SMW 工法樁在不同工況下的變形分析

熊飛

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司）

0 引言

SMW 工法連續(xù)墻于1976 年在日本問(wèn)世。SMW 工法是以多軸型鉆掘攪拌機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)向一定深度進(jìn)行鉆掘，同時(shí)在鉆頭處噴出水泥系強(qiáng)化劑而與地基土反復(fù)混合攪拌，在各施工單元之間則采取重疊搭接施工，然后在水泥土混合體未結(jié)硬前插入H 型鋼或鋼板作為其應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)材，至水泥結(jié)硬，便形成一道具有一定強(qiáng)度和剛度的、連續(xù)完整的、無(wú)接縫的地下墻體。SMW 工法樁具有施工簡(jiǎn)便、成本低、抗?jié)B性好等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是：基底下SMW 工法的水泥土強(qiáng)度根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)推斷可能很低,不能夠滿足H 型鋼之間水泥土局部抗剪的要求，在巨大的內(nèi)外壓力差下，坑外的土體可能從H 型鋼之間流入基坑內(nèi)，造成基坑隆起，基坑失穩(wěn)，因此需要監(jiān)測(cè)基坑開挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)在不同工況下的變形，以便指導(dǎo)接下來(lái)的施工。

施工單位在基坑施工過(guò)程中，往往會(huì)由于工期或者現(xiàn)場(chǎng)條件有限等原因，沒(méi)有按照?qǐng)D紙施工，這些工況會(huì)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形帶來(lái)更多不可控的因素。通過(guò)一些工程實(shí)例對(duì)SMW 工法樁變形進(jìn)行對(duì)比分析，從而得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)在不同工況下的變形特性及趨勢(shì)。

1 SMW 工法樁樁體受力分析

基坑開挖過(guò)程中，基坑內(nèi)外的土體將由原來(lái)的靜止土壓力狀態(tài)向被動(dòng)和主動(dòng)土壓力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，應(yīng)力狀態(tài)的改變使圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受荷載并導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土體變形，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力(支撐軸力等)和變形(基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其周圍土體的沉降和側(cè)向位移等)中任一量值超過(guò)容許范圍，將可能造成基坑失穩(wěn)破壞或?qū)χ車h(huán)境造成不利影響。

SMW 工法樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形源于以下幾個(gè)原因：

⑴隨著基坑內(nèi)的土方開挖，基坑內(nèi)外的土壓力不平衡，基坑外側(cè)的土壓力會(huì)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壁產(chǎn)生巨大的推力，從而引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移與變形；

⑵當(dāng)基坑場(chǎng)地條件限制時(shí)，挖掘機(jī)一般都是直接在基坑邊進(jìn)行作業(yè)，將坑內(nèi)挖出的土方直接堆載在基坑邊，來(lái)往的渣土車也都是直接在基坑邊進(jìn)行作業(yè)，給基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)增加了幾十噸甚至幾百噸的荷載，同時(shí)也加大了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)壓力與變形；

⑶很多深基坑都是采用支護(hù)樁+支撐的支護(hù)形式，當(dāng)基坑開挖到相應(yīng)的深度時(shí)，需要及時(shí)施工對(duì)撐，當(dāng)對(duì)撐沒(méi)有及時(shí)施工時(shí)，也會(huì)加劇圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形；

⑷在淤泥較深的區(qū)域，支護(hù)樁樁底沒(méi)有嵌入到足夠的深度或者穩(wěn)定的土層當(dāng)中，外圍的土壓力會(huì)造成支護(hù)樁產(chǎn)生踢腳現(xiàn)象，甚至可能引起基坑坍塌。

2 工程實(shí)例

珠海橫琴某基坑，采用明挖施工，支護(hù)形式為：SMW工法樁+三道內(nèi)支撐+坑內(nèi)加固的支護(hù)形式，三道內(nèi)支撐中第一道為鋼筋混凝土支撐，第二、三道為φ609mm×16mm 熱軋無(wú)縫鋼管支撐，坑底加固采用φ700mm@600mm水泥攪拌樁，基坑開挖深度約8m，基坑SMW 工法樁深度為17m。

在基坑開挖之前，預(yù)先在SMW 工法樁內(nèi)埋設(shè)了8 個(gè)深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)QS1-QS8，其中QS1-QS3 在基坑南側(cè)，QS5-QS7 在基坑北側(cè)，QS4 在基坑西側(cè)，QS8 在基坑?xùn)|側(cè)，布點(diǎn)圖詳見圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

整個(gè)基坑從開挖到回填歷時(shí)約174 天，基坑監(jiān)測(cè)貫穿基坑開挖及基礎(chǔ)施工整個(gè)過(guò)程。具體工況變化見表1。

表1 工況

由于現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地有限，因此，挖機(jī)和渣土車都是直接在基坑北側(cè)的冠梁頂附近作業(yè)。

由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，從2017 年5 月2 日至2017 年5月10 日，隨著基坑開挖，當(dāng)開挖第二層土方至第二道內(nèi)支撐施工時(shí)，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形較為緩慢，每天變形速率為1mm/d 左右，基坑累計(jì)變形最大監(jiān)測(cè)點(diǎn)為QS6，累計(jì)變形為11.4mm，其它監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)變形均在10mm 以內(nèi)，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形仍在可控范圍之內(nèi)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)具體位移量詳見表2。

