SMW工法桩在高水位淤泥地层中的应用

王 禹

(中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361021)

1 工程概况

以东侨经济技术开发区保障性住房“幸福佳园”三期地下室基坑围护工程为例，介绍SMW工法桩+扩大头预应力锚索相结合的联合围护体系在施工中的应用。在围护体系中，扩大头预应力锚索能提供较大的锚固力，结合SMW工法自身围护与止水的优势，在实际施工中起到了良好效果。

1.1 周围环境

“幸福佳园”三期地下室基坑工程位于宁德市蕉城区漳湾镇，福建东侨经济开发区内，场地高程2.600～3.300m，地下室底板高程-1.550m，基坑安全等级为一级，基坑开挖面积约17 932m2，东、西侧目前多为空地，南侧为现有道路，距离约为13.0m，基坑围护长度约573.0m，最大围护高度约6.75m。

1.2 工程地质条件

勘察资料表明，经过对现场原位测试和室内土工试验成果进行综合分析，在场地施工影响深度范围内地基土可划分为8层，本文中仅考虑对基坑工程有影响土层，自上而下为：①杂填土 松散，稍湿，主要成分以黏性土为主，含碎石、块石、碎砖块、混凝土块及生活垃圾等杂质，欠压实，均匀性较差，厚度1.4～4.2m；②淤泥 饱和，流塑，成分以粉黏粒为主，夹杂腐殖质，有腥臭味，干强度中等，韧性中等，摇振反应慢，无光泽反应，厚度3.1～9.2m；③泥质砾砂 饱和，稍密～中密，以石英和长石组成，颗粒为次棱角状，分选性一般，级配较差，多含泥质，局部相变为圆砾或含卵石粉质黏土，厚度1.5～7.5m；④残积砂质黏性土 湿，以硬塑状态为主，局部呈可塑，成分以高岭土及少量石英质中粗砂为主,黏性低，韧性低，干强度中等，有光泽，母岩多为花岗岩，厚度2.2～10.1m，开挖范围内稳定水位埋深变化约为1.77m。土层物理力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

1.3 基坑特点

虽然该基坑开挖深度不大，但开挖面积大、地质条件差，地下水位高，并且存在淤泥等不利影响，开挖深度范围内主要为杂填土与淤泥质土；受周边现有构筑物影响，施工过程中地表变形沉降难以控制；除此之外，施工范围较大，施工进度不好把控。

1.4 基坑围护方案

该基坑围护结构必须在保证施工安全的同时严格控制周边地形沉降，要求围护结构本身侧向位移较小，由于地下水位较高，需要采取基坑降水等措施，避免因侧壁渗水而引发安全事故。

针对工程特点，采用自然放坡+SMW工法桩+扩大头预应力锚索相结合的联合围护体系。基坑顶部2m范围内自然放坡喷锚，挂钢筋网并喷射C20混凝土，厚度80mm。顶部设置冠梁，冠梁采用C30钢筋混凝土，截面高600mm，宽1 200mm。基坑侧壁全部采用SMW工法桩围护，SMW工法桩采用直径850mm的搅拌桩，间距600mm，有效长度15.0m，H型钢采用跳一插一的方式，每根中心位置间隔1.2m，截面尺寸为700mm×300mm×13mm×24mm，长度为15.0m，上方留出0.5m以方便拔出型钢。冠梁处设置锚索，预应力锚索拉杆采用4φs15.2钢绞线，每根钢绞线由7φ5钢丝组成，扩孔直径450mm，倾角30°，总长度22～26m，锚固段9m，间距1.8m，拉力设计值150kN。

具体施工顺序：放坡开挖至冠梁顶标高→SMW工法桩施工→预应力锚索、冠梁施工→边坡喷锚→基坑降水施工→基坑土方开挖→其他工程。

基坑监测结合施工工艺、围护结构形式、地质条件及周边环境等因素，考虑基坑施工引起的应力场、位移场分布情况进行详细布置。

1.5 基坑监测

本工程基坑规模较大，监测方向主要为针对基坑施工范围内应力场、位移场变化进行布置，共设置水平位移观测点45个，沉降观测点35个。由于监测点较多，仅选取变化趋势较大的监测点进行分析。

2 有限元分析

2.1 模型尺寸及计算参数选取

结合相关数据与实际情况，针对本工程采用Midas/GTS进行有限元模拟分析，考虑到具体的施工范围与可能影响的具体规模，结合基坑开挖深度、周边建(构)筑物的布置等具体数值，计算区域(模型规模)设置为500m×500m×50m。有限元软件数值计算模型如图1所示。

