第5讲-SMW围护结构设计与施工

挡土结构与基坑工程木林隆博士岩土大楼820室[e-mail]第5讲SMW围护结构的设计和施工•概述•SMW搅拌桩与型钢相互作用机理•SMW围护墙设计与计算•SMW围护墙的施工要点•SMW案例型钢水泥土搅拌墙通常称为SMW工法（SoilMixedWall），是一种在连续套接的三轴水泥土搅拌桩内插入型钢形成的复合挡土截水结构，即利用三轴搅拌桩钻机在原地层中切削土体，同时钻机前端低压注入水泥浆液，与切碎土体充分搅拌形成截水性较高的水泥土柱列式挡墙，在水泥土浆液尚未硬化前插入型钢的一种地下工程施工技术。SMW围护结构的概念概述SMW围护结构的概念概述SMW围护结构的发展历史概述型钢水泥土搅拌墙源于美国的MIP工法（Mixingin-PlacePi1e）。1955年在大阪市安治川河畔进行的MIP工法试验性施工中，尝试将MIP工法依次连续施工做成一道柱列式地下连续墙，这就是SMW工法的雏形。为了解决MIP工法相邻桩搭接不完全、成桩垂直度较难保证、在硬质粉土或塑性指数较高的黏性土中搅拌较困难等问题，1971年，日本成幸工业株式会社开发出多轴搅拌钻机，使相邻搅拌桩套接施工，有效地解决了以前钻机的缺陷。多轴搅拌钻机的研制成功为型钢水泥土搅拌墙的广泛应用创造了条件。之后型钢水泥土搅拌墙在成桩设备、施工工艺等方面得到了不断的完善和发展。作为一种新的基坑围护施工工艺，80年代后期传至台湾地区，90年代在泰国、马来西亚等东南亚国家和美国、法国等西方国家和地区被广泛应用。目前型钢水泥土搅拌墙围护形式已经成为日本基坑围护的主要工法，并且型钢水泥土搅拌墙的施工业绩仍在不断提高，用途日益扩大。SMW围护结构的发展历史概述在我国水泥土搅拌桩作为重力式挡土墙或防渗帷幕的设计理论和施工方法较为成熟，但作为型钢水泥土搅拌墙基坑围护结构的应用和其他国家相比存在一定的滞后。虽然型钢水泥土搅拌墙具有较好的经济效益和社会效益，但一直以来由于国内对该工法的作用机理、设计理论缺乏研究，没有可依据的型钢水泥土搅拌墙设计规范和理论著作，并受到水泥土搅拌桩施工设备滞后和型钢回收困难等因素影响，制约了型钢水泥土搅拌墙在我国的推广应用。早在80年代末，型钢水泥土搅拌墙曾引起了我国工程界的关注，并做了一些研究，但并未在实际工程应用。我国最早的工程实例是1994年上海静安寺附近的环球世界商厦基坑围护工程，工程获得了成功，但未做到型钢的回收利用，因此围护工程造价与钻孔灌注桩相比并不具有优势。1998年至1999年，型钢水泥土搅拌墙在上海地区逐步推广应用，主要工程有地铁二号线静安寺站下沉式广场、陆家嘴站五号出入口地下人行通道、浦东国际会议中心和明珠线二期工程蓝村路站等。目前型钢水泥土搅拌墙在我国上海、江苏、浙江、天津等沿海软土地区应用已经比较普遍。SMW围护结构的发展历史概述国内的型钢水泥土搅拌墙施工机械和工艺最初从日本引进，消化吸收后又进行了技术创新。目前日本常用的三轴水泥土搅拌桩主要有550和850两个系列，其中550系列中水泥土搅拌桩直径包含500mm、550mm、600mm、650mm四种类型，850系列中水泥土搅拌桩直径包含850mm和900mm两种类型，每种直径对应相应的水泥土搅拌桩施工设备和内插型钢规格。国内从日本引进的三轴水泥土搅拌桩施工设备主要为650mm和850mm两种，经过改进，国内又研发了1000mm搅拌桩施工机械。日本的型钢水泥土搅拌墙在地下室结构施工完成后一般不拔除，永久留在地下，国内引进后进行了工艺改进，型钢一般在地下室施工后拔除，这与日本存在不同。SMW围护体的特点概述目前工程上广为采用的水泥土搅拌桩主要分为双轴和三轴两种，双轴水泥土搅拌桩相对于三轴水泥土搅拌桩具有以下缺点：(1)双轴水泥土搅拌桩成桩质量和均匀性较差，成桩的垂直精度也较难保证；(2)施工中很难保持相邻桩之间的完全搭接，尤其是在搅拌桩施工深度较深的情况；(3)施工过程中一旦遇到障碍物，钻杆易发生弯曲，影响搅拌桩的截水效果；(4)在硬质粉土或砂性土中搅拌较困难，成桩质量较差。