SMW工法樁在高水位淤泥地層中的應(yīng)用

王 禹

(中交一公局廈門(mén)工程有限公司，福建 廈門(mén) 361021)

1 工程概況

以東僑經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)保障性住房“幸福佳園”三期地下室基坑圍護(hù)工程為例，介紹SMW工法樁+擴(kuò)大頭預(yù)應(yīng)力錨索相結(jié)合的聯(lián)合圍護(hù)體系在施工中的應(yīng)用。在圍護(hù)體系中，擴(kuò)大頭預(yù)應(yīng)力錨索能提供較大的錨固力，結(jié)合SMW工法自身圍護(hù)與止水的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際施工中起到了良好效果。

1.1 周圍環(huán)境

“幸福佳園”三期地下室基坑工程位于寧德市蕉城區(qū)漳灣鎮(zhèn)，福建東僑經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)，場(chǎng)地高程2.600～3.300m，地下室底板高程-1.550m，基坑安全等級(jí)為一級(jí)，基坑開(kāi)挖面積約17 932m2，東、西側(cè)目前多為空地，南側(cè)為現(xiàn)有道路，距離約為13.0m，基坑圍護(hù)長(zhǎng)度約573.0m，最大圍護(hù)高度約6.75m。

1.2 工程地質(zhì)條件

勘察資料表明，經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試和室內(nèi)土工試驗(yàn)成果進(jìn)行綜合分析，在場(chǎng)地施工影響深度范圍內(nèi)地基土可劃分為8層，本文中僅考慮對(duì)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(zhì)，欠壓實(shí)，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(zhì)，有腥臭味，干強(qiáng)度中等，韌性中等，搖振反應(yīng)慢，無(wú)光澤反應(yīng)，厚度3.1～9.2m；③泥質(zhì)礫砂 飽和，稍密～中密，以石英和長(zhǎng)石組成，顆粒為次棱角狀，分選性一般，級(jí)配較差，多含泥質(zhì)，局部相變?yōu)閳A礫或含卵石粉質(zhì)黏土，厚度1.5～7.5m；④殘積砂質(zhì)黏性土 濕，以硬塑狀態(tài)為主，局部呈可塑，成分以高嶺土及少量石英質(zhì)中粗砂為主,黏性低，韌性低，干強(qiáng)度中等，有光澤，母巖多為花崗巖，厚度2.2～10.1m，開(kāi)挖范圍內(nèi)穩(wěn)定水位埋深變化約為1.77m。土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 基坑特點(diǎn)

雖然該基坑開(kāi)挖深度不大，但開(kāi)挖面積大、地質(zhì)條件差，地下水位高，并且存在淤泥等不利影響，開(kāi)挖深度范圍內(nèi)主要為雜填土與淤泥質(zhì)土；受周邊現(xiàn)有構(gòu)筑物影響，施工過(guò)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(jìn)度不好把控。

1.4 基坑圍護(hù)方案

該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)必須在保證施工安全的同時(shí)嚴(yán)格控制周邊地形沉降，要求圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身側(cè)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(cè)壁滲水而引發(fā)安全事故。

針對(duì)工程特點(diǎn)，采用自然放坡+SMW工法樁+擴(kuò)大頭預(yù)應(yīng)力錨索相結(jié)合的聯(lián)合圍護(hù)體系。基坑頂部2m范圍內(nèi)自然放坡噴錨，掛鋼筋網(wǎng)并噴射C20混凝土，厚度80mm。頂部設(shè)置冠梁，冠梁采用C30鋼筋混凝土，截面高600mm，寬1 200mm。基坑側(cè)壁全部采用SMW工法樁圍護(hù)，SMW工法樁采用直徑850mm的攪拌樁，間距600mm，有效長(zhǎng)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(zhǎng)度為15.0m，上方留出0.5m以方便拔出型鋼。冠梁處設(shè)置錨索，預(yù)應(yīng)力錨索拉桿采用4φs15.2鋼絞線，每根鋼絞線由7φ5鋼絲組成，擴(kuò)孔直徑450mm，傾角30°，總長(zhǎng)度22～26m，錨固段9m，間距1.8m，拉力設(shè)計(jì)值150kN。

具體施工順序：放坡開(kāi)挖至冠梁頂標(biāo)高→SMW工法樁施工→預(yù)應(yīng)力錨索、冠梁施工→邊坡噴錨→基坑降水施工→基坑土方開(kāi)挖→其他工程。

基坑監(jiān)測(cè)結(jié)合施工工藝、圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式、地質(zhì)條件及周邊環(huán)境等因素，考慮基坑施工引起的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)分布情況進(jìn)行詳細(xì)布置。

1.5 基坑監(jiān)測(cè)

本工程基坑規(guī)模較大，監(jiān)測(cè)方向主要為針對(duì)基坑施工范圍內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)變化進(jìn)行布置，共設(shè)置水平位移觀測(cè)點(diǎn)45個(gè)，沉降觀測(cè)點(diǎn)35個(gè)。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多，僅選取變化趨勢(shì)較大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。

2 有限元分析

2.1 模型尺寸及計(jì)算參數(shù)選取

結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)與實(shí)際情況，針對(duì)本工程采用Midas/GTS進(jìn)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(guī)模，結(jié)合基坑開(kāi)挖深度、周邊建(構(gòu))筑物的布置等具體數(shù)值，計(jì)算區(qū)域(模型規(guī)模)設(shè)置為500m×500m×50m。有限元軟件數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

