螺母厂家
免费服务热线

Free service

hotline

010-00000000
螺母厂家
热门搜索:
技术资讯
当前位置:首页 > 技术资讯

型钢水泥土复合挡土墙的技术研究和工程应用万芳

发布时间:2020-02-14 12:30:06 阅读: 来源:螺母厂家

型钢水泥土复合挡土墙的技术研究和工程应用

摘要 本文通过对新颖的支护结构——型钢水泥土复合挡土墙的技术研究和工程应用,表明了该项技术的优越性,从理论上阐明其挡土止水的施工机理。以工程实践为依据,提出该工法在我国深基坑开挖工程推广运用的可行性及发展方向。关键词 SMW工法 水泥土 H型钢 减摩剂 复合刚度

一、 SMW工法简介

型钢水泥土复合土墙(又称SMW工法)最早是由日本竹中土木株式会社与成幸工业株式会社于1976年开发应用成功的。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围护结构已成日本国内基坑围护的主要工法,约占地下围护结构的80%

与钢筋混凝土地下连续墙和钻孔灌注桩相比,SMW工法具有以下特点:

1. 对周围地基影响小。由于是就地与水泥浆搅拌,与之相对临近土体扰动较小,故不产生邻近地面下沉、房屋倾斜、道路裂损或地下设施破坏等。

2. 高止水性。由于钻杆具有推进和搅拌翼相间设置的特点,随着钻掘和搅拌反复进行,可使水泥系强化剂与土得到充分的搅拌,而且墙体全长无接缝,因而比传统的连续墙具有更可靠的止水性,其渗透系数为10-7~10-8cm/s。

3. 多用途。能适应各种地层,可在粘性土、粉土、砂砾土、直径达100mm以上卵石,以至单轴抗压强度60kPa以下的岩层中应用。

4. 大壁厚、大深度。成墙厚度可在550~1300mm之间最大深度达65m。

5. 工期短、造价低。由于采用就地将原土加固的施工方式而一次筑成墙体,施工工艺简单,施工效率高,所需工期较其它工法短。与地下连续墙相比,在不回收型钢的前提下,其围护本身的费用仅为地下连续墙的60%,若考虑型钢回收,费用可降至30%。

6. 环境污染小。废土外运量比其它工法少,施工噪音较小,振小,无泥浆污染。

在日本,SMW桩的搅拌机,一般采用3轴钻机,也开发了4轴至6轴的钻机,一次成墙宽度达1.5m~3m,最大搅拌深度达60 m,水泥土强度达1MPa~3 Mpa,钻孔垂直精度可达1/200。H型钢靠自重入孔,H型钢一般不回收。

二、 SMW工法的工作机理

SMW工法的工作机理就是通过特殊的多轴深层搅拌机将土体切散,同时从其钻头前端将水泥浆注入土体,通过搅拌头将水泥浆与原位土反复混合搅拌,采取重迭搭接,在水泥土混合体未结硬前,按设计间距插入H型钢或钢板桩作为应力加强材料,直至水泥土结硬后形成型钢水泥土复合挡土墙,当围护结构的挡土功能完成以后,回收型钢重复使用。

三、SMW工法的设计计算1. SMW挡土墙设计流程图(见图1)

图.1

2. SMW挡土墙的设计与计算

(1) 入土深度的确定

在SMW工法中需确定两部分入土深度:

① 型钢入土深度

型钢入土深度主要有基坑抗隆起稳定、挡土墙内力,变形不超过允许值决定。

抗隆起安全系数Ks按下式求得:

式中:DH——H型钢入土深度,m;

H----基坑开挖深度,m;

γ-坑底及墙体外侧土体,kN/m3;

C-坑底土体的内聚力,kN/m2;

qo-地面超载,kN/m2;

Nq,Nc-地面承载力系数。

Nq,Nc分别由Prandtl公式求得:

要求抗隆起安全系数Ks 1.10~1.20。型钢实际埋入水泥土中长度为:

LH=DH+H(见图2)

若按该入土深度产生结构内力、变形过大时,则增加入土深度(或通过加固等技术措施)再进行挡土墙结构分析,一般型钢入土深度小于水泥土桩长度。在进行上述分析时,仅计算到型钢底端,不计型钢底端下那部分水泥土。

另一个设计型钢埋入水泥土中长度的重要依据是:保持型钢顺利而完整地拔出,要求起拔力Po小于最大抗拔力Pm,即Po ≤Pm

并且式中Pf———摩阻力;

Po———因型钢变形产生的附加阻力。

在型钢变形不大的条件下,Po≈Pf,起拔力P0可按下式估算:

