dòng)土壓力。顯然根據(jù)該理論計(jì)算出的結(jié)果與真實(shí)情況不符合。

彈塑性共同變形法是假設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)周圍的巖土材料為理想的彈塑性Winkler材料。這樣巖土體的材料性質(zhì)就由土的極限彈性變形及水平反力系數(shù)決定，土體水平反力系數(shù)表現(xiàn)了巖土材料在彈性區(qū)域中的變形情況。一旦土體變形超過極限彈性變形時(shí)，巖土材料就會(huì)表現(xiàn)出理想塑性狀態(tài)［10］。與彈性支點(diǎn)方法相比，彈塑性共同變形法考慮了塑性狀態(tài)，并且圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)土壓力隨圍護(hù)的變形而變化，同時(shí)能反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)變形和土壓力分布情況。從而能夠計(jì)算得到更為真實(shí)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及圍護(hù)體變形情況。

同時(shí)，彈塑性共同變形在土壓力不超過極限土壓力上假設(shè)土體為理想彈塑性，部分區(qū)域的土體考慮為塑性狀態(tài)，在土壓力超過極限土壓力時(shí)將該處土體考慮為塑性狀態(tài)。但彈性支點(diǎn)法卻沒有類似考慮。

3.2 數(shù)值模擬

運(yùn)用南京庫倫GEO5進(jìn)行開挖模擬分析。由于該工程項(xiàng)目是一個(gè)狹長的基坑且支擋結(jié)構(gòu)嚴(yán)格對稱，故采用1個(gè)斷面進(jìn)行分析與計(jì)算。考慮到本工程特點(diǎn)，在基坑模型分析的過程中，墻背側(cè)向荷載按主動(dòng)土壓力和靜壓力進(jìn)行計(jì)算，并采用庫倫理論作為主動(dòng)土壓力計(jì)算，被動(dòng)土壓力采用朗肯理論。該工程采用三軸攪拌作為止水帷幕，但分析模型不考慮攪拌止水帷幕強(qiáng)度對基坑變形的影響。考慮到該基坑內(nèi)支撐的特殊性相應(yīng)簡化該內(nèi)支撐模型，不考慮周圍荷載和路面行車帶來的影響，但需考慮坑內(nèi)側(cè)加固土以及冠梁的影響。開挖工況如圖4所示。

圖4 各開挖工況

3.3 模擬結(jié)果分析

在添加第1道支撐后，采用彈性支點(diǎn)法計(jì)算得到圍護(hù)體最大水平位移為19．7 mm，位置在8 m左右；而采用彈塑性共同變形法計(jì)算得到圍護(hù)體的最大水平位移為20．5 mm，位置在8 m左右。在添加第2道支撐（雙層）即工況4，采用彈性支點(diǎn)法得到圍護(hù)體最大水平位移為30．8 mm，位置在10 m左右；而采用彈塑性共同變形法計(jì)算得到的圍護(hù)體最大水平位移為31．5 mm，位置也在10 m左右。2種分析理論得到的圍護(hù)體最大位移相差不大。

由圖5也可看出彈塑性共同變形法和彈性支點(diǎn)法計(jì)算得到的圍護(hù)體水平位移圖形大致相同。但在支撐附近的圍護(hù)體水平位移卻有所差別，在此位置附近彈塑性共同變形法計(jì)算的圍護(hù)體水平位移略大于用彈性支點(diǎn)法中計(jì)算的水平位移。在圖6中可看出在支撐范圍內(nèi)，彈塑性共同變形法中計(jì)算的土壓力要大于彈性支點(diǎn)法計(jì)算的土壓力。并由圖6 a可看出在內(nèi)支撐附近由彈塑形共同變形法計(jì)算的土壓力要大于主動(dòng)土壓力。

圖5 不同分析法在不同工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移

圖6 不同分析法下內(nèi)力

通過對比可發(fā)現(xiàn)，彈塑性共同變形法能有效考慮到隨基坑支撐的添加圍護(hù)體兩側(cè)的土壓力也會(huì)隨之發(fā)生變化，能夠模擬出更為真實(shí)的圍護(hù)體變形及計(jì)算出作用在圍護(hù)體兩側(cè)土壓力的真實(shí)分布情況和大小。

因此，彈塑性共同變形法計(jì)算的土壓力較符合實(shí)際情況，計(jì)算的結(jié)果也更加接近實(shí)際監(jiān)測值，并且其計(jì)算的土壓力也較符合實(shí)際情況。所以彈塑性共同變形法更符合實(shí)際基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況。

4 工程應(yīng)用及現(xiàn)場實(shí)測分析

在基坑工程施工開挖過程中，基坑圍護(hù)體的監(jiān)測變形位移如圖7所示。其中7月22日的監(jiān)測數(shù)據(jù)是添加第1道支撐后并開挖一定深度圍護(hù)體的水平位移，9月18日是添加第2道支撐后并開挖的圍護(hù)體的水平位移。

通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測圖可知，圍護(hù)體的變形曲線整體呈“鼓肚狀”，最大水平位移發(fā)生在基坑底約9．5 m處。開挖到設(shè)計(jì)深度后，此時(shí)圍護(hù)體的最大水平位移為43．57 mm。

圖7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)測位移

在基坑施工開挖過程中，由于外部環(huán)境不利條件的變化可能加劇基坑向坑內(nèi)變形位移，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移超過變形報(bào)警值時(shí)，應(yīng)立即分析原因并啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。當(dāng)圍護(hù)體向坑內(nèi)移動(dòng)過大時(shí)，此時(shí)應(yīng)該分區(qū)域的在角撐和對撐的預(yù)應(yīng)力施加端安裝千斤頂，分級(jí)施加預(yù)應(yīng)力并加塞鋼板，同時(shí)張拉魚腹梁上的鋼絞線。減少基坑圍護(hù)體向坑內(nèi)位移。如果圍護(hù)體有向坑外移動(dòng)的速率超過預(yù)警值，此時(shí)應(yīng)該減少作用在魚腹梁上鋼絞線及對角撐的預(yù)應(yīng)力。這樣可有效緩解基坑圍護(hù)體向坑外移動(dòng)，避免發(fā)生相關(guān)事故。同時(shí)也要加強(qiáng)基坑圍護(hù)體變形的監(jiān)測工作，直至基坑變形趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)語

基于工程實(shí)例，介紹魚腹梁支護(hù)結(jié)構(gòu)。此新型支撐體系有利于縮短工期和降低成本。分別采用彈塑性共同變形法和彈性支點(diǎn)法2種分析方法進(jìn)行研究，得到深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，位移及作用在圍護(hù)體上的土壓力。不論在理論上還是實(shí)際應(yīng)用中彈塑性共同變形法更加符合實(shí)際情況。同時(shí)，彈塑性共同變形法也考慮到土體的塑性狀態(tài)。因此歐美等國常用的彈塑性共同變形法模擬得到的圍護(hù)體變形及計(jì)算出的土壓力和圍護(hù)體水平位移比彈性支點(diǎn)法符合實(shí)際情況。