SMW工法桩在超深基坑中的适用性研究.pdf

第6 期（总第2 90 期）2023年6 月D0I:10.16799/ki.csdqyfh.2023.06.073城市道桥与防洪URBANROADSBRIDGES&FLOODCONTROL相关专业SMW工法桩在超深基坑中的适用性研究李雪洋1.2（1.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京市1 0 0 0 0 0；2.苏州众通规划设计有限公司，江苏苏州2 1 5 0 0 0）摘要：SMW工法桩常用于深度不大于1 1 m基坑的支护结构，具有工期短、无污染、噪声小、可回收等特点。为研究此工法桩在超深基坑的适用性，以苏州某基坑工程（基坑深度1 5 m）为例，计算超深基坑开挖各工况下SMW工法桩的侧向变形、钢材强度承载力、地表沉降等规律，并现场施工验证。结果表明，SMW工法桩可作为深度15m左右基坑的围护结构，且在工期、环保、经济性上具有明显优势，为其他类似工程提供借鉴。关键词：SMW工法桩；型钢水泥土搅拌桩；基坑支护；深基坑工程；基坑变形中图分类号：TU753文献标志码：B文章编号：1 0 0 9-7 7 1 6(2 0 2 3)0 6-0 2 8 7-0 5单,无重要建（构)筑物。基坑呈东西向，长1 7 1.8 m，0 引 言宽1 1.4 1 4.4m，深1 2.0 1 5.0 m。基坑平面示意如图SMW工法桩（soil mixingwall)也称为新型水泥1所示，基坑横断面和地层分布如图2 所示。土搅拌桩墙，是指在未凝固的水泥土桩内插入H型钢等，凝固后的水泥土与H型钢组成复合型围护结构，同时具备受力、抗渗两种功能。SMW工法桩在国内由上海率先开始使用。凭借施工便利、造价低、适用性强等特点，此工法桩在沿海软土地区迅速推广并向内陆发展。2010年，中国住建部发布了行业标准型钢水泥土搅拌墙技术规程（JGJ/T199一2 0 1 0),文中提到：搅拌桩直径8 5 0 mm的型钢水泥土搅拌墙适用于开挖深度不大于1 1 m的基坑。同时提供了工法桩适用深度限值。但近几年来，随着SMW工法桩施工工艺的成熟、搅拌桩机械设备的改良，越来越多超深基坑也选择用SMW工法桩作为基坑支护结构。本文以苏州某基坑工程(基坑深度1 2 1 5 m)为例，通过数值模拟理论计算基坑的内力变形、地表沉降、整体稳定性、抗倾覆、型钢承载力、水泥土抗剪验算等，分析规律、提出结论，并结合现场施工监测数据进行验证，研究SMW工法桩在超深基坑中的适用性。1工程概况1.1项目简介拟建工程位于现状道路和地块内，周边环境简收稿日期：2 0 2 2-0 8-1 1作者简介：李雪洋（1 990 一），男，本科，工程师，从事隧道工程、地下结构设计工作。道路C区B区图1 计算模型简图混凝土支撑0:97(2.100.素填钢支撑，粉质黏土，淤泥质粉质黏土5黏士，粉质黏土粉土夹粉砂，粉土黏土夹粉砂SMW工法桩粉土夹粉砂=5图2 基坑横断面和地层分布情况示意图基坑围护结构选用850600mmSMW工法桩，内插7 0 0 mm300mm13mm24mmH型钢。基坑最大深度为1 5.0 m，型钢采用密插布置。竖向采用1道混凝土支撑+3 道6 0 9钢管支撑。1.2地质参数工程所处地质为第四系全新世至早更新世沉积的疏松沉积物，黏性土与粉砂性土交错，土层物理力学参数指标见表1。287.N地块A区，粉土夹粉砂,粉质黏土城市道桥与防洪李雪洋：SMW工法桩在超深基坑中的适用性研究2023 年第6 期表1 土层物理力学参数指标固快(C)重度层号岩土名称素填土粉质黏土淤泥质粉质黏土17.7黏土19.9?2粉质黏土粉土夹粉砂31粉质黏土夹粉砂18.9?2粉土夹粉砂粉质黏土2基基坑计算2.1假定条件（1)采用朗肯土压力计算公式，水土分算。(2)采用m法计算土的水平反力系数。(3)水土侧压力全部由H型钢承担，计算不考虑水泥土对型钢强度和刚度的贡献。