PC工法組合樁與SMW工法樁受力性能對比分析
——以上海地區某基坑工程為例

張 寧

上海山南勘測設計有限公司 上海 201206

SMW工法樁以型鋼擋土、水泥土攪拌樁擋水，工藝成熟，適用性強，尤其在高水位地區應用較為廣泛[1]。

近幾年出現的預制混凝土（PC）工法組合樁將鋼管樁與鋼板樁結合為一體應用于基坑支護體系中，具有經濟性好、施工速度快、綠色環保等優點，在軟土地區也具有較好的適用性[2-9]。

本文基于上海市某基坑圍護工程，以監測數據為基礎，對比分析了SMW工法樁與PC工法組合樁（本文可簡稱PC工法樁）2種圍護形式的受力性能。

1 基坑概況

1.1 基坑規模及周邊環境

本工程位于上海市普陀區，基坑開挖面積約73 000 m2，一般區域挖深5.9～6.8 m。

基坑東側和西側為地下管廊，管廊埋深5.4 m，距離基坑1.8～3.3 m，原圍護形式為SMW工法（型鋼未拔除），南側為道路（距離基坑 4 m），北側為在建地下通道（距離基坑10 m）及已建車行環路（距離基坑1.8 m），如圖1所示。

圖1 基坑工程周邊環境

1.2 地質條件

場地屬于濱海平原地貌。場地內原為受污染的工業用地，工程開工前已對污染區采取挖出換填法進行處理，造成基地內①1層填土較厚，一般厚度為1.8～3.0 m，局部達7.3 m，上部以建筑垃圾為主，土質松散且不均勻；第②層為微灰黃-灰色粉質黏土，大部分區域缺失或較薄。土層分布及土體物理力學指標見表1。

表1 土層物理力學性質指標

1.3 圍護結構概述

東側、南側和西側采用SMW工法樁＋1道混凝土圍檁＋前撐式注漿鋼管支撐；北側采用PC工法組合樁＋1道混凝土圍檁＋前撐式注漿鋼管支撐[9]，如圖2所示。

圖2 基坑圍護形式

圖3為SMW工法樁開挖至坑底時的現場實景。從圖中可見，厚填土（含污染土）中水泥土攪拌樁的成樁效果不佳，開挖后止水效果不良，且成樁均勻性較差。

圖3 SMW工法樁實景（成樁及止水效果不良）

圖4為PC工法組合樁現場實景。由圖4可見，PC工法樁開挖后較為整潔，止水效果良好。

圖4 PC工法組合樁實景（止水效果良好）

2 圍護形式對比分析

2.1 監測結果分析

圖5和圖6分別為PC工法樁和SMW工法樁在基坑施工各階段的測斜曲線和樁頂及坑底位移變化曲線。

圖5 PC工法樁測斜曲線

圖6 SMW工法樁測斜曲線

圖5的CX1為PC工法樁，開挖深度5.90 m，采用長14 m的φ630 mm×14 mm鋼管樁@1 100 mm＋長12 m的拉森Ⅳ號鋼板樁＋長27 m的φ377 mm×10 mm鋼管@3 025 mm（傾角45°）。

圖6的CX12為SMW工法樁，位于南側斜撐區域，基坑開挖深度6.80 m，采用長16 m的H700 mm×300 mm型鋼@1 200 mm＋長27 m的φ377 mm×10 mm鋼管@3 000 mm（傾角45°）。

從圖5、圖6中可見，2種樁型變形規律基本一致。基坑施工過程中從開挖到支撐拆除各個階段的測斜曲線形態為典型的板式圍護形態：頂部位移較小，隨深度增加，變形逐漸增加，坑底附近變形達到最大值，然后隨深度的增加，變形逐漸減小。但在拆撐階段測斜曲線形態略有不同，對于PC工法樁，在拆撐后，仍然表現為板式圍護＋支撐的形態；但SMW工法樁則表現為懸臂圍護樁的形態。

對比圖5（b）和圖6（b）可以看出，2種圍護形式圍護樁的變形可以顯著分為4個階段：

1）從開挖至墊層形成，此階段發展變形速度最快，所產生的變形占圍護結構最終總變形的50%左右。

2）底板形成前階段，在墊層形成后、底板形成過程中，變形速度逐漸衰減。

3）底板形成后階段，變形基本穩定。

4）拆撐階段：坑底附近變形不顯著，但樁頂變形有一定程度的發展，隨后變形穩定。2種圍護形式也有區別，即PC工法樁在各階段的樁頂位移都小于坑底附近位移，而SMW工法樁在底板形成及拆撐階段的樁頂位移大于坑底位移。

圖7為2種圍護形式在拆撐階段各測斜點樁頂與坑底附近最大位移的比值。從圖中可以看出：PC工法樁的比值（平均值0.386）顯著小于SMW工法樁的比值（平均值0.757）。

圖7 樁頂-坑底變形比值匯總

從以上分析可知，PC工法樁與SMW工法樁的受力特性是相似的，但在拆撐階段PC工法樁的頂部位移控制更好，且樁頂位移與坑底位移比值也顯著大于SMW工法樁。經分析，造成此現象的原因為：PC工法樁為鋼管樁及鋼板樁聯結而成的整體，在力學特性上優于型鋼離散布置的SMW工法樁。

2.2 監測數據反分析

采用啟明星軟件的反分析功能，利用測斜數據反分析計算參數。圖8及圖9為2種圍護樁型的反分析結果匯總。在圖8和圖9中，mi為土層初始m值；Ki為初始支撐剛度值；x為開挖時間，單位為天。

