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“富水粉细砂地层异形深大基坑施工技术研究”工作安排 SMW工法设计与施工专项技术研究——何振华、李友强
一、SMW工法简介
1、简介
SMW工法又称劲性水泥土搅拌桩法，即在水泥土搅拌桩内插入H型钢或其他种类的受拉材料，形成承力和防水的复合结构。该方法有如下优点：
A、占用场地小。一般钢筋混凝土地下连续墙，墙体加导墙宽约1～1.2m；双轴搅拌桩加灌注桩宽2m以上，而SMW工法一般单排为0.65～0.85m，国产设备双轴搅拌桩为1.2m；
B、施工速度快。一般情况下施工周期可缩短30%左右； C、对环境污染小，无废弃泥浆。
D、施工方法简单，施工过程中对周边建筑物及地下管线影响小。
E、耗用水泥钢材少，造价低。特别是H型钢能够回收，成本大大降低。有资料分析，SMW工法的成本一般为地下连续墙的70%左右，若考虑型钢回收，则成本可再下降20%～30%。
SMW工法采用国产的双轴搅拌机，桩径为700mm、间距1000mm；采用进口的长螺旋多轴多组叶片的搅拌机，有桩径650mm、间距900mm和桩径850mm、间距1200mm两种。插入型钢有轧制H型钢、槽钢、拉森板桩，也有用钢板焊接而成的H型钢。
SMW工法以水泥土搅拌桩法为基础，凡是适合应用水泥土搅拌桩的场合都可以使用SMW工法，特别适合于以粘土和粉细砂为主的松软地层。目前，国内一般只用于10m以下基坑的围护结构。
2、受力分析
通常认为：水土侧压力全部由型钢单独承担，水泥土搅拌桩的作用在于抗渗止水。试验表明，水泥土对型钢的包裹作用提高了型钢的刚度，可起到减少位移的作用。此外，水泥土起到套箍作用，可以防止型钢失稳，这样可以使翼缘厚度减小到很薄。
同一荷载作用下，水泥土与H型钢的组合体挠度要小一些，其抗弯刚度比相应的H型钢的刚度大20%。刚度的提高可用刚度提高系数α表示，见式（1-1）。
??EcsIcsEsIs （1-1）
式中：Ecs、Es——分别为水泥土搅拌桩与H型钢组合体及H型钢的弹性模量；
Ics、Is——分别为水泥土搅拌桩与H型钢组合体及H型钢的惯性矩。 由于试验数据及工程经验还很有限，准确确定α值有一定困难，所以设计中受力计算一般仅考虑由H型钢独立承受作用在SMW桩上的内力。水泥土搅拌桩仅作为一种安全储备加以考虑
二、SMW工法在国外的应用情况
水泥土搅拌桩作为地基处理和防渗帷幕已广泛用于地下工程，而型钢水泥
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土搅拌复合桩(又称SMW桩)作为基坑围护结构，是日本竹中土木株式会社与成幸工业株式会社在1976年开发并用于工程。二十余年来，SMW工法的成桩设备、工艺得到了完善和提高，并得到广泛的应用，SMW围护又成为日本国内基坑围护的主要工法，约占地下围护结构的80%。
三、SMW工法设计
1、设计原则
SMW工法的设计原则是安全、经济、施工方便。既要满足各种稳定条件及各部分材料强度条件，还要在安全的前提下，考虑设计的经济。
2、水泥土配合比确定
用水泥作固化剂时，水泥与水反应生成水化生成物，再与粘土矿物反应，从而胶结了粘土颗粒形成强度较高的水泥土。一般可选用以下几种水泥掺入量：7%、9%、11%、13%、15%、18%。
3、入土深度的确定
在SMW工法中需确定两部分入土深度：一是水泥土搅拌桩的入土深度，二是型钢的入土深度。
1）型钢的入土深度
为了基坑施工结束后型钢能顺利回收，一般型钢的入土深度可比水泥土搅拌桩的入土深度小一些。型钢的入土深度主要由基坑的抗隆起稳定性和挡土墙的内力、变位不超过允许值及能够顺利拔出等条件决定。
在进行挡土墙结构内力、变位和基坑抗隆起稳定分析时，挡墙结构的深度计算到型钢底端，不计型钢底面以下那部分水泥土搅拌桩对抗弯、抗隆起的作用。
2）水泥土搅拌桩的入土深度
在SMW工法中水泥土搅拌桩的入土深度主要由三方面条件决定： （1）确保坑内降水不影响到基坑外环境 （2）防止管涌发生 （3）防止底鼓发生 4、截面形式的确定
SMW工法的截面形式主要有单排型钢全位布置与间隔布置和双排形式。双排形式按型钢的配置方式不同，分为5种，见下图。
图1 SMW工法双排形式截面布置方式
工程上按型钢在搅拌桩截面中的位置分成两种形式：半位和全位。半位形式即型钢只布置在搅拌桩受拉区部分，以提高桩的弯曲抗拉性能，而主要压力由水泥土承担，如图1(d)、(e)；全位形式即型钢在搅拌桩中全截面布置，既承担拉力又承担压力，见图1(a)、(b)、(c)。半位形式可节省钢材用量，充分发挥材料特性；全位形式则全面承担荷载，又提高截面刚度。按受力单元承担荷载的大小，
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布置型钢有3种形式：“满堂”、“1隔1”、“1隔2”。“满堂”即每个(双轴)搅拌桩单元内都有型钢；“1隔1”即间隔1个搅拌桩单元布置型钢”“1隔2”即间隔2个搅拌桩单元布置型钢。“满堂”形式用于作用荷载较大的情形，所需型钢量很大；“1隔1”、“1隔2”形式用于作用荷载相对较小的情形，所需型钢量较少。