图1 数值计算模型

考虑到SMW工法桩作为一种复合桩型，计算前对SMW进行建模时按照等面积法将圆弧形的外侧等效为一个平面，其厚度计算公式如下：

(1)

式中：D为桩径；t为桩净距；h为折算厚度。

计算结果为0.772 7m，取整厚度0.8m。

相关模量参数由于地勘资料有限，对相关经验参数进行了保守考虑。模型中土体采用Modified Mohr-Coulomb本构，现有道路采用三维弹性本构，锚索为植入式桁架单元，H型钢为植入式梁单元，SMW工法桩等效为地下连续墙采用2D板单元，冠梁为1D梁单元，地下水考虑到施工前进行管井降水，按照2m考虑，临近荷载按20kPa考虑。计算参数结合地勘报告与相关经验进行部分调整，如表2～4所示。

表2 土体材料参数

2.2 计算过程

1)模拟实际现场建立模型，将模型的细部内容进行网格划分、建立初始计算模型，将模型范围内应力清零，排除其他因素干扰达到初始地应力平衡状态。

2)根据施工步骤分层分类模拟实际施工阶段，激活钝化相关网格。

3)开挖到坑底后，计算围护结构与相关范围内的应力及位移，分析变形、沉降等数据。

表3 各结构材料参数

表4 基坑围护结构及建筑物基础属性

3 计算结果

3.1 桩身水平位移变化

基坑工程施工结束时，监测点X1处SMW工法桩桩身水平位移沿深度变化曲线如图2所示，从图中可以明显看出，有限元数值模拟计算结果与基坑监测结果变化趋势基本一致，水平位移随桩长变化较为规律，与抛物线相似，桩身水平位移最大值在距离桩顶处。桩顶水平位移值11.15mm，表明SMW工法桩具有较高强度，SMW工法桩桩身抗剪满足本工程要求；理论计算最大位移为17.3mm，计算结果较实际监测数值偏大，分析其原因在于对桩身建模时进行等面积处理，基坑围护结构中型钢对复合结构的刚度贡献考虑过于保守导致，但从实际施工考虑，有限元计算桩身变形结果与实际结果趋势相同，为实际施工安全性留有较大富裕，更为保守的结果也能为具体施工提供安全保障。

图2 围护结构水平位移曲线

3.2 地表沉降变化

实际施工过程中基坑监测点J1～J8的地表沉降监测数据如表5所示，范围内实际沉降最大值为5.99mm，有限元模拟计算结果最大值为12.37mm。由于有限元计算考虑土体时对其相关模量参数均以最不利考虑，且并不能反映压缩参数随埋置深度变化而产生的影响，所以计算结果较大，但相对误差仍能满足施工需要。在以往工程中，地基沉降均参照相关经验公式进行计算考虑，这对于地域性较强的基坑工程而言并不准确，有限元模拟计算沉降相较于其他方式而言更为严谨，能够为基坑工程的理论计算提供更多选择。

表5 J1～J8观测点地表沉降统计 mm

结合部分监测结果与有限元对应位置计算结果分析，实际基坑侧壁最大水平位移11.15mm，计算结果17.3mm；监测结果显示，该点最大沉降量5.99mm，计算结果为12.37mm。考虑到有限元软件计算时参数人为的影响，从施工安全考虑参数的选取更为保守，计算误差基本可以接受。通过模拟计算，结合实际监测进行对比分析，说明SMW工法+扩孔锚索这种围护系统能够应用于实际施工中，有限元模拟在基坑工程的理论计算也具有较强的适用性。

4 结语

综上所述，SMW工法+扩孔锚索作为一种围护结构，在地层水位较高、存在淤泥软土的情况下具有一定的适用性，采用有限元模拟施工过程从而分析施工过程中围护结构的相关变化也有着较好的适用性，并且在相似地质情况下采用SMW工法+扩孔锚索时，运用有限元软件进行分析能够为实际设计与施工提供帮助。针对本工程，结合实际情况与理论计算的分析研究，也能够为类似工程提供借鉴。结合上述分析说明，得出结论如下。

1)SMW工法桩在高水位淤泥地层会有较大的使用和发展空间。

2)通过有限元模拟分析与基坑监测数据对比，MIDAS/GTS能够根据有限元模拟计算分析基坑变形、沉降的趋势，并具有一定准确性，但受限于土体复杂特性，计算结果存在部分误差，相信随着科学技术水平的提高会有更好的发展。