考慮到SMW工法樁作為一種復(fù)合樁型，計(jì)算前對(duì)SMW進(jìn)行建模時(shí)按照等面積法將圓弧形的外側(cè)等效為一個(gè)平面，其厚度計(jì)算公式如下：

(1)

式中：D為樁徑；t為樁凈距；h為折算厚度。

計(jì)算結(jié)果為0.772 7m，取整厚度0.8m。

相關(guān)模量參數(shù)由于地勘資料有限，對(duì)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了保守考慮。模型中土體采用Modified Mohr-Coulomb本構(gòu)，現(xiàn)有道路采用三維彈性本構(gòu)，錨索為植入式桁架單元，H型鋼為植入式梁?jiǎn)卧琒MW工法樁等效為地下連續(xù)墻采用2D板單元，冠梁為1D梁?jiǎn)卧叵滤紤]到施工前進(jìn)行管井降水，按照2m考慮，臨近荷載按20kPa考慮。計(jì)算參數(shù)結(jié)合地勘報(bào)告與相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行部分調(diào)整，如表2～4所示。

表2 土體材料參數(shù)

2.2 計(jì)算過(guò)程

1)模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)建立模型，將模型的細(xì)部?jī)?nèi)容進(jìn)行網(wǎng)格劃分、建立初始計(jì)算模型，將模型范圍內(nèi)應(yīng)力清零，排除其他因素干擾達(dá)到初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)。

2)根據(jù)施工步驟分層分類模擬實(shí)際施工階段，激活鈍化相關(guān)網(wǎng)格。

3)開(kāi)挖到坑底后，計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)與相關(guān)范圍內(nèi)的應(yīng)力及位移，分析變形、沉降等數(shù)據(jù)。

表3 各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

表4 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及建筑物基礎(chǔ)屬性

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 樁身水平位移變化

基坑工程施工結(jié)束時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，水平位移隨樁長(zhǎng)變化較為規(guī)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(qiáng)度，SMW工法樁樁身抗剪滿足本工程要求；理論計(jì)算最大位移為17.3mm，計(jì)算結(jié)果較實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值偏大，分析其原因在于對(duì)樁身建模時(shí)進(jìn)行等面積處理，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中型鋼對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)考慮過(guò)于保守導(dǎo)致，但從實(shí)際施工考慮，有限元計(jì)算樁身變形結(jié)果與實(shí)際結(jié)果趨勢(shì)相同，為實(shí)際施工安全性留有較大富裕，更為保守的結(jié)果也能為具體施工提供安全保障。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線

3.2 地表沉降變化

實(shí)際施工過(guò)程中基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)J1～J8的地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表5所示，范圍內(nèi)實(shí)際沉降最大值為5.99mm，有限元模擬計(jì)算結(jié)果最大值為12.37mm。由于有限元計(jì)算考慮土體時(shí)對(duì)其相關(guān)模量參數(shù)均以最不利考慮，且并不能反映壓縮參數(shù)隨埋置深度變化而產(chǎn)生的影響，所以計(jì)算結(jié)果較大，但相對(duì)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(guān)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算考慮，這對(duì)于地域性較強(qiáng)的基坑工程而言并不準(zhǔn)確，有限元模擬計(jì)算沉降相較于其他方式而言更為嚴(yán)謹(jǐn)，能夠?yàn)榛庸こ痰睦碚撚?jì)算提供更多選擇。

表5 J1～J8觀測(cè)點(diǎn)地表沉降統(tǒng)計(jì) mm

結(jié)合部分監(jiān)測(cè)結(jié)果與有限元對(duì)應(yīng)位置計(jì)算結(jié)果分析，實(shí)際基坑側(cè)壁最大水平位移11.15mm，計(jì)算結(jié)果17.3mm；監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，該點(diǎn)最大沉降量5.99mm，計(jì)算結(jié)果為12.37mm。考慮到有限元軟件計(jì)算時(shí)參數(shù)人為的影響，從施工安全考慮參數(shù)的選取更為保守，計(jì)算誤差基本可以接受。通過(guò)模擬計(jì)算，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析，說(shuō)明SMW工法+擴(kuò)孔錨索這種圍護(hù)系統(tǒng)能夠應(yīng)用于實(shí)際施工中，有限元模擬在基坑工程的理論計(jì)算也具有較強(qiáng)的適用性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，SMW工法+擴(kuò)孔錨索作為一種圍護(hù)結(jié)構(gòu)，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(guò)程從而分析施工過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)變化也有著較好的適用性，并且在相似地質(zhì)情況下采用SMW工法+擴(kuò)孔錨索時(shí)，運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行分析能夠?yàn)閷?shí)際設(shè)計(jì)與施工提供幫助。針對(duì)本工程，結(jié)合實(shí)際情況與理論計(jì)算的分析研究，也能夠?yàn)轭愃乒こ烫峁┙梃b。結(jié)合上述分析說(shuō)明，得出結(jié)論如下。

1)SMW工法樁在高水位淤泥地層會(huì)有較大的使用和發(fā)展空間。

2)通過(guò)有限元模擬分析與基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，MIDAS/GTS能夠根據(jù)有限元模擬計(jì)算分析基坑變形、沉降的趨勢(shì)，并具有一定準(zhǔn)確性，但受限于土體復(fù)雜特性，計(jì)算結(jié)果存在部分誤差，相信隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高會(huì)有更好的發(fā)展。