SMW工法在城市水利工程中的应用

余敏林

(宁波弘正工程咨询有限公司，浙江 宁波 315192)

传统水利工程一般位于乡村郊外等开阔地带，受周边环境影响因素较小，基坑开挖大多采用放坡开挖方式。随着社会经济的发展，城镇化水平不断提高，城市的发展必然对城市水利提出更新更高要求。然而位于城镇地区的水利工程，周边环境复杂(如交通道路、房屋建筑、地下管线等，且土地紧张)，放坡开挖的基坑开挖方式被限制，此时需要采用专门的支护处理措施。目前基坑支护中，钢板桩、钢筋混凝土灌注桩、水泥土重力式挡墙及地下连续墙等应用较为普遍。钢板桩一般用于浅基坑，施工灵活方便，桩体可循环利用，但是整体刚度较低，水平位移较大；钢筋混凝土灌注桩密排布置成墙结构，整体刚度大，支护效果较好，但桩基间隙会成为渗漏通道，因此，需专门布置截水帷幕，造价较高；当坑底存在较厚的淤泥层时，也不宜采用灌注桩+锚索方案[1]；地下连续墙强度、刚度大，技术成熟，安全可靠，但施工工艺复杂，投资高，且对周围环境影响大；水泥土重力式挡墙有良好的抗渗性能，但抗弯性能差，厚度大，占地多，适用于浅基坑。SMW工法源于美国而成熟于日本[2]，20世纪80年代引入我国。SMW工法施工不会扰动临近土体，止水可靠[3]，施工方便，结合了不同结构形式的特点，具备常规支护结构不具备的优点[4]，在上海、江苏、浙江、天津、北京等地区得到广泛应用[5]。

1 SMW工法简介

SMW工法是在壁状水泥土中插入劲性芯材，形成劲性水泥土壁式挡墙的支护结构，兼具止水和支护的双重功能。该结构构造简单、施工方便、占地少、工期短、造价低、适用土质范围广、对周围环境影响小、基本无泥浆污染，因此，在工程中应用日益普遍。SMW工法中壁状水泥土多为三轴水泥搅拌桩，按照套接一孔的顺序施工，常用的单桩直径有650 mm、850 mm和1 000 mm 3种[2]。劲性芯材多为型钢，劲性水泥土壁式挡墙中型钢的布置常用的形式有全插和间插2种(如图1～3所示)。

在SMW工法中，由型钢和水泥土共同承担土压力和水压力及其他附加荷载，日本材料协会通过试验得出，SMW工法的抗弯刚度是单排型钢单独作用时的1.2倍，而且阻挠作用效果明显。但设计时，一般考虑水泥土只起止水帷幕作用，而荷载单独由型钢承担，将水泥土的承载力作为安全储备[6]。SMW工法还有一大优势就是劲性芯材可以回收利用，一般来说，劲性芯材的工程费用可以占到基坑总费用的40%～50%，因此回收芯材不仅节省材料，而且可以有效降低成本[4]。

图1 全插型示意

图2 插一跳一型示意

图3 插二跳一型示意

在SMW工法的实际运用中，往往芯材型钢和水泥土的入土深度是不一致的，型钢的入土深度主要由基坑的抗隆起稳定性和整体变形确定，同时还需考虑型钢是否能够顺利拔出回收利用，而水泥土的入土深度主要考虑防渗、坑底底鼓隆起影响等。另外，一般情况下，SMW工法与被动区水泥土加固联合使用也较为普遍，这是因为被动区土体加固对抑制基坑塑性区的发展有一定的作用，对基坑抗隆起、控制位移有良好作用，常用的被动区加固形式有裙边加固、抽条加固、满堂加固等[7]。

2 承载力复核

SMW工法计算中，除了复核一般性的项目，如位移、抗倾覆、整体稳定等之外，还应复核型钢的强度和水泥土的强度。虽然SMW工法只考虑型钢单独承担荷载作用，水泥土的承载力作为安全储备，但是在复核承载力时，应同时复核型钢和水泥土的承载力，因为只考虑型钢的承载作用，并不能认为水泥土在实际工作中未受到任何荷载作用，因此水泥土的承载力复核不可忽视。在承载力复核时，应考虑的有型钢的抗弯强度、抗剪强度和水泥土的抗剪强度。在进行结构内力和变形以及各项稳定性分析时，墙深以型钢底端为准，不计算未插入型钢的水泥土墙体作用[6]。

