第5講 SMW圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工

擋土結(jié)構(gòu)與基坑工程

木林隆博士巖土大樓820室65982005mulinlong@第5講SMW圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工概述SMW攪拌樁與型鋼相互作用機理SMW圍護墻設(shè)計與計算SMW圍護墻的施工要點SMW案例型鋼水泥土攪拌墻通常稱為SMW工法（SoilMixedWall），是一種在連續(xù)套接的三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插入型鋼形成的復(fù)合擋土截水結(jié)構(gòu)，即利用三軸攪拌樁鉆機在原地層中切削土體，同時鉆機前端低壓注入水泥漿液，與切碎土體充分攪拌形成截水性較高的水泥土柱列式擋墻，在水泥土漿液尚未硬化前插入型鋼的一種地下工程施工技術(shù)。SMW圍護結(jié)構(gòu)的概念概述SMW圍護結(jié)構(gòu)的概念概述SMW圍護結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史概述型鋼水泥土攪拌墻源于美國的MIP工法（Mixingin-PlacePi1e）。1955年在大阪市安治川河畔進行的MIP工法試驗性施工中，嘗試將MIP工法依次連續(xù)施工做成一道柱列式地下連續(xù)墻，這就是SMW工法的雛形。為了解決MIP工法相鄰樁搭接不完全、成樁垂直度較難保證、在硬質(zhì)粉土或塑性指數(shù)較高的黏性土中攪拌較困難等問題，1971年，日本成幸工業(yè)株式會社開發(fā)出多軸攪拌鉆機，使相鄰攪拌樁套接施工，有效地解決了以前鉆機的缺陷。多軸攪拌鉆機的研制成功為型鋼水泥土攪拌墻的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件。之后型鋼水泥土攪拌墻在成樁設(shè)備、施工工藝等方面得到了不斷的完善和發(fā)展。作為一種新的基坑圍護施工工藝，80年代后期傳至臺灣地區(qū)，90年代在泰國、馬來西亞等東南亞國家和美國、法國等西方國家和地區(qū)被廣泛應(yīng)用。目前型鋼水泥土攪拌墻圍護形式已經(jīng)成為日本基坑圍護的主要工法，并且型鋼水泥土攪拌墻的施工業(yè)績?nèi)栽诓粩嗵岣撸猛救找鏀U大。SMW圍護結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史概述在我國水泥土攪拌樁作為重力式擋土墻或防滲帷幕的設(shè)計理論和施工方法較為成熟，但作為型鋼水泥土攪拌墻基坑圍護結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和其他國家相比存在一定的滯后。雖然型鋼水泥土攪拌墻具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益，但一直以來由于國內(nèi)對該工法的作用機理、設(shè)計理論缺乏研究，沒有可依據(jù)的型鋼水泥土攪拌墻設(shè)計規(guī)范和理論著作，并受到水泥土攪拌樁施工設(shè)備滯后和型鋼回收困難等因素影響，制約了型鋼水泥土攪拌墻在我國的推廣應(yīng)用。早在80年代末，型鋼水泥土攪拌墻曾引起了我國工程界的關(guān)注，并做了一些研究，但并未在實際工程應(yīng)用。我國最早的工程實例是1994年上海靜安寺附近的環(huán)球世界商廈基坑圍護工程，工程獲得了成功，但未做到型鋼的回收利用，因此圍護工程造價與鉆孔灌注樁相比并不具有優(yōu)勢。