顏培松 趙丁毅

（1.臨沂市建設(shè)安全工程質(zhì)量服務(wù)中心，山東 臨沂 276000；2.中國建筑第八工程局有限公司，山東 臨沂 276000）

傳統(tǒng)基坑工程支撐結(jié)構(gòu)具有施工周期長、跨度低、占有空間較大等特征，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一定的固體建筑垃圾。而裝配式預(yù)應(yīng)力體系與SMW工法樁組成的聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，其屬于環(huán)保型的深基坑支護(hù)技術(shù)，不會(huì)產(chǎn)生固體建筑垃圾，同時(shí)，施工運(yùn)用的便捷性也比較強(qiáng)，因而值得推廣，目前該技術(shù)在東南沿海城市的工程項(xiàng)目施工中常被使用。

1 裝配式預(yù)應(yīng)力體系與SMW工法樁

1.1 裝配式預(yù)應(yīng)力體系

裝配式預(yù)應(yīng)力體系是以預(yù)應(yīng)力的相關(guān)原理作為基礎(chǔ)，通過多種建筑施工工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)累積與研究，開發(fā)出的一種常用支撐結(jié)構(gòu)體系，一般會(huì)用作深基坑施工的支護(hù)結(jié)構(gòu)，裝配式預(yù)應(yīng)力體系一般是由對(duì)撐、角撐、魚腹梁、聯(lián)系桿、加載預(yù)應(yīng)力構(gòu)件以及高強(qiáng)節(jié)點(diǎn)所組成，具有施工速度較快、結(jié)構(gòu)拆卸便捷的優(yōu)點(diǎn)，通過標(biāo)準(zhǔn)化螺栓構(gòu)件連接，因此也具有較為牢固的特點(diǎn)，其破壞形式一般為延遲性破壞，使得施工作業(yè)的安全性大幅度提升，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工噪聲較小，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不會(huì)遭受較大破壞，對(duì)于大部分的建筑主體結(jié)構(gòu)和土方施工來說，都能夠良好協(xié)調(diào)并統(tǒng)一推進(jìn)，提升作業(yè)效率，具有頗高的應(yīng)用價(jià)值。

1.2 SMW工法樁

SMW工法樁在目前的建筑施工作業(yè)中也常被運(yùn)用，其也被稱為新型水泥土攪拌樁墻結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單來說，是在原本的水泥土樁內(nèi)部加設(shè)了鋼結(jié)構(gòu)，一般情況下為H型鋼結(jié)構(gòu)，也有一些運(yùn)用形式是加入鋼管結(jié)構(gòu)或是拉森式鋼板樁結(jié)構(gòu)。SMW工法樁的實(shí)際原理就是將擋水性能與承載性能結(jié)合起來，成為一種支護(hù)作用的圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)，既能夠承受一定荷載力，也能用作抗?jié)B結(jié)構(gòu)，因而得到廣泛運(yùn)用。SMW工法樁在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，常常會(huì)運(yùn)用多軸型鉆掘攪拌機(jī)設(shè)備，其插入鋼結(jié)構(gòu)是在水泥土混合體未完全硬結(jié)之前，保證墻體結(jié)構(gòu)具有完整性，剛度和強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，且不存在接縫。SMW工法樁的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生過大擾動(dòng)，也不會(huì)導(dǎo)致周圍的建筑物、臨近地面產(chǎn)生過大的沉降或是裂損，且對(duì)于一些含有砂土、黏性土以及粉土的巖層較為適用，工期也比較短，還能降低施工污染問題。

將SMW工法樁與裝配式預(yù)應(yīng)力體系結(jié)合運(yùn)用，構(gòu)成聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，不僅包含了兩項(xiàng)工藝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，還能夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，切實(shí)發(fā)揮出良好的支護(hù)功能，這種結(jié)合工藝技術(shù)對(duì)于大部分工程的進(jìn)度、質(zhì)量、安全以及效益要求都能滿足。

2 裝配式預(yù)應(yīng)力體系和SMW工法樁聯(lián)合支護(hù)的結(jié)構(gòu)特征分析

SMW工法樁和裝配式預(yù)應(yīng)力體系組成聯(lián)合支護(hù)的結(jié)構(gòu)，其中裝配式預(yù)應(yīng)力體系的支撐部分主要是采用預(yù)應(yīng)力支撐加上混凝土冠梁所構(gòu)成，而SMW工法樁則是采用了H型鋼和三軸水泥土攪拌樁組成，其中后者的規(guī)格為Φ850mm@600mm。施工建設(shè)該聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，先安設(shè)三軸水泥土攪拌樁，然后將H型鋼插入到支護(hù)位置，再安裝混凝土冠梁，最后是預(yù)應(yīng)力支撐體系的施工，將對(duì)角撐和魚腹梁的預(yù)應(yīng)力施加到基坑位置并進(jìn)行開挖，然后將支撐體系與型鋼結(jié)構(gòu)回收即可。

