《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PPT

挡土结构与与基坑工程程木林隆博博士岩土大楼820室65982005mulinlong@第5讲SMW围护结构的的设计和施施工概述SMW搅拌桩与型型钢相互作作用机理SMW围护墙设计计与计算SMW围护墙的施施工要点SMW案例型钢水泥土土搅拌墙通通常称为SMW工法（SoilMixedWall），是一种种在连续套套接的三轴轴水泥土搅搅拌桩内插插入型钢形形成的复合合挡土截水水结构，即即利用三轴轴搅拌桩钻钻机在原地地层中切削削土体，同同时钻机前前端低压注注入水泥浆浆液，与切切碎土体充充分搅拌形形成截水性性较高的水水泥土柱列列式挡墙，，在水泥土土浆液尚未未硬化前插插入型钢的的一种地下下工程施工工技术。SMW围护结构的的概念概述SMW围护结构的的概念概述SMW围护结构的的发展历史史概述型钢水泥土土搅拌墙源源于美国的的MIP工法（Mixingin-PlacePi1e）。1955年在大阪市市安治川河河畔进行的的MIP工法试验性性施工中，，尝试将MIP工法依次连连续施工做做成一道柱柱列式地下下连续墙，，这就是SMW工法的雏形形。为了解决MIP工法相邻桩桩搭接不完完全、成桩桩垂直度较较难保证、、在硬质粉粉土或塑性性指数较高高的黏性土土中搅拌较较困难等问问题，1971年，日本成成幸工业株株式会社开开发出多轴轴搅拌钻机机，使相邻邻搅拌桩套套接施工，，有效地解解决了以前前钻机的缺缺陷。多轴轴搅拌钻机机的研制成成功为型钢钢水泥土搅搅拌墙的广广泛应用创创造了条件件。之后型型钢水泥土土搅拌墙在在成桩设备备、施工工工艺等方面面得到了不不断的完善善和发展。。作为一种种新的基坑坑围护施工工工艺，80年代后期传传至台湾地地区，90年代在泰国国、马来西西亚等东南南亚国家和和美国、法法国等西方方国家和地地区被广泛泛应用。目目前型钢水水泥土搅拌拌墙围护形形式已经成成为日本基基坑围护的的主要工法法，并且型型钢水泥土土搅拌墙的的施工业绩绩仍在不断断提高，用用途日益扩扩大。SMW围护结构的的发展历史史概述在我国水泥泥土搅拌桩桩作为重力力式挡土墙墙或防渗帷帷幕的设计计理论和施施工方法较较为成熟，，但作为型型钢水泥土土搅拌墙基基坑围护结结构的应用用和其他国国家相比存存在一定的的滞后。虽虽然型钢水水泥土搅拌拌墙具有较较好的经济济效益和社社会效益，，但一直以以来由于国国内对该工工法的作用用机理、设设计理论缺缺乏研究，，没有可依依据的型钢钢水泥土搅搅拌墙设计计规范和理理论著作，，并受到水水泥土搅拌拌桩施工设设备滞后和和型钢回收收困难等因因素影响，，制约了型型钢水泥土土搅拌墙在在我国的推推广应用。。早在80年代末，型型钢水泥土土搅拌墙曾曾引起了我我国工程界界的关注，，并做了一一些研究，，但并未在在实际工程程应用。我我国最早的的工程实例例是1994年上海静安安寺附近的的环球世界界商厦基坑坑围护工程程，工程获获得了成功功，但未做做到型钢的的回收利用用，因此围围护工程造造价与钻孔孔灌注桩相相比并不具具有优势。。