對深基坑工程支護結(jié)構(gòu)施工中SMW工法施工技術(shù)的應(yīng)用探討
關(guān)鍵詞:基坑工程；圍護結(jié)構(gòu)；SMW工法；抗彎剛度；施工技術(shù)
1目前幾種深基坑工程支護工法的應(yīng)用條件
1.1排樁支護
排樁支護是指柱列式間隔布置鋼筋混凝土挖孔、鉆(沖)孔灌注樁作為主要擋土結(jié)構(gòu)的一種支護形式。柱列式間隔布置包括樁與樁之間有一定凈距的疏排布置形式和樁與樁相切的密排布置形式。柱列式灌注樁作為擋土圍護結(jié)構(gòu)有很好的剛度,適合各種地層。但各樁之間的聯(lián)系必須在樁頂澆注較大截面的鋼筋混凝土帽梁加以可靠聯(lián)接。
為了防止地下水并夾帶土體顆粒從樁間孔隙流入(滲入)坑內(nèi),應(yīng)同時在樁間或樁背采用高壓注漿、設(shè)置深層攪拌樁、旋噴樁等措施,或在樁后專門構(gòu)筑防水帷幕。當(dāng)要求灌注樁圍護結(jié)構(gòu)起到抗水防滲作用時,必須做好樁間和樁背的深層防水?dāng)嚢铇痘蛐龂姌丁．?dāng)周圍環(huán)境保護要求嚴格時,為減少排樁的變形,在軟土地區(qū)有時對基坑底沿灌注樁周邊或部分區(qū)域,用水泥攪拌樁或注漿進行被動區(qū)加固,以提高被動區(qū)的抗力,減少支護結(jié)構(gòu)的變形。
排樁支護是擋土系統(tǒng)和止水系統(tǒng)兩獨立結(jié)構(gòu)配套使用。實際施工時,不管是先施工鉆孔樁再施工攪拌樁,還是先施工攪拌樁再施工支護樁,止水?dāng)嚢铇犊陀^上都不可能與支護鉆孔樁緊貼,開挖時樁間砂土坍落,造成止水樁直接承擔(dān)水土壓力,因而攪拌樁首先被剪斷產(chǎn)生漏水,導(dǎo)致基坑失穩(wěn)。
1.2地下連續(xù)墻
地下連續(xù)墻是用特制的成槽機械,在泥漿護壁的作用下,開挖一定深度的溝槽,然后清除槽段內(nèi)沉淀的沉渣,吊裝鋼筋籠后澆筑混凝土所形成的墻體。整個槽段地下連續(xù)墻具有整體剛度大的特點和良好的止水防滲效果,既擋土又擋水,極少發(fā)生地基沉降或塌方事故。
適用于軟粘土和砂土等多種地層條件和復(fù)雜的施工環(huán)境,尤其是基坑底面以下有深層軟土需將墻體插入很深的情況。因此在國內(nèi)外的地下工程中得到廣泛的應(yīng)用。地下連續(xù)墻作為臨時的支護結(jié)構(gòu),比其它工法的費用要高得多。在施工中泥漿污染施工現(xiàn)場,造成場地泥濘不堪,泥漿廢后處理比較麻煩。
1.3SMW工法
SMW(SoilMixingWall)工法是水泥土混合體未結(jié)硬前插入H型鋼或鋼板作為其應(yīng)力補強材料,至水泥結(jié)硬,便形成一道具有一定強度和剛度的、連續(xù)完整的、無接縫的地下墻體。水泥與土得到充分的強化攪拌,墻體無論在縱向與橫向都沒有接縫,具有高止水性;在插入H型鋼后使其形成一復(fù)合墻體,具有抗側(cè)壓強度。
因此,SMW墻具有擋土與止水雙重作用,適用于任何土層,對周圍地基影響小,插入水泥土中的H型鋼或鋼板可以拔出重復(fù)使用,大大降低了施工成本。由于H型鋼剛度隨長度增長而降低,從而使得插入H型鋼的水泥土墻強度降低,故不適合超深基坑。據(jù)查閱有關(guān)資料,國內(nèi)最深基坑記錄為南京地鐵工程(20m)。
2工程實例