不管是SMW工法樁還是裝配式預(yù)應(yīng)力的支撐體系，所用的型鋼都屬于可回收結(jié)構(gòu)，因此實(shí)際施工中幾乎不會(huì)產(chǎn)生固態(tài)的建筑垃圾，具有環(huán)保特點(diǎn)，且型鋼回收后還可繼續(xù)利用，因此還具有節(jié)能性。與此同時(shí)，SMW工法樁中的三軸水泥土攪拌樁施工的工藝技術(shù)還具有快速、高效、成果佳的特點(diǎn)，裝配式預(yù)應(yīng)力支撐結(jié)構(gòu)還方便進(jìn)行組裝和拆卸，其都是利用螺栓來連接多種標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，出現(xiàn)問題可拆開并重新加以改進(jìn)，盡可能發(fā)揮出更佳的支撐效果，同時(shí)也會(huì)大幅度縮短實(shí)際施工工期[1]。

3 裝配式預(yù)應(yīng)力體系和SMW工法樁聯(lián)合支護(hù)的結(jié)構(gòu)變形控制機(jī)理分析

在工程基坑附近先進(jìn)行裝配式預(yù)應(yīng)力支撐結(jié)構(gòu)的安裝，同時(shí)對(duì)其施加一定的預(yù)應(yīng)力，使圍護(hù)樁朝著基坑外的方向產(chǎn)生一定變形，這樣可以將基坑周圍土體的被動(dòng)土壓力激發(fā)出來。隨著基坑的土體不斷被開挖施工，其圍護(hù)樁也會(huì)開始向基坑內(nèi)部產(chǎn)生一些變形，而外部的被動(dòng)土體壓力值則會(huì)開始慢慢降低，將一部分的主動(dòng)土壓力抵消掉，一直到基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)坑底后，基坑會(huì)產(chǎn)生一定位移，而圍護(hù)樁產(chǎn)生的位移則為圍護(hù)樁本身向基坑外的變形位移值與基坑位移值之間的差值，由于SMW工法樁與裝配式預(yù)應(yīng)力體系的聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，會(huì)在圍護(hù)樁開挖之前施加預(yù)應(yīng)力，使其向基坑外方向產(chǎn)生一定位移，主要目的就是為了控制基坑開挖后的位移，避免位移值過大，圖1表示的是預(yù)應(yīng)力支撐體系變形控制機(jī)理。

圖1 預(yù)應(yīng)力支撐體系變形控制機(jī)理

除此之外，裝配式預(yù)應(yīng)力支撐結(jié)構(gòu)還會(huì)產(chǎn)生剛度控制，在傳統(tǒng)采用鋼支撐或是混凝土結(jié)構(gòu)的工程當(dāng)中，對(duì)基坑變形控制會(huì)運(yùn)用大剛度控制，但是在裝配式預(yù)應(yīng)力支撐結(jié)構(gòu)中，基坑變形控制主要是施加一定的預(yù)應(yīng)力，使其變形逐漸減小，則力不變，剛度值就會(huì)上升，也可以說結(jié)構(gòu)的變形值越小，作用力不變時(shí)剛度值就會(huì)越大，圖2表示的是預(yù)應(yīng)力支撐體系剛度控制機(jī)理。

圖2 預(yù)應(yīng)力支撐體系剛度控制機(jī)理

4 裝配式預(yù)應(yīng)力體系和SMW工法樁聯(lián)合支護(hù)實(shí)際應(yīng)用

4.1 工程項(xiàng)目概況

本工程擬建場(chǎng)地位置在長江三角洲的入海東南位置前沿，工程場(chǎng)地周圍的地貌為湖沼平原類別，施工中要求開挖的基坑深度約為6.0m～8.8m，實(shí)際地基基坑的大部分截面屬于二級(jí)，剩下部分的截面則屬于三級(jí)，場(chǎng)地基坑開挖位置的地下水埋深約為0.5m，基坑開挖形狀頗為復(fù)雜且周圍環(huán)境具有特殊性。在工程項(xiàng)目施工場(chǎng)地的北面臨近著規(guī)劃四路，實(shí)際施工勘察時(shí)期道路還沒有修建，因此為空地；西面則臨近著幼兒園，本項(xiàng)目工程為高層建筑物，和幼兒園主體建筑之間的最近實(shí)測(cè)距離約為15.5m，項(xiàng)目還預(yù)計(jì)建設(shè)地下車庫，該部分和附屬一層之間的距離約為7.3m；工程?hào)|面臨近著水泥路，后續(xù)會(huì)建設(shè)為規(guī)劃五路，設(shè)計(jì)建設(shè)的地下車庫邊線和該道路邊線之間的間距約為7m；工程南面為規(guī)劃的北淀浦河路，但勘察時(shí)尚未建設(shè)，為空地。工程項(xiàng)目場(chǎng)地的土層結(jié)構(gòu)共分為五層：一層為填土；二層為粉質(zhì)黏土，顏色呈青灰色和灰黃色；三層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，顏色為灰色；四層為粉質(zhì)粉土，顏色為暗草黃色；五層為草黃色粉質(zhì)黏土[2]。

