SMW工法在城市水利工程中的應(yīng)用

余敏林

(寧波弘正工程咨詢有限公司，浙江 寧波 315192)

傳統(tǒng)水利工程一般位于鄉(xiāng)村郊外等開闊地帶，受周邊環(huán)境影響因素較小，基坑開挖大多采用放坡開挖方式。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平不斷提高，城市的發(fā)展必然對(duì)城市水利提出更新更高要求。然而位于城鎮(zhèn)地區(qū)的水利工程，周邊環(huán)境復(fù)雜(如交通道路、房屋建筑、地下管線等，且土地緊張)，放坡開挖的基坑開挖方式被限制，此時(shí)需要采用專門的支護(hù)處理措施。目前基坑支護(hù)中，鋼板樁、鋼筋混凝土灌注樁、水泥土重力式擋墻及地下連續(xù)墻等應(yīng)用較為普遍。鋼板樁一般用于淺基坑，施工靈活方便，樁體可循環(huán)利用，但是整體剛度較低，水平位移較大；鋼筋混凝土灌注樁密排布置成墻結(jié)構(gòu)，整體剛度大，支護(hù)效果較好，但樁基間隙會(huì)成為滲漏通道，因此，需專門布置截水帷幕，造價(jià)較高；當(dāng)坑底存在較厚的淤泥層時(shí)，也不宜采用灌注樁+錨索方案[1]；地下連續(xù)墻強(qiáng)度、剛度大，技術(shù)成熟，安全可靠，但施工工藝復(fù)雜，投資高，且對(duì)周圍環(huán)境影響大；水泥土重力式擋墻有良好的抗?jié)B性能，但抗彎性能差，厚度大，占地多，適用于淺基坑。SMW工法源于美國(guó)而成熟于日本[2]，20世紀(jì)80年代引入我國(guó)。SMW工法施工不會(huì)擾動(dòng)臨近土體，止水可靠[3]，施工方便，結(jié)合了不同結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，具備常規(guī)支護(hù)結(jié)構(gòu)不具備的優(yōu)點(diǎn)[4]，在上海、江蘇、浙江、天津、北京等地區(qū)得到廣泛應(yīng)用[5]。

1 SMW工法簡(jiǎn)介

SMW工法是在壁狀水泥土中插入勁性芯材，形成勁性水泥土壁式擋墻的支護(hù)結(jié)構(gòu)，兼具止水和支護(hù)的雙重功能。該結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便、占地少、工期短、造價(jià)低、適用土質(zhì)范圍廣、對(duì)周圍環(huán)境影響小、基本無(wú)泥漿污染，因此，在工程中應(yīng)用日益普遍。SMW工法中壁狀水泥土多為三軸水泥攪拌樁，按照套接一孔的順序施工，常用的單樁直徑有650 mm、850 mm和1 000 mm 3種[2]。勁性芯材多為型鋼，勁性水泥土壁式擋墻中型鋼的布置常用的形式有全插和間插2種(如圖1～3所示)。

在SMW工法中，由型鋼和水泥土共同承擔(dān)土壓力和水壓力及其他附加荷載，日本材料協(xié)會(huì)通過(guò)試驗(yàn)得出，SMW工法的抗彎剛度是單排型鋼單獨(dú)作用時(shí)的1.2倍，而且阻撓作用效果明顯。但設(shè)計(jì)時(shí)，一般考慮水泥土只起止水帷幕作用，而荷載單獨(dú)由型鋼承擔(dān)，將水泥土的承載力作為安全儲(chǔ)備[6]。SMW工法還有一大優(yōu)勢(shì)就是勁性芯材可以回收利用，一般來(lái)說(shuō)，勁性芯材的工程費(fèi)用可以占到基坑總費(fèi)用的40%～50%，因此回收芯材不僅節(jié)省材料，而且可以有效降低成本[4]。

