SMW 工法＋環形支撐體系在基坑支護中應用研究?

崔澤海，樊鵬鵬，胡發旺，李新強，欒 蔚

（中國建筑第八工程局有限公司，甘肅 蘭州730030）

0 引言

隨著城市地下空間的不斷開發利用，基坑開挖技術也隨之迅速發展，越來越多的規模大、基礎深、環境復雜的基坑工程被建設?；娱_挖施工的過程中，會打破原有的土體結構平衡，對周圍的基礎進行擾動，導致變形或塌陷，近年來因基坑開挖不當引起的工程事故頻發。為了保證開挖時基坑自身及周邊環境的穩定，采用合適的支護結構和圍護體系十分重要。

當前，基坑支護有著多種形式，常見的有排樁支護［1］、地下連續墻支護［2］、錨桿支護［3］和擋墻＋支撐［4］等多種組合支護形式，SWM 工法樁＋內支撐［5］是近年來興起并被廣泛應用的新支護形式，SMW 工法樁是在三軸水泥土攪拌樁內插入H 型鋼，形成的復合圍擋結構，具有擋土、止水、強度高等特點。王占生［6］研究了SMW 工法樁在施工期間對盾構隧道的影響，彭國東［7］闡述了SMW 工法樁的支護結構體系在實際工程中的應用，表明其具有一定優勢。

SMW 工法樁既可以單獨使用，也可與內支撐或錨桿等共同進行支護，伍麗珍［8］研究了鋼絞線預應力錨索與SMW 工法樁聯合在黃土地區中基坑支護，證明了該支護形式的優越性。內支撐支護具有剛度大、控制基坑變形能力強、且利于施工等特點，包含正交撐、角撐、圓環撐［9］等支護形式。曾運平［10］介紹了角撐體系在中國尊的超大型基坑土方開挖中的應用，賀振昭［11］利用有限元程序模擬分析了不同內支撐數量對深基坑支護結構的影響。而圓環支撐［12］是將支撐結構設置成圓環型結構，這樣土體側壓力通過圍護墻傳遞給內支撐，從而集中傳遞至圓環，受力的性能較好，適用于較大面積的基坑工程，也是眾多學者的重要研究對象。王春艷［13］對圓環支撐體系水平剛度系數的計算進行了解析式的推導，提出了圓環支撐體系水平剛度系數的簡易計算方法； 龔昕［14］論述了雙圓環形支撐在基坑工程中的布置原則，分析了其受力合理性及工程適用性。以上學者多從理論層面進行了研究，并未有結合具體工程建立模型而進行的數值模擬［15－16］，且無法直觀展示應力規律。

本文基于有限差分程序FLAC 3D［17］，依托某工廠基坑工程的實際案例，建立有限元數值模型，分析了SMW 工法樁與內環型支撐體系的聯合作用效果，及基坑開挖過程中的土體變形和支護樁的受力特征分析，不僅一定程度上證實了理論，更可為實際工程提供一定的參考價值。

1 工程概況及數值模型構建

1.1 地質概況及模型

基于某廠房一期深基坑工程，選取1 號基坑的局部作為研究對象，根據現場勘測的地質資料，各土層的參數如表1 所示。圖1 為建立的相應數值模型。模型橫向長度211.5 m，縱向208 m，高度為50 m?；悠矫娉叽鐬?11.5 ×108 m，開挖最大深度為6.45 m。頂部為1m 的1： 1 放坡，共劃分9 個地層。在模型中考慮基坑邊緣放坡，SMW工法樁支護，環形內支撐體系，考慮聯合支護作用下的基坑降水和開挖導致的土體沉降和支護體系的變形特征。

圖1 網格劃分后的分層模型Fig.1 The hierarchical model after meshing

表1 各土層物理力學性質指標Table 1 Indexes of physical and mechanical properties of each soil layer

1.2 圍護結構及支撐

采用三軸深層攪拌樁內插H 型鋼的SMW 法作為基坑開挖的圍護結構，內插H700×300×13×24型鋼，頂部冠梁將工法樁連接成整體，環形內支撐內撐交接處設置立柱，材料參數如表2 所示。

表2 支撐體系參數Table 2 The parameters of support system

支撐平面布置見圖2，采用1 道鋼筋混凝土環形支撐，周邊輔以聯系撐，環形支撐直徑97 m，立柱結構采用組合鋼格構柱4∠140 mm×14 mm，斷面為450 mm×450 mm，圍護樁采用p800 mm 鉆孔灌注樁，樁長24 m，建立了如圖3 所示的支護模型。