4.2 基坑的實(shí)際支護(hù)形式

本工程基坑施工采用了裝配式預(yù)應(yīng)力體系和SMW工法樁聯(lián)合支護(hù)型式，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要使用的是SMW工法樁，規(guī)格為Φ850mm，布置呈單排，其中相鄰樁之間互相搭接長度約為250mm，整體搭接為擋墻形態(tài)，使用的型鋼型號(hào)為H700×300×12×14，整個(gè)平面內(nèi)部支撐一型鋼，其支撐體系即為裝配式預(yù)應(yīng)力體系，在支撐過程中頂深的墻距約為0.7m，然后開展地下室底板的澆筑施工，待到澆筑并養(yǎng)護(hù)完成達(dá)到一定強(qiáng)度后會(huì)換支撐形式，換成頂深墻距約為5.4m的形式。在運(yùn)用SMW工法樁做支護(hù)時(shí)，需要先采用基坑設(shè)計(jì)分析軟件對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)任意位置的每米土壓力值進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定預(yù)應(yīng)力魚腹梁圍檁形式，同時(shí)確定其最大跨度值，然后結(jié)合基坑的具體形狀布置預(yù)應(yīng)力魚腹梁，再根據(jù)所布置的魚腹梁規(guī)格反向計(jì)算預(yù)應(yīng)力的大小及鋼絞線具體數(shù)量，最后，結(jié)合魚腹梁跨度值進(jìn)行立柱設(shè)計(jì)和對(duì)角撐設(shè)計(jì)。

5 裝配式預(yù)應(yīng)力體系有限元分析

5.1 有限元模型

開展裝配式預(yù)應(yīng)力體系有限元分析時(shí)，需要先結(jié)合工程實(shí)際繪圖的比例尺寸進(jìn)行建模，一般比例為1∶1，然后將模型導(dǎo)入到分析軟件中。在預(yù)應(yīng)力體系中，其斜腹結(jié)構(gòu)和對(duì)角撐都是采用桿單元，而腹桿、圍檁以及混凝土冠梁結(jié)構(gòu)部分采用梁?jiǎn)卧摻g線則是屬于預(yù)應(yīng)力的桿件單元，三角桁架部分的剛度是比較大的，因此采用平面板單元，對(duì)其有限元模型進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)也要確定荷載所施加的模型布置結(jié)構(gòu)。

具體的支撐部分周圍都是土層結(jié)構(gòu)，因此支撐變形的主要影響因素是土體性質(zhì)，也就是說土體會(huì)對(duì)支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生約束作用，其特點(diǎn)為：支撐變形方向?yàn)橥馏w方向時(shí)，土體會(huì)被擾動(dòng)而產(chǎn)生被動(dòng)土壓力，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生約束，支撐就會(huì)在該作用下向土體方向上移動(dòng)；支撐變形方向?yàn)榭觾?nèi)方向時(shí)，土體不會(huì)對(duì)支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉力，只會(huì)產(chǎn)生一定的邊界約束壓力，為此，可以在圍檁結(jié)構(gòu)外部分加裝土體壓力的彈簧裝置，而其混凝土以及鋼結(jié)構(gòu)的圍檁部分都會(huì)被施加上分布均勻的荷載力。

依據(jù)裝配式預(yù)應(yīng)力體系的支撐結(jié)構(gòu)安裝特點(diǎn)可知，需要在分析時(shí)模擬三種工況，主要是對(duì)工況數(shù)值加以模擬，第一種是將除了鋼絞線以外的其他支撐結(jié)構(gòu)全部激活構(gòu)成網(wǎng)格組，同時(shí)設(shè)置邊界土壓力的彈簧，對(duì)撐和角撐位置施加預(yù)應(yīng)力；第二種是將預(yù)應(yīng)力鋼絞線單元網(wǎng)格進(jìn)行激活；第三種是直接向側(cè)面施加土壓力。經(jīng)過分析得知這三種工況中，第三種是處于最不利的情況，因此在有限元計(jì)算時(shí)，也主要針對(duì)第三種工況[3]。圖3為預(yù)應(yīng)力支撐體系的有限元模型。