1998年至1999年，型钢水水泥土搅拌拌墙在上海海地区逐步步推广应用用，主要工工程有地铁铁二号线静静安寺站下下沉式广场场、陆家嘴嘴站五号出出入口地下下人行通道道、浦东国国际会议中中心和明珠珠线二期工工程蓝村路路站等。目目前型钢水水泥土搅拌拌墙在我国国上海、江江苏、浙江江、天津等等沿海软土土地区应用用已经比较较普遍。SMW围护结构的的发展历史史概述国内的型钢钢水泥土搅搅拌墙施工工机械和工工艺最初从从日本引进进，消化吸吸收后又进进行了技术术创新。目目前日本常常用的三轴轴水泥土搅搅拌桩主要要有550和850两个系列，，其中550系列中水泥泥土搅拌桩桩直径包含含500mm、550mm、600mm、650mm四种类型，，850系列中水泥泥土搅拌桩桩直径包含含850mm和900mm两种类型，，每种直径径对应相应应的水泥土土搅拌桩施施工设备和和内插型钢钢规格。国国内从日本本引进的三三轴水泥土土搅拌桩施施工设备主主要为650mm和850mm两种，经过过改进，国国内又研发发了1000mm搅拌桩施工工机械。日本的型钢钢水泥土搅搅拌墙在地地下室结构构施工完成成后一般不不拔除，永永久留在地地下，国内内引进后进进行了工艺艺改进，型型钢一般在在地下室施施工后拔除除，这与日日本存在不不同。SMW围护体的特特点概述目前工程上上广为采用用的水泥土土搅拌桩主主要分为双轴和三轴两种，双轴轴水泥土搅搅拌桩相对对于三轴水水泥土搅拌拌桩具有以以下缺点：：(1)双轴水泥土土搅拌桩成成桩质量和和均匀性较较差，成桩桩的垂直精精度也较难难保证；(2)施工中很难难保持相邻邻桩之间的的完全搭接接，尤其是是在搅拌桩桩施工深度度较深的情情况；(3)施工过程中中一旦遇到到障碍物，，钻杆易发发生弯曲，，影响搅拌拌桩的截水水效果；(4)在硬质粉土土或砂性土土中搅拌较较困难，成成桩质量较较差。SMW围护体的种种类与特点点概述由H型钢和水泥泥土组成，，工作机理理非常复杂杂从经济角度度考虑，H型钢在地下下室施工完完成后可以以回收利用用从变形控制制的角度看看，H型钢可以通通过跳插、、密插调整整围护体刚刚度型钢水泥土土搅拌墙是是在三轴水水泥土搅拌拌桩中内插插H型钢，本身身就已经具具有较好的的截水效果果，不需额额外施工截截水帷幕对周围环境境影响小防渗性能好好环保节能适用土层范范围广工期短，投投资省SMW围护体的适适用条件概述从广义上讲讲，型钢水水泥土搅拌拌墙以水泥泥土搅拌桩桩为基础，，凡是能够够施工三轴轴水泥土搅搅拌桩的场场地都可以以考虑使用用该工法。。从黏性土土到砂性土土，从软弱弱的淤泥和和淤泥质土土到较硬、、较密实的的砂性土，，甚至在含含有砂卵石石的地层中中经过适当当的处理都都能够进行行施工，适适用土质范范围较广。。1．型钢水水泥土搅拌拌墙的适用用条件与基基坑的开挖挖深度、基基坑周边环环境条件、、场地土层层条件、基基坑规模等等因素有关关，另外与与基坑内支支撑的设置置也密切相相关。（主主要由基坑坑变形控制制参数）2．型钢水水泥土搅拌拌墙的选择择也受到基基坑开挖深深度的影响响。直径为为650mm深度不大于于8.0m；直径为850mm深度不大于于11.0m；直径为1000mm深度不大于于13.0m。SMW围护体的适适用条件概述3．