表2 2017 年5 月10 日各測(cè)點(diǎn)位移量

在施工完第二道內(nèi)支撐后，基坑進(jìn)行第三層土方開挖?；游鞫卧谑┕ぶ恋谌纼?nèi)支撐的位置后，及時(shí)進(jìn)行第三道鋼支撐施工，因此，在這段時(shí)間內(nèi)，基坑?xùn)|段的圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移QS3-QS5 都沒(méi)有產(chǎn)生較大的位移或者突變，QS3 在頂部累計(jì)位移了-38.8mm，QS4 累計(jì)位移了-32.7mm，QS5 累計(jì)位移量為-70.6mm，其中QS5累計(jì)值超過(guò)設(shè)計(jì)報(bào)警值50mm。

然而，基坑?xùn)|段在土方開挖至第三道內(nèi)支撐的位置后，沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行鋼支撐施工，而且挖機(jī)、渣土車和吊車仍在基坑北側(cè)作業(yè)，至2017 年6 月9 日，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)基坑底部有隆起現(xiàn)象，而監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也顯示QS1 僅6 月9 日一天時(shí)間就突變了-36.4mm，累計(jì)值為-81.8mm；QS6 一天時(shí)間位移了-285.7mm，累計(jì)變化為-314.7mm，現(xiàn)場(chǎng)立即進(jìn)行土方回填，防止危害發(fā)生。而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)也是每?jī)蓚€(gè)小時(shí)監(jiān)測(cè)一次，隨著土方逐漸回填，基坑變化速率逐漸減小，兩小時(shí)后繼續(xù)位移了-51.0mm，4 小時(shí)后繼續(xù)位移了-33.8mm，6 小時(shí)后位移了-15.2mm，8 小時(shí)后位移了-5.9mm，至此，基坑?xùn)|段已回填完成，10 日繼續(xù)加密監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示現(xiàn)場(chǎng)已趨于穩(wěn)定；監(jiān)測(cè)點(diǎn)QS7 在9 日當(dāng)天突變位移為-528.6mm，累計(jì)值為-575.5mm，2 小時(shí)后繼續(xù)位移-92.6mm，4 小時(shí)后位移-72.1mm，6 小時(shí)后位移-26.4mm，8 小時(shí)后位移4.6mm，此后，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。

此后，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)基坑?xùn)|段進(jìn)行分段開槽開挖至第三道內(nèi)支撐的位置，及時(shí)施工第三道內(nèi)支撐后，繼續(xù)開挖。在基坑第四層土方開挖到底后，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)進(jìn)行墊層封底，并抓緊時(shí)間進(jìn)行底板施工，此后，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)雖然仍在繼續(xù)緩慢變形，但是都沒(méi)有出現(xiàn)較大的突變，直至基坑回填完成，2017 年6 月10 日及2017 年10 月10 日各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移量詳見表3、表4。

表3 2017 年6 月10 日各測(cè)點(diǎn)位移量

表4 2017 年10 月10 日各測(cè)點(diǎn)位移量

通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，基坑北側(cè)的變形顯著大于基坑南側(cè)變形，其中，基坑北側(cè)的QS5 最終累計(jì)位移量為-130.3mm，QS6 最終累計(jì)位移量為-460.6mm，QS7 累計(jì)位移量為-835.3mm，而基坑南側(cè)的QS1 最終累計(jì)位移量為-149.4mm，QS2 累計(jì)位移量為-36.0mm，QS3 累計(jì)位移量為-61.0mm。同時(shí)，所有的數(shù)據(jù)都顯示基坑頂部向外位移。由于深層水平位移是以測(cè)斜管底部為不動(dòng)點(diǎn)來(lái)計(jì)算，因此說(shuō)明基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部向基坑內(nèi)側(cè)滑移了。

3 結(jié)論

⑴隨著基坑土方開挖，基坑外側(cè)的土壓力對(duì)SMW 樁體產(chǎn)生了巨大的推力，從而引起支護(hù)樁結(jié)構(gòu)變形?；娱_挖過(guò)程中需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并加強(qiáng)對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的巡視，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)基坑可能出現(xiàn)的險(xiǎn)情；

⑵基坑邊的荷載也會(huì)對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生巨大的影響，會(huì)加劇圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。在基坑開挖過(guò)程中，基坑邊的作業(yè)車輛若非必要，盡量遠(yuǎn)離基坑邊進(jìn)行作業(yè)。另外，基坑內(nèi)挖出的土方，必須及時(shí)運(yùn)走，嚴(yán)禁直接堆在基坑邊附近；

⑶施工過(guò)程中，必須嚴(yán)格按照施工組織方案執(zhí)行，做到每一步施工過(guò)程及時(shí)銜接，比如開挖到支撐的位置后，及時(shí)施工內(nèi)支撐；基坑開挖到底后，及時(shí)施工墊層和底板。切勿超挖或者不按圖施工，否則，極易發(fā)生基坑坍塌風(fēng)險(xiǎn)；

⑷在軟土地區(qū)，SMW 工法樁樁底必須嵌入到足夠的深度或者進(jìn)入穩(wěn)定的土層當(dāng)中，否則，基坑就容易出現(xiàn)樁體踢腳現(xiàn)象，從而引起支護(hù)體系的破壞。