smw圍護墻防滲設(shè)計與控制技術(shù)

SMW圍護墻防滲設(shè)計與控制技術(shù)

摘

要：淺基坑施工中，SMW圍護結(jié)構(gòu)能較好地滿足防水性能的要求；但對于超深基坑(挖深超過15m)，受地壓、土性、設(shè)備性能、施工控制技術(shù)等影響，圍護結(jié)構(gòu)防滲控制相對較難。本文在對超深基坑SMW圍護結(jié)構(gòu)滲水原因分析的基礎(chǔ)上，從理論上對防滲墻的厚度及墻體的變形進行了設(shè)計計算，并從施工的角度，對防滲控制技術(shù)進行了探討，對SMW圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工起一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：SMW工法

水泥土攪拌樁

防滲技術(shù)

一、概述

SMW(Soil-cement

Mixed

Wall)工法是基于深層攪拌樁施工方法發(fā)展起來的、具有很大經(jīng)濟潛力的一種圍護形式。二次世界大戰(zhàn)后，美國首先研制出水泥土攪拌樁施工方法，即MIP(Mixing

in-place

pile)工法。1953年由日本清水株式會社經(jīng)美國普里帕特公司允許引進日本，開始僅為單軸攪拌，形成圍護結(jié)構(gòu)體相鄰樁的搭接程度、樁的垂直精度等難以控制。1971年，日本成幸株式會社經(jīng)改進，研制出多軸攪拌機，使得滲漏、流砂等問題得到極大程度的改觀。因此，應(yīng)用該工法的工程逐漸增多，成為日本國內(nèi)基坑圍護的主要方法，約占地下圍護工程的80%。目前，日本SMW工法一次成墻寬度可達1.5～3.0m，最大成墻深度為65m；水泥土強度亦較高，約在1.0～3.0MPa間，鉆孔精度可控制到1/200樁長，可適應(yīng)于粘性土、砂性土以及砂礫石等地層中施工；此外，還開發(fā)成功了矩形斷面的TMW工法施工專用機械。1993年，SMW施工技術(shù)引進我國，并在上海靜安寺“環(huán)球世界”商廈基坑圍護中最先得到應(yīng)用，目前該工法主要應(yīng)用于我國東南沿海地區(qū)的軟土深基坑圍護中，并逐步向內(nèi)地推廣。

二、SMW圍護結(jié)構(gòu)滲水原因分析

當(dāng)基坑埋深較淺時，地層土壓力、孔隙水壓力皆較小，依靠水泥土攪拌樁墻及芯材，就能有效地起到隔水擋壓作用；但對于特大型深基坑，周邊水土壓力較大，給攪拌樁及型鋼的安插帶來一定困難，并極易導(dǎo)致圍護墻的局部或大面積滲水。

引起SMW圍護結(jié)構(gòu)滲水的原因很多，土質(zhì)條件、設(shè)計厚度或強度不足、施工控制不當(dāng)?shù)染讓?dǎo)致滲漏。

1.土質(zhì)條件

原狀土顆粒的大小、形狀、級配以及顆粒的排列和土的固有結(jié)構(gòu)構(gòu)造等，影響著SMW圍護結(jié)構(gòu)的滲透性。若土的級配均勻、構(gòu)造排列整齊，則攪拌水泥土滲透性較強，易發(fā)生滲水現(xiàn)象。對于孔隙較小的細粒粘性土，原狀土的滲透較弱，加上水泥土的攪拌膠結(jié)充填，存在著厚的結(jié)合水膜，滲流的孔隙通道變得狹小，則止水效果好。

2.設(shè)計厚度或強度不足

若水泥土防滲墻的厚度過薄或其強度、剛度等的不足，在基坑開挖過程中，會因地壓作用而導(dǎo)致SMW圍護墻大的變形，墻體便產(chǎn)生微裂紋以及一些貫穿的裂縫，特別是在SMW圍護體的芯材(如型鋼)與水泥土之間，由于芯材本身與已涂刷的減摩劑層結(jié)合薄弱，兩者剛度亦不同，變形不協(xié)調(diào)，易引起滲水。

3.施工控制不當(dāng)

施工控制不當(dāng)將是引起SMW墻滲漏的最主要原因。施工過程中，每個工序、每個環(huán)節(jié)的質(zhì)量問題，都極有可能導(dǎo)致墻體滲漏。如攪拌噴漿提升速度過快、樁體搭接厚度不足、樁位偏斜、配合比控制不穩(wěn)定、基坑開挖支撐不及時，以及一些意外的因素如遇障礙物或設(shè)備故障而導(dǎo)致長時間間隔出現(xiàn)施工冷縫等，都會造成SMW防滲擋土墻的滲漏，嚴(yán)重的會引起涌水冒砂，甚至基坑坍塌。

三、SMW圍護體的防滲設(shè)計

為保證基坑開挖過程中SMW圍護結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能符合開挖要求，應(yīng)加強以下幾個方面的控制，如圍護壁厚度、水泥土強度、型鋼插入間距及施工變形控制等。

