淺談SMW工法樁在深基坑支護中的應(yīng)用

劉朝輝

[摘要]本文通過與鉆孔樁、地下連續(xù)墻、鋼板樁等支護方式的對比，指出了SMW工法在深基坑支護工作中的優(yōu)越性，并在此基礎(chǔ)上分析了SMW工法的受力與變形機理，闡明了SMW工法設(shè)計與施工方法，并且結(jié)合工程實例提出了SMW工法中存在的問題，希望給SMW工法在深基坑支護中的研究及應(yīng)用提供一些有益參考。

[關(guān)鍵詞]深基坑支護 SMW工法 設(shè)計 施工

[中圖分類號]TD352 [文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2015）-3-232-4

1前言

1.1 SMW工法發(fā)展概況

SMW是Soil Mixing Wall的縮寫，1976年由日本首創(chuàng)，上世紀90年代我國從日本引進，并于1994年成功應(yīng)用于上海靜安寺環(huán)球商場基坑工程，是一種采用就地攪拌水泥土形成連續(xù)的墻體然后內(nèi)插型鋼的柔性支護結(jié)構(gòu)。目前該技術(shù)已在上海、天津等軟土地區(qū)得到較廣泛的應(yīng)用，由于其防滲性能好、施工噪音低、對環(huán)境污染小，國內(nèi)越來越多的地區(qū)也開始采用該技術(shù)。

1.2 SMW工法與其它支護結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點對比分析

目前，常用的深基坑支護方式主要有以下幾種：鉆孔灌注樁法、地下連續(xù)墻法、鋼板樁法、SMW工法樁。

1.2.1鉆孔灌注樁法

鉆孔灌注樁法是一種最常見的深基坑支護方式，其適應(yīng)性強，可用于不同深度，不同土質(zhì)條件的基坑支護。其樁體剛度大，相對變形較小，且變形容易控制，施工工藝裝簡單。但鉆孔灌注樁法止水性能差，通常必須另外設(shè)置止水圍幕，因此，該方法施工速度較慢。

1.2.2地下連續(xù)墻法

地下連續(xù)墻法在超深基坑中應(yīng)用較多，其剛度大，可以很好地保護周邊的建筑物及管線，同時具有良好的止水性能，但其造價高，施工速度慢，占用施工場地大，泥漿排放多，當(dāng)利用地下連續(xù)墻作為地下室結(jié)構(gòu)外墻時，可大大降低工程造價。

1.2.3鋼板樁法

鋼板樁法是一種柔性支護施工，適用于開挖深度不大（一般不超過7m）的基坑，施工靈活速度快，同時具有擋土和止水作用。由于鋼板樁打樁、拔樁時，施工噪音大、振動大、對土體擾動大，加上鋼板樁是柔性結(jié)構(gòu)，施工時產(chǎn)生較大的變形。因此施工時造成周圍地表、建筑物及地下管線設(shè)施較大的沉降和變形?；娱_挖、施工時，鋼板樁圍護結(jié)構(gòu)其內(nèi)支撐多，也給基坑開挖、施工帶來了一定的困難。

1.2.4 SMW工法

SMW工法是近年發(fā)展起來的一種新工法，施工速度快，止水效果好，施工質(zhì)量和止水效果較容易控制，施工占用場地小，同時內(nèi)插型鋼可回收重復(fù)利用，造價較低，且施工噪音小，對周圍環(huán)境的影響小，施工過程中幾乎不產(chǎn)生剩余的泥漿，是一種環(huán)保型的施工工藝。

2 SMW工法樁的設(shè)計

2.1 設(shè)計原則及力學(xué)模型

SMW工法是以內(nèi)插型鋼為主要受力構(gòu)件，三軸水泥土攪拌樁作為止水帷幕的復(fù)合支護結(jié)構(gòu)。其力學(xué)計算一般采用彈性支點法，見圖1。

根據(jù)力學(xué)計算模型，可計算支護結(jié)構(gòu)彎矩與剪力，設(shè)計時按不利條件考慮可取各自的包包絡(luò)值。

2.2樁徑選擇及樁體與型鋼布置形式

2.2.1樁徑確定

通常三軸水泥土攪拌樁樁徑可選用650mm、850mm、1000mm三種，在常規(guī)支撐條件下，攪拌樁直徑為650mm型鋼水泥土墻適用開挖深度不宜大于8m，攪拌樁直徑為850mm型鋼水泥土墻適用開挖深度不宜大于11.0m，攪拌樁直徑為1000mm型鋼水泥土墻適用開挖深度不宜大于13.0m，當(dāng)增加支撐數(shù)量時，可加大開挖深度。

