《挡土结构与基坑工程》第五章SMW围护结构的设计和施工培训T

挡土结构与基坑工程

木林隆博士岩土大楼820室65982005mulinlong@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围护护体体的的适适用用条条件件概述述3．当当施施工工场场地地狭狭小小或或距距离离用用地地红红线线、、建建筑筑物物等等较较近近时时，，采采用用钻钻孔孔灌灌注注桩桩＋＋截截水水帷帷幕幕等等围围护护方方案案常常常常不不具具备备足足够够的的施施工工空空间间，，而而型型钢钢水水泥泥土土搅搅拌拌墙墙只只需需在在三三轴轴水水泥泥土土搅搅拌拌桩桩中中内内插插型型钢钢，，所所需需施施工工空空间间仅仅为为三三轴轴水水泥泥搅搅桩桩的的厚厚度度和和施施工工机机械械必必要要的的操操作作空空间间，，具具有有较较明明显显的的优优势势；；4．与与地地下下连连续续墙墙、、钻钻孔孔灌灌注注桩桩相相比比，，型型钢钢水水泥泥土土搅搅拌拌墙墙的的刚刚度度较较低低；；5．当当基基坑坑周周边边环环境境对对地地下下水水位位变变化化较较为为敏敏感感，，搅搅拌拌桩桩桩桩身身范范围围内内大大部部分分为为砂砂（（粉粉））性性土土等等透透水水性性较较强强的的土土层层时时，，若若型型钢钢水水泥泥土土搅搅拌拌墙墙变变形形较较大大，，搅搅拌拌桩桩桩桩身身易易产产生生裂裂缝缝、、造造成成渗渗漏漏，，后后果果较较为为严严重重。。SMW围护体存存在的问问题概述1．目前前型钢水水泥土搅搅拌墙主主要应用用于沿海海软土地地区，并并积累了了一定的的经验；；2．一直直以来由由于对型型钢水泥泥土搅拌拌墙研究究重视不不够，缺缺乏有效效的科研研投入，，相关规规范规程程和理论论著作匮匮乏，在在一定程程度上制制约了其其工程应应用；3．型钢钢水泥土土搅拌墙墙设计计计算理论论还有待待进一步步完善，，特别是是在搅拌拌桩和型型钢协同同工作方方面，仍仍有许多多问题需需要进一一步深入入研究；；4．对型型钢水泥泥土搅拌拌墙的一一些设计计施工参参数还没没有统一一的标准准；5．目前前工程中中对搅拌拌桩强度度的争议议比较大大，各种种规范和和手册的的要求也也不统一一；6．在水水泥土搅搅拌桩的的强度检检测中，，几种方方法都存存在不同同程度的的缺陷，，试块试试验不能能真实地地反映桩桩身全断断面在土土中（水水下）的的强度值值；7．搅拌拌桩的施施工工艺艺有待进进一步完完善，施施工机械械有待进进一步改改进型钢与水水泥土相相互作用用研究现现状目前对水泥土土与型钢之间间黏接强度的的研究还不充充分，一般认认为水泥土与与型钢之间的的黏接是一种种柔性黏结，，其黏结强度度不能与混凝凝土与钢筋之之间的刚性黏黏结相比。因因此通常认为为水土侧压力力全部由型钢承承担，水泥土搅拌拌桩的主要作作用是抗渗截截水，但这并并不是意味着着水泥土搅拌拌桩对型钢不不起作用，试试验研究表明明水泥土对型型钢的包裹作作用能够提高高型钢的刚度度，防止型钢钢失稳。SMW搅拌桩与型钢钢相互作用机机理型钢与水泥土土相互作用过过程1．第一阶段段：弯矩较小小时，截面上上水泥土与型型钢应力均呈呈线性分布；；SMW搅拌桩与型钢钢相互作用机机理型钢与水泥土土相互作用过过程2．第二阶段段：随着弯矩矩增大，受拉拉区水泥土应应力达到抗拉拉强度，开始始开裂。