SMW工法在城市水利工程中的應用

余敏林

(寧波弘正工程咨詢有限公司，浙江 寧波 315192)

傳統水利工程一般位于鄉村郊外等開闊地帶，受周邊環境影響因素較小，基坑開挖大多采用放坡開挖方式。隨著社會經濟的發展，城鎮化水平不斷提高，城市的發展必然對城市水利提出更新更高要求。然而位于城鎮地區的水利工程，周邊環境復雜(如交通道路、房屋建筑、地下管線等，且土地緊張)，放坡開挖的基坑開挖方式被限制，此時需要采用專門的支護處理措施。目前基坑支護中，鋼板樁、鋼筋混凝土灌注樁、水泥土重力式擋墻及地下連續墻等應用較為普遍。鋼板樁一般用于淺基坑，施工靈活方便，樁體可循環利用，但是整體剛度較低，水平位移較大；鋼筋混凝土灌注樁密排布置成墻結構，整體剛度大，支護效果較好，但樁基間隙會成為滲漏通道，因此，需專門布置截水帷幕，造價較高；當坑底存在較厚的淤泥層時，也不宜采用灌注樁+錨索方案[1]；地下連續墻強度、剛度大，技術成熟，安全可靠，但施工工藝復雜，投資高，且對周圍環境影響大；水泥土重力式擋墻有良好的抗滲性能，但抗彎性能差，厚度大，占地多，適用于淺基坑。SMW工法源于美國而成熟于日本[2]，20世紀80年代引入我國。SMW工法施工不會擾動臨近土體，止水可靠[3]，施工方便，結合了不同結構形式的特點，具備常規支護結構不具備的優點[4]，在上海、江蘇、浙江、天津、北京等地區得到廣泛應用[5]。

1 SMW工法簡介

SMW工法是在壁狀水泥土中插入勁性芯材，形成勁性水泥土壁式擋墻的支護結構，兼具止水和支護的雙重功能。該結構構造簡單、施工方便、占地少、工期短、造價低、適用土質范圍廣、對周圍環境影響小、基本無泥漿污染，因此，在工程中應用日益普遍。SMW工法中壁狀水泥土多為三軸水泥攪拌樁，按照套接一孔的順序施工，常用的單樁直徑有650 mm、850 mm和1 000 mm 3種[2]。勁性芯材多為型鋼，勁性水泥土壁式擋墻中型鋼的布置常用的形式有全插和間插2種(如圖1～3所示)。

在SMW工法中，由型鋼和水泥土共同承擔土壓力和水壓力及其他附加荷載，日本材料協會通過試驗得出，SMW工法的抗彎剛度是單排型鋼單獨作用時的1.2倍，而且阻撓作用效果明顯。但設計時，一般考慮水泥土只起止水帷幕作用，而荷載單獨由型鋼承擔，將水泥土的承載力作為安全儲備[6]。SMW工法還有一大優勢就是勁性芯材可以回收利用，一般來說，勁性芯材的工程費用可以占到基坑總費用的40%～50%，因此回收芯材不僅節省材料，而且可以有效降低成本[4]。

圖1 全插型示意

圖2 插一跳一型示意

圖3 插二跳一型示意

在SMW工法的實際運用中，往往芯材型鋼和水泥土的入土深度是不一致的，型鋼的入土深度主要由基坑的抗隆起穩定性和整體變形確定，同時還需考慮型鋼是否能夠順利拔出回收利用，而水泥土的入土深度主要考慮防滲、坑底底鼓隆起影響等。另外，一般情況下，SMW工法與被動區水泥土加固聯合使用也較為普遍，這是因為被動區土體加固對抑制基坑塑性區的發展有一定的作用，對基坑抗隆起、控制位移有良好作用，常用的被動區加固形式有裙邊加固、抽條加固、滿堂加固等[7]。

2 承載力復核

SMW工法計算中，除了復核一般性的項目，如位移、抗傾覆、整體穩定等之外，還應復核型鋼的強度和水泥土的強度。雖然SMW工法只考慮型鋼單獨承擔荷載作用，水泥土的承載力作為安全儲備，但是在復核承載力時，應同時復核型鋼和水泥土的承載力，因為只考慮型鋼的承載作用，并不能認為水泥土在實際工作中未受到任何荷載作用，因此水泥土的承載力復核不可忽視。在承載力復核時，應考慮的有型鋼的抗彎強度、抗剪強度和水泥土的抗剪強度。在進行結構內力和變形以及各項穩定性分析時，墻深以型鋼底端為準，不計算未插入型鋼的水泥土墻體作用[6]。

