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岩土研究院

型钢水泥土搅拌墙(SMW工法)的设计注意事项

384 2021-03-17 09:49:52


在设计上,重力式水泥土墙作为刚性支护墙体,其抗拉、抗弯承载力存在着不足,针对此问题,20世纪90 年代后期,我国研究开发了型钢水泥土搅拌墙,即SMW工法(Soil Mixed Wall),它是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隔水结构。


SMW工法除具有重力式水泥土墙的优点,也同时具有良好的抗压强度和止水功能,因搅拌桩桩身内配有型钢,因此又具有良好的抗拉、抗弯与抗剪性能,能较好地满足基坑支护的要求;同时,在地下结构施工完成后,还可以将型钢从水泥土搅拌桩中拔出来回收利用。


目前工程中的搅拌桩主要有双轴和三轴两种。双轴搅拌桩的成桩质量、均匀性和垂直度均较差,在深度较深时,双轴搅拌桩桩体之间的搭接难以完全保证,一旦遇到障碍物,钻杆容易弯曲,影响搅拌桩的隔水效果,并且在硬质粉土和砂性土中搅拌困难。考虑到 SMW工法中的搅拌桩不仅要起到隔水作用,更重要的是对型钢的包裹嵌固作用,为此,型钢水泥土搅拌墙中的搅拌桩应采用三轴水泥土搅拌桩。


型钢水泥土搅拌墙(SMW工法)的设计


SMW工法是以内插型钢作为主要受力构件,三轴水泥土搅拌桩作为截水帷幕的复合挡土截水结构。型钢水泥土搅拌墙的内力和变形,可采用平面杆系结构弹性支点法计算,在有经验时,也可采用连续介质有限元的平面和空间分析方法计算,详见第4章。在进行支护结构内力计算以及整体稳定性、抗倾覆、抗滑移、抗隆起等各项稳定性验算中,支护结构的深度应取型钢的插入深度,不应计入型钢端部以下水泥土搅拌桩的作用。


在得到结构的内力和变形后的设计与计算,包括型钢的设计和水泥土桩的设计两部分。型钢的设计计算主要包括型钢的布设方式、间距、截面尺寸以及插入水泥土桩的长度;对于水泥土搅拌桩主要是确定其嵌固深度。

1、型钢截面尺寸



2、型钢的插入深度和水泥土桩的长度

型钢水泥土搅拌墙的设计是以型钢作为主要受力构件,确定其插入深度实质上就是要确定挡土结构的嵌固深度,因此,型钢的嵌固深度应按本章重力式水泥土墙的稳定性计算要求确定。另外,考虑到型钢的回收利用,在确定型钢的插入深度时,还应考虑地下结构施工完成后型钢能否顺利拔出的因素。


水泥土桩的长度按重力式水泥土墙的抗渗稳定条件确定。


3、型钢的布设方式及间距

型钢的布置方式有密插型、插二跳一型和插一跳一型三种,见图 6.16。按上述三种布设方式,根据不同的桩径,H 型钢的间距布置见表6.5。

在基坑外侧的水土压力作用下,型钢净距之间的素水泥土桩段也需要承担局部剪应力,型钢间距越大,其需要承担的剪应力也越大。因此,当型钢采用插一跳一和插二跳一的布设方式时,应按下述要求进行型钢净距之间的素水泥土桩段的错动受剪承载力和受剪截面面积最小的最薄弱面受剪承载力验算,见图 6.17。


4、构造要求

(1)材料要求

1)水泥及水泥用量∶型钢水泥土搅拌墙的水泥土桩所用水泥宜采用强度等级不低于 P42.5级的普通硅酸盐水泥,材料用量和水灰比应结合土质条件和机械性能等指标通过现场试验确定,并应符合表 6.6 的规定。


计算水泥用量时,被搅拌土体的体积可按搅拌桩单桩圆形截面面积与深度的乘积计算。在型钢依靠自重和必要的辅助设备可插入到位的前提下,水灰比取小值。在填土、淤泥质土等特别软弱的土中以及在较硬的砂性土、沙砾土中,钻进速度较慢时,水泥用量应适当提高。


2)水泥土∶搅拌桩 28 天龄期无侧限抗压强度设计值不宜低于0.8MPa。


3)型钢∶内插型钢宜采用Q235B级钢和Q345B级钢,可采用焊接型钢或轧制型钢。型钢应尽量采用整材,当需要接长时应采用坡口焊等强焊接,且单根型钢焊接接头不应超过两个,焊接接头的位置应尽量远离支撑位置,离开挖面距离不小于2m;相邻型钢的接头应错开布置,错开距离不小于1m;为便于以后的拔出利用,在插入前可在型钢表面涂抹减少摩擦阻力的材料。


(2)水泥土搅拌桩设计参数

水泥土搅拌桩的施工应采用套接一孔法施工。套接一孔法是指在连续的三轴水泥土搅拌桩中有一个孔是完全重叠的施工方法,见图6.18。同时,桩的入土深度应比型钢插入深度深0.5~1. 0m。

除采取以上施工方法外,三轴水泥土搅拌桩还应控制水泥浆液的流量在 280~320L/ min之间,泵送压力控制在1.5~2.5MPa之间,钻头的下沉速度一般在0.3~1.0m/min,提升速度在 1~2m/min。


(3)冠梁和腰梁

型钢水泥土搅拌墙的顶部应设置钢筋混凝土冠梁,如设置有内支撑,冠梁宜作为上面第一道支撑的腰梁。冠梁的截面高度不应小于600mm,宽度比搅拌桩直径大 350mm,并应满足截面承载力计算要求。为便于型钢拔出,型钢应穿过冠梁并高出冠梁不小于 500mm,并在冠梁混凝土与型钢的接触面上设置不易压缩的油毡等隔离材料。型钢与冠梁的节点构造示意见图 6.19。


当采用多道内支撑体系时,支撑腰梁应与型钢水泥土搅拌墙可靠的连接。从安全角度考虑,在基坑开挖过程中,为避免坑面水泥土掉落,一般都将型钢外侧的水泥土剥落,因此腰梁应直接与型钢连接。墙体与腰梁的连接构造见图 6.20。


(4)当周边环境要求较高,桩身在强透水性土层中或对搅拌桩的抗渗和抗裂要求较高时,应减少型钢间距。在基坑转角部位,特别是在基坑阳角部位,基坑变形较大,应在转角处的水泥土桩内加插型钢以增强墙体刚度,加插的型钢可按转角的角平分线布设,见图6.21。


(5)当采用型钢水泥土墙与其他支挡结构共同作为支护结构时,在两者的连接处应采用高压喷射注浆,保证截水效果。