1998年至1999年，型鋼水泥土攪拌墻在上海地區(qū)逐步推廣應(yīng)用，主要工程有地鐵二號線靜安寺站下沉式廣場、陸家嘴站五號出入口地下人行通道、浦東國際會議中心和明珠線二期工程藍村路站等。目前型鋼水泥土攪拌墻在我國上海、江蘇、浙江、天津等沿海軟土地區(qū)應(yīng)用已經(jīng)比較普遍。SMW圍護結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史概述國內(nèi)的型鋼水泥土攪拌墻施工機械和工藝最初從日本引進，消化吸收后又進行了技術(shù)創(chuàng)新。目前日本常用的三軸水泥土攪拌樁主要有550和850兩個系列，其中550系列中水泥土攪拌樁直徑包含500mm、550mm、600mm、650mm四種類型，850系列中水泥土攪拌樁直徑包含850mm和900mm兩種類型，每種直徑對應(yīng)相應(yīng)的水泥土攪拌樁施工設(shè)備和內(nèi)插型鋼規(guī)格。國內(nèi)從日本引進的三軸水泥土攪拌樁施工設(shè)備主要為650mm和850mm兩種，經(jīng)過改進，國內(nèi)又研發(fā)了1000mm攪拌樁施工機械。日本的型鋼水泥土攪拌墻在地下室結(jié)構(gòu)施工完成后一般不拔除，永久留在地下，國內(nèi)引進后進行了工藝改進，型鋼一般在地下室施工后拔除，這與日本存在不同。SMW圍護體的特點概述目前工程上廣為采用的水泥土攪拌樁主要分為雙軸和三軸兩種，雙軸水泥土攪拌樁相對于三軸水泥土攪拌樁具有以下缺點：(1)雙軸水泥土攪拌樁成樁質(zhì)量和均勻性較差，成樁的垂直精度也較難保證；(2)施工中很難保持相鄰樁之間的完全搭接，尤其是在攪拌樁施工深度較深的情況；(3)施工過程中一旦遇到障礙物，鉆桿易發(fā)生彎曲，影響攪拌樁的截水效果；(4)在硬質(zhì)粉土或砂性土中攪拌較困難，成樁質(zhì)量較差。SMW圍護體的種類與特點概述由H型鋼和水泥土組成，工作機理非常復(fù)雜從經(jīng)濟角度考慮，H型鋼在地下室施工完成后可以回收利用從變形控制的角度看，H型鋼可以通過跳插、密插調(diào)整圍護體剛度型鋼水泥土攪拌墻是在三軸水泥土攪拌樁中內(nèi)插H型鋼，本身就已經(jīng)具有較好的截水效果，不需額外施工截水帷幕對周圍環(huán)境影響小防滲性能好環(huán)保節(jié)能適用土層范圍廣工期短，投資省SMW圍護體的適用條件概述從廣義上講，型鋼水泥土攪拌墻以水泥土攪拌樁為基礎(chǔ)，凡是能夠施工三軸水泥土攪拌樁的場地都可以考慮使用該工法。從黏性土到砂性土，從軟弱的淤泥和淤泥質(zhì)土到較硬、較密實的砂性土，甚至在含有砂卵石的地層中經(jīng)過適當?shù)奶幚矶寄軌蜻M行施工，適用土質(zhì)范圍較廣。1．型鋼水泥土攪拌墻的適用條件與基坑的開挖深度、基坑周邊環(huán)境條件、場地土層條件、基坑規(guī)模等因素有關(guān)，另外與基坑內(nèi)支撐的設(shè)置也密切相關(guān)。（主要由基坑變形控制參數(shù)）2．型鋼水泥土攪拌墻的選擇也受到基坑開挖深度的影響。直徑為650mm深度不大于8.0m；直徑為850mm深度不大于11.0m；直徑為1000mm深度不大于13.0m。SMW圍護體的適用條件概述3．當施工場地狹小或距離用地紅線、建筑物等較近時，采用鉆孔灌注樁＋截水帷幕等圍護方案常常不具備足夠的施工空間，而型鋼水泥土攪拌墻只需在三軸水泥土攪拌樁中內(nèi)插型鋼，所需施工空間僅為三軸水泥攪樁的厚度和施工機械必要的操作空間，具有較明顯的優(yōu)勢；4．與地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁相比，型鋼水泥土攪拌墻的剛度較低；5．