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(zhèn)偉

(貴州大學(xué)， 貴州 貴陽 550025)

0 引言

在現(xiàn)代城市修建的深基坑工程中，基坑的優(yōu)化設(shè)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(yīng)用。該工法構(gòu)造簡單，與地下連續(xù)墻相比結(jié)構(gòu)整體性和防水性能均較好，施工時噪音小、對周圍環(huán)境破壞程度小、結(jié)構(gòu)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(xù)發(fā)展的理念[1-3]。目前，該方法現(xiàn)已廣泛應(yīng)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(yīng)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(shù)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(nèi)力產(chǎn)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(nèi)力變化規(guī)律，為控制樁身形變及最大內(nèi)力值提供一定的參考依據(jù)。

1 工程概況

本工程位于天津市臨港工業(yè)區(qū)，以SMW工法為施工背景，地面堆載為20 kPa，預(yù)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(jié)構(gòu)，共設(shè)兩道支撐，樁頂標(biāo)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(zhì)條件參數(shù)和工況見表1和圖1。

2 基坑穩(wěn)定性驗算

基坑的穩(wěn)定性驗算包括多方面的驗算，參照國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》JGJ 120-2012）以及上海市標(biāo)準(zhǔn)《基坑工程設(shè)計規(guī)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(zhì)條件參數(shù)

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(jié)構(gòu)兩側(cè)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(shù)。對于砂類土：

對于黏性土：

（3）墻底抗隆起驗算。根據(jù) Terzaghi解，抗隆起安全系數(shù)為：

（4）坑底抗隆起驗算?？拥卓孤∑痱炈泐愃朴趫A弧面整體穩(wěn)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(yīng)力），豎直滑動面上的抗滑力為：

（5）穩(wěn)定安全系數(shù)等于最下一道支撐以下圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)土壓力對最下一道支撐點的力矩之比：

（6）整體穩(wěn)定性驗算?；拥恼w穩(wěn)定性分析實際是對支護結(jié)構(gòu)的直立土坡進行穩(wěn)定性分析，采用圓弧滑動面簡單條分法，按總應(yīng)力法計算，并考慮水平應(yīng)力的影響，整體穩(wěn)定性計算見圖2。

圖2 整體穩(wěn)定性計算

3 不同影響因素下的樁身變形及內(nèi)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(nèi)力的變化規(guī)律。

3.1 不同樁徑對樁身變形及內(nèi)力影響

當(dāng)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(nèi)力及變形如圖3所示。

由圖3可發(fā)現(xiàn)，在SMW工法中，水平位移及內(nèi)力值都隨著深度的變化呈現(xiàn)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(dāng)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(nèi)力及變形見表2。

圖3 不同樁徑下的變形及內(nèi)力

表2 不同樁徑的樁身最大內(nèi)力及變形

3.2 不同支撐位置對樁身變形及內(nèi)力影響

當(dāng)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(nèi)力及變形如圖4所示。

圖4為SMW工法中樁身內(nèi)力及位移的變化規(guī)律，當(dāng)固定第二道支撐的位置固定在5 m處時，通過調(diào)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?shù)乃轿灰浦饾u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(yīng)的深度分別為8.5 m、8.25 m、6.25 m。由此可以看出，當(dāng)支撐位置逐漸下調(diào)時，樁身最大水平位移點的深度也因其支撐位置的下調(diào)而向上抬升。樁身彎矩整體呈現(xiàn)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(xiàn)和支撐位置有著密切的關(guān)系，即剪力值的出現(xiàn)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(nèi)力見表3。

3.3 不同嵌固深度對樁身變形及內(nèi)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(nèi)力如圖5所示。

圖4 不同支撐位置的樁身變形及內(nèi)力

表3 不同支撐位置的樁身最大變形及內(nèi)力

圖5 不同嵌固深度下的樁身變形及內(nèi)力

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

4 結(jié)論

在SMW工法中，樁徑和支撐位置的改變能夠?qū)渡淼乃轿灰坪烷_挖面的內(nèi)力有一定影響，當(dāng)樁徑逐漸增加時，樁頂?shù)乃轿灰齐S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(shè)計要求的前提下可適當(dāng)增大樁徑。

當(dāng)?shù)谝坏浪街挝恢孟陆?，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(diào)支撐位置來獲得較優(yōu)的支撐位置。嵌固深度對樁身的形變和內(nèi)力影響可忽略不計。