1.水泥土強度

對于SMW圍護結(jié)構(gòu)類型的深基坑，承受地壓作用的，主要是依靠圍護結(jié)構(gòu)體的芯材(如H型鋼)，水泥土主要起防滲作用。因此，該圍護結(jié)構(gòu)體對水泥土的強度要求較低。但是，倘若水泥土的強度過低，基坑開挖時微小的變形即會導(dǎo)致水泥土裂紋(縫)的產(chǎn)生，并使得圍護結(jié)構(gòu)體失去防滲的功能。因此，必須確保水泥土的強度。影響水泥土強度的因素主要有：水泥用量、水泥標(biāo)號、水灰比、土的含砂率、齡期等。

鈴木健夫等(1994)對水泥土地下墻的材料特性進行室內(nèi)試驗研究表明：相同注漿量的水泥土，水灰比越小、含砂率越大的水泥土，其無側(cè)限抗壓強度亦越大，并符合下述經(jīng)驗公式：

式中：

qn28-齡期28天的無側(cè)限抗壓強度；

m-水灰比；

s-含砂率；

n-含砂率為0%的qn28

k-系數(shù)。

對于超深(大于15m)基坑工程，應(yīng)盡量使用高標(biāo)號水泥。研究表明，水泥標(biāo)號每提高100#，水泥土的無側(cè)限抗壓強度約增大20%～30%。此外，適當(dāng)增加水泥用量亦有助于提高水泥土的強度，一般宜控制在15%～20%之間，這樣水泥土的強度可達到1.5MPa以上。

2.水泥土攪拌樁厚度與芯材間距設(shè)計

水泥土厚度的確定，主要須考慮周邊地層水土壓力、水泥土的強度、H型鋼的間、排距等。對于超深地層，若水泥土擋墻的厚度過薄，極易導(dǎo)致剪切破壞而出現(xiàn)滲漏。為避免此現(xiàn)象的發(fā)生，從設(shè)計的角度，主要是控制好H型鋼的間距與水泥土攪拌體的厚度。即

a×σ≤［τ］b

(2)

式中：a-H型鋼間距；

σ-地層壓力；

［τ］-水泥土抗剪強度；

b-水泥土厚度。

3.SMW圍護結(jié)構(gòu)支撐的層間距設(shè)計若SMW圍護體產(chǎn)生過量變形，會加速水泥土攪拌樁墻體裂紋的發(fā)展，并導(dǎo)致大量滲水，給基坑的開挖帶來困難，且極易引起基坑失穩(wěn)。因此，基坑開挖過程中，應(yīng)在對基坑的側(cè)向位移進行計算預(yù)測和實際施工控制的基礎(chǔ)上，合理確定支撐的層間距。

理想狀態(tài)下，H型鋼和水泥土組成一個復(fù)合結(jié)構(gòu)，變形協(xié)調(diào)一致，認為是完全共同作用；但實際上，由于兩者剛度的不同，不可能是完全共同作用，現(xiàn)以部分共同作用為模型，進行SMW墻體變形計算，對簡支梁，作用均布荷載q，坐標(biāo)原點取在梁的跨中，并作如下假定：

①受載后組合梁兩種材料的撓度保持一致，即截面抵抗矩Wc=Ws

②兩材料沿梁長均勻分布，接觸面上的剪力τ(x)在彈性階段與相對滑移u(x)之間為線性關(guān)系，即：

τ(x)=G·u(x)

(3)

式中：

G-粘結(jié)抗剪剛度(由試驗確定)，MPa；

u(x)-單位滑移量的縱向線剪力，N/mm。

平衡條件：

V為截面剪應(yīng)力；M為截面彎矩

接觸面上任一點對應(yīng)的水泥土、H型鋼位移分別為：

式中：yc、ys分別為水泥土、H型鋼中心軸的坐標(biāo)。任意點對應(yīng)的水泥土、H型鋼的應(yīng)變分別為：

接觸面上任一點的相對滑移為：

u=u′c-u′s

(7)

將(5)、(7)代入(3)得：

將(9)、(10)、代入(4)得：

對式(11)積分，并代入邊界條件，解得梁的撓度為：

fmax=α1

(13)

式中：

施工過程中，應(yīng)借助鋼支撐或其他支撐方式，合理選擇支撐間排距，將SMW的墻體最大水平位移fmax控制在許可范圍內(nèi)。

四、SMW防滲漏控制技術(shù)

引起SMW圍護結(jié)構(gòu)滲水的原因有方方面面，實際施工過程中，應(yīng)從原材料選擇、方案設(shè)計、施工過程控制以及防滲應(yīng)急技術(shù)等多個角度，采取“防堵結(jié)合，綜合治理”的原則加以控制。

