SMW工法在基坑维护中的应用3

浅谈SMW工法在沿海地区基坑围护中的应用周杨孟庆保(中冶地勘岩土工程总公司唐山公司唐山063000)摘要SMW工法是近年来新兴起的日近成熟的一种基坑复合围护结构形式，由于其具有结构简单、止水效果好、施工速度快、造价低等诸多优点，已得到广泛应用。本文主要就SMW工法的设计原则、施工方法、质量控制以及该工法在沿海地区基坑围护中的应用等方面作了概略介绍。关键词SMW工法基坑围护施工设计质量控制1SMW工法概述SMW工法最初是由日本成幸工业株式会社在1971年开发的水泥土搅拌桩体进行基坑围护的一种施工方法。这种方法是通过特殊的多轴深层搅拌机，在施工现场按设计深度将土体切散，同时从钻头前端将水泥桨体强化剂注入土体，并使之与原位土体反复混合搅拌，然后在水泥土体未硬化之前插入H型钢或钢板桩作为应力加强材料，直至水泥土硬结。由于SMW工法科学合理的利用了深层搅拌桩和H型钢的各自优点，因此具有以下明显优点：1）抗渗性好。由于桩体是采用水泥浆体强化剂与土体反复混合充分搅拌且互相咬合而成，无施工冷缝；平面上，桩与桩之间重叠搭接。因此，这种维护结构比一般止水结构具有较理想的止水效果。尤其是在地下水位埋藏较浅，且较丰沛地区，效果尤为明显。2）整体强度高、刚度大。深层搅拌桩可根据需要，施工成不同厚度、不同强度的连续墙体，再加上插入H型钢，整个墙体的强度和刚度得到进一步提高。3)工程造价低。深层搅拌桩是在原土体中掺入一定量的水泥浆和外加剂经充分搅拌而形成，再加上大部分H型钢可回收重复利用，因此，该围护方法同其它支挡围护结构相比可降低工程造价30~50%。4）可适应多种地层，如：新近吹填的超软土、淤泥质土、粘性土、粉土、砂类土等，尤其是在滨海地区6~12m的基坑维护中更为适用。5）施工速度快。由于就地一次性地将原土加固筑成墙体，工艺简单，施工速度快。另外成墙后，还可以适当的减少内支撑，基坑开挖效率显著提高。6）对周边环境影响小。该工法与其它围护方法相比具有噪音小、渣土外运量小，无泥桨污染等优点。2围护方案设计水泥土墙体设计主要包括水入土深度确定、墙体滑动稳定验算、倾覆稳定验算和墙身材料应力验算等。可采用试算法，即先根据以往施工经验，初步拟定挡墙参数，然后再进行挡墙稳定性验算，必要时进行修改，直到瞒足设计要求为止。2.1入土深度确定原则2.1.1H型钢入土深度的确定基坑的抗隆稳定性和围护墙的内力、变位允许值、型钢的顺利拔出等条件，决定着H型钢的入土深度（DH）。一般情况下，在进行围护墙内力、变位和基坑抗隆稳定分析时，围护墙结构的深度以计算到型钢底端为原则。2.1.2水泥土桩的入土深度水泥土桩的入土深度（DC）主要由三个方面决定即：确保坑内降水不影响到基坑以外环境；防止管涌发生；防止底鼓发生。所以一般情况，水泥土桩的入土深度（DC）要大于或等于H型钢的入土深度（DH）。2.2墙体滑动稳定性验算墙体滑动稳定性验算应满足（1）式Kh=(μw+EP)/EA1.3（1）式中Kh-------抗滑稳定安全系数；w--------墙体自重（KN/m）；μ---------基底摩擦系数；EP-------被动土压力（KN/m）；EA-------主动土压力（KN/m）；2.3墙体倾覆稳定性验算墙体倾覆稳定性验算满足（2）式Kq=(wb+EPhP)/EAhA1.5（2）式中Kq-----抗倾覆稳定安全系数；b、hP、hA------分别是w、EP、EA对墙趾A的力臂（m）；2.4墙身应力验算2.4.1水泥土强度设计影响水泥土强度的因素很多，如固化剂、外掺剂、水灰比等。1）固化剂制备水泥土的固化剂可用不同品种（普通硅酸盐、矿渣、火山灰及其它品种水泥等）、不同标号的水泥。水泥掺入比可根据要求选用5、7、10、15、20%等。水泥掺入比aω%是指掺入的水泥重量与被加固的软土重量之比。水泥土强度在水泥品种、地层条件一定的条件下，其强度随水泥掺入量的增加而增加，一般为10～20%。