SMW围护体的种类与特点概述由H型钢和水泥土组成，工作机理非常复杂从经济角度考虑，H型钢在地下室施工完成后可以回收利用从变形控制的角度看，H型钢可以通过跳插、密插调整围护体刚度型钢水泥土搅拌墙是在三轴水泥土搅拌桩中内插H型钢，本身就已经具有较好的截水效果，不需额外施工截水帷幕对周围环境影响小防渗性能好环保节能适用土层范围广工期短，投资省SMW围护体的适用条件概述从广义上讲，型钢水泥土搅拌墙以水泥土搅拌桩为基础，凡是能够施工三轴水泥土搅拌桩的场地都可以考虑使用该工法。从黏性土到砂性土，从软弱的淤泥和淤泥质土到较硬、较密实的砂性土，甚至在含有砂卵石的地层中经过适当的处理都能够进行施工，适用土质范围较广。1．型钢水泥土搅拌墙的适用条件与基坑的开挖深度、基坑周边环境条件、场地土层条件、基坑规模等因素有关，另外与基坑内支撑的设置也密切相关。（主要由基坑变形控制参数）2．型钢水泥土搅拌墙的选择也受到基坑开挖深度的影响。直径为650mm深度不大于8.0m；直径为850mm深度不大于11.0m；直径为1000mm深度不大于13.0m。SMW围护体的适用条件概述3．当施工场地狭小或距离用地红线、建筑物等较近时，采用钻孔灌注桩＋截水帷幕等围护方案常常不具备足够的施工空间，而型钢水泥土搅拌墙只需在三轴水泥土搅拌桩中内插型钢，所需施工空间仅为三轴水泥搅桩的厚度和施工机械必要的操作空间，具有较明显的优势；4．与地下连续墙、钻孔灌注桩相比，型钢水泥土搅拌墙的刚度较低；5．当基坑周边环境对地下水位变化较为敏感，搅拌桩桩身范围内大部分为砂（粉）性土等透水性较强的土层时，若型钢水泥土搅拌墙变形较大，搅拌桩桩身易产生裂缝、造成渗漏，后果较为严重。SMW围护体存在的问题概述1．目前型钢水泥土搅拌墙主要应用于沿海软土地区，并积累了一定的经验；2．一直以来由于对型钢水泥土搅拌墙研究重视不够，缺乏有效的科研投入，相关规范规程和理论著作匮乏，在一定程度上制约了其工程应用；3．型钢水泥土搅拌墙设计计算理论还有待进一步完善，特别是在搅拌桩和型钢协同工作方面，仍有许多问题需要进一步深入研究；4．对型钢水泥土搅拌墙的一些设计施工参数还没有统一的标准；5．目前工程中对搅拌桩强度的争议比较大，各种规范和手册的要求也不统一；6．在水泥土搅拌桩的强度检测中，几种方法都存在不同程度的缺陷，试块试验不能真实地反映桩身全断面在土中（水下）的强度值；7．搅拌桩的施工工艺有待进一步完善，施工机械有待进一步改进型钢与水泥土相互作用研究现状目前对水泥土与型钢之间黏接强度的研究还不充分，一般认为水泥土与型钢之间的黏接是一种柔性黏结，其黏结强度不能与混凝土与钢筋之间的刚性黏结相比。因此通常认为水土侧压力全部由型钢承担，水泥土搅拌桩的主要作用是抗渗截水，但这并不是意味着水泥土搅拌桩对型钢不起作用，试验研究表明水泥土对型钢的包裹作用能够提高型钢的刚度，防止型钢失稳。SMW搅拌桩与型钢相互作用机理型钢与水泥土相互作用过程1．第一阶段：弯矩较小时，截面上水泥土与型钢应力均呈线性分布；SMW搅拌桩与型钢相互作用机理水泥土型钢（a）型钢与水泥土相互作用过程2．第二阶段：随着弯矩增大，受拉区水泥土应力达到抗拉强度，开始开裂。水泥土开裂后即退出工作，中性轴略上移，这一阶段一般持续时间较短；SMW搅拌桩与型钢相互作用机理水泥土型钢（b）型钢与水泥土相互作用过程3．第三阶段：型钢受拉区达到屈服强度，应力分布不再呈线性，而受压区由于水泥土的分担作用，型钢还未屈服；SMW搅拌桩与型钢相互作用机理水泥土型钢（c）型钢与水泥土相互作用过程4．第四阶段：型钢受压区达到屈服强度。由于水泥土弹性模量较低，水泥所受应力一般还未达到其抗压强度，中和轴继续上移。弯矩－挠度曲线表现出明显的非线性；SMW搅拌桩与型钢相互作用机理水泥土型钢（d）型钢与水泥土相互作用过程5．