Pf=μf·SH·LH

∴Po≥2μf·SH·LH

式中,SH——型钢截面的周长,m;

LH——型钢长度。

μf———单位面积的摩阻力

由稳定验算所得的型钢长度LH还需满足式(7),若不满足,应采取措施。

② 水泥土桩的入土深度

水泥土桩的入土深度主要由以下三个方面决定:

a. 确保坑内降水不影响基坑外环境;

b. 防止管涌发生;

c. 防止底鼓发生。

当坑底下为疏松的砂土层时,又存在着渗透水压,可按下式验算基坑稳定;

式中:i-动水力坡度i=hw/L;

hw-墙体内外面的水头差;

L-产生水头损失的最短流线长度,L=hw+2Dc;

Dc-墙体入土深度; ic-极限动水力坡度,

Gs-土颗粒比重;

e-土的空隙比。

见图3。

若基底下有薄的不透水层,并具有较大水压的滞水层时,须进行底鼓验算,常有以下两种措施;

a. 用隔水挡土墙隔断滞水层;

b. 用深井点降低承压水头。

c. 取上述三种情况中入土深度最大值,但应符合DC≥DH。

(2) 侧压力计算

按有关规范计算。

(3) 挡土墙厚度

厚度按下式计算:

Bc≥2Kt

式中,K——水泥土渗透系数,cm/s;

t——从开挖至地下室顶板浇好所需的工期,秒(s)。

(4) 水平方向水泥土的强度校核

① 型钢净间距确定

按下式确定型钢的净间距L2(见图4)

L2≤Bc+h+2e

式中,Bc——水泥土墙体厚度;

H——H型钢型心轴与截面

对称轴的距离,规定H型钢形心轴近基坑内侧为正。

② 水泥土强度校核

a. 型钢“连续”布置

仅需验算型钢翼缘边的水泥土抗剪强度,图5所示,取1m为

计算单元。

剪力

剪应力

式中:q――侧压力,kN/m2;

De1——墙体有效厚度,m;

τs——水泥土设计抗剪强度,KPa。

b. 型钢“间隔”布置

除进行上述验算外,还要进行水泥土搭接处的抗剪强度校核,如

图6。

式中,de2——水泥土搭接厚度,m。 另外,在侧压作用下,在水泥土内形成一抛物线承载拱,需验算拱的轴力强度,按下式:

式中,Bf——型钢翼宽,m;

fc——水泥土的设计抗压强度,KPa。

(5) 型钢水泥土组合刚度计算

① 型钢“全位”布置

仅取型钢的刚度作为受力单元组合刚度,不考虑水泥土部分的作用。

Ke=EHIH

式中,EH, IH分别为型钢弹性模量,惯性矩。

② 型钢“半位”布置

不能忽视水泥土部分的贡献,即需考虑组合刚度。

以“半位1隔1”截面为例,在完全共同作用下,并且水泥土体

处在弹性状态,这时单元的中性轴位置可按弯截面法计算,图7

所示。

设型钢与水泥土的弹性模量比 ,

则中性轴Yc:

式中,hH,hc-分别为H型钢、水泥土各自形心相对几何对称轴Xo轴。

IH=IHO+(hH-Yc)2·AH

Ic=Ico+(hc-Yc)2·AH

式中,IHO,ICO-分别为型钢、水泥土对各自形心轴的惯性矩。

则组合刚度Kec=EHIH+EcIc

=(EHIHO+ECICO)+[ (hH-Yc)2·AHEH+(hH-Yc)2·AH Ec]

令Kf=[ (hH-Yc)2·AHEH+(hH-Yc)2·AH Ec](附加刚度)

则Kec=(EHIHO+ECICO)+Kf

根据室内试验、申海大厦基坑围护工程监测分析,拟认为在满足

≤0.4%条件下,受力单元复合刚度可按下式计算:

Kec=EHIHO+β·△K

式中,β-刚度系数,取0.3~0.8,视 大小而定,

其中△K=Kf+EHIHO

(6) 型钢底端水泥土截面强度校核

式中,Qe-结构角析所得的型钢底截面处计算单元的剪力,kN;

A-水泥土墙计算单元的面积,m2。

上述计算公式仅供SMW工法设计计算时参考。

四、SMW工法的施工

1.施工顺序(见图8)