圖1 全插型示意

圖2 插一跳一型示意

圖3 插二跳一型示意

在SMW工法的實(shí)際運(yùn)用中，往往芯材型鋼和水泥土的入土深度是不一致的，型鋼的入土深度主要由基坑的抗隆起穩(wěn)定性和整體變形確定，同時(shí)還需考慮型鋼是否能夠順利拔出回收利用，而水泥土的入土深度主要考慮防滲、坑底底鼓隆起影響等。另外，一般情況下，SMW工法與被動(dòng)區(qū)水泥土加固聯(lián)合使用也較為普遍，這是因?yàn)楸粍?dòng)區(qū)土體加固對(duì)抑制基坑塑性區(qū)的發(fā)展有一定的作用，對(duì)基坑抗隆起、控制位移有良好作用，常用的被動(dòng)區(qū)加固形式有裙邊加固、抽條加固、滿堂加固等[7]。

2 承載力復(fù)核

SMW工法計(jì)算中，除了復(fù)核一般性的項(xiàng)目，如位移、抗傾覆、整體穩(wěn)定等之外，還應(yīng)復(fù)核型鋼的強(qiáng)度和水泥土的強(qiáng)度。雖然SMW工法只考慮型鋼單獨(dú)承擔(dān)荷載作用，水泥土的承載力作為安全儲(chǔ)備，但是在復(fù)核承載力時(shí)，應(yīng)同時(shí)復(fù)核型鋼和水泥土的承載力，因?yàn)橹豢紤]型鋼的承載作用，并不能認(rèn)為水泥土在實(shí)際工作中未受到任何荷載作用，因此水泥土的承載力復(fù)核不可忽視。在承載力復(fù)核時(shí)，應(yīng)考慮的有型鋼的抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和水泥土的抗剪強(qiáng)度。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形以及各項(xiàng)穩(wěn)定性分析時(shí)，墻深以型鋼底端為準(zhǔn)，不計(jì)算未插入型鋼的水泥土墻體作用[6]。

1) 型鋼承載力

型鋼承載力復(fù)核主要包括抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度復(fù)核，應(yīng)符合式(1)(2)的要求。

(1)

式中γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；Mk為作用于型鋼的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值,N·mm；W為型鋼沿彎矩作用方向的截面模量,mm3；fM為型鋼抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2。

(2)

式中QK為作用于型鋼的剪力標(biāo)準(zhǔn)值,N；S為計(jì)算剪力處的面積矩,mm3；I為型鋼沿彎矩作用方向的截面慣性矩,mm4；h為型鋼腹板厚度,mm；fV為型鋼抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2。

2) 水泥土承載力

水泥土的承載力主要是抗剪承載力，包括型鋼與水泥土之間的錯(cuò)動(dòng)剪切承載力和水泥土最薄弱處的剪切承載力，剪切位置如圖4～5所示。

圖4 錯(cuò)動(dòng)剪切示意

圖5 最薄弱處剪切

水泥土的抗剪承載力應(yīng)符合式(3)(4)(5)的要求。

(4)

式中τ1為作用于錯(cuò)動(dòng)處的剪應(yīng)力設(shè)計(jì)值,N/mm2；Q1為作用于錯(cuò)動(dòng)處單位深度范圍內(nèi)的剪力標(biāo)準(zhǔn)值,N/mm；qk為作用于錯(cuò)動(dòng)處側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值,N/mm2；L1為相鄰型鋼翼緣凈距,mm；d1為翼緣處水泥土的有效厚度,mm；τ1為水泥土抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2；τc為水泥土抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,N/mm2。

(5)

式中各符號(hào)的含義可參考錯(cuò)動(dòng)剪切公式。

3 型鋼回收

勁性水泥土壁式擋墻中的型鋼可以回收，除環(huán)境條件有特殊要求外，一般予以回收，節(jié)省成本。通常在型鋼插入前，型鋼表面干燥除銹后在其表面涂刷減摩材料以減少拔出時(shí)的摩阻力[8]。型鋼的拔出力Pm可認(rèn)為主要由靜摩阻力Pf和變形阻力Pd以及型鋼自重G組成[9]。有關(guān)文獻(xiàn)表明，型鋼自重一般相對(duì)于拔出力是非常小的，可忽略不計(jì)，而當(dāng)型鋼變位率不高于0.5%時(shí)[10]，變形阻力接近于靜摩阻力，則可認(rèn)為有：

Pm=2Pf=2μSH

(6)