圖2 人員危險行為監控示意圖Fig.2 Plane of enclosure and support system

圖3 圍護及支撐體系模型建立Fig.3 Establishment of enclosure and support system model

2 基坑開挖過程分析

基坑開挖共分為四層，第一層開挖0.9 m，第二層開挖1.9 m，第三層開挖1.9 m，第四層開挖1.55 m，在第一層開挖后，開始進支撐結構的施加。

2.1 基坑降水

模擬基坑開挖作用之前，首先要將基坑模型在降水之后求解至平衡，之后要將降水后的位移清除，進一步求解開挖工況，因為初始的地下場地水位偏高，開挖之前要進行降水，以便于基坑的順利開挖，FLAC 3D 模擬降水作用，一般按照浮重度建立模型，之后在土體自重下達到平衡。

降水后整體位移結果如圖4 所示，圖5 為橫向基坑中心處半截面示意圖。由于基坑降水后水位下降，土體含水率下降，可見土體出現一定的沉降，更多集中在基坑內部和邊緣范圍，外部影響不大，中心處達到最大的沉降約為3.14 cm，邊緣處沉降較小，大都為1 cm 左右，由內部向外部沉降逐漸減小，邊緣25 m 外的土體沉降值基本為0。

圖4 降水后基坑整體沉降Fig.4 The overall settlement after foundation pit dewatering

圖5 橫向中心截面基坑沉降Fig.5 The settlement of foundation pit with transverse central section

2.2 基坑底部土體隆起分析

隨著開挖的進行，對于基坑內的土體來說，相當于一個卸荷的過程［18］，開挖深度越深，內部土層的應力狀態改變越多，土體應力釋放越大，基坑內外壓力差增大，坑底土體的回彈值也會越大，這里對建立的三維模型進行分步開挖，同時對基坑內的土體位移進行分析，這里以縱向中心處的一半橫截面進行分析，結果如圖6 所示。

圖6 分層開挖坑底土體回彈Fig.6 The rebound of bottom soil under layered excavatio

第一層土體開挖后，基坑邊緣處土體發生輕微沉降，最大值約為7.9 mm，且沉降的輪廓線為圓弧狀，而基坑底部土體發生回彈，最大值出現在基坑的中心處，約為11 mm，并由中心向邊緣位置減小。邊緣處因為有支護樁的作用，使土體沉降位移較小，表明了支護樁的作用，開挖結束后進行內支撐支護。第二層土體開挖后，坑底土體回彈值增大，最大回彈值約為27 mm，同樣是位于基坑中心位置，基坑邊緣處土體的沉降值約為5 mm，土體沉降的弧形分界更加明顯。第三層土體開挖后，對圍護樁產生影響，樁頂發生大約為2 mm沉降，基坑底部的土體位移回彈值再一次增大，在基坑中心位置的回彈值達到44 mm，基坑邊緣處沉降約為6 mm，第四層土體開挖后，基坑底部中心位置處最大回彈達到45 mm，與第三次開挖相比相差不大，但在基坑邊緣處的土體沉降已達到9 mm，基坑深處的大部分土體位移基本為零，說明逐漸趨于穩定。

2.3 基坑周圍土體沉降分析

為研究基坑開挖對周邊地表沉降的影響，取基坑橫向中心截面，距離基坑邊緣左側50 m 的地表沉降值進行監測與分析，四次開挖后的監測結果如圖7 所示。四次開挖的結果具有一定的共同特征，距離基坑邊緣25 m 之外的地表基本未受到開挖影響而發生較大沉降，同時沉降最大位移均發生在地表位置，土體埋深越大則影響越小，改變關系基本為線性。第一層土體開挖后，地表處出現最大沉降約為2.2 mm，位置為靠近基坑邊緣處，第二層土體開挖后，最大沉降值位置不變，數值約為6 mm，第三層土體開挖完成之后，對周圍土體影響較小，地表沉降改變不大，說明周邊地層已經趨于穩定的狀態。第四層土體開挖完成之后，土體的最大沉降略有增大，基坑外側邊緣處地表最大沉降值達到3.6 mm，且距離基坑20 m外的土體在這時發生微弱的沉降，說明隨著開挖進行到一定深度，土體與圍護樁之間會發生相對錯動，樁身和土體此時產生一定的滑移，開挖產生的影響就進一步擴大，擾動到遠處土體。

圖7 基坑外部土體沉降Fig.7 The settlement of soil outside foundation pit

3 基坑側壁及支護樁變形分析

3.1 基坑側壁位移分析

在土體的開挖過程中，基坑側面的土體位移情況最能直觀的反映出支護效果的好壞，基坑面很容易因變形過大而發生坍塌，所以在各個開挖工況下，對縱向基坑面和主要支護樁進行位移監測，監測位置如圖8 所示，深度范圍為從地表至地下15 m 處。

