型钢水泥土搅拌墙(SMW工法)施工技术应用

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  摘 要:型钢水泥土搅拌墙(SMW工法)具有构造简单、止水性能好、工程短、造价低、环境污染小、强度和刚度大、深度深和施工振动小等特点,应用前景广阔。本文依托实际工程对SMW工法从设计到施工进行叙述,把握设计及施工控制要求,找到目前设计及施工中的问题,并对其发展前景进行展望。
  关键词:SMW工法 设计构造 施工工艺 质量控制 技术问题
  一、工程概况及地质条件
  上海耀华皮尔金顿玻璃有限公司SYP1迁建项目位于江苏省常熟经济开发区。SYP1生产线包括两个工作段,即熔化段和成形段。其中,熔化段熔窑开挖深度达10.20m,长为46.8m,宽为45.6m,基底面积为2134m2,选用SMW工法作基坑支护。本项目因北邻长江,属于典型的软土地基。从浅到深其20m内土层分布及各土层力学性能为:(1)1.0m厚素填土层:ζ=18kN/m3,C=10kpa,ψ=10°;(2)2.0m厚黏土层:ζ=18.4kN/m3,C=24kpa,ψ=13.5°;(3)2.5m厚淤泥质黏土层:ζ=17.6kN/m3,C=9.5kpa,ψ=7.2°;(4)3.2m厚粉质黏土层: ζ=19.2kN/m3,C=30.6kpa,ψ=14.6°;(5)7.8m厚粉质黏土夹粉土层:ζ=18.7kN/m3,C=19.8kpa,ψ=14.6°;(6)16.5m厚淤泥质黏土层:ζ=17.7kN/m3,C=11kpa,ψ=9°。
  二、SMW工法的设计与计算
  1. SMW工法设计经验。总结SMW工法在实际工程中的应用情况,可得出以下一般性设计经验:(1)型钢水泥土搅拌墙中三轴水泥土搅拌桩的直径常采用650mm,850mm,1 000mm;内插型钢一般采用H型钢;搅拌桩28d龄期无侧限抗压强度不应小于0.5MP。(2)水泥采用强度等级不低于P.O42.5级的普通硅酸盐水泥,材料用量及水灰比要结合土质条件通过现场试验确定,根据个人的经验一般应控制在表1所示的水平。
  备注:以上是总结的经验数据,水泥浆应根据地质土层的分部情况确定合适的配合比,水泥浆液的水灰比不仅影响水泥土搅拌桩的强度和防水性能,也影响到注浆泵的压送能力以及黏性土中水泥土搅拌的均一性及工作效率。
  (3)SMW工法中常用的内插型钢布置形式主要有:密插型、插二跳一型以及插一跳一型三种。
  2.设计构造基本经验。
  2.1 搅拌桩设计控制要点。关于SMW工法中搅拌桩的基本经验如下:(1)一般规定当搅拌桩达到设计强度,且龄期不小于28d天后才可进行开挖,当工期紧张时,可通过加早强剂等特殊措施保证水泥土搅拌墙在土方开挖时强度满足设计要求。(2)搅拌桩的入土深度一般比型钢插入深度深0.5~1.0m。
  2.2 H型钢的选用。根据施工经验,在保证安全、经济合理的情况下,H型钢截面型号一般按表2选用。
  2.3 冠梁的设置。对于SMW工法中冠梁的设置要求主要为:(1)冠梁截面高度一般在600mm以上,截面宽度比搅拌桩直径大350mm;(2)型钢需锚入冠梁且高冠梁顶面大于500mm,型钢与冠梁间采用不易被压缩的隔离材料(如:PVC材)。
  3.本项目设计及构造。结合本项目土层力学性能的实际情况,本着安全、经济、合理的原则对基坑支护进行设计及论证。根据经验设计支护桩采用φ850@600的三轴水泥搅拌桩,内插型钢H700×300×13×24,采用插二跳一的施工方法,结合一道钢筋混凝土支撑支护,围护结构剖面验算如下:
  3.1型钢H700×300×13×24沿弯矩方向的截面惯性矩,截面模量为,面积矩,取搅拌桩28天无侧限抗压强度为0.5Mpa。通过计算及软件分析,其土压力为-80.09~93.90kN/m,位移为-26.23~0.00mm,弯矩为-590.58~238.02kN·m,剪力为-219.73~250.01kN。
  3.2对水泥土搅拌墙的抗弯性能进行验算,为了提高安全系数,按作用于水泥土搅拌墙的弯矩全部由型钢承担计算
  (式1)
  以上计算表明,抗弯性能满足要求。
  3.3再对型钢与水泥土之间的错动受剪承受力进行验算
  (式2)
  对水泥土最薄弱截面处的局部受剪承截力进行验算
  (式3)
  以上计算表明,水泥土搅拌桩桩身受剪承载力满足要求。
