装配式预应力体系和SMW工法桩联合支护安全性研究

颜培松 赵丁毅

（1.临沂市建设安全工程质量服务中心，山东 临沂 276000；2.中国建筑第八工程局有限公司，山东 临沂 276000）

传统基坑工程支撑结构具有施工周期长、跨度低、占有空间较大等特征，同时还会产生一定的固体建筑垃圾。而装配式预应力体系与SMW工法桩组成的联合支护结构可有效弥补传统结构的缺点，其属于环保型的深基坑支护技术，不会产生固体建筑垃圾，同时，施工运用的便捷性也比较强，因而值得推广，目前该技术在东南沿海城市的工程项目施工中常被使用。

1 装配式预应力体系与SMW工法桩

1.1 装配式预应力体系

装配式预应力体系是以预应力的相关原理作为基础，通过多种建筑施工工程的实践经验累积与研究，开发出的一种常用支撑结构体系，一般会用作深基坑施工的支护结构，装配式预应力体系一般是由对撑、角撑、鱼腹梁、联系杆、加载预应力构件以及高强节点所组成，具有施工速度较快、结构拆卸便捷的优点，通过标准化螺栓构件连接，因此也具有较为牢固的特点，其破坏形式一般为延迟性破坏，使得施工作业的安全性大幅度提升，同时，现场施工噪声较小，现场环境不会遭受较大破坏，对于大部分的建筑主体结构和土方施工来说，都能够良好协调并统一推进，提升作业效率，具有颇高的应用价值。

1.2 SMW工法桩

SMW工法桩在目前的建筑施工作业中也常被运用，其也被称为新型水泥土搅拌桩墙结构，简单来说，是在原本的水泥土桩内部加设了钢结构，一般情况下为H型钢结构，也有一些运用形式是加入钢管结构或是拉森式钢板桩结构。SMW工法桩的实际原理就是将挡水性能与承载性能结合起来，成为一种支护作用的围护墙结构，既能够承受一定荷载力，也能用作抗渗结构，因而得到广泛运用。SMW工法桩在现场施工过程中，常常会运用多轴型钻掘搅拌机设备，其插入钢结构是在水泥土混合体未完全硬结之前，保证墙体结构具有完整性，刚度和强度达到标准，且不存在接缝。SMW工法桩的优点是不会对周围土体产生过大扰动，也不会导致周围的建筑物、临近地面产生过大的沉降或是裂损，且对于一些含有砂土、黏性土以及粉土的岩层较为适用，工期也比较短，还能降低施工污染问题。

将SMW工法桩与装配式预应力体系结合运用，构成联合支护结构，不仅包含了两项工艺技术的优点，还能够应对复杂的工程地质条件，切实发挥出良好的支护功能，这种结合工艺技术对于大部分工程的进度、质量、安全以及效益要求都能满足。

2 装配式预应力体系和SMW工法桩联合支护的结构特征分析

SMW工法桩和装配式预应力体系组成联合支护的结构，其中装配式预应力体系的支撑部分主要是采用预应力支撑加上混凝土冠梁所构成，而SMW工法桩则是采用了H型钢和三轴水泥土搅拌桩组成，其中后者的规格为Φ850mm@600mm。施工建设该联合支护结构时，先安设三轴水泥土搅拌桩，然后将H型钢插入到支护位置，再安装混凝土冠梁，最后是预应力支撑体系的施工，将对角撑和鱼腹梁的预应力施加到基坑位置并进行开挖，然后将支撑体系与型钢结构回收即可。

不管是SMW工法桩还是装配式预应力的支撑体系，所用的型钢都属于可回收结构，因此实际施工中几乎不会产生固态的建筑垃圾，具有环保特点，且型钢回收后还可继续利用，因此还具有节能性。与此同时，SMW工法桩中的三轴水泥土搅拌桩施工的工艺技术还具有快速、高效、成果佳的特点，装配式预应力支撑结构还方便进行组装和拆卸，其都是利用螺栓来连接多种标准构件，出现问题可拆开并重新加以改进，尽可能发挥出更佳的支撑效果，同时也会大幅度缩短实际施工工期[1]。