第五阶段：受压区水泥土达到抗压强度，开始出现破碎，所受应力下降，中性轴下移，型钢塑性区扩大，直至结构破坏。SMW搅拌桩与型钢相互作用机理水泥土型钢（e）型钢与水泥土组合刚度SMW搅拌桩与型钢相互作用机理1ssIEEI0.00.40.81.21.62.0挠度(*0.01mm)b0.0a2000400060008000荷载(kg)SMW围护墙参数的确定SMW围护墙设计与计算SWM搅拌桩截面设计型钢截面型钢的截面由型钢的强度验算确定，包括型钢的抗弯及抗剪强度问题。1、抗弯验算2、抗剪验算fWMk025.1wwtkftISQ025.1SMW围护墙参数的确定SMW围护墙设计与计算SWM搅拌桩截面设计型钢间距局部抗剪承载力验算包括型钢与水泥土之间的错动剪切和水泥土最薄弱截面处的局部剪切验算。1、当型钢隔孔设置时，错动剪切承载力6.1/2/25.1111101ckkeLqQdQde1L1qQ1Q1SMW围护墙参数的确定SMW围护墙设计与计算SWM搅拌桩截面设计型钢间距2、当型钢隔孔设置时，最薄弱断面的局部抗剪验算2/25.1212202LqQdQede2L2qQ2Q2SMW围护墙参数的确定SMW围护墙设计与计算SWM搅拌桩截面设计搅拌桩抗剪强度与无侧限抗压强度单轴抗压强度qu(kPa)01.02.03.04.05.06.000.51.01.52.0直剪试验抗剪强度τf(kPa)MPaqqquuuf0.6014.037.0053.02123456uqf4.2uq7.2uq9.2uq1.3uq2.3uq4.3uqSMW围护墙参数的确定SMW围护墙设计与计算SWM搅拌桩截面设计截面布置形式(a)密插型(b)插二挑一(c)插一挑一SMW内插型钢拔出SMW围护墙设计与计算型钢拔出影响因素型钢与水泥土之间的摩擦阻力；由于基坑开挖造成的型钢水泥土搅拌墙变形致使型钢产生弯曲，从而在拔出时产生的变形阻力。型钢拔出作用机理水泥土中水泥胶体与型钢表面的化学胶结力型钢与水泥土接触面上的摩擦阻力型钢表面粗糙不平的机械咬合力SMW内插型钢拔出SMW围护墙设计与计算型钢拔出作用机理将H型钢的拔出过程大致划分为三个阶段：无脱结阶段、部分脱结阶段、完全脱结阶段。(1)型钢从受荷至开始脱结这一阶段，即第I阶段（无脱结阶段）。从型钢滑移理论上，这段曲线可视为线弹性，实际情况与理论大致相符。(2)当拔出力超过脱结力dP时，即进入部分脱结阶段。在这个阶段，两种材料间的摩擦剪切应力较复杂，拔出力既要克服H型钢和水泥土接触界面上的静摩擦力，又要克服挡墙变形所产生的弯曲变形阻力。这种弯曲变形在拔出力的作用下增加了接触界面的法向应力，从而导致静摩擦力增大。因此，这时的起拔力要比无侧向变形时起拔力大很多。(3)H型钢拔动后，H型钢和水泥土完全脱结。由于减摩材料的抗剪强度较低，可认为H型钢在拔出过程中摩擦剪应力是常数，因此摩擦拔出阶段理论上为一直线。实际情况由于基坑开挖围护结构变形的影响，H型钢拔动后主要由弯曲阻力控制。当H型钢末端通过较大弯曲点后，阻力主要由摩擦阻力控制，型钢迅速拔出，曲线呈陡降形态。u位移umucrPdPmPPd脱结力Pm最大拔出力321拔出力SMW内插型钢拔出SMW围护墙设计与计算型钢拔出验算H型钢的起拔力等于静摩擦阻力Pf、变形阻力Pd和自重G三部分之和要求H型钢在起拔过程中处于弹性状态GPPPdfmPPAPmHs7.0SMW构造设计SMW围护墙设计与计算型钢与冠梁的连接节点(1)冠梁截面高度不小于600。当搅拌桩直径为650时，冠梁的截面宽度不应小于1000；当搅拌桩直径为850时，冠梁的截面宽度不应小于1200；当搅拌桩直径为1000时，冠梁的截面宽度不应小于1300。(2)冠梁的主筋应避开型钢设置。为便于型钢拔除，型钢顶部要高出冠梁顶面一定高度，一般不宜小于500，型钢与腰梁间的隔离材料在基坑内侧应采用不易压缩的硬质材料。(3)冠梁的箍筋宜采用四肢箍