摘要：当前SMW工法在深基坑支护中应用越来越广泛，本文以SMW工法桩在东风雷诺汽车工厂冲压车间深基坑支护中的应用为例，简述了SMW工法桩的设计与施工要点，并提出了SMW工法中存在的问题。
关键词：SMW工法桩；基坑支护；设计；施工
1、概述
SMW是Soil Mixing Wall的缩写，是一种在连续套接的三轴水泥土搅拌桩内插入型钢形成的复合挡土隔水结构。1971年由日本首创，20世纪90年代引入国内在上海首次使用，由于其施工工期短、防渗性能好、施工噪音低、对环境污染小，国内越来越多的地区也开始采用该技术。
2、工程概况
东风雷诺汽车有限公司15万辆乘用车建设项目位于武汉市汉阳区黄金口，该地块东侧为武汉市三环线西段（国道107），南侧为汉阳大道，西侧为未开发地块，北侧为汉蔡高速公路。冲压扩建设备基坑位于该地块内，其北侧为已建车间、冲焊车间、东侧为空地、西侧为已建冲压车间，建筑±0.00标高22.70m，基坑现地面设计标高为22.20（-0.5）m，设备基础垫层底标高为-0.60~-8.50m，最大开挖深度为8.00m，基坑周长约253.0m，开挖面积约1552m²。
3、地层条件
工程位于长江中下游江汉平原，所处区域由于长期受到构造剥蚀和河流冲刷沉积作用，形成了冲沟与垄岗相间的地貌形态。本区地貌单元属汉江一级阶地。与基坑有关的地层概述见表1：
地层条件及设计参数表1
4、支护体系设计
4.1 支护体系选型
综合考虑安全、技术、经济、施工条件等因素，经与钻孔桩、地下连续墙、钢板桩比选，最终采用放坡+SMW工法桩+一道钢管内支撑的复合支护体系。
4.2 桩径确定
通常三轴水泥土搅拌桩桩径可选用650mm、850mm、1000mm三种，在常规支撑条件下，搅拌桩直径为650mm型钢水泥土墙适用开挖深度不宜大于8m，搅拌桩直径为850mm型钢水泥土墙适用开挖深度不宜大于11.0m，搅拌桩直径为1000mm型钢水泥土墙适用开挖深度不宜大于13.0m。结合现场实际情况，本工程采用搅拌桩直径为850mm型钢水泥土墙。
4.3水泥土搅拌桩长及型钢插入深度的确定
水泥土搅拌桩长应型钢插入深度应满足型钢插入深度的要求，一般情况下水泥土搅拌桩入土深度应比型钢入土深度深0.5m～1.0m，同时水泥土搅拌入土深度还必须满足基坑渗稳定性要求。
型钢插入深度必须满足整体稳定性要求、抗倾覆稳定性要求以及坑底抗隆起稳定性要求，其中整体稳定性、抗倾覆稳定性计算按弹性支点法考虑，坑底抗隆起稳定性目前常用地基极限承载力的Prandtl极限平衡理论公式，详见式4.3-1。
（4.3-1）
式中：K--抗隆安全系数；γm1、γm2--分别为基坑外、基坑内型钢底面以上的天然重度；ld—型钢的嵌固深度；h—基坑深度；q0—地面均布荷载；Nc、Nq—承载力系数；c—型钢底面以下土的粘聚力。
计算时，对于安全等级为一级、二级、三级的基坑K分别取1.8、1.6、1.4，型钢的插入深度取h+ld。
根据工程地质及水文地质条件，经济同济启明星和理正深基坑软件计算型钢须插入④-1粉细砂中才能同时满足整体稳定性、抗倾覆稳定性以及坑底抗隆起稳定性要求，最终型钢嵌固深度为11m，入土深度约为18m。典型剖面见图1。
图1 基坑支护典型剖面图
4.4 型钢水泥土搅拌桩墙截面设计
型钢水泥土搅拌墙截面设计主要是确定型钢截面和型钢间距。
4.4.1 型钢截面确定
型钢截面由型钢强度验算确定，即对型钢所受应力进行验算，包括型钢的抗弯及抗剪强度验算。
型钢水泥土搅拌墙的弯矩全部由型钢承担，其抗弯承载力必须满足式4.4.1-1
4.4.1-1）
型钢水泥土搅拌墙的剪力全部由型钢承担，其抗剪承载力必须满足式4.4.1-2
（4.4.1-2）
式中σ、τ—分别为型钢计算正应力和剪应力；Mp、Qp –分别为计算截面的弯矩和剪力设计值；Mk、Qk –分别为计算截面的弯矩和剪力标准值；γ0—结构重要性系数；W、I—型钢沿弯矩作用方向的截面模量和毛截面惯性矩；S—型钢计算应力处以上毛截面对中和轴的面积矩；tw—型钢腹板厚度；f、fv—分别为型钢抗弯强度设计值和抗剪强度设计值。
经济同济启明星和理正深基坑软件计算，本工程采用H700×300×13×24型钢。
4.4.2 型钢间距确定
SMW水泥土搅拌桩中水泥土主要是作为隔水帷幕，兼有提高复合围护结构刚度的作用，因此，在基坑外侧水土压力作用下，型钢水泥土搅拌墙的素混凝土部分应能承担局部剪力作用，此局部剪力包括型钢与水泥土之间的错动受剪承载力和水泥土最薄弱截面处的局部受剪承载力。计算时将相邻型钢视为支点，简化为平面问题处理。其受力分析见图2。
图2 水泥土局部受剪承载力验算受力分析图