圖3 預(yù)應(yīng)力支撐體系有限元模型

5.2 有限元計(jì)算結(jié)果

如圖3所示，分析裝配式預(yù)應(yīng)力體系的彎矩與軸力可發(fā)現(xiàn)，其角撐結(jié)構(gòu)以及圍檁結(jié)構(gòu)都會(huì)受到壓縮軸力的作用。而整個(gè)支撐體系中的最大應(yīng)力是在對(duì)角撐作用位置的周圍圍檁上，這種應(yīng)力的形成是綜合了對(duì)角撐偏向壓力、正壓力以及鋼絞線的張拉力。結(jié)合體系的位移情況分析，發(fā)現(xiàn)魚腹梁的鋼支撐可以對(duì)基坑水平變形加以控制，主要是通過施加預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)，其基坑水平的最大位移值為13.1mm，該位移處于西南魚腹梁結(jié)構(gòu)的三角位置。總體支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移特點(diǎn)是，位移最小的位置為魚腹梁中間圍檁處，位移最大的位置為混凝土冠梁邊緣的圍檁部分，位移中等的位置為角撐接頭和魚腹梁端部相連部分。經(jīng)過本次對(duì)裝配式預(yù)應(yīng)力體系支撐結(jié)構(gòu)分析可得出，其支撐結(jié)構(gòu)的剛度值比較大，即使是在土壓力的作用下，也不會(huì)產(chǎn)生較明顯的變形情況，因此具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)可靠性、安全性。

6 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，其道路水平方向上的最大位移值為4mm，由于該值過小，因此不用繪制位移監(jiān)測(cè)曲線。另選擇一些產(chǎn)生變形的典型建筑、道路以及圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并繪制曲線，也可針對(duì)典型的深層土體進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，結(jié)合監(jiān)測(cè)繪制的曲線和上述分析，進(jìn)一步分析SMW工法樁和裝配式預(yù)應(yīng)力體系的聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基坑安全的保障效果以及其變形控制的水平。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲得道路的最大沉降量為21.6mm、領(lǐng)房建筑的最大沉降量為9.7mm，圍墻結(jié)構(gòu)的最大沉降量為21.9mm，而道路的沉降報(bào)警值為30mm，領(lǐng)房建筑的沉降報(bào)警值為10mm，圍墻結(jié)構(gòu)的沉降報(bào)警值為30mm，均未達(dá)到報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)，因此，可判定聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)具有較好的安全性，具有較強(qiáng)的抗變形能力。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，基坑頂部的水平位移值約為6mm，而深層土體的變形最大值為37.97mm，超過了30mm的報(bào)警值，且最大變形的位置一般是在坑底附近，這種變形情況會(huì)根據(jù)土體深度增加，呈現(xiàn)出先增后減的態(tài)勢(shì)。對(duì)于整體結(jié)構(gòu)中的混凝土支撐和鋼管撐部分，其深層土體最大變形量產(chǎn)生的位置是在坑頂附近，且隨著土體深度的增加，變形量會(huì)逐漸降低。由此可見，裝配式預(yù)應(yīng)力體系能夠?qū)幼冃吻闆r加以控制，主要是通過調(diào)節(jié)施加的預(yù)應(yīng)力來控制，避免其沉降位移與水平位移過大[4]。

7 結(jié)語

綜上所述，文中分析的SMW工法樁+裝配式預(yù)應(yīng)力體系支護(hù)技術(shù)是一種新型環(huán)保、高效、便捷的施工工藝，能夠在基坑開挖過程中發(fā)揮出良好的支撐效果，本次研究是以實(shí)際工程項(xiàng)目為對(duì)象，深入分析了裝配式預(yù)應(yīng)力體系與SMW工法樁結(jié)合運(yùn)用后構(gòu)建的支護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)采用螺栓連接固定，在成樁方面主要是采用三軸攪拌樁，施工速度較快、周期短，還能夠發(fā)揮出良好的支撐作用，通過分析其變形控制及剛度控制機(jī)理，得知其在變形控制方面的水平較高。開展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作發(fā)現(xiàn)體系的穩(wěn)定性和安全性較好，相應(yīng)構(gòu)件能夠很好地降低基坑變形，不僅可以保障基坑的順利開挖，也能夠?qū)χ車h(huán)境加以保護(hù)，具有較高應(yīng)用價(jià)值。