PC工法组合桩与SMW工法桩受力性能对比分析——以上海地区某基坑工程为例

张 宁

上海山南勘测设计有限公司 上海 201206

SMW工法桩以型钢挡土、水泥土搅拌桩挡水，工艺成熟，适用性强，尤其在高水位地区应用较为广泛[1]。

近几年出现的预制混凝土（PC）工法组合桩将钢管桩与钢板桩结合为一体应用于基坑支护体系中，具有经济性好、施工速度快、绿色环保等优点，在软土地区也具有较好的适用性[2-9]。

本文基于上海市某基坑围护工程，以监测数据为基础，对比分析了SMW工法桩与PC工法组合桩（本文可简称PC工法桩）2种围护形式的受力性能。

1 基坑概况

1.1 基坑规模及周边环境

本工程位于上海市普陀区，基坑开挖面积约73 000 m2，一般区域挖深5.9～6.8 m。

基坑东侧和西侧为地下管廊，管廊埋深5.4 m，距离基坑1.8～3.3 m，原围护形式为SMW工法（型钢未拔除），南侧为道路（距离基坑 4 m），北侧为在建地下通道（距离基坑10 m）及已建车行环路（距离基坑1.8 m），如图1所示。

图1 基坑工程周边环境

1.2 地质条件

场地属于滨海平原地貌。场地内原为受污染的工业用地，工程开工前已对污染区采取挖出换填法进行处理，造成基地内①1层填土较厚，一般厚度为1.8～3.0 m，局部达7.3 m，上部以建筑垃圾为主，土质松散且不均匀；第②层为微灰黄-灰色粉质黏土，大部分区域缺失或较薄。土层分布及土体物理力学指标见表1。

表1 土层物理力学性质指标

1.3 围护结构概述

东侧、南侧和西侧采用SMW工法桩＋1道混凝土围檩＋前撑式注浆钢管支撑；北侧采用PC工法组合桩＋1道混凝土围檩＋前撑式注浆钢管支撑[9]，如图2所示。

图2 基坑围护形式

图3为SMW工法桩开挖至坑底时的现场实景。从图中可见，厚填土（含污染土）中水泥土搅拌桩的成桩效果不佳，开挖后止水效果不良，且成桩均匀性较差。

图3 SMW工法桩实景（成桩及止水效果不良）

图4为PC工法组合桩现场实景。由图4可见，PC工法桩开挖后较为整洁，止水效果良好。

图4 PC工法组合桩实景（止水效果良好）

2 围护形式对比分析

2.1 监测结果分析

图5和图6分别为PC工法桩和SMW工法桩在基坑施工各阶段的测斜曲线和桩顶及坑底位移变化曲线。

图5 PC工法桩测斜曲线

图6 SMW工法桩测斜曲线

图5的CX1为PC工法桩，开挖深度5.90 m，采用长14 m的φ630 mm×14 mm钢管桩@1 100 mm＋长12 m的拉森Ⅳ号钢板桩＋长27 m的φ377 mm×10 mm钢管@3 025 mm（倾角45°）。

图6的CX12为SMW工法桩，位于南侧斜撑区域，基坑开挖深度6.80 m，采用长16 m的H700 mm×300 mm型钢@1 200 mm＋长27 m的φ377 mm×10 mm钢管@3 000 mm（倾角45°）。

从图5、图6中可见，2种桩型变形规律基本一致。基坑施工过程中从开挖到支撑拆除各个阶段的测斜曲线形态为典型的板式围护形态：顶部位移较小，随深度增加，变形逐渐增加，坑底附近变形达到最大值，然后随深度的增加，变形逐渐减小。但在拆撑阶段测斜曲线形态略有不同，对于PC工法桩，在拆撑后，仍然表现为板式围护＋支撑的形态；但SMW工法桩则表现为悬臂围护桩的形态。

对比图5（b）和图6（b）可以看出，2种围护形式围护桩的变形可以显著分为4个阶段：

1）从开挖至垫层形成，此阶段发展变形速度最快，所产生的变形占围护结构最终总变形的50%左右。

2）底板形成前阶段，在垫层形成后、底板形成过程中，变形速度逐渐衰减。

3）底板形成后阶段，变形基本稳定。

4）拆撑阶段：坑底附近变形不显著，但桩顶变形有一定程度的发展，随后变形稳定。2种围护形式也有区别，即PC工法桩在各阶段的桩顶位移都小于坑底附近位移，而SMW工法桩在底板形成及拆撑阶段的桩顶位移大于坑底位移。

图7为2种围护形式在拆撑阶段各测斜点桩顶与坑底附近最大位移的比值。从图中可以看出：PC工法桩的比值（平均值0.386）显著小于SMW工法桩的比值（平均值0.757）。

图7 桩顶-坑底变形比值汇总

从以上分析可知，PC工法桩与SMW工法桩的受力特性是相似的，但在拆撑阶段PC工法桩的顶部位移控制更好，且桩顶位移与坑底位移比值也显著大于SMW工法桩。经分析，造成此现象的原因为：PC工法桩为钢管桩及钢板桩联结而成的整体，在力学特性上优于型钢离散布置的SMW工法桩。

2.2 监测数据反分析

采用启明星软件的反分析功能，利用测斜数据反分析计算参数。图8及图9为2种围护桩型的反分析结果汇总。在图8和图9中，mi为土层初始m值；Ki为初始支撑刚度值；x为开挖时间，单位为天。