1) 型鋼承載力

型鋼承載力復核主要包括抗彎強度和抗剪強度復核，應符合式(1)(2)的要求。

(1)

式中γ0為結構重要性系數；Mk為作用于型鋼的彎矩標準值,N·mm；W為型鋼沿彎矩作用方向的截面模量,mm3；fM為型鋼抗彎強度設計值,N/mm2。

(2)

式中QK為作用于型鋼的剪力標準值,N；S為計算剪力處的面積矩,mm3；I為型鋼沿彎矩作用方向的截面慣性矩,mm4；h為型鋼腹板厚度,mm；fV為型鋼抗剪強度設計值,N/mm2。

2) 水泥土承載力

水泥土的承載力主要是抗剪承載力，包括型鋼與水泥土之間的錯動剪切承載力和水泥土最薄弱處的剪切承載力，剪切位置如圖4～5所示。

圖4 錯動剪切示意

圖5 最薄弱處剪切

水泥土的抗剪承載力應符合式(3)(4)(5)的要求。

(4)

式中τ1為作用于錯動處的剪應力設計值,N/mm2；Q1為作用于錯動處單位深度范圍內的剪力標準值,N/mm；qk為作用于錯動處側壓力標準值,N/mm2；L1為相鄰型鋼翼緣凈距,mm；d1為翼緣處水泥土的有效厚度,mm；τ1為水泥土抗剪強度設計值,N/mm2；τc為水泥土抗剪強度標準值,N/mm2。

(5)

式中各符號的含義可參考錯動剪切公式。

3 型鋼回收

勁性水泥土壁式擋墻中的型鋼可以回收，除環境條件有特殊要求外，一般予以回收，節省成本。通常在型鋼插入前，型鋼表面干燥除銹后在其表面涂刷減摩材料以減少拔出時的摩阻力[8]。型鋼的拔出力Pm可認為主要由靜摩阻力Pf和變形阻力Pd以及型鋼自重G組成[9]。有關文獻表明，型鋼自重一般相對于拔出力是非常小的，可忽略不計，而當型鋼變位率不高于0.5%時[10]，變形阻力接近于靜摩阻力，則可認為有：

Pm=2Pf=2μSH

(6)

式中μ為型鋼與水泥土間的單位摩阻力，MPa，可取0.04 MPa；S為型鋼周長，mm；H為水泥土中型鋼的長度，m。

型鋼的回收不僅要考慮拔出力，還應該考慮型鋼的可拔性，型鋼拔出后要能重復利用而不損壞，則要求拔出力應小于型鋼的允許拉力[11]。型鋼允許拉力可按式(7)計算：

[P]=0.7σsA

(7)

式中σs為型鋼屈服強度，N/mm2；A為型鋼截面積，mm2。

4 工程案例

4.1工程概況及地質情況

某節制閘位于浙江省寧波市江北區境內，水閘規模為3孔×2.8 m，總凈寬為8.4 m，設計防洪標準為百年一遇，是江北區重點水利工程的組成部分。水閘主要由鋪蓋、翼墻、閘室、護坦等組成，地基處理方面，閘室段采用Ф600 mm灌注樁，上下游翼墻采用250 mm×250 mmC30靜壓鋼筋砼預制樁(L=6 m)。

擬建水閘處，自上而下地址土層依次為1-1層素填土、1-2層粘土、2-1層淤泥質粘土、3層粉質粘土、4-1層淤泥質粘土。閘基位于2-1層淤泥質粘土上，2-1層含云母及少量貝殼碎屑，土質不均勻，均屬含水量高、壓縮性高、靈敏度高、土性強度低，土的力學性能差。各土層物理參數建議值見表1所示。