圖8 監測面位置示意Fig.8 The position diagram of monitoring surface

四次開挖后，基坑側壁的位移監測結果如圖9所示，第一層開挖0.9 m 完成之后，基坑側壁的橫向位移很小，最大值只有約0.63 mm，頂端出現的負向位移可能是由于內部橫撐作用，且位移隨深度變化而變化，呈現先增大后減小的趨勢。第二層開挖1.9 m 完后之后，基坑側壁頂端負向位移值增大至4.3 mm，隨著深度的增加橫向位移逐漸增大，在3 m 深度處出現位移的最大值約為2.3 mm，3 m 以下的深度后土體位移開始減小至0.8 mm。第三層開挖1.9 m 完后之后，基坑側壁的土體位移最大值出現在深度4 m 左右的高度位置，最大的橫向位移約為6 mm，隨著深度的增加，土體的橫向位移逐漸減小至1.1 mm。第四層開挖1.55 m 完后之后，側壁土體位移的最大值依舊處于4 m 的深度處，橫向位移值增大至18 mm，逐漸減小到基坑底部有大約6 mm 的橫向位移。這說明基坑側壁的最大位移不是發生在頂端和低端，而是位于開挖面中心深度偏下位置處。

圖9 基坑側壁土體位移Fig.9 The soil displacement of foundation pit sidewall

3.2 支護樁位移分析

在基坑的分層開挖下，支護樁的形變反映了其受力特點和支護體系的最不利位置，這里對主要監測樁的樁身的水平位移監測結果如圖10 所示，監測了第四次開挖結束后的樁頂端至樁底端的橫向位移分布。由圖可見由支護樁的樁頂部至底部，其形變呈現出先增大后減小的趨勢，同時基坑邊界支護樁的中心位置處出現最大的形變，端部支護樁承擔荷載較少，中部區域支護樁承受荷載較大，且越靠近中心處的樁體位移相差越小，均體現了支護樁的受力機理。

圖10 1－7＃樁第四次開挖后樁身位移Fig.10 Displacements of 1－7 ＃ piles after the fourth excavation

這里對典型的1＃樁、2＃樁、7＃樁、8＃樁進行主要研究，對其在四次開挖工況下的樁身位移變化情況進行分析，監測結果如圖11 所示，四根樁的位移變化均為從樁頂至樁底先增大后減小，且各支護樁的頂端由于冠梁和內支撐的作用會產生

圖11 關鍵樁在分層開挖下樁身位移Fig.11 Displacement of key piles under layered excavation

一定的負位移，各支護樁均在第四次開挖工況下達到位移最大值，且第一次開挖和第二次開挖對各支護樁的影響不大，四根樁前兩次開挖導致的樁身位移均在1 mm 以內，第四次開挖后1＃樁最大位移達到5 mm，2＃樁最大位移達到11 mm，7＃樁最大位移達到15 mm，8＃樁最大位移也達到15 mm，可見位于邊界中心的7＃和8＃樁的樁身位移十分接近。

3.3 支護體系軸力與力矩

基坑四次開挖結束后，SWM 工法樁＋圓環內支撐的聯合支護體系受力情況如圖12 所示，可以很好的觀察出該體系的受力特征，對于基坑四周的支護樁，其邊界中心位置的樁身承擔了更多的荷載，同樣也會引起更大的變形，并且從樁頂至樁底表現出先增大后減小的趨勢，最大軸力主要集中在樁身中心位置。而聯合支護體系在基坑開挖過程中起著限制土體變形，維持基坑穩定性的作用，對于內部的圓環內支撐受力相對均勻，其最容易發生形變的位置為圓環內撐相交的立柱構造處。

圖12 開挖完成后支護體系受力開挖完成后支護體系受力Fig.12 The stress of supporting system after excavation

4 結論

基于典型基坑工程實例，開展了有限差分數值模擬研究，建立了SMW 工法樁＋環形內支撐聯合基坑支護體系，對降水工況及基坑開挖過程中土體的位移和支護樁受力特征進行了分析，得到主要結論如下：

1） 降水工況下，基坑的土體沉降主要集中在開挖范圍內及基坑的邊緣處，隨著開挖的進行，基坑邊緣處的土體沉降分界線呈圓弧狀，基坑底部土體因卸荷會產生回彈，對于開挖深度為6.5 m時，基坑中心位置會產生約為4.5 mm 最大回彈值。

2） 基坑開挖過程中，對坑邊20 m 范圍內的土體影響較大，且表現為從遠到近、從地表至地下6.5 m 影響程度逐漸減小?；觽缺诘淖冃坞S開挖加深而增大，呈現出先增大后減小的趨勢，側壁變形最大位移在5 m 深度附近，一般位于靠近邊界中心位置。

3） 對于基坑周圍支護樁，在邊界中心位置處的支護樁變形最大，承受較多的荷載，且開挖至最后階段時，支護樁和土體位移改變較大，同時在基坑平面為規則的方形、圓形或者橫向縱向尺寸相差不大時時，圓環內支撐體系整體受力均勻，研究結果可為基坑支護工程提供參考