当施工工场地狭小小或距离用用地红线、、建筑物等等较近时，，采用钻孔孔灌注桩＋＋截水帷幕幕等围护方方案常常不不具备足够够的施工空空间，而型型钢水泥土土搅拌墙只只需在三轴轴水泥土搅搅拌桩中内内插型钢，，所需施工工空间仅为为三轴水泥泥搅桩的厚厚度和施工工机械必要要的操作空空间，具有有较明显的的优势；4．与地下下连续墙、、钻孔灌注注桩相比，，型钢水泥泥土搅拌墙墙的刚度较较低；5．当基坑坑周边环境境对地下水水位变化较较为敏感，，搅拌桩桩桩身范围内内大部分为为砂（粉））性土等透透水性较强强的土层时时，若型钢钢水泥土搅搅拌墙变形形较大，搅搅拌桩桩身身易产生裂裂缝、造成成渗漏，后后果较为严严重。SMW围护体存在在的问题概述1．目前型型钢水泥土土搅拌墙主主要应用于于沿海软土土地区，并并积累了一一定的经验验；2．一直以以来由于对对型钢水泥泥土搅拌墙墙研究重视视不够，缺缺乏有效的的科研投入入，相关规规范规程和和理论著作作匮乏，在在一定程度度上制约了了其工程应应用；3．型钢水水泥土搅拌拌墙设计计计算理论还还有待进一一步完善，，特别是在在搅拌桩和和型钢协同同工作方面面，仍有许许多问题需需要进一步步深入研究究；4．对型钢钢水泥土搅搅拌墙的一一些设计施施工参数还还没有统一一的标准；；5．目前工工程中对搅搅拌桩强度度的争议比比较大，各各种规范和和手册的要要求也不统统一；6．在水泥泥土搅拌桩桩的强度检检测中，几几种方法都都存在不同同程度的缺缺陷，试块块试验不能能真实地反反映桩身全全断面在土土中（水下下）的强度度值；7．搅拌桩桩的施工工工艺有待进进一步完善善，施工机机械有待进进一步改进进型钢与水泥泥土相互作作用研究现现状目前对水泥泥土与型钢钢之间黏接接强度的研研究还不充充分，一般般认为水泥泥土与型钢钢之间的黏黏接是一种种柔性黏结结，其黏结结强度不能能与混凝土土与钢筋之之间的刚性性黏结相比比。因此通通常认为水水土侧压力力全部由型钢钢承担，水泥土搅搅拌桩的主主要作用是是抗渗截水水，但这并并不是意味味着水泥土土搅拌桩对对型钢不起起作用，试试验研究表表明水泥土土对型钢的的包裹作用用能够提高高型钢的刚刚度，防止止型钢失稳稳。SMW搅拌桩与型型钢相互作作用机理型钢与水泥泥土相互作作用过程1．第一阶阶段：弯矩矩较小时，，截面上水水泥土与型型钢应力均均呈线性分分布；SMW搅拌桩与型型钢相互作作用机理型钢与水泥泥土相互作作用过程2．第二阶阶段：随着着弯矩增大大，受拉区区水泥土应应力达到抗抗拉强度，，开始开裂裂。水泥土土开裂后即即退出工作作，中性轴轴略上移，，这一阶段段一般持续续时间较短短；SMW搅拌桩与型型钢相互作作用机理型钢与水泥泥土相互作作用过程3．第三阶阶段：型钢钢受拉区达达到屈服强强度，应力力分布不再再呈线性，，而受压区区由于水泥泥土的分担担作用，型型钢还未屈屈服；SMW搅拌桩与型型钢相互作作用机理型钢与水泥泥土相互作作用过程4．第四阶阶段：型钢钢受压区达达到屈服强强度。由于于水泥土弹弹性模量较较低，水泥泥所受应力力一般还未未达到其抗抗压强度，，中和轴继继续上移。。弯矩－挠挠度曲线表表现出明显显的非线性性；SMW搅拌桩与型型钢相互作作用机理型钢与水泥泥土相互作作用过程5．第五阶阶段：受压压区水泥土土达到抗压压强度，开开始出现破破碎，所受受应力下降降，中性轴轴下移，型型钢塑性区区扩大，直直至结构破破坏。