  三、SMW工法施工工艺
  1.施工准备。
  1.1 机械设备的准备。SMW工法施工机械设备主要有三轴水泥土搅拌桩机、注浆泵及自动搅拌机,其中三轴搅拌桩机及注浆泵的技术参数及种类如表3和表4所示。自动搅拌机的主要技术参数为:拌浆能力20m3/h、拌漿水灰比0.5、拌浆机总功率85kw。
  1.2 场地平整及桩位放样。施工前,先进行施工区域内的场地平整,清除表层硬物,素土须压实。根据甲方提供的坐标基准点,按图放出桩位控制线。我们在施工时,一般会考虑围护结构施工误差及变形,现场允许的条件下把围护桩的中心线外放10cm。
  1.3导向沟开挖及定位型钢设置。依据搅拌墙轴线用挖机开挖导向沟,其尺寸一般为0.8×1.0m,并清除地下障碍物,开挖沟槽的余土及时处理,以保证桩机水平行走。垂直导向沟方向放置两根定位型钢,规格为0.2×0.2m,长约2.5m,并在平行导向沟方向垂直放置两根定位型钢,规格为0.3×0.3m,长约8~20m,型钢搭设应平移顺直。
  2.水泥土搅拌桩施工方式。本项目搅拌桩施工采取了跳槽式双孔全套打复搅拌式连接方式,施工时先施工第一单元,再施工第二单元,第三单元的A轴及C轴分别插入到第一单元的C轴及第二单元的A轴孔中,完全套接施工。依次类推,施工第四及第五单元,形成连续的支护墙体。在正式施工之前,通过试成桩确定实际采用的各项技术参数,包括浆液的水灰比、下沉(提升)的速度、浆泵的压送能力、每米桩长或每幅桩的注浆量。土性差异大的土层,还要确定分层技术参数。其中搅拌机下沉和提升速度、水灰比和注浆量对水泥土搅拌桩的强度及隔水性起着关键作用,施工时要严格控制这些参数。本项目最终确定的水灰比为1.5,下沉(提升)的速度为1.0m/min,浆泵的泵送压力为0.8MPa。钻孔搅拌过程中,应首先启动电动机,然后放松卷扬机使搅拌头自上而下切土拌合下沉,边注浆、边搅拌、边下沉,使水泥浆和原地基土充分拌合并下沉至桩底设计标高。   3.型钢的插入。H型钢使用前,在距其顶端25cm处开一个中心圆孔,孔径约为8cm,并在此处型钢两面加焊两块各厚1cm的加强板,其规格为450mm×450mm或600mm×600mm,中心开孔与型钢上孔对齐。按要求采用牢固的定位导向架引导型钢插入,安装好吊具及固定钩,用30t吊机起吊型钢,使其下端插入导轨内,在插入过程中应采取措施用经纬仪或用线锤从两个方向保证型钢垂直。型钢插入到位后应用悬挂构件控制型钢顶标高,并与已插好的型钢牢固连接。当型钢插入有困难时一般也采用辅助措施下沉,通过静力在一定的导向机协助下将型钢插入到位。不容许采用多次重复起吊型钢并松钩下落的插入方法,且不容许采用自由落体式下插,这种方式不仅难以保证型钢的正确位置,还容易发生偏转,垂直度也不易确保。当H型钢下插至设计深度后,在型钢顶端焊接吊筋,用槽钢穿过吊筋将其搁置在定位型钢上,待水泥土搅拌桩达到一定硬化时间后,将吊筋及沟槽定位型钢撤除。
  4.冠梁施工。在SMW工法桩施工完成位置,按冠梁尺寸,将SMW工法桩外侧硬土破除,将SMW上方超搅部位凿除,并清理到位,按设计要求在冠梁位置处浇混凝土垫层,并按要求进行冠梁钢筋、模板及砼施工。
  5. H型钢拔除。
  5.1 回填及平整场地。(1)搅拌桩与结构空隙的回填。在拔桩前,要对搅拌桩与结构间的空隙进行回填处理,为了防止拔桩后周围土体位移造成对周围建筑物或构筑物的破坏,在回填过程中,严格遵守“分层、分段”回填的原则,回填料一般采用粉沙土,土料回填后再用水夯,保证填方的强度及稳定性。(2)平整场地。拔H型钢前,必须先进行平整场地并做好冠梁上的清土工作,以保证千斤顶垂直平稳放置。工作面上物件清理干净,以满足16t汽车吊车起拔型钢为准(型钢内侧或外侧6.5m以上距离),并有拔出H型钢后的堆放场地和运输H型钢的通道。
  5.2 型钢的拔除。型钢拔除通过液压千斤顶配以吊车进行,随型钢逐步升高采用吊车跟踪提升,直到其全部拔除:(1)采用液压千斤顶,利用砼冠梁的反力座,在H型钢端头上装上插板,把H型钢接长,再安装上夹具(有些情况下也可直接装上T字型接头),用2只液压千斤顶将H型钢顶松,并顶起2m左右。(2)拆除插板,或直接装上T字形接头,用夹具、液压千斤顶,逐步将H型钢顶出地面,用吊车吊牢H型钢,待H型钢全部拔起后,现场放平并推放。
  四、质量控制措施总结
