PC工法組合樁與SMW工法樁受力性能對(duì)比分析
——以上海地區(qū)某基坑工程為例

張 寧

上海山南勘測設(shè)計(jì)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(qiáng)，尤其在高水位地區(qū)應(yīng)用較為廣泛[1]。

近幾年出現(xiàn)的預(yù)制混凝土（PC）工法組合樁將鋼管樁與鋼板樁結(jié)合為一體應(yīng)用于基坑支護(hù)體系中，具有經(jīng)濟(jì)性好、施工速度快、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在軟土地區(qū)也具有較好的適用性[2-9]。

本文基于上海市某基坑圍護(hù)工程，以監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)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(hù)形式的受力性能。

1 基坑概況

1.1 基坑規(guī)模及周邊環(huán)境

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

基坑?xùn)|側(cè)和西側(cè)為地下管廊，管廊埋深5.4 m，距離基坑1.8～3.3 m，原圍護(hù)形式為SMW工法（型鋼未拔除），南側(cè)為道路（距離基坑 4 m），北側(cè)為在建地下通道（距離基坑10 m）及已建車行環(huán)路（距離基坑1.8 m），如圖1所示。

圖1 基坑工程周邊環(huán)境

1.2 地質(zhì)條件

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

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)概述

東側(cè)、南側(cè)和西側(cè)采用SMW工法樁＋1道混凝土圍檁＋前撐式注漿鋼管支撐；北側(cè)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(hù)形式

圖3為SMW工法樁開挖至坑底時(shí)的現(xiàn)場實(shí)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(shí)景（成樁及止水效果不良）

圖4為PC工法組合樁現(xiàn)場實(shí)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(shí)景（止水效果良好）

2 圍護(hù)形式對(duì)比分析

2.1 監(jiān)測結(jié)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(hào)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(cè)斜撐區(qū)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(guī)律基本一致?；邮┕み^程中從開挖到支撐拆除各個(gè)階段的測斜曲線形態(tài)為典型的板式圍護(hù)形態(tài)：頂部位移較小，隨深度增加，變形逐漸增加，坑底附近變形達(dá)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(tài)略有不同，對(duì)于PC工法樁，在拆撐后，仍然表現(xiàn)為板式圍護(hù)＋支撐的形態(tài)；但SMW工法樁則表現(xiàn)為懸臂圍護(hù)樁的形態(tài)。

對(duì)比圖5（b）和圖6（b）可以看出，2種圍護(hù)形式圍護(hù)樁的變形可以顯著分為4個(gè)階段：

1）從開挖至墊層形成，此階段發(fā)展變形速度最快，所產(chǎn)生的變形占圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(wěn)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(fā)展，隨后變形穩(wěn)定。2種圍護(hù)形式也有區(qū)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(hù)形式在拆撐階段各測斜點(diǎn)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(jīng)分析，造成此現(xiàn)象的原因?yàn)椋篜C工法樁為鋼管樁及鋼板樁聯(lián)結(jié)而成的整體，在力學(xué)特性上優(yōu)于型鋼離散布置的SMW工法樁。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)反分析

采用啟明星軟件的反分析功能，利用測斜數(shù)據(jù)反分析計(jì)算參數(shù)。圖8及圖9為2種圍護(hù)樁型的反分析結(jié)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(shí)間，單位為天。

從圖8中可見，PC工法組合樁監(jiān)測數(shù)據(jù)反分析得到的土層m值mi與支撐剛度Ki隨開挖時(shí)間的增加而逐漸減小，且減小速度可擬合為對(duì)數(shù)型關(guān)系。

圖8 PC工法組合樁（CX1）反分析結(jié)果

從圖9中可見，SMW工法樁監(jiān)測數(shù)據(jù)反分析得到的土層m值mi及支撐剛度Ki隨開挖時(shí)間的增加快速減小后基本保持不變，曲線形態(tài)表現(xiàn)為兩段式。

圖9 SMW工法樁（CX12）反分析結(jié)果

對(duì)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(shù)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(shù)值。

導(dǎo)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(hù)樁間的咬合作用，變形發(fā)展較慢，因而表現(xiàn)出反分析參數(shù)呈對(duì)數(shù)關(guān)系減小的現(xiàn)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(qiáng)，因此體現(xiàn)出較大的支撐剛度值；同時(shí)，由于頂部約束較強(qiáng)，樁體的變形將逐漸向坑底附近發(fā)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(fā)展較快，在配筋墊層形成過程中變形已經(jīng)充分發(fā)展，故反分析結(jié)果呈現(xiàn)兩段式的形態(tài)；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(fā)展也較充分?；谝陨?個(gè)原因，樁頂、坑底附近位移發(fā)展均較充分，故反演參數(shù)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(xiàn)較好，同時(shí)也表現(xiàn)出較為顯著的時(shí)間效應(yīng)，在施工過程中可以增強(qiáng)支撐剛度或縮短換撐形成的時(shí)間，以達(dá)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(hù)樁的剛度表現(xiàn)，采用反分析得到的數(shù)值（土層m值及支撐剛度）計(jì)算相同開挖深度條件下（5.9 m），2種圍護(hù)形式的變形表現(xiàn)（開挖至坑底的工況），如圖10所示；采用圍護(hù)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(xué)特性的指標(biāo)，如圖11所示。

圖10 PC工法樁與SMW工法樁變形曲線對(duì)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(shí)比值為0.92，在坑底下1 m處比值為0.94。故可認(rèn)為PC工法樁剛度（φ630 mm×14 mm鋼管樁＋拉森Ⅳ號(hào)小企口鋼板樁）與SMW工法樁（φ850 mm@ 600 mm三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼@1 200 mm）剛度相當(dāng)。

在理論計(jì)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(jīng)過實(shí)測數(shù)據(jù)反分析，PC工法組合樁與SMW工法樁的剛度表現(xiàn)相當(dāng)，故可認(rèn)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(gè)方面的原因：

1）PC工法組合樁為整體聯(lián)結(jié)型的圍護(hù)樁，受力時(shí)表現(xiàn)出較大的整體剛度。

2）在施工鋼管樁期間，振動(dòng)成樁對(duì)樁內(nèi)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(jīng)濟(jì)性分析

以本工程為例，對(duì)于開挖深度為5.8 m的剖面，2種圍護(hù)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(hào)鋼板樁）造價(jià)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(jià)約為9 933元/延米。

經(jīng)計(jì)算，PC工法樁約較SMW工法樁造價(jià)節(jié)省約20%。另考慮PC工法組合樁施工速度較快，且圍護(hù)樁無需養(yǎng)護(hù)時(shí)間，回收后不遺留地下障礙物，因此，社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益將更加顯著。

3 結(jié)語

通過上海市某基坑支護(hù)工程的實(shí)踐表明，PC工法樁的適用性較好，與傳統(tǒng)支護(hù)形式SMW工法樁相比，具有一定的優(yōu)勢：

1）在厚填土及污染土中適用性好，相較于傳統(tǒng)水泥土攪拌樁，止水效果更好。

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

3）在同等條件下，PC工法組合樁造價(jià)較SMW工法樁可節(jié)省20%左右。若考慮施工、養(yǎng)護(hù)工期等，則經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢更加突出。

4）PC工法組合樁為全預(yù)制結(jié)構(gòu)，施工速度快，且節(jié)省攪拌樁養(yǎng)護(hù)時(shí)間，在回收后不遺留地下障礙物，社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益顯著。