隔離樁保護基坑鄰近建筑的效果分析

陳東生，張亞明，劉金龍 ，祝磊

(1.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031；3.合肥學院城市建設與交通學院，安徽 合肥 230601)

城市基坑工程的開挖深度與面積往往較大，且周邊建筑物與管線密集，如何降低基坑施工對周邊建筑物的不利影響是重要的考慮因素。實際工程中，由于基坑開挖導致周邊建筑產(chǎn)生較大變形、傾斜與開裂的案例屢見不鮮。

可通過增加基坑橫向支撐的數(shù)目、剛度、采取速挖速撐等方法，控制基坑開挖引起的土體變形。但在某些鄰近建筑物存在特殊、對沉降變形特別敏感或存在嚴格的保護標準，僅采用提高基坑圍護結(jié)構(gòu)的剛度往往還達不到相關(guān)要求。因此，有必要采取額外的工程措施對鄰近建筑進行保護。

為了對既有建筑進行有效保護，可在既有建筑周邊設置隔離樁。隔離樁深入滑動面下部土層中，能夠阻止既有建筑周邊土體由基坑開挖卸荷造成的滑移與變形，控制樁后土體的變形，從而達到保護建筑物的作用。隔離樁保護既有建筑的技術(shù)已在多個工程中得到了應用與驗證。

本文基于有限元方法，通過變換隔離樁的主要設計參數(shù)，對比計算探討隔離樁保護基坑周邊既有建筑的效果，促進隔離樁在工程建設中的應用。

1 有限元計算模型

某基坑工程采用雙排樁支護，樁徑φ為0.8m、間距1.4m、樁長18.0m，排距2.5m，樁頂?shù)倪B系梁尺寸為0.8m×0.8m，基坑開挖深度9.0m，如圖1所示。距離基坑坑壁

L

=9m處存在一棟7層磚混建筑，采用條形基礎，基礎埋深2.0m，如圖1所示。

圖1 基坑開挖h型樁支護示意圖

土層計算參數(shù) 表1

數(shù)值計算按平面應變問題考慮，樁與連系梁等效為板單元，等效后樁的軸向剛度

EA

=1.67E7 kN/m、抗彎剛度

EI

=4.31E5 kN·m/m，連系梁的軸向剛度

EA

=2.09E7kN/m、抗彎剛度

EI

=8.54E5 kN·m/m。

由于基坑開挖面積較大，未設置內(nèi)支撐。雖然雙排樁支護結(jié)構(gòu)具有較大的剛度，但基坑開挖仍可能對該既有建筑產(chǎn)生較大影響。為了加強對既有建筑的保護，擬在基坑與既有建筑之間設置隔離樁。隔離樁的樁徑、樁長與間距與圍護結(jié)構(gòu)相同。既有建筑采用等效均布荷載的方法進行模擬，每層建筑按15kPa進行等效。圖2給出了有數(shù)值計算網(wǎng)格剖分情況。

圖2 網(wǎng)格剖分情況

施工時，先形成隔離樁、圍護樁，后續(xù)分層、分步開挖至坑底。開挖至坑底時為最危險工況，下面僅對比最危險工況下的基坑變形與樁體內(nèi)力取值情況。

2 計算結(jié)果分析

2.1 隔離樁位置的影響

圖3給出了隔離樁直徑

φ

=0.8m、樁長

H

=18.0m、

x

=2.0m 情況下有無隔離樁的土體位移矢量分布情況?？梢?，設置隔離樁后，隔離樁與既有建筑之間土體的位移矢量大大減小，從而達到約束既有建筑附近土體變形的效果。

圖3 土體位移矢量分布圖

水平位移是基坑開挖過程中的關(guān)鍵控制指標，基坑安全性預警也往往依靠水平位移的警報值實施的?；娱_挖至底時，土體的水平位移等值線分布如圖4所示。可見，有無隔離樁情況下土體水平位移等值線形狀基本相似，設置隔離樁土體的水平位移大大減小。

圖4 土體水平位移等值線分布圖(單位:mm)

以既有建筑根部的豎向斷面A-B（見圖1所示）為例，探討隔離樁不同位置對土體水平位移的影響，如圖5所示。未設置隔離樁時，A-B豎向斷面處的水平位移最大值為38.1mm，隔離樁距既有建筑距離

x

為0.5m、2.0m、3.5m、5.0m時該位置處水平位移最大值分別為22.81mm、25.81mm、28.61mm、33.9mm。

圖5 隔離樁位置對土體水平位移的影響

可見，設置隔離樁能大大減小既有建筑周邊的水平位移，且隔離樁距既有建筑越近，土體水平位移減小幅度越大，保護既有建筑效果越好。

x

=0.5m時AB豎向斷面處的水平位移相當于無隔離樁時減小了40.1%。

但隔離樁離既有建筑越近，樁基施工時其對建筑基礎產(chǎn)生一定的震動與干擾，對既有建筑造成一定的影響。故隔離樁的設置需考慮對既有建筑影響最小的情況下，盡可能就近設置。

