保護(hù)基坑鄰近建筑的傾斜式隔離樁特征分析

張亞明 ，陳東生，劉金龍，祝磊

（1.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測(cè)站，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031；3.合肥學(xué)院城市建設(shè)與交通學(xué)院，安徽 合肥 230601）

城市基坑工程建設(shè)中，基坑周邊經(jīng)常存在年代久遠(yuǎn)的老建筑（甚至古文物保護(hù)建筑），其基礎(chǔ)形式多為淺基礎(chǔ)，對(duì)地基土的變形非常敏感。遇到該情況時(shí)，往往需要對(duì)既有建筑進(jìn)行加固與保護(hù)。其中，采用隔離樁保護(hù)基坑鄰近建筑物是一種施工簡(jiǎn)便、費(fèi)用較低的有效方法。

如南京地鐵張府園車站基坑施工過程中，采用鉆孔灌注樁隔斷墻對(duì)鄰近7層住宅樓和14層辦公樓進(jìn)行了有效保護(hù)。應(yīng)宏偉等采用厚度0.74m、深度25.5m的地下連續(xù)墻對(duì)某基坑周邊的鄰近建筑進(jìn)行保護(hù)，取得了良好效果。上海鐵路局太平橋貨場(chǎng)租賃房A地塊工程采用φ600mm＠1200mm鉆孔灌注樁，對(duì)基坑?xùn)|北角居民樓進(jìn)行有效保護(hù)與隔離。

已有的工程實(shí)踐中，通常采用豎直分布的鉆孔灌注樁形成隔離墻。事實(shí)上，在隔離樁直徑與長(zhǎng)度不變的情況下，可采用直立與傾斜交替的方式（或向不同方向交替傾斜）形成隔離樁。關(guān)于這類傾斜式隔離樁的研究較少。為此，本文基于有限元方法，對(duì)多種傾斜隔離樁的布置方式進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算，探討傾斜隔離樁的變形特征，促進(jìn)傾斜式隔離樁在工程建設(shè)中的應(yīng)用。

1 有限元計(jì)算模型

某基坑工程采用抗滑樁+兩道內(nèi)支撐方式進(jìn)行支護(hù)，抗滑樁樁徑φ為0.9m、間距1.2m、樁長(zhǎng)15.0m，樁頂?shù)倪B系梁尺寸為0.8m×0.8m，基坑開挖深度8.0m，內(nèi)支撐設(shè)置在距地面0.0m與-4.0m處。距離基坑坑壁9m處存在一棟7層磚混建筑，采用條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深2.0m?？紤]到施工的擾動(dòng)影響，擬在離既有建筑1.0m處設(shè)置直立式隔離樁，對(duì)該鄰近建筑進(jìn)行保護(hù)，隔離樁與抗滑樁參數(shù)相同（φ900mm＠1200mm），如圖1所示。

圖1 直立式隔離樁示意圖

為了考察傾斜式隔離樁的效果，現(xiàn)設(shè)計(jì)幾種傾斜式構(gòu)型：①外傾式，直立樁與傾斜樁交替分布，即直立樁參數(shù)為φ 900mm＠2400mm、傾斜樁參數(shù)為φ 900mm＠2400mm，傾斜樁向坑外方向傾斜，傾斜角度β=5°，如圖2所示；②內(nèi)傾式，傾斜樁向遠(yuǎn)離基坑方向傾斜，如圖3所示；③雙傾式，向坑外方向與遠(yuǎn)離基坑方向的傾斜樁交替分布，故兩側(cè)傾斜樁的夾角為2β，如圖4所示。

圖2 外傾式隔離樁示意圖

圖3 內(nèi)傾式隔離樁示意圖

圖4 雙傾式隔離樁示意圖

土層計(jì)算參數(shù) 表1

數(shù)值計(jì)算按平面應(yīng)變問題考慮，樁與連系梁等效為板單元，等效后直立式隔離樁的軸向剛度EA=2.056E7 kN/m、抗彎剛度EI=8.051E5 kN·m/m，傾斜隔離樁軸向剛度EA=1.63E7 kN/m、抗彎剛度EI=4.025E5 kN·m/m。既有建筑采用等效均布荷載的方法進(jìn)行模擬，每層建筑按15kPa進(jìn)行等效。圖5給出了有數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格剖分情況。

