临近建筑物SMW工法基坑围护结构受力特性研究

解廷伟，左殿军，王绪锋，安晓宇

(1.深圳市地铁集团有限公司，广东 深圳 518026；2.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；3.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；4.河海大学 岩土工程研究所，江苏 南京 210098；5. 浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

0 引 言

关于SMW工法基坑围护结构的力学性能，国内外学者分别从水泥土桩的力学性能[1-3]、型钢-水泥土的共同作用机理[4-10]、现场观测[11-14]、设计计算方法[3, 15]等方面进行了大量的研究，显示SMW工法基坑围护结构充分利用了型钢的刚度及强度来控制变形和抵抗剪力，同时，利用型钢和水泥土协同工作，发挥水泥土的强度和刚度，使SMW工法基坑围护结构在工程中具有良好的经济效果。

针对基坑围护结构附近存在高层建筑物的情况，SMW工法桩的受力特性以及型钢与水泥土的相互作用对其的影响相关研究相对较少。张冠军等[16]通过SMW工法型钢拔起试验研究了型钢与水泥土的黏结强度，结果表明型钢与水泥土黏结强度与水泥土的抗压强度成正比；郑刚等[17]根据型钢水泥土复合梁室内抗弯强度试验研究了型钢与水泥土的相互作用，其研究结果表明由于型钢与水泥土接触面的黏结作用使得型钢与水泥土复合梁的刚度大于型钢刚度与水泥土刚度之和；顾士坦[18]对SMW工法型钢-水泥土界面剪应力作用机理进行了理论分析，并通过试验证明了型钢与水泥土的相互作用受型钢-水泥土界面剪应力影响较大。在实际工程中，考虑型钢的完整回收和重复利用，型钢表面涂有减摩材料，在一定程度上对水泥土与型钢的相互作用造成影响，上述文献对此均未研究。

笔者根据天津滨海新区欧风国际商业步行街临近建筑物地下室基坑开挖工程，采用ABAQUS有限元软件研究了SMW工法基坑围护结构的受力特性，结合工程实际，讨论了型钢与水泥相互作用对SMW工法的影响。

1 工程概况

1.1 SMW工法基坑围护结构总体布置

欧风国际商业步行街地下室基坑开挖工程位于天津市滨海旅游区起步区，工程南北两侧均为已建成的商业及办公楼，基坑围护结构距离附近办公楼(19层)地下室边缘最近约30 cm。

图1(a)为地下室基坑开挖围护结构平面布置图，图1(b)为SMW工法桩基坑围护结构剖面图。如图1：基坑东西向开挖宽度约260 m，南北向开挖宽度约99 m，基坑设计开挖深度7.70 m，基坑支护采用SMW工法围护结构加一道钢筋混凝土内支撑的桩撑；基坑开挖施工先进行SMW工法桩及立柱桩施工，开挖至冠梁、内支撑底部，然后浇筑冠梁、内支撑，最后开挖至基坑底部；三轴水泥搅拌桩直径850 mm，桩长15 m，H型钢桩间距900 mm，桩长15 m，隔二插一，C30钢筋混凝土冠梁1 200 mm×700 mm，内支撑800 mm×600 mm。格构柱采用钢筋混凝土，外包角钢，尺寸600 mm×600 mm，竖托桩采用C35钢筋混凝土灌注桩，桩径800 mm，桩长15 m。

1.2 工程地质条件

地下室地基土层有：①0.00～-2.50 m：素填土；②-2.50～-3.90 m：黏土；③-3.90～-6.00 m：粉质黏土；④-6.00～-8.40 m：淤泥质粉质黏土；⑤-8.40～-12.80 m：粉质黏土；⑥-12.80～-16.60 m：粉土；⑦-16.60～-20.00 m：粉质黏土；⑧-20.00～-23.50 m：粉质黏土。表1总结了地基各土层物理力学指标。

图1 SMW工法基坑围护结构布置Fig. 1 Retaining structure profile of foundation pit constructed bySMW method

土层编号层名含水率w/%密度/ρ/(g·cm-3)孔隙比e0液性指数/IL塑性指数/IP压缩模量ES0．1～0．2/MPa黏聚力C/kPa内摩擦角φ/(°)①素填土38．761．841．100．9817．42．8295．0②黏土36．381．861．030．9517．12．819．754．86③粉质黏土27．701．960．781．0711．14．．8913．0014．50④淤泥质粉质黏土41．911．801．191．2316．92．596．202．33⑤粉质黏土27．051．970．771．0711．05．1113．1013．50⑥粉土22．541．970．670．745．215．1711．0028．00⑦粉质黏土22．501．940．670．9312．911．9118．4313．00⑧粉质黏土28．701．960．800．714．585．0419．5013．00