5、强度验算
强度验算时需验算的内容有：型钢净间距是否使水泥土处于弯曲应力状态、抗弯验算即桩体拉应力是否满足型钢允许拉应力、抗剪验算（含型钢抗剪验算及水泥土局部抗剪即型钢与水泥土之间的错动剪应力的验算。
6、型钢抗拔验算 （3-1）
考虑型钢回收重复使用，应使拔出的H型钢保持完好，建议H型钢最大起拔应力不超过H型钢屈服强度的70%，以使型钢保持在弹性状态。
式中：P——型钢抗拔力,kN AH——型钢截面积，m2
σs——型钢的屈服强度，kPa 则最大抗拔力Pm=0.7σs·AH
从拔出力P与拔出长度H′的特征曲线可以看到，最大起拔力P0，由静止摩擦力变为动摩擦力后迅速减少，见图2。因而，要保证型钢顺利拔出，起拔力P0应小于最大抗拔力Pm，即P0≤Pm。
并且P0≥Pf+PD
式中，Pf——摩阻力；
PD——因型钢变形产生附加阻力。
图2 型钢拔出特征曲线
由试验结果可知，涂有减摩剂的型钢与未涂减摩剂的型钢相比，上拔阻力相差18倍。
对涂有1＃减摩剂的型钢
Pf=2μf·SH·lH （3-2）
式中，SH——型钢截面的周长，m 取单位面积摩阻力μf=30kPa
另外，试验还表明起拔力P0还与型钢的垂直度以及变形形状密切相关，对变形阻力的定量化很困难。通过对试验结果的分析，在型钢变形不大的条件下，PD≈Pf，起拔力P0可按下式估算：
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P0≥2μfSH·lH （3-3）
可算得型钢埋入深度lH≤Pm/（2μf·SH） （3-4） 由稳定验算所得到的型钢埋入深度还需满足式（3-4），若不满足，应采取措施。
四、围护结构参数选定及计算
1、围护结构参数选定 1）SMW桩参数选定
车站结构采用明挖顺作法施工，车站基坑一般段深约16.5m，两端盾构井基坑深约17.2m，车站基坑长约192.1m，宽约21.3m（盾构井25.1m）；车站两端风道基坑深约10.2m，电缆夹层处基坑深11.7m。商业开发建筑基坑深约9.5m，长约165.3m，宽约48.9m，基坑保护等级为一级，围护结构采用SMW工法。车站一般段基坑采用φ850深搅桩内插入HN700×300的H型钢，插入方式为3插2；盾构井处基坑采用φ1000钻孔灌注桩，桩间净距100mm，外侧设φ650深搅桩止水帷幕，桩间咬合200mm；风道处基坑采用φ650深搅桩内插入HM500×300的H型钢，插入方式为3插2；商业开发用房基坑采用φ650深搅桩内间隔插入HM500×300的H型钢；型钢插入前需涂减摩剂，桩顶设850×800的钢筋砼冠梁，H型钢桩上端外露冠梁顶面700mm，外露部分割一圆孔，便于型钢拔除，下端离搅拌桩底1m。φ850深搅桩间距600mm，桩间咬合250mm厚，φ650深搅桩间距400mm，桩间咬合150mm厚，车站基坑围护桩嵌入基底下13.5m；盾构井处基坑围护桩嵌入基底下14m；风道处基坑围护桩嵌入基底下8.5m；南侧风道夹层段基坑围护桩嵌入基底下9.5m；商业开发用房处基坑围护桩嵌入基底下7.5m。5，6号出入口根据基坑由深至浅分别采用两道支撑，一道支撑，围护结构采用φ650深搅桩内间隔插入HM500×300的H型钢。小于3m段放坡开挖，网喷砼支护。
2）内支撑体系参数选定
内支撑用φ609钢管支撑，t=12mm。车站基坑竖向设四道支撑，水平间距3.0m；商业开发用房基坑竖向设二道支撑，水平间距6.0m；南北侧风道基坑竖向设二道支撑，水平间距5.0m；南侧风道有电缆夹层段基坑竖向设三道支撑，水平间距3.0m；基坑端部设角撑。型钢在主体结构施工完成并达到设计强度后拔出，便于节省造价，降低成本。型钢拔除后在其孔洞内灌注水泥砂浆。钢管支撑在安装时要施加预加力，预加力按设计轴力50％～70％施加，沿每道支撑端部设钢腰梁，腰梁采用2～3根［40C加缀板组合而成，腰梁固定于间隔布设的钢支架上，支架焊接于SMW 桩H型钢上。为防止由于基坑变形严重引起支撑脱落，在支撑施加完预加力后在其端承板与钢腰梁接头处加缀板焊接牢固。盾构井处采用高强螺栓叫钢支架锚固于钻孔桩侧。
3）围护结构计算
计算时把SMW桩体按等刚度的混凝土壁式地下墙 （1）计算图示与荷载
根据《建筑基坑支护技术规程》，多支点排桩采用如下土压力计算模式：基坑底上部主动侧（迎土侧）按主动土压力及静止土压力进行计算，基坑底下部考虑两侧土压力相抵后形成矩形土压力荷载，并在被动侧（基坑侧）计入一组弹性支撑（即地层抗力）。关于水压力，弱富水的淤泥质粉质粘土层采用水土合算，透水性好的粉砂及细砂层采用水土分算。采用弹性支点杆系有限元法计算，被动土压力按弹性地基梁考虑，其水平抗力系数按m法确定。地面超载取20kN/m2。
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