（4)支护结构计算包含内力变形计算、地表沉降计算、整体稳定计算、抗倾覆计算、型钢承载力计算、水泥土抗剪验算。（5)采用同济启明星深基坑支挡结构设计计算软件FRWSv9.0。2.2 计算结果2.2.1内力变形计算基坑内力计算结果包络图如图3 所示。0-200200.1000175.9-10.3428.4400887-350788.11015202530反力/(kNm-l)-015.8图3 基坑（1 5.0 m深断面）内力计算结果包络图由图3 可以看出：（1)基坑开挖至坑底工况，型钢所受正弯矩最大，为3 91.2 kNm；拆除最下道支撑的工况，型钢所受负弯矩最大,为-3 6 0.6 kNm。（2)基坑开挖至坑底工况，型钢所受正剪力最大，为2 8 2.1 kN；拆除最下道支撑的工况，型钢所受负剪力最大，为-3 2 5.0 kN。水平基床垂直基床侧压力(kNm)系数KH/Ceq/kPaP/()系数K。(MNm3)(MNm3)18.51019.028.011.552.619.128.019.28.024.619.28.718.723.60-40040005L515202530位移/mm弯矩/(kNm)-360.6391.2-325282.1比例系数Kv/系数ml(MNm4)100.7512.90.6011.00.8013.90.4014.10.4520.30.5613.60.6219.70.5413.50.750-40051015202530渗透系数垂直K/水平K/(10-cms-l)（1 0-c m s-)6.05.010.08.05.04.028.032.019.022.020.022.013.011.022.024.014.012.0(3)基坑最大水平位移为1 5.8 mm。本工程基坑变形等级按一级控制，基坑水平位移限值为0.1 4%H（H 为基坑深度）,为2 1 mm。最大水平位移满足设计要求。2.2.2地表沉降计算计算方法：同济抛物线模式。地表最大沉降值为13.6mm,如图4所示。0图4基坑（1 5.0 m深断面）地面沉降图2.2.3整体稳定计算整体稳定性计算采用圆弧滑动条分法，整体稳定性计算结果如图5 所示，基坑整体稳定性系数K=1.36,满足设计要求。剪力/kN图5 基坑（1 5.0 m深断面）整体稳定计算图2.2.4抗倾覆计算以最下道支撑为转动点的抗倾覆计算结果如图6所示,基坑抗倾覆系数K=1.31,满足规范 2 要求。2881.54.52.38.06.58.04.59.54.010.61x=0 m,S=2.4 mm,x=10.61 m,S=13.6 mmx=22.33 m,S=0 mmH=14.913m,K=1.36455.56.52.04.530005045006.522.33x/m号1-3 素填王-1粉质黏主2-y淤泥质粉质黏土3-1黏土3-2粉质黏王3-3粉土夹粉砂4-2粉土夹粉砂5-1粉质黏土506.07.02.55.03500605 0007.02023年第6 期李雪洋：SMW工法桩在超深基坑中的适用性研究城市道桥与防洪.1-3素填土2-1粉质黏土2-y淤泥质粉质黏土3-1黏土3-2粉质黏土6.25212.825+4943.4 kN4-2粉土夹粉砂3146.4kN-5-1粉质黏土H=14.913m倾覆：K=1.31图6 基坑（1 5.0 m深断面）抗倾覆计算图2.2.5型型钢钢材抗弯强度验算1.25%Mkf二W式中：为钢板桩截面边缘处最大应力；Mk为设计的弯矩标准值；%为重要性系数，取1.1;W为H型钢的截面模量;f为H型钢的抗弯强度设计值，为205 MPao经计算,=136 MPao=205 MPa。2.2.6型钢钢材抗剪强度验算=125%VS Itw式中：Vk为型钢水泥土搅拌墙的剪力标准值；S为H型钢的中和轴的面积矩;I为H型钢的毛截面惯性矩;t为型钢的腹板厚度;f为H型钢的抗剪强度设计值,为1 2 5 MPa。经计算,T=65.5MPaf=125MPa。2.2.7钢材与水泥土间错动受剪承载力验算受剪承载力验算分为：钢材与水泥土间错动受剪承载力验算、水泥土最薄弱截面的局部受剪承载力验算，示意图分别为图7、图8。