當基坑周邊環(huán)境對地下水位變化較為敏感，攪拌樁樁身范圍內(nèi)大部分為砂（粉）性土等透水性較強的土層時，若型鋼水泥土攪拌墻變形較大，攪拌樁樁身易產(chǎn)生裂縫、造成滲漏，后果較為嚴重。SMW圍護體存在的問題概述1．目前型鋼水泥土攪拌墻主要應(yīng)用于沿海軟土地區(qū)，并積累了一定的經(jīng)驗；2．一直以來由于對型鋼水泥土攪拌墻研究重視不夠，缺乏有效的科研投入，相關(guān)規(guī)范規(guī)程和理論著作匱乏，在一定程度上制約了其工程應(yīng)用；3．型鋼水泥土攪拌墻設(shè)計計算理論還有待進一步完善，特別是在攪拌樁和型鋼協(xié)同工作方面，仍有許多問題需要進一步深入研究；4．對型鋼水泥土攪拌墻的一些設(shè)計施工參數(shù)還沒有統(tǒng)一的標準；5．目前工程中對攪拌樁強度的爭議比較大，各種規(guī)范和手冊的要求也不統(tǒng)一；6．在水泥土攪拌樁的強度檢測中，幾種方法都存在不同程度的缺陷，試塊試驗不能真實地反映樁身全斷面在土中（水下）的強度值；7．攪拌樁的施工工藝有待進一步完善，施工機械有待進一步改進型鋼與水泥土相互作用研究現(xiàn)狀目前對水泥土與型鋼之間黏接強度的研究還不充分，一般認為水泥土與型鋼之間的黏接是一種柔性黏結(jié)，其黏結(jié)強度不能與混凝土與鋼筋之間的剛性黏結(jié)相比。因此通常認為水土側(cè)壓力全部由型鋼承擔，水泥土攪拌樁的主要作用是抗?jié)B截水，但這并不是意味著水泥土攪拌樁對型鋼不起作用，試驗研究表明水泥土對型鋼的包裹作用能夠提高型鋼的剛度，防止型鋼失穩(wěn)。SMW攪拌樁與型鋼相互作用機理型鋼與水泥土相互作用過程1．第一階段：彎矩較小時，截面上水泥土與型鋼應(yīng)力均呈線性分布；SMW攪拌樁與型鋼相互作用機理型鋼與水泥土相互作用過程2．第二階段：隨著彎矩增大，受拉區(qū)水泥土應(yīng)力達到抗拉強度，開始開裂。水泥土開裂后即退出工作，中性軸略上移，這一階段一般持續(xù)時間較短；SMW攪拌樁與型鋼相互作用機理型鋼與水泥土相互作用過程3．第三階段：型鋼受拉區(qū)達到屈服強度，應(yīng)力分布不再呈線性，而受壓區(qū)由于水泥土的分擔作用，型鋼還未屈服；SMW攪拌樁與型鋼相互作用機理型鋼與水泥土相互作用過程4．第四階段：型鋼受壓區(qū)達到屈服強度。由于水泥土彈性模量較低，水泥所受應(yīng)力一般還未達到其抗壓強度，中和軸繼續(xù)上移。彎矩－撓度曲線表現(xiàn)出明顯的非線性；SMW攪拌樁與型鋼相互作用機理型鋼與水泥土相互作用過程5．第五階段：受壓區(qū)水泥土達到抗壓強度，開始出現(xiàn)破碎，所受應(yīng)力下降，中性軸下移，型鋼塑性區(qū)擴大，直至結(jié)構(gòu)破壞。SMW攪拌樁與型鋼相互作用機理型鋼與水泥土組合剛度SMW攪拌樁與型鋼相互作用機理SMW圍護墻參數(shù)的確定SMW圍護墻設(shè)計與計算SWM攪拌樁截面設(shè)計型鋼截面型鋼的截面由型鋼的強度驗算確定，包括型鋼的抗彎及抗剪強度問題。1、抗彎驗算2、抗剪驗算SMW圍護墻參數(shù)的確定SMW圍護墻設(shè)計與計算SWM攪拌樁截面設(shè)計型鋼間距局部抗剪承載力驗算包括型鋼與水泥土之間的錯動剪切和水泥土最薄弱截面處的局部剪切驗算。