水泥泥土开裂后即即退出工作，，中性轴略上上移，这一阶阶段一般持续续时间较短；；SMW搅拌桩与型钢钢相互作用机机理型钢与水泥土土相互作用过过程3．第三阶段段：型钢受拉拉区达到屈服服强度，应力力分布不再呈呈线性，而受受压区由于水水泥土的分担担作用，型钢钢还未屈服；；SMW搅拌桩与型钢钢相互作用机机理型钢与水泥土土相互作用过过程4．第四阶段段：型钢受压压区达到屈服服强度。由于于水泥土弹性性模量较低，，水泥所受应应力一般还未未达到其抗压压强度，中和和轴继续上移移。弯矩－挠挠度曲线表现现出明显的非非线性；SMW搅拌桩与型钢钢相互作用机机理型钢与水泥土土相互作用过过程5．第五阶段段：受压区水水泥土达到抗抗压强度，开开始出现破碎碎，所受应力力下降，中性性轴下移，型型钢塑性区扩扩大，直至结结构破坏。SMW搅拌桩与型钢钢相互作用机机理型钢与水泥土土组合刚度SMW搅拌桩与型钢钢相互作用机机理SMW围护墙参数的的确定SMW围护墙设计与与计算SWM搅拌桩截面设设计型钢截面型钢的截面由由型钢的强度度验算确定，，包括型钢的的抗弯及抗剪剪强度问题。。1、抗弯验算2、抗剪验算SMW围护墙参数的的确定SMW围护墙设计与与计算SWM搅拌桩截面设设计型钢间距局部抗剪承载载力验算包括括型钢与水泥泥土之间的错错动剪切和水水泥土最薄弱弱截面处的局局部剪切验算算。1、当型钢隔孔孔设置时，错错动剪切承载载力SMW围护墙参数的的确定SMW围护墙设计与与计算SWM搅拌桩截面设设计型钢间距2、当型钢隔孔孔设置时，最最薄弱断面的的局部抗剪验验算SMW围护墙参数的的确定SMW围护墙设计与与计算SWM搅拌桩截面设设计搅拌桩抗剪强强度与无侧限限抗压强度123456SMW围护墙参数的的确定SMW围护墙设计与与计算SWM搅拌桩截面设设计截面布置形式式SMW内插型钢拔出出SMW围护墙设计与与计算型钢拔出影响响因素型钢与水泥土土之间的摩擦擦阻力；由于基坑开挖挖造成的型钢钢水泥土搅拌拌墙变形致使使型钢产生弯弯曲，从而在在拔出时产生生的变形阻力力。型钢拔出作用用机理水泥土中水泥泥胶体与型钢钢表面的化学学胶结力型钢与水泥土土接触面上的的摩擦阻力型钢表面粗糙糙不平的机械械咬合力SMW内插型钢拔出出SMW围护墙设计与与计算型钢拔出作用用机理将H型钢的拔出过过程大致划分分为三个阶段段：无脱结阶阶段、部分脱脱结阶段、完完全脱结阶段段。(1)型钢从受荷至至开始脱结这这一阶段，即即第I阶段（无脱结结阶段）。从从型钢滑移理理论上，这段段曲线可视为为线弹性，实实际情况与理理论大致相符符。(2)当拔出力超过过脱结力dP时，即进入部部分脱结阶段段。在这个阶阶段，两种材材料间的摩擦擦剪切应力较较复杂，拔出出力既要克服服H型钢和水泥土土接触界面上上的静摩擦力力，又要克服服挡墙变形所所产生的弯曲曲变形阻力。。这种弯曲变变形在拔出力力的作用下增增加了接触界界面的法向应应力，从而导导致静摩擦力力增大。因此此，这时的起起拔力要比无无侧向变形时时起拔力大很很多。(3)H型钢拔动后，，H型钢和水泥土土完全脱结。。由于减摩材材料的抗剪强强度较低，可可认为H型钢在拔出过过程中摩擦剪剪应力是常数数，因此摩擦擦拔出阶段理理论上为一直直线。实际情情况由于基坑坑开挖围护结结构变形的影影响，H型钢拔动后主主要由弯曲阻阻力控制。