2 三维数值模型的建立

2.1 模型尺寸及计算参数选取

为避免模型边界条件约束对计算结果产生较大的影响，结合基坑的开挖深度、周边建(构)筑物的布置，基坑围护结构边线距离模型边界约为50 m，距离模型边界约为6倍开挖深度。因此，计算区域为350 m×200 m×50 m。图2为基于ABAQUS有限元软件数值计算模型图，坐标原点位于围护结构几何中心处。

图2 基坑围护结构数值计算模型Fig. 2 Calculation model of foundation pit retaining structure

型钢、水泥土及地基土层采用三维八节点减缩单元(C3D8R)，立柱桩、冠梁及内支撑beam单元，共建立56 768个单元，78 654个节点。模型周边约束水平位移，底部约束竖向和水平位移。型钢采用弹性本构模型，弹性模量206 GPa，泊松比0.20；水泥土、冠梁、内支撑、立柱桩采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，其中水泥土弹性模量0.9 GPa，泊松比0.25；冠梁、内支撑及立柱桩弹性模量30 GPa，泊松比均为0.20。土体采用Modified-Cambridge模型，计算参数采用表1数值，弹性模量 可按式(1)计算[19]：

E=(2.5～3.5)×Es

(1)

式中：E为弹性模量；Es为压缩模量。

型钢与混凝土冠梁固接，型钢端部与水泥土采用tie连接，型钢侧面与水泥土采用面-面有限滑动摩擦，摩擦角δ按式(2)计算[20]：

δ=tan-1[sinφ×cosφ/(1+sin2φ)]

(2)

式中：φ为水泥土内摩擦角，取25°。

摩擦系数μ按式(3)计算：

μ=tanδ

(3)

式中：δ为桩土接触面摩擦角，按式(2)计算。

2.2 计算过程

1)生成周围建筑物及基坑开挖初始网格、建立初始计算模型，并在边界处施加位移约束边界条件，在初始应力条件下进行迭代计算使系统达到初始应力平衡。

2)施工围护结构、立柱、立柱桩，开挖第1层土，施工第1道支撑。

3)开挖到底计算围护结构的应力及位移。

3 结果分析

3.1 桩身水平位移变化

图3为基坑开挖至-7.70 m时SMW工法桩身水平位移沿深度变化曲线图，从图中可以看出，数值模拟计算结果与JGJ/T199—2010《型钢水泥土搅拌墙技术规程》(以下简称《规程》)[21]理论计算结果趋势一致，桩身水平位移沿桩长呈抛物线分布，桩身水平位移最大值在距离桩顶约6.5 m处。桩顶水平位移值4.53 mm，表明临近建筑物对SMW工法基坑围护结构产生的影响较小，原因在于临近建筑物采用灌注桩地基处理，其对围护结构产生的附加应力较小。

图3 SMW工法桩身水平位移曲线Fig. 3 Horizontal displacement curve of the SMW piles

从计算数值上看，桩身水平位移理论计算最大值27.30 mm，数值模拟最大值17.15 mm，数值模拟值比理论计算值小约35%。分析其原因在于《规程》[21]对SMW工法基坑围护结构计算主要考虑型钢对复合结构的刚度贡献，并未考虑水泥土的刚度和强度贡献。

3.2 桩身剪力及弯矩变化

图4～图5为SMW工法桩身剪力、弯矩沿桩深度变化曲线图。总体来看：桩身剪力、弯矩沿桩长呈弓型分布；桩身剪力最大值位于桩顶，数值模拟剪力和弯矩零点位置均高于采用《规程》[21]理论计算值；弯矩最大值位于桩顶以下4.5 m，理论计算结果位于桩顶以下6.75 m。

图4 SMW工法桩身剪力曲线Fig. 4 Shear curve of the SMW piles

图5 SMW工法桩身弯矩曲线Fig. 5 Bending moment curve of the SMW piles

从计算结果上看，数值模拟桩身剪力最大值350 kN，弯矩最大值900(kN·m)；理论计算桩身剪力最大值为475 kN，弯矩最大值1 400(kN·m)。数值模拟计算结果分别比理论计算结果小28%，35.7%。其原因在于《规程》[21]出于设计安全角度，仅考虑型钢的作用，墙后主动土压力作用完全由型钢承担；数值模拟把水泥土单独设置为一种材料，考虑了水泥土刚度的影响。水泥土对SMW工法的刚度贡献率反映在桩身剪力减小率上，水泥土刚度贡献率达到28%，这与文献[18]基于平面应变条件下水泥土对SMW工法刚度贡献率试验研究结果一致。