图7 型钢与水泥土间错动受剪承载力验算示意图qkLTT图8 水泥土最薄弱截面局部受剪承载力验算示意图1.25%0 Vik_1.25%ggkLLTT%T=del式中：T1为H型钢与水泥土的错动剪应力值;V1k为H型钢与水泥土的错动剪力标准值;qk为H型钢水泥土搅拌墙的侧压力强度标准值;Li为相邻H型钢3-3粉土夹粉砂之间的净距；T为水泥土的抗剪强度设计值；dei为水泥土墙体有效厚度；Tck为水泥土抗剪强度标准值，可取搅拌桩2 8 d龄期无侧限抗压强度的1/3。经计算，基坑深度1 5 m处钢材与水泥土间错动受剪T1=180.3kPa T=208.2kPa。2.2.8水泥土最薄弱截面局部受剪承载力验算T2=1.25%e V2k=1.25%ggkL2zTTde21.6式中：T2为水泥土最薄截面的剪应力设计值；V2k为水泥土最薄截面的剪力标准值;L2为水泥土相邻最薄截面的有效净距；de2为水泥土最薄截面墙体的有效厚度。经计算,基坑深度1 5 m处的水泥土最薄弱截面剪应力 T2=158.8kPa T=208.2kPa。2.2.9设计结论(1)根据基坑内力计算结果，型钢弯曲应力、剪应力均满足材料性能要求，且富余量较大。(2)基坑整体稳定性、抗倾覆计算、地表沉降、基坑水平位移，均满足设计要求。(3)钢材与水泥土、水泥土最薄弱位置的抗剪验算，是关系到基坑安全的重要验算，也是SMW工法桩能否在超深基坑中应用的关键性指标。从计算结果可以看出，当搅拌桩无侧限抗压强度为1.0 MPa时，基坑1 5 m深度处钢材与水泥土的剪应力虽然满足水泥土抗剪强度设计值，但富余量较小，已接近容qk许值。（4)S MW工法桩相比于钻孔灌注桩,刚度较小，基坑变形相对较大（基坑最大水平位移为1 5.8 mm，V最大地表沉降值为1 3.6 mm）。L3施工阶段验证分析3.1围护桩体水平位移在基坑深1 5 m位置，分别设2 组桩体水平位移监测点CX4、CX 1 0。其中，监测点CX4数据如图9所示。从图9可以看出，随着基坑开挖，围护桩水平位移逐渐增大，竖向在1 1 1 6.5 m深度范围内达到最大。在底板混凝土浇筑完成5 d后,最大水平位移有所减少，同时桩顶负位移也有明显增加。直至顶板混2del1.62de2凝土浇筑完成后，水平位移变化平稳。最大水平位移289.城市道桥与防洪李雪洋：SMW工法桩在超深基坑中的适用性研究2023年第 6 期桩体水平累计位移量/mm-10-500.52.54.56.58.510.512.514.516.518.520.522.524.526.5图9桩体水平位移CX4监测数据值8 max=18.44mm=1.23%H，与设计结论基本相吻合。42024985月3日5月5 日3.2地表沉降510152025第二道混凝土支撑三道支撑三道支撑第四道支撑基玩阀开挖至第一道支撑一开挖至基坑底底板浇筑后5 d顶板浇筑后5 d5月9 日5月1 1 日5月1 3 日5月1 5 日5月3 日基坑开始开挖，至6 月6 日基坑开挖至坑底标高。在基坑深1 5 m位置，分别设2 组地表沉降监测断面DB4、D B 1 0,每组断面分别设5 个地表沉降监测点。监测点DB4-1DB4-5、D B 1 0-1 D B 1 0-5距离基坑边的距离分别为：2 m、5 m、1 0 m、1 7 m、2 8 m。其中,地表沉降监测点DB4数据如图1 0 所示。从图10可以看出,DB4-1、D B 4-2 随基坑开挖沉降值逐渐加大，地表最大沉降量为-7.2 7 mm。D B 4-3 初期随基坑开挖沉降值逐渐加大，5 月1 7 日后开始隆起，最终隆起值为0.47 mm。距离基坑较远的DB4-4、DB4-5,开挖初期均为微隆起状态，随着基坑见底，监测数据由隆起逐步转为沉降状态，最终沉降值固定为-3.8 7 mm。基坑开挖过程中，地表最大沉降值为-7.2 7 mm，远小于理论计算值-1 3.6 mm，满足基坑变形控制