以既有建筑端部A點為例，隔離樁不同位置對A點水平位移與豎向沉降的影響如圖6與圖7所示?？梢?，x取值越?。ǜ綦x樁距既有建筑越近），A點水平位移與豎向沉降均越小，基坑施工對既有建筑的影響越小。

圖6 隔離樁位置對既有建筑水平位移的影響

圖7 隔離樁位置對既有建筑豎向沉降的影響

隔離樁不同位置分布對隔離樁彎矩的影響如圖8所示?？梢姡嚯x既有建筑越近，隔離樁在坑底以下范圍內(nèi)的彎矩越小、坑底以上范圍的彎矩越大。即距離既有建筑越近，隔離樁的彎矩分布更均勻?？拥滓陨细綦x樁受到的彎矩越大，說明該段隔離樁對阻止土體變形發(fā)揮的作用更大，因而其水平位移更小，對保護既有建筑更有利。

圖8 不同位置處隔離樁的彎矩分布

2.2 隔離樁長度的影響

以既有建筑端部A點為例，隔離樁不同長度對A點水平位移與豎向沉降的影響如圖9與圖10所示?？梢姡綦x樁長度H取值越大，A點水平位移與豎向沉降均越小，隔離效果越好。樁長

H

=10.0m時A點水平位移為23.9 mm，比未設置隔離樁時水平位移減小了28.7%，具有一定的隔離效果但仍不非常顯著。

圖9 隔離樁長度對既有建筑水平位移的影響

圖10 隔離樁長度對既有建筑豎向沉降的影響

隔離樁不同長度時的彎矩分布如圖11所示?？梢?，隔離樁長度越小，樁體受到的彎矩最大值越小，開挖面以上的樁體彎矩也越小。特別地，當隔離樁長度小于10.0m時，樁體受到的彎矩急劇減小。

圖11 不同長度隔離樁的彎矩分布

基于強度折減有限元法得到了基坑破壞時的潛在滑裂面位置，如圖12所示?？梢?，在

x

=2.0m處的滑裂面深度為10.0m左右，故在該位置處設置隔離樁時，樁長小于10.0m表示隔離樁未透過滑裂面位置，其彎矩較小，說明發(fā)揮的作用較小，未能對土體形成有效的變形阻擋作用。因此，隔離樁的長度需透過潛在滑裂面位置且到達較深土層中，才能發(fā)揮較好的阻隔作用。

圖12 基坑土體的潛在滑裂面位置

2.3 隔離樁剛度的影響

一般地，隔離樁的剛度越大，對阻止土體移動更有利。提高隔離樁抗側(cè)移剛度的方法有多種，本文僅比較通過增大隔離樁樁徑的方法。隔離樁直徑越大，相應的鋼筋籠也越大，整體側(cè)移剛度越大。

以既有建筑端部A點為例，隔離樁不同直徑

φ

（樁間距不變）對A點水平位移與豎向沉降的影響如圖13與圖14所示。樁徑1.1m時A點的水平位移與豎向沉降比樁徑0.8m時的水平位移與豎向沉降分別減小了9.8%與12.4%?？梢?，隔離樁直徑

φ

取值越大，土體水平位移與豎向沉降均越小，但降低幅度不大。樁徑1.1m與樁徑0.8m相比，其施工難度與造價均大幅度提高，而對降低土體變形的貢獻較小，可見性價比不高。

圖13 隔離樁直徑對既有建筑水平位移的影響

圖14 隔離樁直徑對既有建筑豎向沉降的影響

隔離樁不同樁徑時的彎矩分布如圖15所示。可見，樁徑越大，開挖面以下樁體彎矩的最大值越大，但對-4.0m埋深以內(nèi)的樁體彎矩影響非常小。而既有建筑的基礎埋深約2.0m，故隔離樁樁徑變化對既有建筑的變形影響較小。

圖15 不同直徑隔離樁的彎矩分布

可見，通過增大隔離樁直徑來提高隔離樁側(cè)移剛度的方法，對減小既有建筑變形的作用有限，性價比相對較低。工程建設中，不建議采用增加隔離樁樁徑的方法來達到提高隔離樁側(cè)移剛度、約束土體變形的目的。

3 結(jié)語

①在考慮樁基礎施工對既有建筑影響較小情況下，隔離樁的設置距既有建筑越近，既有建筑周邊土體水平位移減小幅度越大，保護既有建筑效果越好。

②隔離樁長度越大，既有建筑周邊土體水平位移與豎向沉降均越小，隔離效果越好。隔離樁的長度需透過潛在滑裂面位置且到達較深土層中，才能發(fā)揮較好的阻隔作用。

③隔離樁直徑越大，土體水平位移與豎向沉降均越小，但降低幅度不大，與造價增大相比其性價比不高。故不建議使用增大隔離樁樁徑的方法來約束土體的變形。