强度应满足(3、4)式：fc=qu28/2（3）τs=qu28/6（4）式中fc------水泥土设计抗压强度(kPa)；τs------水泥土设计抗剪强度(kPa)；qu28----28d标准强度(kPa)；2）外掺剂为改善水泥土的性能和强度，可选用木质素磺酸钙、石膏、三乙醇胺、氯化钠等外加剂。木质素磺酸钙对水泥强度影响不大，主要是起减水作用，掺入量一般为水泥用量的0.2%左右。石膏、三乙醇胺对水泥土有增强作用，掺入量一般为水泥用量的2%左右。另外，还可掺入不同比例的粉煤灰，不同水泥掺入比的水泥土当掺入与水泥等量的粉煤灰后，其强度比不掺入粉煤灰的提高10%左右。因此，适当掺入粉煤灰，不仅可消耗工业废料，还可提高水泥体强度。3）水灰比水灰比即水的用量与水泥用量的比值。一般情况下，单纯加固地基时水灰比一般为0.5～0.6；作为围护挡墙时水灰比一般为1.5～2.0。2.4.2墙身材料应力验算！）型钢“满堂”布置仅需验算型钢翼边缘的水泥土抗剪强度，取深度方向1m为计算单元，见图1。水泥土剪力Ql=ql2/2（5）水泥土剪应力τ=Ql/de1≤τs（6）式中Ql-----水泥土所受剪力（KN/m）；l2------图1中所示宽度（m）；q------水泥土侧压力（KN/m2）；τ------水泥土所受剪应力（kPa）；de1-------墙体有效厚度（m）；τs--------水泥土设计抗剪强度（kPa）；2）型钢间隔布置除上述断面验算外，还要进行水泥土搭接处的抗剪强度校核见图2。τ=Q2/Ae=ql3/de2≤τs（7）式中τ------水泥土所受剪应力（kPa）；Q2----水泥土所受剪力（KN/m）；L3------图2中所示宽度（m）；de2-------水泥土搭接处厚度（m）；τs--------水泥土设计抗剪强度（kPa）；另外，在侧压作用下，在水泥土内形成一抛物线承载拱，要验算拱的轴力强度（见图2），以满足强度和抗渗要求。N=ql2/2（8）σ=N/A=ql2/Bf≤fc（9）式中N------型钢翼缘受到承载拱的压缩力（KN/m）；q------水泥土侧压力（KN/m2）；l2------图2中所示宽度（m）；σ---所验算的截面处的法向应力（kPa）；Bf------为型钢翼宽（m）；fc------水泥土设计抗压强度（kPa）；qlQqB/2N2l2l3fde2de11Q1Q2图1“满堂”截面剪力图2“间隔”截面剪力2.5型钢抗拔验算当基坑开挖深度小于10m时，设计中要考虑H型钢的完整回收,因此，应按照（10）式计算型钢起拔力。Pm≈2μfAcAc=SHlH(10)式中Pm-----H型钢起拔力(KN)；μf------H型钢与水泥土之间的单位面积静摩擦阻力，当涂有减摩剂时，平均取40kPa；Ac-----H型钢与水泥土之间的接触表面积(m2)；SH----H型钢截面周长（m）；lH----H型钢在水泥土搅拌桩中的总长（m）；为保证H型钢拔出后能重复使用，则起拔力应满足式（11）的要求。[P]=0.7σSAcPm[P]（11）式中[P]-----H型钢允许拉力(KN)；σS-----H型钢屈服极限（kPa）；Ac-----H型钢与水泥土之间的接触表面积(m2)；Pm-----H型钢起拔力(KN)；3工程实例3.1工程概况唐海县万隆基坑围护工程其基坑平面呈长方形，长边89.45m，短边52.56m，基坑面积4700m2。本工程整平后自然地面标高-0.89m，基坑开挖最深7.36m，坑底标高-6.80~-8.15m。地下水埋深1.8m，地层岩性见表1。地层岩性一表表1编号地层岩性层厚(m)层顶标高(m)湿度状态密实度压缩性土层描述①填土1.17~1.39-0.59~-1.29湿松散高上部以杂填土为主；下部为灰黄色粉土，含碎砖石等建筑垃圾。②淤泥质粉质粘土4.36~4.65-1.98~-2.46饱和软塑高深灰色，有腥臭味，含少量有机物。韧性中等，干强度中等，稍有光泽，局部夹粉砂薄层。