裝配式預應力體系和SMW工法樁聯(lián)合支護安全性研究

顏培松 趙丁毅

（1.臨沂市建設安全工程質量服務中心，山東 臨沂 276000；2.中國建筑第八工程局有限公司，山東 臨沂 276000）

傳統(tǒng)基坑工程支撐結構具有施工周期長、跨度低、占有空間較大等特征，同時還會產(chǎn)生一定的固體建筑垃圾。而裝配式預應力體系與SMW工法樁組成的聯(lián)合支護結構可有效彌補傳統(tǒng)結構的缺點，其屬于環(huán)保型的深基坑支護技術，不會產(chǎn)生固體建筑垃圾，同時，施工運用的便捷性也比較強，因而值得推廣，目前該技術在東南沿海城市的工程項目施工中常被使用。

1 裝配式預應力體系與SMW工法樁

1.1 裝配式預應力體系

裝配式預應力體系是以預應力的相關原理作為基礎，通過多種建筑施工工程的實踐經(jīng)驗累積與研究，開發(fā)出的一種常用支撐結構體系，一般會用作深基坑施工的支護結構，裝配式預應力體系一般是由對撐、角撐、魚腹梁、聯(lián)系桿、加載預應力構件以及高強節(jié)點所組成，具有施工速度較快、結構拆卸便捷的優(yōu)點，通過標準化螺栓構件連接，因此也具有較為牢固的特點，其破壞形式一般為延遲性破壞，使得施工作業(yè)的安全性大幅度提升，同時，現(xiàn)場施工噪聲較小，現(xiàn)場環(huán)境不會遭受較大破壞，對于大部分的建筑主體結構和土方施工來說，都能夠良好協(xié)調并統(tǒng)一推進，提升作業(yè)效率，具有頗高的應用價值。

1.2 SMW工法樁

SMW工法樁在目前的建筑施工作業(yè)中也常被運用，其也被稱為新型水泥土攪拌樁墻結構，簡單來說，是在原本的水泥土樁內部加設了鋼結構，一般情況下為H型鋼結構，也有一些運用形式是加入鋼管結構或是拉森式鋼板樁結構。SMW工法樁的實際原理就是將擋水性能與承載性能結合起來，成為一種支護作用的圍護墻結構，既能夠承受一定荷載力，也能用作抗?jié)B結構，因而得到廣泛運用。SMW工法樁在現(xiàn)場施工過程中，常常會運用多軸型鉆掘攪拌機設備，其插入鋼結構是在水泥土混合體未完全硬結之前，保證墻體結構具有完整性，剛度和強度達到標準，且不存在接縫。SMW工法樁的優(yōu)點是不會對周圍土體產(chǎn)生過大擾動，也不會導致周圍的建筑物、臨近地面產(chǎn)生過大的沉降或是裂損，且對于一些含有砂土、黏性土以及粉土的巖層較為適用，工期也比較短，還能降低施工污染問題。

將SMW工法樁與裝配式預應力體系結合運用，構成聯(lián)合支護結構，不僅包含了兩項工藝技術的優(yōu)點，還能夠應對復雜的工程地質條件，切實發(fā)揮出良好的支護功能，這種結合工藝技術對于大部分工程的進度、質量、安全以及效益要求都能滿足。

2 裝配式預應力體系和SMW工法樁聯(lián)合支護的結構特征分析

SMW工法樁和裝配式預應力體系組成聯(lián)合支護的結構，其中裝配式預應力體系的支撐部分主要是采用預應力支撐加上混凝土冠梁所構成，而SMW工法樁則是采用了H型鋼和三軸水泥土攪拌樁組成，其中后者的規(guī)格為Φ850mm@600mm。施工建設該聯(lián)合支護結構時，先安設三軸水泥土攪拌樁，然后將H型鋼插入到支護位置，再安裝混凝土冠梁，最后是預應力支撐體系的施工，將對角撐和魚腹梁的預應力施加到基坑位置并進行開挖，然后將支撐體系與型鋼結構回收即可。

不管是SMW工法樁還是裝配式預應力的支撐體系，所用的型鋼都屬于可回收結構，因此實際施工中幾乎不會產(chǎn)生固態(tài)的建筑垃圾，具有環(huán)保特點，且型鋼回收后還可繼續(xù)利用，因此還具有節(jié)能性。與此同時，SMW工法樁中的三軸水泥土攪拌樁施工的工藝技術還具有快速、高效、成果佳的特點，裝配式預應力支撐結構還方便進行組裝和拆卸，其都是利用螺栓來連接多種標準構件，出現(xiàn)問題可拆開并重新加以改進，盡可能發(fā)揮出更佳的支撐效果，同時也會大幅度縮短實際施工工期[1]。