1.加強圍護墻厚度及墻體變形的控制

從設(shè)計的角度，對于SMW圍護體的防滲控制，主要是對墻體的厚度、剛度及強度等進行控制。公式(2)表明，通過增加圍護墻體的厚度，可有效改善墻體的抗?jié)B性能。設(shè)計中，主要是根據(jù)水泥土的滲透系數(shù)、圍土壓力以及孔隙水壓力的大小等，設(shè)計出滿足不同抗?jié)B等級的墻體厚度值。墻體的變形控制則可通過多種途徑實現(xiàn)，公式(10)～(12)同樣表明，通過調(diào)整芯材(如H型鋼)的剛度、控制支撐間排距、提高水泥土的強度，均可達到控制墻體抗?jié)B性能的目的。

2.優(yōu)化水泥土配合比的設(shè)計

合理確定水泥漿液的配比，是確保水泥土攪拌樁樁體強度和防滲性能的關(guān)鍵因素之一。水泥漿配比(水泥和外摻劑的摻入量)的確定，最好在現(xiàn)場做試驗，確定其合理的配比及強度值。水泥一般選用425＃普通硅酸鹽水泥。根據(jù)不同的土質(zhì)特征，可選擇以下幾種水泥摻入量做試驗：7%、9%、11%、13%、15%、17%、19%、22%，以確定最優(yōu)配比。日本采用SMW工法時，針對不同土層特點，建議了以下幾種水泥漿配比，如表1所示。表1

不同土層SMW施工水泥漿配合比土質(zhì)特征

配合比(1m3)

無側(cè)限抗壓強度(MPa)

水泥(kg)

膨潤土(kg)

水(L)

粘性土(粉質(zhì)粘土)

300～450

5～15

450～900

0.5～1.0

砂質(zhì)土(細砂、中砂、粗砂)

200～400

5～20

300～800

0.5～3.0

砂礫土(砂礫土、砂粒夾卵石)

200～400

5～30

300～800

0.5～3.0

特殊粘土(有機質(zhì)土、火山灰粘土)

根據(jù)室內(nèi)試驗配置

3.施工過程的防滲控制

SMW施工過程中，對攪拌樁樁體質(zhì)量的控制是保證圍護結(jié)構(gòu)符合抗?jié)B要求的關(guān)鍵，需從鉆孔的施工精度、鉆進與提升速度、壓漿以及冷縫處理等方面，即對整個工藝過程進行全面控制。

(1)鉆孔施工精度控制。包括樁體的垂直度與樁體中心距的控制，該值直接影響到樁與樁之間搭接的連續(xù)性與防水性能。一般要求孔位的誤差須小于2cm，樁身垂直度不小于1/200的樁長。

(2)鉆進速度。對于粘性土層，一般控制在0.5～1.0m/min范圍內(nèi)，而對于砂性土，鉆進速度可略為增加，一般可控制在1.0～1.5m/min范圍內(nèi)。提升攪拌的速度不宜過快，一般控制在1～2m/min范圍內(nèi)，這樣可避免因孔內(nèi)出現(xiàn)真空負壓、孔壁塌方而影響水泥土的密實性與樁體的止水效果。

(3)壓漿控制。鉆進攪拌時即連續(xù)壓注水泥漿，鉆進的注漿量一般為額定漿量的70%～80%，提升攪拌時的注漿量為額定漿量的20%～30%，以防發(fā)生斷樁。

(4)施工冷縫處理。施工過程中，由于樁機本身出現(xiàn)問題或者鉆進過程中受阻而使工程暫時停頓，有可能造成墻體的施工間隔時間過長而形成施工冷縫，并在該部位引起滲漏。一旦出現(xiàn)施工冷縫，則應(yīng)對冷縫處進行適當(dāng)?shù)募庸萄a強，可在外圍增設(shè)1～2排素樁，并與主體圍護樁緊密搭接。

4.堵漏控制技術(shù)

當(dāng)樁體偏斜或水泥土斷樁時，均易引起SMW圍護體滲水，甚至引發(fā)大面積滲水。對于基坑圍護結(jié)構(gòu)基面出現(xiàn)的局部滲點，要根據(jù)滲水的特性，選擇相應(yīng)的堵漏材料。當(dāng)流量過大時，可采取用化學(xué)注漿的方法，注入具有補強止水作用的材料，將滲水處封閉。而對于大面積的滲水，應(yīng)根據(jù)引發(fā)的原因，合理選擇有效的方案，如引水導(dǎo)流、注漿封堵、降水等措施，進行綜合防治。

5.加強監(jiān)測監(jiān)控

基坑開挖施工過程中，應(yīng)加強對孔隙水壓力、地下水位、基坑的水平位移、地表沉降等參數(shù)的檢測，并根據(jù)特征參數(shù)的變化，及時調(diào)整施工參數(shù)，控制支撐的間排距、支撐軸力的大小、開挖坡度等，以確?；沟淖冃问冀K處于受控狀態(tài)。

五、結(jié)語

對超深基坑SMW圍護結(jié)構(gòu)的防滲控制，應(yīng)從設(shè)計與施工兩方面加以控制。設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)條件，在保證水泥土有效厚度的基礎(chǔ)上，合理選擇H型鋼布置的密度、支撐布置的間距等參