某工程采用明挖順作法施工。分主體和附屬工程兩部分,主體結(jié)構(gòu)基坑采用地下連續(xù)墻圍護,附屬結(jié)構(gòu)采用SMW工法樁作為圍護結(jié)構(gòu),附屬工程包括出入口及兩組風(fēng)井、風(fēng)亭,附屬結(jié)構(gòu)開挖深度約為16m。SMW工法作為深基坑支護在國內(nèi)可以借鑒的成功經(jīng)驗較少,本文結(jié)合工程實例,從剛度設(shè)計、工藝流程和技術(shù)要點方面對工法作一介紹。
2.1SMW工法的剛度
荷載較小時水泥土受拉區(qū)還未出現(xiàn)開裂,組合結(jié)構(gòu)全截面均參與工作。此時組合結(jié)構(gòu)截面抗彎剛度為:
B=EsIs+ξEcIc(1)
式中:Es、Ec———型鋼與水泥土的彈性模量;Is、
Ic——型鋼與水泥土對中心軸的慣性矩;
ξ——考慮水泥土缺陷的折減系數(shù),取0.5～1.0。水泥土開裂前的彎矩極限為:
Mct=2ft〔(Es/Ec)Is+Ic〕/h(2)
式中:h——截面高度;ft——水泥土的抗拉強度。
受拉區(qū)部分水泥土開裂后,開裂部分即退出工作,而受壓區(qū)水泥土承受了更大的壓應(yīng)力,截面的中性軸將向受壓區(qū)偏移。假設(shè)型鋼截面尺寸較小,在計算水泥土截面面積時可忽略,則組合截面中性軸偏離型鋼中心軸的距離為:
t=htEc(Ac-bht)/2〔EsAs+Ec(Ac-bht)〕(3)
式中:As、Ac——型鋼和水泥土的全截面面積;b——截面寬度;ht——受拉區(qū)開裂深度。此時截面的抗彎剛度為:
B=Es(Is+Ast2)+Ec(ξIct+Acttc2)(4)
式中:Act——參與工作的水泥土截面面積,Act=Ac-bht;Ict——參與工作的水泥土截面對其自身中心軸的慣性矩,Ict=b(h-ht)3/12;tc——參與工作的水泥土中心軸與截面中性軸間的距離,tc=ht/2-t。此時在水泥土受拉區(qū)未開裂部分邊緣處的應(yīng)力應(yīng)為ft,故:
ft=(EcM/B)(h/2+t-ht)(5)
將(3)式代入(4)、(5)兩式得:
在已知截面內(nèi)力(彎矩)時,可利用(6)、(7)兩式迭代計算出截面剛度,從這兩式可看出截面的抗彎剛度與內(nèi)力(彎矩)密切相關(guān)。
繼續(xù)加載,型鋼將屈服,組合結(jié)構(gòu)體剛度將降低。由于工程中不允許應(yīng)力達到這一程度,因此,型鋼屈服后的剛度不再分析。
2.2施工工藝流程
SMW工法圍護結(jié)構(gòu)施工主要包括開挖導(dǎo)溝、樁機定位、攪拌施工、泥漿制作、型鋼的插入與拔除等工藝。
2.3施工過程中的技術(shù)要點
(1)如機械施工區(qū)域有軟土,則樁機施工道路需鋪設(shè)30cm厚的碎石墊層,并在樁機施工時局部鋪設(shè)30mm鋼板,以確保樁機的安全與施工質(zhì)量,并按照設(shè)計圖進行定位及高程引測工作。
(2)采用挖機開挖導(dǎo)溝,溝槽寬度為1m、深度為0.6m。為確保樁位以及為安裝H型鋼提供導(dǎo)向裝置,平行溝槽方向放置2根300mm×300mm工字鋼,定位型鋼上設(shè)樁位標志和插H型鋼的位置。
(3)攪拌機就位操作人員根據(jù)確定的位置嚴格控制鉆機樁架的移動,確保鉆孔軸心就位不偏。同時控制鉆孔深度的達標,利用鉆桿和樁架相對定位原理,在鉆桿上劃出鉆孔深度的標尺線,嚴格控制下鉆、提升速度和深度。
(4)攪拌樁成樁