设型钢水泥土搅拌墙计算截面处的水土侧压力设计值为q，相邻型钢翼缘之间的净距为L1，水泥土相邻最薄弱最弱面的净距为L2，型钢翼缘处水泥土墙体有效厚度为d1，水泥土最薄弱截面处墙体的有效厚度为d2，作用于型钢与水泥土之间单位深度范围内的错动力剪力设计值为V1，作用于水泥土最薄弱面处单位深度范围内的剪力设计值V2，则相应计算截面处剪应力应满足：
（4.4.2-1）
（4.4.2-2）
实际工程中，型钢水泥土搅拌的墙体厚度、型钢截面和型钢间距一般由三轴水泥土搅拌桩的桩径确定，水泥土搅拌桩可采用单排和双排布置，型钢可采用密插型、隔一插一型、隔一插二型，具体布置方式详见图3。
图3 桩体与型钢布置形式
经济同济启明星和理正深基坑软件计算，本工程采用单排隔一插一型，型钢间距1200mm。
4.5 水泥用量及水灰比的确定
水泥用量、水灰比直接关系到三轴水泥土搅拌桩的桩身强度，同时不同土质对三轴水泥土搅拌桩桩身强度影响也相当明显。水泥浆的水灰比和注入量对水泥土强度具有决定作用。水灰比不仅影响水泥土的强度，对泵的输送能力、混拌的均匀性、和易性等都有影响。一般情况下，水灰比越小桩身强度越大。由于和易性要求，水灰比不应过小，通常SMW工法中水灰比一般取1.2～2.0。在一定范围内水泥掺量越大桩身强度越大，通常通常SMW工法中水泥掺量约为20%。初步设计时桩体材料用量及水灰比可按表2确定。
三轴水泥土搅拌桩桩体材料用量及水灰比表2
参考相关规范并结合当地经验，本工程水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，水泥掺量为360kg/m³，配比为水泥：膨润土：水=1：0.05：1.6。
5、SMW工法桩施工施工工艺及技术要求
SMW工法施工工艺见图4
图4 SMW工法桩施工工艺流程图
5.1 导槽开挖
根据型钢水泥土搅拌墙轴线开挖沟槽，沟槽宽度根据围护结构厚度确定，深度为0.6～1.0m。遇有地下障碍时，应将地下障碍清除干净，清除后应进行回填压实并重新开挖导槽。
5.2 水泥浆制备
水泥浆液应按设计配比拌制，水泥浆液的配比可根据施工现场实际加入外加剂，各种外加（如早强剂、减水剂）的掺量应通过现场试验确定。
5.3 混合搅拌
根据设计要求，钻机在钻进和提升全过程中应保持螺杆匀速转动，匀速下钻，匀速提升，一般情况下根据不同的土质条件可按表3确定提升和下钻速度。
下钻和提升速度表3
5.4 SMW工法桩施工顺序
三轴水泥土搅拌桩施工顺序一般跳打方式、单侧挤压方式和先行钻孔套打方式。跳打方式和单侧挤压方式适用于标准贯入锤击数小于50的土层，先行钻孔套打方式适用于标准贯入锤击数大于50的土层，施工前应先行钻孔，然后按跳打方式和单侧挤压方式完成搅拌施工。跳打方式和单侧挤压方式施工顺序见图5。
图5 SMW工法桩施工顺序图
5.5 H型钢制作、插入及回收
H型钢制作必须平整，不得发生弯曲、平面扭曲变形，以保证其顺利插拔。回收变形的H型钢必须经调整校正后方可投入使用。
H型钢插入前，应在H型钢上涂上一层隔离减摩材料。隔离减摩材料早期应与水泥土有较好的粘接握裹力，提高复合作用，后期粘接握裹力降低或起拔时被剪切破坏，使起拔阻力降低，以利于H型钢的拔出。
H型钢在地下结构施工结束后，采用专用机械从水泥土搅拌桩体中拔出。H型钢拔除后，应立即采取黄砂回填密实或压密注浆等措施。
5.6 基坑支护效果
经同济启明星软件计算，支护体系最大水平位移为25mm，现在监测数据表明趋于稳定的最大水平位移为19mm，与计算结果基本符合。
基坑支护效果见下图6、图7。
图6 冠梁施工 图7 型钢回收
6、结论及建议
SMW工法在该工程的成功应用证明该工法作为一种新型环保的支持体系具有良好的发展，可以在今后的工程推广应用。同时也存在以下问题：
1、支护结构设计计算模型与实际受力不符。目前，设计计算时只考虑型钢单独受力，而忽略水泥土的受力，实际情况是型钢与水泥土协同工作，因此，型钢与水泥土协同工作方面仍需作更深入研究；
2、目前，工程中对水泥土搅拌墙强度的争议较大，各种规范、手册要求也不统一，而工程实践中通过钻孔取芯试验得到的搅拌墙强度值普遍较低，特别是比一般规范和手册中要求的强度值低，因此，如何合理确定搅拌桩墙28d强度值，尚需进行深入研究。
参考文献：
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论文作者:刘朝辉
论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期
论文发表时间:2019/9/21
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