圖5 網(wǎng)格剖分情況

施工時(shí)，先形成隔離樁、圍護(hù)樁，后續(xù)分層、分步開挖至坑底。開挖至坑底時(shí)為最危險(xiǎn)工況，下面僅考察最危險(xiǎn)工況下的基坑特征。

2 計(jì)算結(jié)果分析

圖6給出了有無隔離樁的土體位移矢量分布情況?？梢?，設(shè)置隔離樁后，隔離樁與既有建筑之間土體的位移矢量大大減小，抗滑樁附近的位移矢量也有一定的減小，說明隔離樁具有約束既有建筑附近土體變形的效果。

圖6 土體位移矢量分布圖

不同情況下既有建筑端部A-B豎向斷面處的水平位移如圖7所示。無隔斷樁、豎直式、內(nèi)傾式、外傾式、雙傾式等不同情況下A-B豎向斷面處的最大水平位移分別為20.8mm、17.9mm、16.3mm、17.2mm、15.0mm，設(shè)置隔離樁能有效減小既有建筑附近的土體水平位移數(shù)值。豎直式、內(nèi)傾式、外傾式、雙傾式等隔離樁的樁體用料基本相同，但隔離效果按下列順序逐漸變強(qiáng)：豎直式、外傾式、內(nèi)傾式、雙傾式，即如圖4所示的雙傾式隔離效果最好，既有建筑周邊土體的變形最小。

圖7 隔離樁構(gòu)型對(duì)既有建筑水平位移的影響

不同情況下基坑周邊土體的水平位移分布云圖如圖8所示?？梢姡袩o隔離樁情況下土體水平位移等值線形狀基本相似，設(shè)置隔離樁土體的水平位移值大大減小。

圖8 土體水平位移等值線分布圖（單位：mm）

不同情況下既有建筑端部A點(diǎn)處的變形值如表2所示。可見，雙傾式隔離樁的效果最佳，其能使水平位移減小31.2%、豎向沉降減小21.1%。隔離樁對(duì)約束土體水平位移的效果比豎向沉降更佳。與傾斜式隔離樁相比，傳統(tǒng)的直立式隔離樁對(duì)土體的約束效果較差。

不同工況時(shí)既有建筑的變形分析 表2

不同工況時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)（抗滑樁）的水平位移如圖9所示，可見，抗滑樁的水平位移最大值位于樁頂處，無隔離樁、豎直式、外傾式、內(nèi)傾式、雙傾式的水平位移最大值依次減小，這與圖7所示的土體變形規(guī)律是一致的。這說明隔離樁在對(duì)既有建筑進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)，也能降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，對(duì)提高基坑工程的安全性有利。

圖9 不同工況下抗滑樁的水平位移分布

上述數(shù)據(jù)表明，直立式隔離樁的保護(hù)效果較差，而雙傾式隔離樁的保護(hù)效果較好。顯然，隔離樁對(duì)土體變形的阻擋效果，與其抗側(cè)移剛度有關(guān)。在樁徑、樁間距等參數(shù)相同情況下，把樁豎直緊密排列的抗側(cè)移剛度較小，而向兩個(gè)方向交替傾斜時(shí)隔離樁的抗側(cè)移剛度較大。對(duì)于內(nèi)傾式與外傾式，其實(shí)兩者的抗側(cè)移剛度基本相等，但內(nèi)傾式的樁體處于變形相對(duì)較小的區(qū)域，而外傾式的傾斜樁處于變形相對(duì)較大的區(qū)域，故內(nèi)傾式隔離樁的效果優(yōu)于外傾式隔離樁。

可見，在工程實(shí)際中，盡可能采用向兩個(gè)方向交替傾斜的雙傾式隔離樁，其在相同樁體用料情況下隔離效果最好。

3 結(jié)論

基坑周邊鄰近建筑可采用隔離樁進(jìn)行保護(hù)。在樁徑、樁間距等參數(shù)相同情況下，針對(duì)隔離樁豎直式、內(nèi)傾式、外傾式、雙傾式等不同布置方式的保護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：雙傾式隔離效果最好，既有建筑周邊土體的變形最小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移也最小。隔離樁對(duì)土體變形的阻擋效果，與其抗側(cè)移剛度有關(guān)，兩個(gè)方向交替傾斜時(shí)隔離樁的抗側(cè)移剛度較大，故建議工程實(shí)際中盡可能采用向兩個(gè)方向交替傾斜的雙傾式隔離樁。