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深層攪拌機預(yù)攪下沉的同時,按水灰比1.5～1.6拌制水泥漿液,攪拌樁采用32.5新鮮普通硅酸鹽水泥,每次投料后拌合時間≮3min,但是攪拌時間≯2h,防止水泥漿產(chǎn)生離析。待壓漿前將漿液倒入集料斗中。在水泥漿液中加015%～110%高效減水劑,以減少水泥漿液在注漿過程中的堵塞現(xiàn)象,并摻入1%～3%的膨潤土,利用其保水性提高水泥土的變形能力,減少墻體開裂,提高SMW墻的抗?jié)B性能很有效果。
②噴漿、攪拌、提升
深層攪拌機下沉到設(shè)計深度后,開啟灰漿泵。待漿液到達噴漿口,再嚴格按設(shè)計確定的提升速度邊噴漿邊提升深層攪拌機。嚴格控制水泥質(zhì)量及水泥摻量,確保水灰比。注漿時要保證單位時間內(nèi)注漿相等,不得中斷注漿。
�、壑貜�(fù)攪拌
深層攪拌樁采用“二噴四攪”。深層攪拌機噴漿提升至設(shè)計頂面標高后,為使軟土和漿液攪拌均勻,再次將深層攪拌機邊攪拌噴漿邊下沉至設(shè)計深度后,再嚴格按設(shè)計確定的提升速度提升深層攪拌機至地面。“二噴四攪”二次噴漿后保證水泥摻入量滿足18%的設(shè)計要求,同時施工中注意控制下沉及提升速度并注意孔底重復(fù)攪拌。
(5)H型鋼安放與回收
①型鋼加工時一般H型鋼長度為12m/根,施工中單根長度不能滿足要求的將需2根或多根進行焊接。型鋼具體焊接采用雙面切口滿焊,焊接前要先進行除渣、除濕、除銹等,對焊焊縫高度要高于型鋼平面約2mm。焊縫不得有漏焊。從外觀來看,要達到焊縫飽滿、無裂紋。焊接完成后,要用砂輪機進行打磨,使接口處型鋼保持平整。
�、贖型鋼插入在鉆孔的水泥土充分攪拌均勻后,開始初凝硬化之前,采用大型吊裝機械將定尺的H型鋼吊起,插入指定位置,靠型鋼自重插入。型鋼上涂減磨擦材料(上海隧道研究所研制的減磨劑涂層,單位面積靜磨阻力平均為0.04MPa)減少阻力。涂層厚度控制在不小于1mm,以保證型鋼的回收再利用。
型鋼應(yīng)平直、光滑、無彎曲、無扭曲。在孔口設(shè)定向裝置,型鋼插到設(shè)計規(guī)定深度,然后進行換鉤,使H型鋼脫離吊鉤,固定在鉤槽兩側(cè)鋪設(shè)的定位型鋼上直至孔內(nèi)的水泥土凝固。
�、跦型鋼回收
當(dāng)施工完畢后進行H型鋼回收,在施工前應(yīng)進行型鋼抗拔驗算與拉拔試驗,以確保型鋼的順利回收。H型鋼回收后注漿:注漿選用θ10mm鋼管順水泥土壁插入樁底,鋼管采用焊接。注漿材料采用細砂摻加0.5%～1.0%高效減水劑及3%～7%膨潤土,水灰比控制在0.7,通過高效減水劑及膨潤土調(diào)整水泥砂漿的流動性。注漿時采用壓力≮1.0MPa的注漿泵。
(6)樁與樁之間銜接時間≯24h。因為冷縫處易漏水降低止水效果,常用旋噴樁在外側(cè)進行處理,施工成本增加。
3結(jié)束語
SMW工法集合了排樁支護和地下連續(xù)墻的優(yōu)點,并以低成本、施工周期短、環(huán)境污染小,尤其是H型鋼的可回收再利用獨特之處,展現(xiàn)驕人魅力,是符合建設(shè)節(jié)約型社會和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟這一國家政策的良好基坑圍護形式。隨著SMW工法的設(shè)計規(guī)范和施工規(guī)范的編制推出,以及SMW工法理論的完善,相信SMW工法會憑借其獨特的優(yōu)勢在軟土地區(qū)的地下空間資源開發(fā)中發(fā)揮空前作用。
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