3 装配式预应力体系和SMW工法桩联合支护的结构变形控制机理分析

在工程基坑附近先进行装配式预应力支撑结构的安装，同时对其施加一定的预应力，使围护桩朝着基坑外的方向产生一定变形，这样可以将基坑周围土体的被动土压力激发出来。随着基坑的土体不断被开挖施工，其围护桩也会开始向基坑内部产生一些变形，而外部的被动土体压力值则会开始慢慢降低，将一部分的主动土压力抵消掉，一直到基坑开挖至设计标准坑底后，基坑会产生一定位移，而围护桩产生的位移则为围护桩本身向基坑外的变形位移值与基坑位移值之间的差值，由于SMW工法桩与装配式预应力体系的联合支护结构，会在围护桩开挖之前施加预应力，使其向基坑外方向产生一定位移，主要目的就是为了控制基坑开挖后的位移，避免位移值过大，图1表示的是预应力支撑体系变形控制机理。

图1 预应力支撑体系变形控制机理

除此之外，装配式预应力支撑结构还会产生刚度控制，在传统采用钢支撑或是混凝土结构的工程当中，对基坑变形控制会运用大刚度控制，但是在装配式预应力支撑结构中，基坑变形控制主要是施加一定的预应力，使其变形逐渐减小，则力不变，刚度值就会上升，也可以说结构的变形值越小，作用力不变时刚度值就会越大，图2表示的是预应力支撑体系刚度控制机理。

图2 预应力支撑体系刚度控制机理

4 装配式预应力体系和SMW工法桩联合支护实际应用

4.1 工程项目概况

本工程拟建场地位置在长江三角洲的入海东南位置前沿，工程场地周围的地貌为湖沼平原类别，施工中要求开挖的基坑深度约为6.0m～8.8m，实际地基基坑的大部分截面属于二级，剩下部分的截面则属于三级，场地基坑开挖位置的地下水埋深约为0.5m，基坑开挖形状颇为复杂且周围环境具有特殊性。在工程项目施工场地的北面临近着规划四路，实际施工勘察时期道路还没有修建，因此为空地；西面则临近着幼儿园，本项目工程为高层建筑物，和幼儿园主体建筑之间的最近实测距离约为15.5m，项目还预计建设地下车库，该部分和附属一层之间的距离约为7.3m；工程东面临近着水泥路，后续会建设为规划五路，设计建设的地下车库边线和该道路边线之间的间距约为7m；工程南面为规划的北淀浦河路，但勘察时尚未建设，为空地。工程项目场地的土层结构共分为五层：一层为填土；二层为粉质黏土，颜色呈青灰色和灰黄色；三层为淤泥质粉质黏土，颜色为灰色；四层为粉质粉土，颜色为暗草黄色；五层为草黄色粉质黏土[2]。

4.2 基坑的实际支护形式

本工程基坑施工采用了装配式预应力体系和SMW工法桩联合支护型式，其中围护结构主要使用的是SMW工法桩，规格为Φ850mm，布置呈单排，其中相邻桩之间互相搭接长度约为250mm，整体搭接为挡墙形态，使用的型钢型号为H700×300×12×14，整个平面内部支撑一型钢，其支撑体系即为装配式预应力体系，在支撑过程中顶深的墙距约为0.7m，然后开展地下室底板的浇筑施工，待到浇筑并养护完成达到一定强度后会换支撑形式，换成顶深墙距约为5.4m的形式。在运用SMW工法桩做支护时，需要先采用基坑设计分析软件对围护结构任意位置的每米土压力值进行计算，再根据计算结果确定预应力鱼腹梁围檩形式，同时确定其最大跨度值，然后结合基坑的具体形状布置预应力鱼腹梁，再根据所布置的鱼腹梁规格反向计算预应力的大小及钢绞线具体数量，最后，结合鱼腹梁跨度值进行立柱设计和对角撑设计。

5 装配式预应力体系有限元分析

5.1 有限元模型

开展装配式预应力体系有限元分析时，需要先结合工程实际绘图的比例尺寸进行建模，一般比例为1∶1，然后将模型导入到分析软件中。在预应力体系中，其斜腹结构和对角撑都是采用杆单元，而腹杆、围檩以及混凝土冠梁结构部分采用梁单元，钢绞线则是属于预应力的杆件单元，三角桁架部分的刚度是比较大的，因此采用平面板单元，对其有限元模型进行计算，同时也要确定荷载所施加的模型布置结构。