2.2.2樁體與型鋼的布置

型鋼水泥土攪拌墻中樁體與型鋼布置形式應(yīng)根據(jù)計算確定，水泥土攪拌樁可采用單排和雙排布置，型鋼可采用密插型、隔一插一型、隔一插二型，具體布置方式詳見圖2。

2.3樁體材料用量及水灰比的確定

水泥用量、水灰比直接關(guān)系到三軸水泥土攪拌樁的樁身強度，同時不同土質(zhì)對三軸水泥土攪拌樁樁身強度影響也相當(dāng)明顯。水泥漿的水灰比和注入量對水泥土強度具有決定作用。水灰比不僅影響水泥土的強度，對泵的輸送能力、混拌的均勻性、和易性等都有影響。一般情況下，水灰比越小樁身強度越大。由于和易性要求，水灰比不應(yīng)過小，通常SMW工法中水灰比一般取1.2～2.0。在一定范圍內(nèi)水泥摻量越大樁身強度越大，通常通常SMW工法中水泥摻量約為20%。初步設(shè)計時樁體材料用量及水灰比可按表1確定。

2.4型鋼水泥土攪拌樁墻計算剛度的確定

型鋼水泥土攪拌樁墻的剛度取決于型鋼本身的剛度、三軸攪拌樁樁體的剛度以及水泥土與型鋼的粘結(jié)強度等因素。試驗表明，水泥土對型鋼的包裹作用提高了型鋼水泥土組合體的剛度，可起到減少位移的作用。同時，水泥土起到套箍作用，可以防止型鋼失穩(wěn)，也起到了提高型鋼水泥土組合體剛度的作用。

日本材料協(xié)會曾進行過H型鋼與水泥土共同作用的試驗研究。試件在現(xiàn)場養(yǎng)護70 d 后進行壓彎試驗，在其它條件相同情況下對H型鋼進行壓彎試驗，結(jié)果見圖3。

圖3反映了撓度與荷載的關(guān)系，型鋼水泥土墻組合體在荷載相同時撓度比不考慮水泥土作用時的型鋼減小約20%，即在相同條件下考慮水泥土墻作用時型鋼水泥土墻組合體的剛度可比不考慮考慮水泥土墻作用型鋼的剛度提高20%。目前，由于試驗數(shù)據(jù)與工程實際存在差別、水泥參量的不同、地層條件的差異，準確地確定型鋼水泥土攪拌樁墻的剛度還存在一定的困難。因此，設(shè)計時只考慮型鋼的作用，不考慮水泥土攪拌樁墻的作用，而水泥土攪拌樁墻僅作為安全儲備。

計算時通常將SMW樁墻折算為等厚度地下連續(xù)墻，設(shè)型鋼寬度為w，凈距為t，若不考慮型鋼的剛度提高系數(shù)，擋墻剛度僅考慮型鋼剛度，則每根型鋼應(yīng)等效為寬度為w+t，厚度為h的混凝土地下連續(xù)墻。按兩者剛度相等可得：

式中Es、Is--型鋼彈性模量和慣性矩；Es--混凝土彈性模量

2.5內(nèi)力與位移計算

根據(jù)上述推導(dǎo)可知SMW的受力及變形計算就可以完全等價為等代厚度的地下連續(xù)墻的受力及變形計算?？梢园春穸葹閔的混凝土地下連續(xù)墻計算出每延米墻體的內(nèi)力與位移M、Q、U.（按彈性支點法計算）。然后可換算得每根型鋼承受的內(nèi)力及位移Mp、Qp、Up：

2.6水泥土攪拌樁長及型鋼插入深度的確定

水泥土攪拌樁長應(yīng)型鋼插入深度應(yīng)滿足型鋼插入深度的要求，一般情況下水泥土攪拌樁入土深度應(yīng)比型鋼入土深度深0.5m～1.0m，同時水泥土攪拌入土深度還必須滿足基坑滲穩(wěn)定性要求。

型鋼插入深度必須滿足整體穩(wěn)定性要求、抗傾覆穩(wěn)定性要求以及坑底抗隆起穩(wěn)定性要求，其中整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性計算按彈性支點法考慮，坑底抗隆起穩(wěn)定性目前常用地基極限承載力的Prandtl極限平衡理論公式，詳見式2.6-1。

式中：K--抗隆安全系數(shù)；γm1、γm2--分別為基坑外、基坑內(nèi)型鋼底面以上的天然重度；ld—型鋼的嵌固深度；h—基坑深度；q0—地面均布荷載；Nc、Nq—承載力系數(shù)；c—型鋼底面以下土的粘聚力。