3.3 型钢-水泥土相互作用变化影响

SMW工法型钢与水泥土的相互作用主要表现为完全黏结、完全滑移、黏结滑移共同作用3种形式[22]。在线弹性阶段，型钢与水泥土之间存在黏结应力，水泥土与型钢完全黏结，水泥土对复合梁的刚度贡献率较大；在黏结破坏(完全滑移)阶段，水泥土与型钢的黏结应力消失，水泥土出现塑性变形，型钢与水泥土出现滑移，水泥土对复合梁的刚度贡献较低。工程实际中水泥土主要起止水作用，不允许出现塑性变形，同时为便于完整回收，型钢表层涂有减摩材料。因此，可以认为完全黏结、完全滑移是型钢与水泥土相互作用的两个界限。数值模拟通过对接触面滑动摩擦系数的折减来研究型钢与水泥土的这种相互作用关系。

图6为不同接触面滑动摩擦系数(μ)条件下SMW工法桩身水平位移、桩身剪力、桩身弯矩沿桩长变化曲线。从图中可以看出，随着型钢与水泥土接触面摩擦系数的逐渐减小，SMW工法复合结构的桩顶水平位移、桩身剪力、弯矩均逐渐增大。从数值计算结果上看，当μ=0.32时，桩身位移、剪力、弯矩最大值分别为19.2 mm，335 kN，975.6(kN·m)；当μ减小到0.10时，桩身位移、剪力、弯矩最大值分别为24.85 mm，475.70 kN，1 278(kN·m)，对应μ=0.32时分别增大29.6%、42%、31%。可以看出，随着型钢与水泥土相互作用的降低，SMW工法桩受力与变形均增大。结合文献[18]试验研究结果，表明型钢与水泥土黏结强度对水泥土刚度贡献影响较大，在型钢与水泥黏结强度较低时，型钢与水泥相互作用较小，水泥土刚度贡献较低，SMW工法受力和变形较大；反之相反。因此，在SMW工法基坑围护结构设计时，应考虑水泥土的刚度贡献，但需进行一定程度的折减。

图6 不同μ下桩身水平位移、剪力、弯矩变化曲线Fig. 6 Horizontal displacement, shear, bending moment curve of theSMW piles with different μ

3.4 机理分析

考虑水泥土刚度贡献，按文献[22]假定桩身截面未出现开裂时，型钢水泥土之间共同作用，则其组合刚度Bini即为水泥土刚度Bc与型钢刚度Bs二者的之和，即：

Bini=Bc+Bs=EcIc+EsIs

(4)

将截面形状及水泥土和型钢刚度代入式(4)，按《规程》[21]进行计算，计算结果如图7。

图7 考虑水泥土刚度SMW工法桩位移、剪力、弯矩变化曲线Fig. 7 Horizontal displacement, shear, bending moment curve of theSMW piles considering the stiffness of cement

从图7考虑水泥土刚度贡献计算结果可以看出，修正后理论计算结果与数值模拟计算结果及实测值一改，实测值比数值模拟值大5%～10%，但与理论计算值比较接近。由此可见，在计算SMW工法围护结构水平位移、桩身剪力以及桩身弯矩时，水泥土刚度影响至关重要。在未达到承载极限时，应考虑水泥土与型钢共同作用。

4 讨 论

SMW工法是国内基坑支护工程中应用比较广泛的一种方式，关于型钢与水泥土的相互作用机理研究及工程应用尚不充分，型钢与水泥土的黏结强度受施工方式，水泥土养护条件等因素影响，其对复合结构刚度贡献比较复杂，量化指标难以统一。 我国《规程》[21]从工程设计安全角度出发，不考虑水泥土的刚度贡献，安全系数较大，有必要结合系统研究结果进一步修正。笔者根据工程实际采用数值模拟计算分析了型钢与水泥土相互作用的变化对SMW工法的受力与变形的影响，讨论了水泥土刚度对复合结构的刚度贡献，下一步有必要结合室内试验和现场观测进一步论证。

5 结 语

临近建筑物对SMW工法基坑围护结构影响较小，桩顶水平位移值4.53 mm，均在规范要求范围之内。

考虑水泥土刚度贡献，桩水平位移值、剪力值、弯矩值均比现行规范理论计算值小25%～35%。

型钢与水泥土相互作用实际上处于完全黏结与完全滑移两个界限范围，其对SMW工法受力与变形影响较大，随着型钢与水泥土相互作用减小，型钢与水泥土黏结强度降低，水泥土对SMW工法刚度贡献率降低，SMW工法受力与变形均增大。

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