SMW搅拌桩与型型钢相互作作用机理型钢与水泥泥土组合刚刚度SMW搅拌桩与型型钢相互作作用机理SMW围护墙参数数的确定SMW围护墙设计计与计算SWM搅拌桩截面面设计型钢截面型钢的截面面由型钢的的强度验算算确定，包包括型钢的的抗弯及抗抗剪强度问问题。1、抗弯验算算2、抗剪验算算SMW围护墙参数数的确定SMW围护护墙墙设设计计与与计计算算SWM搅拌拌桩桩截截面面设设计计型钢钢间间距距局部部抗抗剪剪承承载载力力验验算算包包括括型型钢钢与与水水泥泥土土之之间间的的错错动动剪剪切切和和水水泥泥土土最最薄薄弱弱截截面面处处的的局局部部剪剪切切验验算算。。1、当当型型钢钢隔隔孔孔设设置置时时，，错错动动剪剪切切承承载载力力SMW围护护墙墙参参数数的的确确定定SMW围护墙设设计与计计算SWM搅拌桩截截面设计计型钢间距距2、当型钢钢隔孔设设置时，，最薄弱弱断面的的局部抗抗剪验算算SMW围护墙参参数的确确定SMW围护墙设设计与计计算SWM搅拌桩截截面设计计搅拌桩抗抗剪强度度与无侧侧限抗压压强度123456SMW围护墙参参数的确确定SMW围护墙设设计与计计算SWM搅拌桩截截面设计计截面布置置形式SMW内插型钢钢拔出SMW围护墙设设计与计计算型钢拔出出影响因因素型钢与水水泥土之之间的摩摩擦阻力力；由于基坑坑开挖造造成的型型钢水泥泥土搅拌拌墙变形形致使型型钢产生生弯曲，，从而在在拔出时时产生的的变形阻阻力。型钢拔出出作用机机理水泥土中中水泥胶胶体与型型钢表面面的化学学胶结力力型钢与水水泥土接接触面上上的摩擦擦阻力型钢表面面粗糙不不平的机机械咬合合力SMW内插型钢钢拔出SMW围护墙设设计与计计算型钢拔出出作用机机理将H型钢的拔拔出过程程大致划划分为三三个阶段段：无脱脱结阶段段、部分分脱结阶阶段、完完全脱结结阶段。。(1)型钢从受受荷至开开始脱结结这一阶阶段，即即第I阶段（无无脱结阶阶段）。。从型钢钢滑移理理论上，，这段曲曲线可视视为线弹弹性，实实际情况况与理论论大致相相符。(2)当拔出力力超过脱脱结力dP时，即进进入部分分脱结阶阶段。在在这个阶阶段，两两种材料料间的摩摩擦剪切切应力较较复杂，，拔出力力既要克克服H型钢和水水泥土接接触界面面上的静静摩擦力力，又要要克服挡挡墙变形形所产生生的弯曲曲变形阻阻力。这这种弯曲曲变形在在拔出力力的作用用下增加加了接触触界面的的法向应应力，从从而导致致静摩擦擦力增大大。因此此，这时时的起拔拔力要比比无侧向向变形时时起拔力力大很多多。(3)H型钢拔动动后，H型钢和水水泥土完完全脱结结。由于于减摩材材料的抗抗剪强度度较低，，可认为为H型钢在拔拔出过程程中摩擦擦剪应力力是常数数，因此此摩擦拔拔出阶段段理论上上为一直直线。实实际情况况由于基基坑开挖挖围护结结构变形形的影响响，H型钢拔动动后主要要由弯曲曲阻力控控制。当当H型钢末端端通过较较大弯曲曲点后，，阻力主主要由摩摩擦阻力力控制，，型钢迅迅速拔出出，曲线线呈陡降降形态。。SMW内插型钢钢拔出SMW围护墙设设计与计计算型钢拔出出验算H型钢的起起拔力等等于静摩摩擦阻力力Pf、变形阻阻力Pd和自重G三部分之之和要求H型钢在起起拔过程程中处于于弹性状状态SMW构造设计计SMW围护墙设设计与计计算型钢与冠冠梁的连连接节点点(1)冠梁截面面高度不不小于600。