計算時，對于安全等級為一級、二級、三級的基坑K分別取1.8、1.6、1.4，型鋼的插入深度取h+ld。

2.7型鋼強度驗算

由于型鋼水泥土攪拌樁墻承擔(dān)全部彎矩和剪力，必須對型鋼截面的應(yīng)力進行驗算，對抗彎和抗剪驗算應(yīng)分別滿足式2.7-1、2.7-2。

式中σ、τ—分別為型鋼計算正應(yīng)力和剪應(yīng)力；Mp、Qp –分別為計算截面的彎矩和剪力設(shè)計值；Mk、Qk –分別為計算截面的彎矩和剪力標(biāo)準值；γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；W、I—型鋼沿彎矩作用方向的截面模量和毛截面慣性矩；S—型鋼計算應(yīng)力處以上毛截面對中和軸的面積矩；tw—型鋼腹板厚度；f、fv—分別為型鋼抗彎強度設(shè)計值和抗剪強度設(shè)計值。

2.8水泥土強度驗算

SMW水泥土攪拌樁中水泥土主要是作為隔水帷幕，兼有提高復(fù)合圍護結(jié)構(gòu)剛度的作用，因此，在基坑外側(cè)水土壓力作用下，型鋼水泥土攪拌墻的素混凝土部分應(yīng)能承擔(dān)局部剪力作用，此局部剪力包括型鋼與水泥土之間的錯動受剪承載力和水泥土最薄弱截面處的局部受剪承載力。計算時將相鄰型鋼視為支點，簡化為平面問題處理。其受力分析見圖4。

設(shè)型鋼水泥土攪拌墻計算截面處的水土側(cè)壓力設(shè)計值為q，相鄰型鋼翼緣之間的凈距為L1，水泥土相鄰最薄弱最弱面的凈距為L2，型鋼翼緣處水泥土墻體有效厚度為d1，水泥土最薄弱截面處墻體的有效厚度為d2，作用于型鋼與水泥土之間單位深度范圍內(nèi)的錯動力剪力設(shè)計值為V1，作用于水泥土最薄弱面處單位深度范圍內(nèi)的剪力設(shè)計值V2，則相應(yīng)計算截面處剪應(yīng)力應(yīng)滿足：

3 SMW工法樁的施工

3.1施工前準備

（1）施工前應(yīng)針對基坑規(guī)模、工期要求、安全與環(huán)境保護要求，結(jié)合地質(zhì)條件、施工條件及周邊環(huán)境條件編制施工組織設(shè)計；

（2）按設(shè)計要求進行場地平整，并清除障礙物；

（3）根據(jù)型鋼水泥土攪拌墻的軸線開挖導(dǎo)向溝槽，并在溝槽邊設(shè)置攪拌樁定位型鋼，同時在定位型鋼上標(biāo)出攪拌樁和型鋼的插入位置。

（4）機械設(shè)備安裝及調(diào)試。

3.2施工工藝及技術(shù)要求

SMW工法施工工藝見圖5。

3.2.1導(dǎo)槽開挖

根據(jù)型鋼水泥土攪拌墻軸線開挖溝槽，溝槽寬度根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)厚度確定，深度為0.6～1.0m。遇有地下障礙時，應(yīng)將地下障礙清除干凈，清除后應(yīng)進行回填壓實并重新開挖導(dǎo)槽。

3.2.2水泥漿制備

水泥漿液應(yīng)按設(shè)計配比拌制，水泥漿液的配比可根據(jù)施工現(xiàn)場實際加入外加劑，各種外加（如早強劑、減水劑）的摻量應(yīng)通過現(xiàn)場試驗確定。

3.2.3混合攪拌

根據(jù)設(shè)計要求，鉆機在鉆進和提升全過程中應(yīng)保持螺桿勻速轉(zhuǎn)動，勻速下鉆，勻速提升，一般情況下根據(jù)不同的土質(zhì)條件可按表2確定提升和下鉆速度。

3.2.4 SMW工法樁施工順序

三軸水泥土攪拌樁施工順序一般跳打方式、單側(cè)擠壓方式和先行鉆孔套打方式。跳打方式和單側(cè)擠壓方式適用于標(biāo)準貫入錘擊數(shù)小于30的土層，先行鉆孔套打方式適用于標(biāo)準貫入錘擊數(shù)大于30的土層，施工前應(yīng)先行鉆孔，然后按跳打方式和單側(cè)擠壓方式完成攪拌施工。跳打方式和單側(cè)擠壓方式施工順序見圖6。