式中μ為型鋼與水泥土間的單位摩阻力，MPa，可取0.04 MPa；S為型鋼周長(zhǎng)，mm；H為水泥土中型鋼的長(zhǎng)度，m。

型鋼的回收不僅要考慮拔出力，還應(yīng)該考慮型鋼的可拔性，型鋼拔出后要能重復(fù)利用而不損壞，則要求拔出力應(yīng)小于型鋼的允許拉力[11]。型鋼允許拉力可按式(7)計(jì)算：

[P]=0.7σsA

(7)

式中σs為型鋼屈服強(qiáng)度，N/mm2；A為型鋼截面積，mm2。

4 工程案例

4.1工程概況及地質(zhì)情況

某節(jié)制閘位于浙江省寧波市江北區(qū)境內(nèi)，水閘規(guī)模為3孔×2.8 m，總凈寬為8.4 m，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇，是江北區(qū)重點(diǎn)水利工程的組成部分。水閘主要由鋪蓋、翼墻、閘室、護(hù)坦等組成，地基處理方面，閘室段采用Ф600 mm灌注樁，上下游翼墻采用250 mm×250 mmC30靜壓鋼筋砼預(yù)制樁(L=6 m)。

擬建水閘處，自上而下地址土層依次為1-1層素填土、1-2層粘土、2-1層淤泥質(zhì)粘土、3層粉質(zhì)粘土、4-1層淤泥質(zhì)粘土。閘基位于2-1層淤泥質(zhì)粘土上，2-1層含云母及少量貝殼碎屑，土質(zhì)不均勻，均屬含水量高、壓縮性高、靈敏度高、土性強(qiáng)度低，土的力學(xué)性能差。各土層物理參數(shù)建議值見表1所示。

表1 土層物理參數(shù)建議值

4.2基坑方案設(shè)計(jì)

節(jié)制閘位于寧波市江北區(qū)，周邊環(huán)境復(fù)雜。閘室上游10 m處為交通干道橋梁，左側(cè)5 m處為工廠進(jìn)廠道路，右側(cè)30 m處為居民樓，且居民樓邊還有8 m寬綠化，水閘右側(cè)可利用空間實(shí)際只有22 m?；幼畲箝_挖深度約5.5 m，根據(jù)浙江省《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》(DB33/T 1096—2014)，本工程基坑屬于二級(jí)基坑。若基坑直接采用放坡開挖方式，由于作業(yè)面限制，坡比不足以滿足基坑穩(wěn)定要求，且可能會(huì)對(duì)周邊建筑物造成不利影響；若采用鉆孔灌注樁加支撐的方式，一則場(chǎng)地空間有限，泥漿池?zé)o法布置，且容易產(chǎn)生泥漿污染，二則由于灌注樁數(shù)量多，容易產(chǎn)生擾民噪音；若采用鋼板樁加支撐的方式，由于基坑較深，鋼板樁容易變形，對(duì)周邊安全影響較大，且樁間易形成滲漏通道；若采用水泥土重力式圍護(hù)墻的支護(hù)方案，經(jīng)計(jì)算為滿足自身強(qiáng)度及基坑整體穩(wěn)定要求，水泥土寬度約為4 m，長(zhǎng)度超過(guò)20 m，根據(jù)本地工程經(jīng)驗(yàn)，水泥攪拌樁有效樁長(zhǎng)約為15 m，超過(guò)15 m部分強(qiáng)度及質(zhì)量難以保證，因此，本工程不推薦采用此工法，僅用于坑內(nèi)軟土加固。通過(guò)以上比較，本工程可采用SMW工法加一道鋼支撐的支護(hù)方案。本工程基坑長(zhǎng)為29.15 m，最大寬度為20.15 m，最大挖深為5.5 m。SMW工法采用三軸水泥攪拌樁為Φ650，水泥摻量為20%，水灰比為1.8。內(nèi)插H型鋼規(guī)格為500 mm×200 mm×10 mm×16 mm，采用插二跳一型布置，型鋼中心間距為450 mm?；拥撞坑倌噘|(zhì)土采用Φ650三軸水泥攪拌樁裙邊加固以減少支護(hù)結(jié)構(gòu)位移，防止坑底土隆起量過(guò)大[12]，本基坑加固寬度為2.9 m，深度為3 m。基坑周邊高程約3.00 m(1985高程基準(zhǔn)，余同)，冠梁頂高程為2.50 m，樁底高程為 -13.10 m，型鋼頂部高出冠梁為0.5 m以便于鋼材拔出，型鋼底高程為-12.6 m。基坑圍護(hù)平面和剖面示意見圖6～7。