3 裝配式預應力體系和SMW工法樁聯(lián)合支護的結構變形控制機理分析

在工程基坑附近先進行裝配式預應力支撐結構的安裝，同時對其施加一定的預應力，使圍護樁朝著基坑外的方向產(chǎn)生一定變形，這樣可以將基坑周圍土體的被動土壓力激發(fā)出來。隨著基坑的土體不斷被開挖施工，其圍護樁也會開始向基坑內部產(chǎn)生一些變形，而外部的被動土體壓力值則會開始慢慢降低，將一部分的主動土壓力抵消掉，一直到基坑開挖至設計標準坑底后，基坑會產(chǎn)生一定位移，而圍護樁產(chǎn)生的位移則為圍護樁本身向基坑外的變形位移值與基坑位移值之間的差值，由于SMW工法樁與裝配式預應力體系的聯(lián)合支護結構，會在圍護樁開挖之前施加預應力，使其向基坑外方向產(chǎn)生一定位移，主要目的就是為了控制基坑開挖后的位移，避免位移值過大，圖1表示的是預應力支撐體系變形控制機理。

圖1 預應力支撐體系變形控制機理

除此之外，裝配式預應力支撐結構還會產(chǎn)生剛度控制，在傳統(tǒng)采用鋼支撐或是混凝土結構的工程當中，對基坑變形控制會運用大剛度控制，但是在裝配式預應力支撐結構中，基坑變形控制主要是施加一定的預應力，使其變形逐漸減小，則力不變，剛度值就會上升，也可以說結構的變形值越小，作用力不變時剛度值就會越大，圖2表示的是預應力支撐體系剛度控制機理。

圖2 預應力支撐體系剛度控制機理

4 裝配式預應力體系和SMW工法樁聯(lián)合支護實際應用

4.1 工程項目概況

本工程擬建場地位置在長江三角洲的入海東南位置前沿，工程場地周圍的地貌為湖沼平原類別，施工中要求開挖的基坑深度約為6.0m～8.8m，實際地基基坑的大部分截面屬于二級，剩下部分的截面則屬于三級，場地基坑開挖位置的地下水埋深約為0.5m，基坑開挖形狀頗為復雜且周圍環(huán)境具有特殊性。在工程項目施工場地的北面臨近著規(guī)劃四路，實際施工勘察時期道路還沒有修建，因此為空地；西面則臨近著幼兒園，本項目工程為高層建筑物，和幼兒園主體建筑之間的最近實測距離約為15.5m，項目還預計建設地下車庫，該部分和附屬一層之間的距離約為7.3m；工程東面臨近著水泥路，后續(xù)會建設為規(guī)劃五路，設計建設的地下車庫邊線和該道路邊線之間的間距約為7m；工程南面為規(guī)劃的北淀浦河路，但勘察時尚未建設，為空地。工程項目場地的土層結構共分為五層：一層為填土；二層為粉質黏土，顏色呈青灰色和灰黃色；三層為淤泥質粉質黏土，顏色為灰色；四層為粉質粉土，顏色為暗草黃色；五層為草黃色粉質黏土[2]。

4.2 基坑的實際支護形式

本工程基坑施工采用了裝配式預應力體系和SMW工法樁聯(lián)合支護型式，其中圍護結構主要使用的是SMW工法樁，規(guī)格為Φ850mm，布置呈單排，其中相鄰樁之間互相搭接長度約為250mm，整體搭接為擋墻形態(tài)，使用的型鋼型號為H700×300×12×14，整個平面內部支撐一型鋼，其支撐體系即為裝配式預應力體系，在支撐過程中頂深的墻距約為0.7m，然后開展地下室底板的澆筑施工，待到澆筑并養(yǎng)護完成達到一定強度后會換支撐形式，換成頂深墻距約為5.4m的形式。在運用SMW工法樁做支護時，需要先采用基坑設計分析軟件對圍護結構任意位置的每米土壓力值進行計算，再根據(jù)計算結果確定預應力魚腹梁圍檁形式，同時確定其最大跨度值，然后結合基坑的具體形狀布置預應力魚腹梁，再根據(jù)所布置的魚腹梁規(guī)格反向計算預應力的大小及鋼絞線具體數(shù)量，最后，結合魚腹梁跨度值進行立柱設計和對角撐設計。

5 裝配式預應力體系有限元分析

5.1 有限元模型

開展裝配式預應力體系有限元分析時，需要先結合工程實際繪圖的比例尺寸進行建模，一般比例為1∶1，然后將模型導入到分析軟件中。在預應力體系中，其斜腹結構和對角撐都是采用桿單元，而腹桿、圍檁以及混凝土冠梁結構部分采用梁單元，鋼絞線則是屬于預應力的桿件單元，三角桁架部分的剛度是比較大的，因此采用平面板單元，對其有限元模型進行計算，同時也要確定荷載所施加的模型布置結構。