1、當型鋼隔孔設(shè)置時，錯動剪切承載力SMW圍護墻參數(shù)的確定SMW圍護墻設(shè)計與計算SWM攪拌樁截面設(shè)計型鋼間距2、當型鋼隔孔設(shè)置時，最薄弱斷面的局部抗剪驗算SMW圍護墻參數(shù)的確定SMW圍護墻設(shè)計與計算SWM攪拌樁截面設(shè)計攪拌樁抗剪強度與無側(cè)限抗壓強度SMW圍護墻參數(shù)的確定SMW圍護墻設(shè)計與計算SWM攪拌樁截面設(shè)計截面布置形式SMW內(nèi)插型鋼拔出SMW圍護墻設(shè)計與計算型鋼拔出影響因素型鋼與水泥土之間的摩擦阻力；由于基坑開挖造成的型鋼水泥土攪拌墻變形致使型鋼產(chǎn)生彎曲，從而在拔出時產(chǎn)生的變形阻力。型鋼拔出作用機理水泥土中水泥膠體與型鋼表面的化學(xué)膠結(jié)力型鋼與水泥土接觸面上的摩擦阻力型鋼表面粗糙不平的機械咬合力SMW內(nèi)插型鋼拔出SMW圍護墻設(shè)計與計算型鋼拔出作用機理將H型鋼的拔出過程大致劃分為三個階段：無脫結(jié)階段、部分脫結(jié)階段、完全脫結(jié)階段。(1)型鋼從受荷至開始脫結(jié)這一階段，即第I階段（無脫結(jié)階段）。從型鋼滑移理論上，這段曲線可視為線彈性，實際情況與理論大致相符。(2)當拔出力超過脫結(jié)力dP時，即進入部分脫結(jié)階段。在這個階段，兩種材料間的摩擦剪切應(yīng)力較復(fù)雜，拔出力既要克服H型鋼和水泥土接觸界面上的靜摩擦力，又要克服擋墻變形所產(chǎn)生的彎曲變形阻力。這種彎曲變形在拔出力的作用下增加了接觸界面的法向應(yīng)力，從而導(dǎo)致靜摩擦力增大。因此，這時的起拔力要比無側(cè)向變形時起拔力大很多。(3)H型鋼拔動后，H型鋼和水泥土完全脫結(jié)。由于減摩材料的抗剪強度較低，可認為H型鋼在拔出過程中摩擦剪應(yīng)力是常數(shù)，因此摩擦拔出階段理論上為一直線。實際情況由于基坑開挖圍護結(jié)構(gòu)變形的影響，H型鋼拔動后主要由彎曲阻力控制。當H型鋼末端通過較大彎曲點后，阻力主要由摩擦阻力控制，型鋼迅速拔出，曲線呈陡降形態(tài)。SMW內(nèi)插型鋼拔出SMW圍護墻設(shè)計與計算型鋼拔出驗算H型鋼的起拔力等于靜摩擦阻力Pf、變形阻力Pd和自重G三部分之和要求H型鋼在起拔過程中處于彈性狀態(tài)SMW構(gòu)造設(shè)計SMW圍護墻設(shè)計與計算型鋼與冠梁的連接節(jié)點(1)冠梁截面高度不小于600。當攪拌樁直徑為650時，冠梁的截面寬度不應(yīng)小于1000；當攪拌樁直徑為850時，冠梁的截面寬度不應(yīng)小于1200；當攪拌樁直徑為1000時，冠梁的截面寬度不應(yīng)小于1300。(2)冠梁的主筋應(yīng)避開型鋼設(shè)置。為便于型鋼拔除，型鋼頂部要高出冠梁頂面一定高度，一般不宜小于500，型鋼與腰梁間的隔離材料在基坑內(nèi)側(cè)應(yīng)采用不易壓縮的硬質(zhì)材料。(3)冠梁的箍筋宜采用四肢箍筋，直徑不應(yīng)小于Φ8，間距不應(yīng)大于200；在支撐節(jié)點位置，箍筋宜適當加密；由于內(nèi)插型鋼而未能設(shè)置的箍筋應(yīng)在相鄰區(qū)域內(nèi)補足面積。SMW構(gòu)造設(shè)計SMW圍護墻設(shè)計與計算型鋼與冠梁的連接節(jié)點(1)為便于型鋼拔除，型鋼需錨入冠梁，并高于圈梁頂部一定高度。一般該高度值宜大于50cm，根據(jù)具體情況略有差異；同時為了方便施工，型鋼頂端不宜高于自然地面。(2)由于型鋼整體錨入冠梁，為便于今后拔除，圈梁和型鋼之間需采用一定的材料隔離。型鋼對圈梁截面的削弱是不能忽略的，因此圍護設(shè)計中需要考慮這種不利影響，對圈梁截面進行適當?shù)募訌?。SMW構(gòu)造設(shè)計SMW圍護墻設(shè)計與計算型鋼與圍檁及支撐的連接節(jié)點SMW構(gòu)造設(shè)計SMW圍護墻設(shè)計與計算轉(zhuǎn)角加強措施型鋼水泥土攪拌墻截水封閉措施主要設(shè)計控制