從圖8中可見，PC工法組合樁監測數據反分析得到的土層m值mi與支撐剛度Ki隨開挖時間的增加而逐漸減小，且減小速度可擬合為對數型關系。

圖8 PC工法組合樁（CX1）反分析結果

從圖9中可見，SMW工法樁監測數據反分析得到的土層m值mi及支撐剛度Ki隨開挖時間的增加快速減小后基本保持不變，曲線形態表現為兩段式。

圖9 SMW工法樁（CX12）反分析結果

對比圖8和圖9可知，由PC工法組合樁反分析得到的土層m值（終值）小于SMW工法樁的反分析數值，但由PC工法組合樁反分析得到的支撐剛度K值（終值）大于SMW工法樁的反分析數值。

導致上述差異的主要原因如下：

1）PC工法組合樁的整體性較好，在基坑開挖之后，由于圍護樁間的咬合作用，變形發展較慢，因而表現出反分析參數呈對數關系減小的現象；在配筋墊層形成之后，由于混凝土圍檁以及支撐的作用，樁頂約束較強，因此體現出較大的支撐剛度值；同時，由于頂部約束較強，樁體的變形將逐漸向坑底附近發展，造成坑底附近變形較理論值大。

2）SMW工法樁中的型鋼為離散型分布，在基坑開挖之后，變形發展較快，在配筋墊層形成過程中變形已經充分發展，故反分析結果呈現兩段式的形態；由于土層的原因，注漿鋼管斜撐（樁底位于⑤1-2層灰色黏土）剛度有限，因此頂部位移發展也較充分。基于以上2個原因，樁頂、坑底附近位移發展均較充分，故反演參數與理論值相差不大。

由以上分析可知，PC工法組合樁的整體性較好，位移控制表現較好，同時也表現出較為顯著的時間效應，在施工過程中可以增強支撐剛度或縮短換撐形成的時間，以達到控制變形的效果[10-14]。

2.3 PC工法樁與SMW工法樁剛度比較

為比較2種圍護樁的剛度表現，采用反分析得到的數值（土層m值及支撐剛度）計算相同開挖深度條件下（5.9 m），2種圍護形式的變形表現（開挖至坑底的工況），如圖10所示；采用圍護樁變形曲線與深度所圍成的變形面積的比值作為衡量力學特性的指標，如圖11所示。

圖10 PC工法樁與SMW工法樁變形曲線對比

圖11 PC工法樁與SMW工法樁變形面積比隨深度變化曲線

從圖10可以看出，PC工法樁與SMW工法樁的變形曲線較為接近，但PC工法樁的樁頂位移較小，SMW工法樁的坑底位移稍小。

從圖11可以看出，以變形曲線面積比來衡量，PC工法樁變形曲線所圍成的面積小于SMW工法樁的面積。但隨著深度的增加，面積比值逐漸增大，在坑底附近時比值為0.92，在坑底下1 m處比值為0.94。故可認為PC工法樁剛度（φ630 mm×14 mm鋼管樁＋拉森Ⅳ號小企口鋼板樁）與SMW工法樁（φ850 mm@ 600 mm三軸水泥土攪拌樁內插H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼@1 200 mm）剛度相當。

在理論計算中，SMW工法樁剛度（338.2 MPa）比PC工法組合樁（249.5 MPa）大26%左右，經過實測數據反分析，PC工法組合樁與SMW工法樁的剛度表現相當，故可認為PC工法組合樁的整體剛度較理論值大20%左右。主要有2個方面的原因：

1）PC工法組合樁為整體聯結型的圍護樁，受力時表現出較大的整體剛度。

2）在施工鋼管樁期間，振動成樁對樁內土體有一定的壓密作用，形成土塞，增大了鋼管樁的剛度。

2.4 經濟性分析

以本工程為例，對于開挖深度為5.8 m的剖面，2種圍護形式工程量如下：

1）PC工法樁（每1.1 m，1根長14 m的φ630 mm×14 mm鋼管＋1根拉森Ⅳ號鋼板樁）造價約為8 460元/延米。

2）SMW工法樁（每1.2 m，1幅長15 m的φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁＋1根長15 m的H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼）造價約為9 933元/延米。

經計算，PC工法樁約較SMW工法樁造價節省約20%。另考慮PC工法組合樁施工速度較快，且圍護樁無需養護時間，回收后不遺留地下障礙物，因此，社會及經濟效益將更加顯著。

3 結語

通過上海市某基坑支護工程的實踐表明，PC工法樁的適用性較好，與傳統支護形式SMW工法樁相比，具有一定的優勢：

1）在厚填土及污染土中適用性好，相較于傳統水泥土攪拌樁，止水效果更好。

2）PC工法組合樁為相互聯結的擋土墻，在力學行為中表現出較好的整體性。同時，由于鋼管中土塞的作用，其表現剛度（φ630 mm×14 mm鋼管樁＋拉森Ⅳ號小企口鋼板樁）與SMW工法樁（φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁內插H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼@1 200 mm）相當。

3）在同等條件下，PC工法組合樁造價較SMW工法樁可節省20%左右。若考慮施工、養護工期等，則經濟性優勢更加突出。

4）PC工法組合樁為全預制結構，施工速度快，且節省攪拌樁養護時間，在回收后不遺留地下障礙物，社會與經濟效益顯著。