圖6 基坑平面布置示意(單位：高程m，尺寸mm)

圖7 基坑結(jié)構(gòu)剖面示意(單位：高程m，尺寸mm)

關(guān)于基坑加固土粘聚力和內(nèi)摩擦角取值問(wèn)題，可認(rèn)為加固區(qū)土體的內(nèi)摩擦角于原狀土相同，將加固后增加的摩擦角部分作為安全儲(chǔ)備，而粘聚力可采用如下公式推導(dǎo)[6]：

c=0.25quIr+c′(1-Ir)

(8)

式中qu為水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，Ir為加固率，c′為原狀土的粘聚力。

本工程基坑底部被動(dòng)區(qū)土體采用Φ650三軸水泥攪拌樁裙邊加固，樁位布置形式如圖8所示，根據(jù)樁位布置算得加固率Ir=83.8%。根據(jù)文獻(xiàn)[13]，5 m內(nèi)水泥攪拌樁90 d齡期樁身強(qiáng)度不小于 1 000 kPa，本工程取qu=1 000 kPa，由式(8)計(jì)算基坑加固區(qū)土的粘聚力c值為211.8 kPa(2-1土層)和211.4 kPa(2-2土層)。

圖8 基坑加固樁位布置示意(單位：mm)

4.3 穩(wěn)定分析

圖9 基坑支護(hù)位移示意

4.4 承載力分析

SMW工法支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析主要為型鋼承載力和水泥土承載力復(fù)核分析，型鋼為抗彎和抗剪強(qiáng)度復(fù)核，水泥土為型鋼與水泥土之間的錯(cuò)動(dòng)剪切承載力和水泥土最薄弱處的剪切承載力復(fù)核。

型鋼抗彎強(qiáng)度復(fù)核根據(jù)式(1)：

型鋼抗剪強(qiáng)度復(fù)核根據(jù)式(2)：

水泥土的錯(cuò)動(dòng)剪切承載力復(fù)核根據(jù)式(3)：

水泥土最薄弱處剪切復(fù)核根據(jù)式(5)：

根據(jù)計(jì)算，型鋼承載力和水泥土承載力都能滿足要求。

4.5 型鋼回收

型鋼的回收主要考慮型鋼拔出力以及不損壞型鋼(使其處以彈性狀態(tài))，本工程基坑支護(hù)中型鋼的拔出力根據(jù)式(6)：

Pm=2×0.03×1 645.66×13.5=1 777.3 kN。

型鋼的允許拉力根據(jù)式(7)：

[P]=0.7×235×114.2/10=1 878.6 kN>Pm。

根據(jù)計(jì)算，本工程型鋼拔出力小于型鋼允許拉力，滿足拔出要求，理論上型鋼可正常拔出。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在已有基坑支護(hù)理論基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算分析SMW工法在水閘基坑支護(hù)中的應(yīng)用，并結(jié)合實(shí)際施工反饋，得出以下主要結(jié)論：

1) SMW工法在本工程應(yīng)用成功，對(duì)周圍環(huán)境影響小，基坑穩(wěn)定性得以保證，基坑變形控制適宜，達(dá)到預(yù)期效果，取得了較好的成果。

2) 基坑底部被動(dòng)土加固與基坑支護(hù)的聯(lián)合運(yùn)用，對(duì)坑底軟土抗隆起作用較大，實(shí)際工程中應(yīng)重視坑底土加固問(wèn)題，并合理選取加固土的計(jì)算參數(shù)。

3) 型鋼回收重復(fù)利用可節(jié)省工程投資，但應(yīng)注意控制型鋼變位率，并在型鋼表面涂刷減摩材料，利于型鋼拔出。