2. 导沟开挖,施工顺序示例

1) 施工:(1)钻孔搅拌;(2)下沉搅拌;(3)上升搅拌。

2) H型钢插入。

3) 承担应力的材料固定。

4) 完成。

5) 残土处理。

6) 顶部压顶梁制作。

7) H型钢拔起。

8) H型钢堆放。

见图9。

五、工程应用实例

申海大厦基坑围护工程:

1. 工程概况

申海大厦位于上海西康路海防路口,其地下车库建筑边线呈不规则图形,自然地面标高为+2.95m(相对标高是-0.70m), 基坑开挖深度为7.30~7.80米,面积约为1798m2。基坑西面距地下车库外边线0.8m处有一厂房围墙;东面1.3~3.4m处有1排高压架空线和围墙,约3.7m有1根埋深0.6m的φ150上水管,约4.7m处有1根埋深约为1m的φ600雨水管,距离6m为日用化工品厂办公楼;北面6.62m处有埋深0.7m的φ225的煤气管;南面有居民住宅通道与基坑相邻。

场地土层自上而下依次为:①杂填土,厚2.05m;②灰黄色粉质粘土,厚1.1m;③灰色淤泥质粉质粘土夹砂质粉土,厚4.85m;④灰色淤泥质粘土,厚6.7m;⑤-1灰色粘土,厚4.85m;⑥-2灰色粉质粘土,厚5.6m。

2. 围护结构、支撑体系及施工过程

选用自制50号H型钢间隔插入,间距1.0m,型钢长12m,型钢表面涂刷减摩剂。所有搅拌桩均采用直径700mm双轴搅拌桩钻机施工见图10。围护墙顶部设置周圈钢筋混凝土压顶圈梁 ,梁宽1.0m,高0.7m。

基坑设置2道支撑系统,局部增设第3道支撑,支撑选用Φ580标准钢支撑。第一道支撑轴中心标高-1.70m,第二道支撑轴中心标高-4.70m,在支撑的交会处设置36号工字钢立柱,承担支撑的重量,该立柱施工也采用在深层搅拌桩中插入型钢的方法。

围檀分钢结构和钢筋混凝土两种,直线部分采用钢围檀,弧线部分采用钢筋混凝土围檩,该段围护采用钢筋混凝土支撑体系,见图11。

(砼标号C20),提前两星期进行坑内轻型井点降水,抽干坑内残留水和保证坑底脚趾的稳定,待搅拌桩强度达到1MPa(设计强度)后,抽条开挖至-2.00m标高,在轴中心标高-1.70m处设置钢支撑和浇筑钢筋混凝土支撑;再开挖至-5.00m标高,在轴中心标高-4.70m处设置钢围檀和钢筋混凝土围檀,并设置钢支撑和浇筑钢筋混凝土支撑;然后再开挖至坑底标高-6.80m,人工修土找平至-7.30m标高,浇垫层及底板,待底板强度达到75%的设计强度后,设置第三道支撑,进行集水井、电梯井施工(开挖深度0.7~1.2m);待集水井、电梯井结构制作完毕,混凝土强度达到75%的设计强度后,撤除第二道支撑,浇筑地下室外墙至标高-2.80m处,做好外墙外防水,待砼强度达到设计强度的75%后,用砂充填外墙与围护结构之间的施工空间(0.4~0.7m),浇筑(0.4~0.7m)×0.5m周圈钢筋混凝土圈梁(混凝土标号C20),设置临时替代支撑,然后拆除第一、三道支撑和围檀,接长地下室外墙至结构顶板设计标高,待混凝土强度达到75%设计强度后,用砂充填施工空间并浇筑(0.4~0.7m)×0.5m周圈圈梁,拆除临时支撑并浇筑顶板结构。待强度达标后,起拔围护结构中的H型钢,用6~8%水泥浆液充填型钢拔后空隙。

3 设计计算

3.1 围护墙入土深度的确定

在SMW工法中需确定两部分入土深度。

(1) H 型钢的入土深度DH 主要由基坑抗隆起稳定、挡墙内力和变形不超过允许值及型钢顺利回收等条件决定。经计算得DH=4m,型钢长度LH=12m。

(2) 水泥土桩的入土深度DC 主要由3个方面决定:①确定坑内降水不影响基坑以外环境;②防止管涌发生;③防止底鼓发生。经计算得DC=6m,水泥土桩长 LC=14m。

3.2 按有关规范计算侧压力

3.3 挡土墙厚度BC的确定

计算设BC =1.2m。

3.4 水平方向水泥土的强度校核

(1) 型钢净间距确定,经计算取L1=1.0m, L2=0.7m。

(2) 水泥土强度校核,经验算满足要求。另外,在侧压力作用下,在水泥土内形成一抛物线承载拱,需验算拱的轴力强度,经验算满足要求。

3.5 内力及位移计算

(1) 水泥土搅拌桩 支撑预加轴力均为50 kN/m (斜撑不预加轴力)。计算结果:

最大水平位移:f max=37.65mm (发生在回筑拆除第1道支撑)。

最大弯矩:-Mmax=157.2 kN ·m (发生在悬臂阶段)。

+Mmax=244.1 kN ·m (预加轴力后成为190.4 kN ·m)。

最大轴力:1道支撑:N1=174.3 kN (发生在2道支撑安装前);

2道支撑:N2=148.5 kN (发生在基坑开挖到底);

斜撑:N斜=182.2 kN×1/cos30о=210.4 kN。

(2) 集水坑开挖计算

最大水平位移:D=33.11mm (拆第1道支撑)。

最大弯长:+Mmax=244.1 kN · m (发生在2道支撑)。

-Mmax=168 kN · m (开挖至-4.3m)。

最大轴力:N1=202.3 kN (拆第2道支撑)。

N2=294.7 kN (开挖至-7.0m)。

N3=218 kN (开挖至-8.3m)。

斜撑:249 kN×1/cos300=287.5 kN (轴向)。

要求:①第3道支撑顶面平底板面(-5.035m);②第3道支撑在斜撑撑好后方可拆除。

4 基坑开挖监测

申海大厦从开挖到底板浇筑混凝土,历时40d,监测频率1次/d。

4.1 墙体水平位移

墙体水平位移量测结果见图12。图中各曲线代表不同工况时的墙体水平位移:第一次开挖至-1.3m,加上一道撑后,墙体位移很小,0~10m深度内变位为负值,10m以下为向基坑内侧移动,这主要是因预加一道轴力所致,使墙体后仰;第二次开挖至-4.3m,相对于第一工况,位移近8mm,由于基坑内土的挖除,造成内侧土压力分布发生变化,因钢撑柔性较大,曲线表现近于悬臂状态;第三次开挖至-6.34m,达到最终开挖深度,此时曲线在7~8m曲率较大,但墙体位移不足4mm,打垫层时,墙体继续发生变形,这主要是墙体蠕变的结果,最大位移点在7m左右,即开挖面稍下部分,最大位移18mm;到打底板混凝土时,由于与前道工序时间间隔太长(约20天)蠕变位移量增长较大,由上至下基本上是增量相同,位移最大点还是在7m处,蠕变量约为总位移量的30%,这说明工序的衔接程度对墙体的位移影响很大,尤其是在开挖深度较大时这种影响更为突出。从最后工况可以看到曲线在墙体段内有两个较明显的弯点,一是在 -7.0m,表明墙体在开挖面以下2m范围内被动侧的抗力较小,另一弯点在-12.0m,该处为型钢的端部,该交接面为墙体的刚度变化处,刚度变化较大,无型钢的水泥土 部分柔性较大,对墙体抗变形内力作用不大。

墙体最大位移△max=2.8cm,开挖深度H0=7.3m,

则△max/H0≈0.38%。

H型钢在开挖面以下的长度为0.64H。

图13反映出后续工序的拖延,将会以墙体的较大位移增量为代价,对工程质量造成不必要的损失。

.2 管线沉降和地表沉降

14。曲线是以开挖前的沉降量开始,这个初值为前期施工的沉降量,因此不考虑前期的沉降,整个开挖阶段,最大沉降量约为2.1cm,这主要是由墙体的水平位移引起的。

沿横向布置的地表沉降量测结果见图7。曲线表明,当沉降较大时,沉降曲线沿横向不是离墙距离越近沉降越大,最大沉降值发生在距基坑约1.0H0处。同一横断面上墙体的最大位移量大约是最大沉降量的1.4倍。

要小于0.4%的开挖深度;地表最大沉降点,在距离约1.0H0处。地表沉降与墙体水平位移的变化存在着相应的关系。

六、结束语

在SMW工法中成功实施型钢回收和重复利用,为该工法在我国软土地基的基坑支扩展工程中应用创造了条件,我们将继续开发和引进高效的多轴SMW工法专用桩机,并在多次应用的基础上总结经验,优化施工技术,完善工法和编制施工质量控制标准。并通过对施工监测数据的分析完善SMW工法的设计计算理论。 通过多个工程实例的积累,对SMW工法的技术、经济指标与常用的基坑支护工法进行了如下比较:

深基坑支护常用工法指标比较

美女图片

性感旗袍美女

美女裸图

美女旗袍照

相关阅读