当搅拌拌桩直径径为650时，冠梁梁的截面面宽度不不应小于于1000；当搅拌拌桩直径径为850时，冠梁梁的截面面宽度不不应小于于1200；当搅拌拌桩直径径为1000时，冠冠梁的的截面面宽度度不应应小于于1300。(2)冠梁的的主筋筋应避避开型型钢设设置。。为便便于型型钢拔拔除，，型钢钢顶部部要高高出冠冠梁顶顶面一一定高高度，，一般般不宜宜小于于500，型钢钢与腰腰梁间间的隔隔离材材料在在基坑坑内侧侧应采采用不不易压压缩的的硬质质材料料。(3)冠梁的的箍筋筋宜采采用四四肢箍箍筋，，直径径不应应小于于Φ8，间距距不应应大于于200；在支支撑节节点位位置，，箍筋筋宜适适当加加密；；由于于内插插型钢钢而未未能设设置的的箍筋筋应在在相邻邻区域域内补补足面面积。。SMW构造设设计SMW围护墙墙设计计与计计算型钢与与冠梁梁的连连接节节点(1)为便于于型钢钢拔除除，型型钢需需锚入入冠梁梁，并并高于于圈梁梁顶部部一定定高度度。一一般该该高度度值宜宜大于于50cm，根据据具体体情况况略有有差异异；同同时为为了方方便施施工，，型钢钢顶端端不宜宜高于于自然然地面面。(2)由于型型钢整整体锚锚入冠冠梁，，为便便于今今后拔拔除，，圈梁梁和型型钢之之间需需采用用一定定的材材料隔隔离。。型钢钢对圈圈梁截截面的的削弱弱是不不能忽忽略的的，因因此围围护设设计中中需要要考虑虑这种种不利利影响响，对对圈梁梁截面面进行行适当当的加加强。。SMW构造设设计SMW围护墙墙设计计与计计算型钢与与围檩檩及支支撑的的连接接节点点SMW构造设设计SMW围护墙墙设计计与计计算转角加加强措措施型钢水水泥土土搅拌拌墙截截水封封闭措措施主要设设计控控制参参数SMW围护墙墙设计计与计计算主要施施工参参数(1)水泥浆浆流量量：280~320L/min（双泵泵）；；(2)浆液配配比：：水:水泥=1.5~2.0:1；(3)泵送压压力：：1.5~2.5MPa；(4)H型钢的的间距距（平平行基基坑方方向））偏差差：L±5cm（L为型钢钢间距距）；；(5)H型钢的的保护护层（（面对对基坑坑方向向）偏偏差：：s±5cm（s为型钢钢面对对基坑坑方向向的计计保护护层厚厚度））；(6)机架垂垂直度度偏差差不超超过1/250，成桩桩垂直直度偏偏差不不超过过1/200，桩位位布置置偏差差不大大于20mm；(7)钻头下下沉与与提升升速度度主要设设计控控制参参数SMW围护墙墙设计计与计计算型钢水水泥土土搅拌拌墙标标准配配置主要设设计控控制参参数SMW围护墙设计计与计算型钢水泥土土搅拌墙标标准配置SMW围护墙施工工测量放线、、开挖沟槽槽设置导向、、定位型钢钢三轴搅拌桩桩就位，校校正复核搅拌桩桩水平和垂垂直度三轴搅拌机机钻进，搅搅拌水泥浆浆与土体，下下沉至设计计桩底标高高三轴搅拌机机搅拌水泥泥土，并提提升至设计桩顶顶标高或重重复搅拌型钢起吊、、定位校核核垂直度插入、固定定型钢墙间回填、、型钢拔除除、空隙注注浆拌制水泥浆浆液、开启启空压机、送送浆、气至至钻头型钢涂减磨磨剂涌土处理分层挖土、、地下室构构筑拆支撑撑型钢水泥土土搅拌施工工完毕设备退场压顶梁、围围及水平支支撑制作下一施工循循环SMW