当当H型钢末端通过过较大弯曲点点后，阻力主主要由摩擦阻阻力控制，型型钢迅速拔出出，曲线呈陡陡降形态。SMW内插型钢拔出出SMW围护墙设计与与计算型钢拔出验算算H型钢的起拔力力等于静摩擦擦阻力Pf、变形阻力Pd和自重G三部分之和要求H型钢在起拔过过程中处于弹弹性状态SMW构造设计SMW围护墙设计与与计算型钢与冠梁的的连接节点(1)冠梁截面高度度不小于600。当搅拌桩直直径为650时，冠梁的截截面宽度不应应小于1000；当搅拌桩直直径为850时，冠梁的截截面宽度不应应小于1200；当搅拌桩直直径为1000时，冠梁的截截面宽度不应应小于1300。(2)冠梁的主筋应应避开型钢设设置。为便于于型钢拔除，，型钢顶部要要高出冠梁顶顶面一定高度度，一般不宜宜小于500，型钢与腰梁梁间的隔离材材料在基坑内内侧应采用不不易压缩的硬硬质材料。(3)冠梁的箍筋宜宜采用四肢箍箍筋，直径不不应小于Φ8，间距不应大大于200；在支撑节点点位置，箍筋筋宜适当加密密；由于内插插型钢而未能能设置的箍筋筋应在相邻区区域内补足面面积。SMW构造设计SMW围护墙设计与与计算型钢与冠梁的的连接节点(1)为便于型钢拔拔除，型钢需需锚入冠梁，，并高于圈梁梁顶部一定高高度。一般该该高度值宜大大于50cm，根据具体情情况略有差异异；同时为了了方便施工，，型钢顶端不不宜高于自然然地面。(2)由于型钢整体体锚入冠梁，，为便于今后后拔除，圈梁梁和型钢之间间需采用一定定的材料隔离离。型钢对圈圈梁截面的削削弱是不能忽忽略的，因此此围护设计中中需要考虑这这种不利影响响，对圈梁截截面进行适当当的加强。SMW构造设计SMW围护墙设计与与计算型钢与围檩及及支撑的连接接节点SMW构造设计SMW围护墙设计与与计算转角加强措施施型钢水泥土搅搅拌墙截水封封闭措施主要设计控制制参数SMW围护墙设计与与计算主要施工参数数(1)水泥浆流量：：280~320L/min（双泵）；(2)浆液配比：水水:水泥=1.5~2.0:1；(3)泵送压力：1.5~2.5MPa；(4)H型钢的间距（（平行基坑方方向）偏差：：L±5cm（L为型钢间距））；(5)H型钢的保护层层（面对基坑坑方向）偏差差：s±5cm（s为型钢面对基基坑方向的计计保护层厚度度）；(6)机架垂直度偏偏差不超过1/250，成桩垂直度度偏差不超过过1/200，桩位布置偏偏差不大于20mm；(7)钻头下沉与提提升速度主要设计控制制参数SMW围护墙设计与与计算型钢水泥土搅搅拌墙标准配配置主要设计控制制参数SMW围护墙设计与与计算型钢水泥土搅搅拌墙标准配配置SMW围护墙施工测量放线、开开挖沟槽设置导向、定定位型钢三轴搅拌桩就就位，校正复核搅拌桩水水平和垂直度度三轴搅拌机钻钻进，搅拌水水泥浆与土体，下沉沉至设计桩底底标高三轴搅拌机搅搅拌水泥土，，并提升至设计桩顶标标高或重复搅搅拌型钢起吊、定定位校核垂直直度插入、固定型型钢墙间回填、型型钢拔除、空空隙注浆拌制水泥浆液液、开启空压机、送浆浆、气至钻头头型钢涂减磨剂剂涌土处理分层挖土、地地下室构筑拆拆支撑型钢水泥土搅搅拌施工完毕毕设备退场压顶梁、围及及水平支撑制制作下一施工循环环SMW围护墙施工型钢的插入和和拔出型钢的表面处处理(1)型钢表面应进进行清灰除锈锈，并在干燥燥条件下，涂涂抹经过加热热融化的减摩摩剂。(2)