具體的支撐部分周圍都是土層結構，因此支撐變形的主要影響因素是土體性質，也就是說土體會對支撐結構產(chǎn)生約束作用，其特點為：支撐變形方向為土體方向時，土體會被擾動而產(chǎn)生被動土壓力，對支撐結構產(chǎn)生約束，支撐就會在該作用下向土體方向上移動；支撐變形方向為坑內方向時，土體不會對支撐結構產(chǎn)生拉力，只會產(chǎn)生一定的邊界約束壓力，為此，可以在圍檁結構外部分加裝土體壓力的彈簧裝置，而其混凝土以及鋼結構的圍檁部分都會被施加上分布均勻的荷載力。

依據(jù)裝配式預應力體系的支撐結構安裝特點可知，需要在分析時模擬三種工況，主要是對工況數(shù)值加以模擬，第一種是將除了鋼絞線以外的其他支撐結構全部激活構成網(wǎng)格組，同時設置邊界土壓力的彈簧，對撐和角撐位置施加預應力；第二種是將預應力鋼絞線單元網(wǎng)格進行激活；第三種是直接向側面施加土壓力。經(jīng)過分析得知這三種工況中，第三種是處于最不利的情況，因此在有限元計算時，也主要針對第三種工況[3]。圖3為預應力支撐體系的有限元模型。

圖3 預應力支撐體系有限元模型

5.2 有限元計算結果

如圖3所示，分析裝配式預應力體系的彎矩與軸力可發(fā)現(xiàn)，其角撐結構以及圍檁結構都會受到壓縮軸力的作用。而整個支撐體系中的最大應力是在對角撐作用位置的周圍圍檁上，這種應力的形成是綜合了對角撐偏向壓力、正壓力以及鋼絞線的張拉力。結合體系的位移情況分析，發(fā)現(xiàn)魚腹梁的鋼支撐可以對基坑水平變形加以控制，主要是通過施加預應力實現(xiàn)，其基坑水平的最大位移值為13.1mm，該位移處于西南魚腹梁結構的三角位置。總體支護結構的位移特點是，位移最小的位置為魚腹梁中間圍檁處，位移最大的位置為混凝土冠梁邊緣的圍檁部分，位移中等的位置為角撐接頭和魚腹梁端部相連部分。經(jīng)過本次對裝配式預應力體系支撐結構分析可得出，其支撐結構的剛度值比較大，即使是在土壓力的作用下，也不會產(chǎn)生較明顯的變形情況，因此具有較強的結構可靠性、安全性。

6 現(xiàn)場監(jiān)測結果分析

通過工程現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，其道路水平方向上的最大位移值為4mm，由于該值過小，因此不用繪制位移監(jiān)測曲線。另選擇一些產(chǎn)生變形的典型建筑、道路以及圍護墻結構進行監(jiān)測并繪制曲線，也可針對典型的深層土體進行位移監(jiān)測，結合監(jiān)測繪制的曲線和上述分析，進一步分析SMW工法樁和裝配式預應力體系的聯(lián)合支護結構對基坑安全的保障效果以及其變形控制的水平。通過現(xiàn)場監(jiān)測獲得道路的最大沉降量為21.6mm、領房建筑的最大沉降量為9.7mm，圍墻結構的最大沉降量為21.9mm，而道路的沉降報警值為30mm，領房建筑的沉降報警值為10mm，圍墻結構的沉降報警值為30mm，均未達到報警標準，因此，可判定聯(lián)合支護結構具有較好的安全性，具有較強的抗變形能力。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，基坑頂部的水平位移值約為6mm，而深層土體的變形最大值為37.97mm，超過了30mm的報警值，且最大變形的位置一般是在坑底附近，這種變形情況會根據(jù)土體深度增加，呈現(xiàn)出先增后減的態(tài)勢。對于整體結構中的混凝土支撐和鋼管撐部分，其深層土體最大變形量產(chǎn)生的位置是在坑頂附近，且隨著土體深度的增加，變形量會逐漸降低。由此可見，裝配式預應力體系能夠對基坑變形情況加以控制，主要是通過調節(jié)施加的預應力來控制，避免其沉降位移與水平位移過大[4]。

7 結語

綜上所述，文中分析的SMW工法樁+裝配式預應力體系支護技術是一種新型環(huán)保、高效、便捷的施工工藝，能夠在基坑開挖過程中發(fā)揮出良好的支撐效果，本次研究是以實際工程項目為對象，深入分析了裝配式預應力體系與SMW工法樁結合運用后構建的支護結構特點，結構采用螺栓連接固定，在成樁方面主要是采用三軸攪拌樁，施工速度較快、周期短，還能夠發(fā)揮出良好的支撐作用，通過分析其變形控制及剛度控制機理，得知其在變形控制方面的水平較高。開展現(xiàn)場監(jiān)測工作發(fā)現(xiàn)體系的穩(wěn)定性和安全性較好，相應構件能夠很好地降低基坑變形，不僅可以保障基坑的順利開挖，也能夠對周圍環(huán)境加以保護，具有較高應用價值。