  1.搅拌桩施工质量控制措施。(1)下搅拌与上提喷浆时的搅拌效果与钻头的速度有关,根据观察的经验证明,土体任何一点均能经过20次以上的搅拌,才能保证其质量。下搅拌与上提喷浆速度太快,则喷浆量达不到要求,喷搅效果差,将影响成桩质量;速度太慢则喷浆量超过要求,成桩时间长且不经济。通过长期现场观测,个人认为:下搅喷浆的速度控制在0.5~1.0m/min以内,上提喷浆速度控制在1.0~2.0m/min以内,成桩质量较好且经济。(2)控制喷浆量。控制每根桩的水泥用量,确保搅拌桩身质量。下搅喷浆搅拌与提升喷浆一次后,重叠搭接桩再下搅和提升喷浆一次,即每次都有两根桩须重复下搅和提升喷浆。(3)其他技术措施:①配制的水泥浆在2h内使用完,水泥浆的搅拌时间不小于3min。②要严格控制重叠搭接桩的施工时间,一般在24h内施工完成。否则,搭接桩处水泥土开始固化,另需补桩处理。
  2.型钢施工质量控制措施。
  2.1 型钢的减摩处理。(1)施工前对型钢表面进行除锈和清污处理,使型钢表面光滑,以减少型钢与桩体的摩阻力;(2)现场常用石蜡和柴油混合加温配制减摩剂,施工前一般根据不同的室外温度,将石蜡和柴油按不同比例进行几组配制试验,从中确定最适合的配比;(3)减摩剂厚度约2mm左右为宜,涂刷减摩剂的型钢放置在场地内的枕木上。
  2.2 型钢的插入。(1)设置定位架:为确保型钢插入搅拌桩居中和垂直,现场一般制作型钢定位架,定位架按现场和型钢尺寸制作和放置并固定好,不允许在型钢插入搅拌桩过程中出现位移;(2)插入型钢:应用经纬仪调整其垂直度,沿定位架徐徐垂直插入搅拌桩内,当插入1/3后方可快放,直到设计标高插入搅拌桩的型钢必须在成桩后4h内完成;浇筑冠梁时,将埋设在冠梁中的型钢硬质隔离材料与混凝土隔开,以利于型钢的起拔回收。
  2.3 型钢的拔出。待地下主体结构完成并达到设计强度后,可起拔回收型钢,特别是基坑周围有建筑物、构筑物、道路或地下管线时,一定要控制拔桩的速度和振动,拔出型钢后的空隙,及时采用砂或注浆填充。
  3.改善搅拌强度的技术措施。搅拌桩强度对SMW工法施工质量至关重要,改善强度的技术措施主要有:(1)控制水灰比:严格控制每幅桩的水泥用量及用水量,并用比重计随时检查水泥浆液。(2)多次搅拌:为了使水泥浆液均匀分布在土颗粒中,可以对土体进行多次搅拌。在搅拌头下沉过程中,遇较硬土层时,降低搅拌头下沉速度,以便更好地切削土体,使切片更薄,利于水泥土的拌合;遇较软土层时,将搅拌机调至高速,加快搅拌速度,并进行多次复搅,增加土颗粒表面积,使水泥与土充分接触,提高桩体强度和抗弯刚度。(3)掺加外加剂:对含水量较高的软土层,选用适量外加剂,促进水泥水化反应,可以使水化物生成量增多,桩孔隙减小,强度提高,同时也有助于提高水泥搅拌桩的抗侵蚀能力。
  五、SMW工法应用中存在的技术问题
  SMW工法中所暴露出的技术问题是限制其发展的直接原因,需要进一步改善及提高,具体表现在:(1)成墙有竖直程度低,墙体连续性差;(2)对型钢水泥土搅拌墙的一些设计施工参数还没有统一的标准,如搅拌桩的水泥用量、水灰比等问题,因此施工单位经常凭经验施工,施工质量精度难以保证;(3)在水泥土搅拌桩的强度检测中,多种方法都存在不同程度的缺陷。试块试验不能真实地反映桩身全断面在土中(水下)的强度值,钻孔取样对芯样有一定的破坏,检测出的无侧限抗压强度偏低,而原位测试的方法目前还缺乏大量的对比数据,无法建立强度与试验值之间的关系;(4)基坑监测方面存在的问题主要在以下3个方面:①现场数据分析水平有待提高;②监测数据警戒值标准的问题;③监测数据的利用率和经验积累问题。
  六、结语
  随着中国城市化进程的加快,土地资源将更为紧张,地下空间的开发及利用会越来越多,其难度及挑战性也会越来越大。SMW工法将会以安全、经济、绿色环保等优势,在深基坑支护方面应用越来越广泛。SMW工法作为一种安全、经济、绿色的基坑支护方式,拥有巨大的发展空间及应用价值。SMW工法应当向“设计智能化、管理规范化、施工机械化、监测信息化”不断进步和发展。
  参考文献:
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  作者简介:袁绍勇(1976—)男。民族:汉。高级工程师。大学本科。一级注册建造师。主要从事土木工程施工技术工作。
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