3.2.5 H型鋼制作、插入及回收

H型鋼制作必須平整，不得發(fā)生彎曲、平面扭曲變形，以保證其順利插拔?；厥兆冃蔚腍型鋼必須經(jīng)調(diào)整校正后方可投入使用。

H型鋼插入前，應(yīng)在H型鋼上涂上一層隔離減摩材料。隔離減摩材料早期應(yīng)與水泥土有較好的粘接握裹力，提高復(fù)合作用，后期粘接握裹力降低或起拔時被剪切破壞，使起拔阻力降低，以利于H型鋼的拔出。

H型鋼在地下結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后，采用專用機械從水泥土攪拌樁體中拔出。H型鋼拔除后，應(yīng)立即采取黃砂回填密實或壓密注漿等措施。

4工程實例

4.1工程概況

東風(fēng)雷諾汽車有限公司15萬輛乘用車建設(shè)項目位于武漢市漢陽區(qū)黃金口，其擬建的沖壓車間內(nèi)XL高速沖壓線設(shè)備地坑面積約為960m2，周長約260m，最大基坑開挖深度約7.90m。

4.2地層概況

工程位于長江中下游江漢平原，所處區(qū)域由于長期受到構(gòu)造剝蝕和河流沖刷沉積作用，形成了沖溝與壟崗相間的地貌形態(tài)。本區(qū)地貌單元屬漢江一級階地。與基坑有關(guān)的地層概述見表3。

4.3支護體系設(shè)計

綜合考慮安全、技術(shù)、經(jīng)濟、施工條件等因素，經(jīng)與鉆孔樁、地下連續(xù)墻、鋼板樁比選，最終采用放坡+SMW工法樁+一道鋼管內(nèi)支撐的復(fù)合支護體系。

4.3.1樁徑及截面形式

根據(jù)武漢地區(qū)經(jīng)驗及設(shè)備能力，采用直徑650mm，間距450mm三軸攪拌樁，內(nèi)插型鋼為H506×201×11×19，截面形式見圖7，經(jīng)同濟啟明星和理正深基坑軟件計算可滿足抗?jié)B穩(wěn)定及局部抗剪要求。

4.3.2型鋼嵌固深度

根據(jù)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，經(jīng)濟同濟啟明星和理正深基坑軟件計算型鋼須插入④-1粉細砂中才能同時滿足整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性以及坑底抗隆起穩(wěn)定性要求，最終型鋼嵌固深度為8m，入土深度約為14m。典型剖面見圖8。

4.3.3施工技術(shù)參數(shù)

（1）三軸水泥土攪拌樁采用PO42.5普通硅酸鹽水泥，水泥摻量為360kg/m3，水灰比1.5～1.8；

（2）攪拌樁入土深度比型鋼插入深度深1.0m，攪拌下沉速度宜控制在0.5m/min～lm/min，提升速度宜控制在1m/min～2m/min，并保持勻速下沉或提升。

（3）三軸攪拌樁體垂直度不大于1/200；

（4）內(nèi)支撐鋼管采用Φ609，壁厚12mm。

4.4基坑支護效果

經(jīng)同濟啟明星軟件計算，支護體系最大水平位移為22mm，現(xiàn)在監(jiān)測數(shù)據(jù)表明趨于穩(wěn)定的最大水平位移為16mm，與計算結(jié)果基本符合。

基坑支護效果見下圖9、圖10。

5結(jié)論及建議

SMW工法在該工程的成功應(yīng)用證明該工法作為一種新型環(huán)保的支持體系具有良好的發(fā)展，可以在今后的工程推廣應(yīng)用。同時也存在以下問題：

（1）支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算模型與實際受力不符。目前，設(shè)計計算時只考慮型鋼單獨受力，而忽略水泥土的受力，實際情況是型鋼與水泥土共同受力，因此，建立更合理的計算模型尚需作更深入研究；

（2）水泥土性能尚不明確。由于巖土條件的不確定性、水泥摻量的不同、外加擠的不同、養(yǎng)護條件不同導(dǎo)致水泥土水泥土性能千差萬別，因此還需對水泥性能作進一步的研究。

參考文獻

[1]王健.H型鋼-水泥土組合結(jié)構(gòu)實驗研究及SMW 工法的設(shè)計理論與計算方法【D】.上海：同濟大學(xué)，2012.

[2]史佩棟，張美珍.水泥土及加勁水泥土攪拌樁施工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀【J】.工業(yè)建筑，2011（2）：41--45.

[3]顧士坦等.SMW工法的研究進展.探礦工程.2006（8）.

[4]姜康峰.SMW工法在深基坑邊坡支護中的應(yīng)用.南京大學(xué).2005.