③粉质粘土3.12~5.49-6.34~-7.11湿可塑中等~高褐黄色，韧性中等，干强度中等，间夹粉土及粉砂薄层，含铁质锈染。④粉土5.22~5.68-9.46~-10.14饱和中密中等灰色，夹薄层粉砂，切面粗糙，韧性中等，干强度中等，摇振反应迅速。⑤粉质粘土2.12~3.63-15.14~-15.36湿可塑中等褐灰色，韧性中等，干强度中等，间夹粉砂薄层。⑥细砂-17.48~-18.77饱和密实灰色，长石石英质，亚圆形，级配性差。局部与粉砂互层。3.2基坑围护设计由于SMW工法影响范围内地层的主要岩性为粉质粘土、粉土、淤泥质粘土和粉土，具有软塑、饱和和中-高压缩性。故围护结构采用Φ850SMW工法桩围护（工法搅拌桩28天龄期无侧限抗压强度qu不小于1.0Mpa），内插H700×300×13×24型钢。设计桩长15米，H型钢长度15m，进入⑤层粉质粘土0.5m。H型钢采用隔1插1插法，详见图3。图3SMW平面样图支撑：设计断面尺寸为1100×700mm的顶圈梁，砼标号C30，主筋20Φ25，圈梁上设一道φ609×17钢管支撑；转角处设置混凝土角撑；另8道斜撑；8道对撑。并设8根钢立柱（基坑长边每隔10m一道），采用Φ850SMW工法施工，内插H400×400×13×21型钢，每根支撑需施加预应力510kN。3.3施工方法及质量控制3.3.1工艺流程SMW工法施工工艺流程图3.3.2搅拌桩施工（1）测量放样：根据图纸和业主提供的的坐标基准点，利用全站仪精确放出维护中心线、桩位。桩位放样误差小于2cm。（2）桩机就位：开钻前，应将钻机调平、调直，并保持好钻机的稳定性，其钻机水平度。钻机就位偏差不大于.3cm。在开挖的工作沟槽外侧，铺设导向定位型钢，按设计要求，在导线定位型钢或定位辅助线标出钻孔位置和H型钢的插入位置。（3）制备水泥浆液：采用Po.32.5普通硅酸盐水泥，水泥掺入量为20%；水灰比为1.5-2.0；外掺剂采用木质素磺酸钙，掺入量为水泥用量的0.2%，石膏掺入量为水泥用量的2%左右；准备、开挖沟槽SMW钻机就位搅拌、成桩设置定位架插入H型钢土层开挖浇注底板、侧壁拔出型钢、回收SMW钻机移位浆液制作H型钢加工H型钢涂隔离材料渣土处理进入下一循环进入下一循环水泥浆液应严格按预定配合比制作，并设置计量装置。为防止灰浆离析，放浆前必须搅拌30秒再倒入存浆桶。(4）搅拌、注浆本工程采用挤压式单孔全套复搅连接方式进行施工，图4中阴影部分为重复套钻，以确保墙体的连续性和接头的施工质量。13524图4围护桩施工顺序图施工过程中严格遵守“四搅两喷”的原则，即下沉预搅、提升搅拌喷浆、下沉复搅、提升搅拌喷浆。下沉速度控制在0.5~0.8m/min之间，提升速度不大0.5m/min，旋转速度不小于44r/min。送浆量与搅拌桩机的下沉与提升速度要相匹配，确保水泥掺量的均匀性。注浆压力为0.5～0.8Mpa，在桩底部分适当持续搅拌注浆，并做好每次成桩的原始记录。发生管道堵塞，应立即停泵处理。为防断桩待，处理结束后立即上提和下沉搅拌钻具1.0m左右，方能继续注浆，。（5）施工冷缝处理：相邻两桩施工间隔不超过12小时。施工过程中一旦出现冷缝则应在冷缝处围护桩的外侧进行补桩。补桩须在围护桩达到一定强度后方可进行，以防止偏钻，保证补桩效果。补桩与围护桩搭接厚度约10cm，见图5。图5补桩与围护桩搭接示意图阴影部分为24小时以前施工的SMW搅拌桩3.3.3型钢的制作及插入(1)H型钢使用前，在距型钢顶端200mm处开一个中心圆孔，孔径约4cm，并在此处型钢两面加焊厚≥12mm的加强板，中心开孔与型钢上孔对齐。(2)若所需H型钢长度不够，需进行拚焊，焊缝应为坡口满焊，焊好后用砂轮打磨焊缝至与型钢面一样平，型钢平整度应在1%以内。(3)根据甲方提供的高程控制点，用水准仪引放到定位型钢上，根据定位型钢与H型钢顶标高的高度差确定吊筋长度，在型钢两腹板外侧焊好吊筋（≥Φ12线材），误差控制在±5cm以内。(4)装好吊具和固定钩，然后用汽吊