1) 型钢承载力

型钢承载力复核主要包括抗弯强度和抗剪强度复核，应符合式(1)(2)的要求。

(1)

式中γ0为结构重要性系数；Mk为作用于型钢的弯矩标准值,N·mm；W为型钢沿弯矩作用方向的截面模量,mm3；fM为型钢抗弯强度设计值,N/mm2。

(2)

式中QK为作用于型钢的剪力标准值,N；S为计算剪力处的面积矩,mm3；I为型钢沿弯矩作用方向的截面惯性矩,mm4；h为型钢腹板厚度,mm；fV为型钢抗剪强度设计值,N/mm2。

2) 水泥土承载力

水泥土的承载力主要是抗剪承载力，包括型钢与水泥土之间的错动剪切承载力和水泥土最薄弱处的剪切承载力，剪切位置如图4～5所示。

图4 错动剪切示意

图5 最薄弱处剪切

水泥土的抗剪承载力应符合式(3)(4)(5)的要求。

(4)

式中τ1为作用于错动处的剪应力设计值,N/mm2；Q1为作用于错动处单位深度范围内的剪力标准值,N/mm；qk为作用于错动处侧压力标准值,N/mm2；L1为相邻型钢翼缘净距,mm；d1为翼缘处水泥土的有效厚度,mm；τ1为水泥土抗剪强度设计值,N/mm2；τc为水泥土抗剪强度标准值,N/mm2。

(5)

式中各符号的含义可参考错动剪切公式。

3 型钢回收

劲性水泥土壁式挡墙中的型钢可以回收，除环境条件有特殊要求外，一般予以回收，节省成本。通常在型钢插入前，型钢表面干燥除锈后在其表面涂刷减摩材料以减少拔出时的摩阻力[8]。型钢的拔出力Pm可认为主要由静摩阻力Pf和变形阻力Pd以及型钢自重G组成[9]。有关文献表明，型钢自重一般相对于拔出力是非常小的，可忽略不计，而当型钢变位率不高于0.5%时[10]，变形阻力接近于静摩阻力，则可认为有：

Pm=2Pf=2μSH

(6)

式中μ为型钢与水泥土间的单位摩阻力，MPa，可取0.04 MPa；S为型钢周长，mm；H为水泥土中型钢的长度，m。

型钢的回收不仅要考虑拔出力，还应该考虑型钢的可拔性，型钢拔出后要能重复利用而不损坏，则要求拔出力应小于型钢的允许拉力[11]。型钢允许拉力可按式(7)计算：

[P]=0.7σsA

(7)

式中σs为型钢屈服强度，N/mm2；A为型钢截面积，mm2。

4 工程案例

4.1工程概况及地质情况

某节制闸位于浙江省宁波市江北区境内，水闸规模为3孔×2.8 m，总净宽为8.4 m，设计防洪标准为百年一遇，是江北区重点水利工程的组成部分。水闸主要由铺盖、翼墙、闸室、护坦等组成，地基处理方面，闸室段采用Ф600 mm灌注桩，上下游翼墙采用250 mm×250 mmC30静压钢筋砼预制桩(L=6 m)。

拟建水闸处，自上而下地址土层依次为1-1层素填土、1-2层粘土、2-1层淤泥质粘土、3层粉质粘土、4-1层淤泥质粘土。闸基位于2-1层淤泥质粘土上，2-1层含云母及少量贝壳碎屑，土质不均匀，均属含水量高、压缩性高、灵敏度高、土性强度低，土的力学性能差。各土层物理参数建议值见表1所示。