具体的支撑部分周围都是土层结构，因此支撑变形的主要影响因素是土体性质，也就是说土体会对支撑结构产生约束作用，其特点为：支撑变形方向为土体方向时，土体会被扰动而产生被动土压力，对支撑结构产生约束，支撑就会在该作用下向土体方向上移动；支撑变形方向为坑内方向时，土体不会对支撑结构产生拉力，只会产生一定的边界约束压力，为此，可以在围檩结构外部分加装土体压力的弹簧装置，而其混凝土以及钢结构的围檩部分都会被施加上分布均匀的荷载力。

依据装配式预应力体系的支撑结构安装特点可知，需要在分析时模拟三种工况，主要是对工况数值加以模拟，第一种是将除了钢绞线以外的其他支撑结构全部激活构成网格组，同时设置边界土压力的弹簧，对撑和角撑位置施加预应力；第二种是将预应力钢绞线单元网格进行激活；第三种是直接向侧面施加土压力。经过分析得知这三种工况中，第三种是处于最不利的情况，因此在有限元计算时，也主要针对第三种工况[3]。图3为预应力支撑体系的有限元模型。

图3 预应力支撑体系有限元模型

5.2 有限元计算结果

如图3所示，分析装配式预应力体系的弯矩与轴力可发现，其角撑结构以及围檩结构都会受到压缩轴力的作用。而整个支撑体系中的最大应力是在对角撑作用位置的周围围檩上，这种应力的形成是综合了对角撑偏向压力、正压力以及钢绞线的张拉力。结合体系的位移情况分析，发现鱼腹梁的钢支撑可以对基坑水平变形加以控制，主要是通过施加预应力实现，其基坑水平的最大位移值为13.1mm，该位移处于西南鱼腹梁结构的三角位置。总体支护结构的位移特点是，位移最小的位置为鱼腹梁中间围檩处，位移最大的位置为混凝土冠梁边缘的围檩部分，位移中等的位置为角撑接头和鱼腹梁端部相连部分。经过本次对装配式预应力体系支撑结构分析可得出，其支撑结构的刚度值比较大，即使是在土压力的作用下，也不会产生较明显的变形情况，因此具有较强的结构可靠性、安全性。

6 现场监测结果分析

通过工程现场监测发现，其道路水平方向上的最大位移值为4mm，由于该值过小，因此不用绘制位移监测曲线。另选择一些产生变形的典型建筑、道路以及围护墙结构进行监测并绘制曲线，也可针对典型的深层土体进行位移监测，结合监测绘制的曲线和上述分析，进一步分析SMW工法桩和装配式预应力体系的联合支护结构对基坑安全的保障效果以及其变形控制的水平。通过现场监测获得道路的最大沉降量为21.6mm、领房建筑的最大沉降量为9.7mm，围墙结构的最大沉降量为21.9mm，而道路的沉降报警值为30mm，领房建筑的沉降报警值为10mm，围墙结构的沉降报警值为30mm，均未达到报警标准，因此，可判定联合支护结构具有较好的安全性，具有较强的抗变形能力。监测发现，基坑顶部的水平位移值约为6mm，而深层土体的变形最大值为37.97mm，超过了30mm的报警值，且最大变形的位置一般是在坑底附近，这种变形情况会根据土体深度增加，呈现出先增后减的态势。对于整体结构中的混凝土支撑和钢管撑部分，其深层土体最大变形量产生的位置是在坑顶附近，且随着土体深度的增加，变形量会逐渐降低。由此可见，装配式预应力体系能够对基坑变形情况加以控制，主要是通过调节施加的预应力来控制，避免其沉降位移与水平位移过大[4]。

7 结语

综上所述，文中分析的SMW工法桩+装配式预应力体系支护技术是一种新型环保、高效、便捷的施工工艺，能够在基坑开挖过程中发挥出良好的支撑效果，本次研究是以实际工程项目为对象，深入分析了装配式预应力体系与SMW工法桩结合运用后构建的支护结构特点，结构采用螺栓连接固定，在成桩方面主要是采用三轴搅拌桩，施工速度较快、周期短，还能够发挥出良好的支撑作用，通过分析其变形控制及刚度控制机理，得知其在变形控制方面的水平较高。开展现场监测工作发现体系的稳定性和安全性较好，相应构件能够很好地降低基坑变形，不仅可以保障基坑的顺利开挖，也能够对周围环境加以保护，具有较高应用价值。