从图8中可见，PC工法组合桩监测数据反分析得到的土层m值mi与支撑刚度Ki随开挖时间的增加而逐渐减小，且减小速度可拟合为对数型关系。

图8 PC工法组合桩（CX1）反分析结果

从图9中可见，SMW工法桩监测数据反分析得到的土层m值mi及支撑刚度Ki随开挖时间的增加快速减小后基本保持不变，曲线形态表现为两段式。

图9 SMW工法桩（CX12）反分析结果

对比图8和图9可知，由PC工法组合桩反分析得到的土层m值（终值）小于SMW工法桩的反分析数值，但由PC工法组合桩反分析得到的支撑刚度K值（终值）大于SMW工法桩的反分析数值。

导致上述差异的主要原因如下：

1）PC工法组合桩的整体性较好，在基坑开挖之后，由于围护桩间的咬合作用，变形发展较慢，因而表现出反分析参数呈对数关系减小的现象；在配筋垫层形成之后，由于混凝土围檩以及支撑的作用，桩顶约束较强，因此体现出较大的支撑刚度值；同时，由于顶部约束较强，桩体的变形将逐渐向坑底附近发展，造成坑底附近变形较理论值大。

2）SMW工法桩中的型钢为离散型分布，在基坑开挖之后，变形发展较快，在配筋垫层形成过程中变形已经充分发展，故反分析结果呈现两段式的形态；由于土层的原因，注浆钢管斜撑（桩底位于⑤1-2层灰色黏土）刚度有限，因此顶部位移发展也较充分。基于以上2个原因，桩顶、坑底附近位移发展均较充分，故反演参数与理论值相差不大。

由以上分析可知，PC工法组合桩的整体性较好，位移控制表现较好，同时也表现出较为显著的时间效应，在施工过程中可以增强支撑刚度或缩短换撑形成的时间，以达到控制变形的效果[10-14]。

2.3 PC工法桩与SMW工法桩刚度比较

为比较2种围护桩的刚度表现，采用反分析得到的数值（土层m值及支撑刚度）计算相同开挖深度条件下（5.9 m），2种围护形式的变形表现（开挖至坑底的工况），如图10所示；采用围护桩变形曲线与深度所围成的变形面积的比值作为衡量力学特性的指标，如图11所示。

图10 PC工法桩与SMW工法桩变形曲线对比

图11 PC工法桩与SMW工法桩变形面积比随深度变化曲线

从图10可以看出，PC工法桩与SMW工法桩的变形曲线较为接近，但PC工法桩的桩顶位移较小，SMW工法桩的坑底位移稍小。

从图11可以看出，以变形曲线面积比来衡量，PC工法桩变形曲线所围成的面积小于SMW工法桩的面积。但随着深度的增加，面积比值逐渐增大，在坑底附近时比值为0.92，在坑底下1 m处比值为0.94。故可认为PC工法桩刚度（φ630 mm×14 mm钢管桩＋拉森Ⅳ号小企口钢板桩）与SMW工法桩（φ850 mm@ 600 mm三轴水泥土搅拌桩内插H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型钢@1 200 mm）刚度相当。

在理论计算中，SMW工法桩刚度（338.2 MPa）比PC工法组合桩（249.5 MPa）大26%左右，经过实测数据反分析，PC工法组合桩与SMW工法桩的刚度表现相当，故可认为PC工法组合桩的整体刚度较理论值大20%左右。主要有2个方面的原因：

1）PC工法组合桩为整体联结型的围护桩，受力时表现出较大的整体刚度。

2）在施工钢管桩期间，振动成桩对桩内土体有一定的压密作用，形成土塞，增大了钢管桩的刚度。

2.4 经济性分析

以本工程为例，对于开挖深度为5.8 m的剖面，2种围护形式工程量如下：

1）PC工法桩（每1.1 m，1根长14 m的φ630 mm×14 mm钢管＋1根拉森Ⅳ号钢板桩）造价约为8 460元/延米。

2）SMW工法桩（每1.2 m，1幅长15 m的φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩＋1根长15 m的H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型钢）造价约为9 933元/延米。

经计算，PC工法桩约较SMW工法桩造价节省约20%。另考虑PC工法组合桩施工速度较快，且围护桩无需养护时间，回收后不遗留地下障碍物，因此，社会及经济效益将更加显著。

3 结语

通过上海市某基坑支护工程的实践表明，PC工法桩的适用性较好，与传统支护形式SMW工法桩相比，具有一定的优势：

1）在厚填土及污染土中适用性好，相较于传统水泥土搅拌桩，止水效果更好。

2）PC工法组合桩为相互联结的挡土墙，在力学行为中表现出较好的整体性。同时，由于钢管中土塞的作用，其表现刚度（φ630 mm×14 mm钢管桩＋拉森Ⅳ号小企口钢板桩）与SMW工法桩（φ850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩内插H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型钢@1 200 mm）相当。

3）在同等条件下，PC工法组合桩造价较SMW工法桩可节省20%左右。若考虑施工、养护工期等，则经济性优势更加突出。

4）PC工法组合桩为全预制结构，施工速度快，且节省搅拌桩养护时间，在回收后不遗留地下障碍物，社会与经济效益显著。