表1 土层物理参数建议值

4.2基坑方案设计

节制闸位于宁波市江北区，周边环境复杂。闸室上游10 m处为交通干道桥梁，左侧5 m处为工厂进厂道路，右侧30 m处为居民楼，且居民楼边还有8 m宽绿化，水闸右侧可利用空间实际只有22 m。基坑最大开挖深度约5.5 m，根据浙江省《建筑基坑工程技术规程》(DB33/T 1096—2014)，本工程基坑属于二级基坑。若基坑直接采用放坡开挖方式，由于作业面限制，坡比不足以满足基坑稳定要求，且可能会对周边建筑物造成不利影响；若采用钻孔灌注桩加支撑的方式，一则场地空间有限，泥浆池无法布置，且容易产生泥浆污染，二则由于灌注桩数量多，容易产生扰民噪音；若采用钢板桩加支撑的方式，由于基坑较深，钢板桩容易变形，对周边安全影响较大，且桩间易形成渗漏通道；若采用水泥土重力式围护墙的支护方案，经计算为满足自身强度及基坑整体稳定要求，水泥土宽度约为4 m，长度超过20 m，根据本地工程经验，水泥搅拌桩有效桩长约为15 m，超过15 m部分强度及质量难以保证，因此，本工程不推荐采用此工法，仅用于坑内软土加固。通过以上比较，本工程可采用SMW工法加一道钢支撑的支护方案。本工程基坑长为29.15 m，最大宽度为20.15 m，最大挖深为5.5 m。SMW工法采用三轴水泥搅拌桩为Φ650，水泥掺量为20%，水灰比为1.8。内插H型钢规格为500 mm×200 mm×10 mm×16 mm，采用插二跳一型布置，型钢中心间距为450 mm。基坑底部淤泥质土采用Φ650三轴水泥搅拌桩裙边加固以减少支护结构位移，防止坑底土隆起量过大[12]，本基坑加固宽度为2.9 m，深度为3 m。基坑周边高程约3.00 m(1985高程基准，余同)，冠梁顶高程为2.50 m，桩底高程为 -13.10 m，型钢顶部高出冠梁为0.5 m以便于钢材拔出，型钢底高程为-12.6 m。基坑围护平面和剖面示意见图6～7。

图6 基坑平面布置示意(单位：高程m，尺寸mm)

图7 基坑结构剖面示意(单位：高程m，尺寸mm)

关于基坑加固土粘聚力和内摩擦角取值问题，可认为加固区土体的内摩擦角于原状土相同，将加固后增加的摩擦角部分作为安全储备，而粘聚力可采用如下公式推导[6]：

c=0.25quIr+c′(1-Ir)

(8)

式中qu为水泥土的无侧限抗压强度，Ir为加固率，c′为原状土的粘聚力。

本工程基坑底部被动区土体采用Φ650三轴水泥搅拌桩裙边加固，桩位布置形式如图8所示，根据桩位布置算得加固率Ir=83.8%。根据文献[13]，5 m内水泥搅拌桩90 d龄期桩身强度不小于 1 000 kPa，本工程取qu=1 000 kPa，由式(8)计算基坑加固区土的粘聚力c值为211.8 kPa(2-1土层)和211.4 kPa(2-2土层)。

图8 基坑加固桩位布置示意(单位：mm)

4.3 稳定分析

图9 基坑支护位移示意

4.4 承载力分析

SMW工法支护结构的内力分析主要为型钢承载力和水泥土承载力复核分析，型钢为抗弯和抗剪强度复核，水泥土为型钢与水泥土之间的错动剪切承载力和水泥土最薄弱处的剪切承载力复核。

型钢抗弯强度复核根据式(1)：

型钢抗剪强度复核根据式(2)：

水泥土的错动剪切承载力复核根据式(3)：

水泥土最薄弱处剪切复核根据式(5)：

根据计算，型钢承载力和水泥土承载力都能满足要求。

4.5 型钢回收

型钢的回收主要考虑型钢拔出力以及不损坏型钢(使其处以弹性状态)，本工程基坑支护中型钢的拔出力根据式(6)：

Pm=2×0.03×1 645.66×13.5=1 777.3 kN。

型钢的允许拉力根据式(7)：

[P]=0.7×235×114.2/10=1 878.6 kN>Pm。

根据计算，本工程型钢拔出力小于型钢允许拉力，满足拔出要求，理论上型钢可正常拔出。

5 结语

本文在已有基坑支护理论基础上，通过计算分析SMW工法在水闸基坑支护中的应用，并结合实际施工反馈，得出以下主要结论：

1) SMW工法在本工程应用成功，对周围环境影响小，基坑稳定性得以保证，基坑变形控制适宜，达到预期效果，取得了较好的成果。

2) 基坑底部被动土加固与基坑支护的联合运用，对坑底软土抗隆起作用较大，实际工程中应重视坑底土加固问题，并合理选取加固土的计算参数。

3) 型钢回收重复利用可节省工程投资，但应注意控制型钢变位率，并在型钢表面涂刷减摩材料，利于型钢拔出。