表1 土層物理參數建議值

4.2基坑方案設計

節制閘位于寧波市江北區，周邊環境復雜。閘室上游10 m處為交通干道橋梁，左側5 m處為工廠進廠道路，右側30 m處為居民樓，且居民樓邊還有8 m寬綠化，水閘右側可利用空間實際只有22 m。基坑最大開挖深度約5.5 m，根據浙江省《建筑基坑工程技術規程》(DB33/T 1096—2014)，本工程基坑屬于二級基坑。若基坑直接采用放坡開挖方式，由于作業面限制，坡比不足以滿足基坑穩定要求，且可能會對周邊建筑物造成不利影響；若采用鉆孔灌注樁加支撐的方式，一則場地空間有限，泥漿池無法布置，且容易產生泥漿污染，二則由于灌注樁數量多，容易產生擾民噪音；若采用鋼板樁加支撐的方式，由于基坑較深，鋼板樁容易變形，對周邊安全影響較大，且樁間易形成滲漏通道；若采用水泥土重力式圍護墻的支護方案，經計算為滿足自身強度及基坑整體穩定要求，水泥土寬度約為4 m，長度超過20 m，根據本地工程經驗，水泥攪拌樁有效樁長約為15 m，超過15 m部分強度及質量難以保證，因此，本工程不推薦采用此工法，僅用于坑內軟土加固。通過以上比較，本工程可采用SMW工法加一道鋼支撐的支護方案。本工程基坑長為29.15 m，最大寬度為20.15 m，最大挖深為5.5 m。SMW工法采用三軸水泥攪拌樁為Φ650，水泥摻量為20%，水灰比為1.8。內插H型鋼規格為500 mm×200 mm×10 mm×16 mm，采用插二跳一型布置，型鋼中心間距為450 mm。基坑底部淤泥質土采用Φ650三軸水泥攪拌樁裙邊加固以減少支護結構位移，防止坑底土隆起量過大[12]，本基坑加固寬度為2.9 m，深度為3 m。基坑周邊高程約3.00 m(1985高程基準，余同)，冠梁頂高程為2.50 m，樁底高程為 -13.10 m，型鋼頂部高出冠梁為0.5 m以便于鋼材拔出，型鋼底高程為-12.6 m。基坑圍護平面和剖面示意見圖6～7。

圖6 基坑平面布置示意(單位：高程m，尺寸mm)

圖7 基坑結構剖面示意(單位：高程m，尺寸mm)

關于基坑加固土粘聚力和內摩擦角取值問題，可認為加固區土體的內摩擦角于原狀土相同，將加固后增加的摩擦角部分作為安全儲備，而粘聚力可采用如下公式推導[6]：

c=0.25quIr+c′(1-Ir)

(8)

式中qu為水泥土的無側限抗壓強度，Ir為加固率，c′為原狀土的粘聚力。

本工程基坑底部被動區土體采用Φ650三軸水泥攪拌樁裙邊加固，樁位布置形式如圖8所示，根據樁位布置算得加固率Ir=83.8%。根據文獻[13]，5 m內水泥攪拌樁90 d齡期樁身強度不小于 1 000 kPa，本工程取qu=1 000 kPa，由式(8)計算基坑加固區土的粘聚力c值為211.8 kPa(2-1土層)和211.4 kPa(2-2土層)。

圖8 基坑加固樁位布置示意(單位：mm)

4.3 穩定分析

圖9 基坑支護位移示意

4.4 承載力分析

SMW工法支護結構的內力分析主要為型鋼承載力和水泥土承載力復核分析，型鋼為抗彎和抗剪強度復核，水泥土為型鋼與水泥土之間的錯動剪切承載力和水泥土最薄弱處的剪切承載力復核。

型鋼抗彎強度復核根據式(1)：

型鋼抗剪強度復核根據式(2)：

水泥土的錯動剪切承載力復核根據式(3)：

水泥土最薄弱處剪切復核根據式(5)：

根據計算，型鋼承載力和水泥土承載力都能滿足要求。

4.5 型鋼回收

型鋼的回收主要考慮型鋼拔出力以及不損壞型鋼(使其處以彈性狀態)，本工程基坑支護中型鋼的拔出力根據式(6)：

Pm=2×0.03×1 645.66×13.5=1 777.3 kN。

型鋼的允許拉力根據式(7)：

[P]=0.7×235×114.2/10=1 878.6 kN>Pm。

根據計算，本工程型鋼拔出力小于型鋼允許拉力，滿足拔出要求，理論上型鋼可正常拔出。

5 結語

本文在已有基坑支護理論基礎上，通過計算分析SMW工法在水閘基坑支護中的應用，并結合實際施工反饋，得出以下主要結論：

1) SMW工法在本工程應用成功，對周圍環境影響小，基坑穩定性得以保證，基坑變形控制適宜，達到預期效果，取得了較好的成果。

2) 基坑底部被動土加固與基坑支護的聯合運用，對坑底軟土抗隆起作用較大，實際工程中應重視坑底土加固問題，并合理選取加固土的計算參數。

3) 型鋼回收重復利用可節省工程投資，但應注意控制型鋼變位率，并在型鋼表面涂刷減摩材料，利于型鋼拔出。