高層建筑樁基沉降對臨近地鐵的影響研究

周 兵

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢430063)

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的逐漸完善，在地鐵線路周圍進行工程建設(shè)不可避免。軌道交通投資大、人流多，為保證交通線路的正常運營，線路本身的變形要求極其嚴(yán)格。為控制周圍工程建設(shè)對軌道交通的影響，上海、蘇州等地的《地鐵保護條例》都將隧道中心線兩側(cè)各50 m的范圍作為保護區(qū)，要求在保護區(qū)內(nèi)進行工程建設(shè)時，必須評估并控制工程建設(shè)對軌道交通變形的影響；對于臨近地鐵的高層建筑，因其基礎(chǔ)型式一般均為密集的承壓樁基礎(chǔ)，還要求對樁基沉降引起的地鐵變形進行計算評估。本文以一臨近地鐵的擬建高層建筑為背景，計算分析了高層建筑樁基后期沉降對臨近地鐵地基變形的影響。

1 工程概況

擬建工程地下室共2層，主樓地面以上12層，主體高度60 m。主樓采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深12.1 m。

工程緊鄰蘇州地鐵1號線塔園路站及蘇州樂園站-塔園路站區(qū)間。塔園路站為地下兩層島式車站，結(jié)構(gòu)底板最大埋深約16.0 m，采用明挖順作法施工；蘇州樂園站-塔園路站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，車站和區(qū)間均已開通運營。擬建工程塔樓樁基與地鐵右線線路中心線的最近距離約45 m，與地鐵左線線路中心線的最近距離約58 m。塔樓承壓樁采用直徑800 mm鉆孔灌注樁，裙樓采用直徑800 mm鉆孔灌注樁作抗拔樁。

為保證地鐵1號線工程的運營安全，必須對該高層建筑樁基沉降引起的地鐵變形進行計算評估，嚴(yán)格控制其樁基礎(chǔ)附加荷載引起的地鐵沉降。

擬建工程樁基與地鐵車站、區(qū)間隧道關(guān)系見圖1。

圖1 擬建工程樁基與地鐵關(guān)系

2 計算原理

2.1 樁基荷載引起的附加應(yīng)力

為計算樁基礎(chǔ)引起的附加應(yīng)力對地鐵區(qū)間和車站位移的影響，采用Geddes基于Mindlin應(yīng)力公式積分得出的單樁荷載在半無限體中的應(yīng)力解析式，并假定群樁中各樁具有完全相同的受荷特性，按簡單疊加法原則即可計算群樁荷載在地基中產(chǎn)生的豎向應(yīng)力，各樁在地基中任一點處引起的豎向附加應(yīng)力為：

(1)

式中：L為樁長(m)；k為總樁數(shù)(m)；Q為單樁沉降計算荷載(kN)，由樁端阻力Qp和樁側(cè)摩阻力Qs共同承擔(dān)，且Qp=αQ，Qs=(1-α)Q；α為樁端阻力比，群樁條件下可按單樁極限端阻力與單樁極限承載力的比值及端阻比取用。樁的端阻力假定為集中力，樁側(cè)摩阻力一般取為沿樁身線性增長分布。

建筑物下基礎(chǔ)壓力引起的沉降實際上包含兩部分，一部分為基底回彈再壓縮變形，另一部分為超出土自重部分的附加壓力引起的變形。因此基底附加應(yīng)力計算時的沉降荷載取值，應(yīng)將建筑傳遞到基礎(chǔ)的荷載扣去基礎(chǔ)底面相應(yīng)的水浮力與土的自重應(yīng)力。故單樁沉降計算荷載Q的計算方法如下：

Q=Q0-(Ff+σ0zA)/k

(2)

式中：Q0為單樁樁頂荷載長期效應(yīng)組合值；Ff為基礎(chǔ)底面水浮力；σ0z為基底處土的自重應(yīng)力(地下水位以下取浮重度)；A為基礎(chǔ)底面積；k為總樁數(shù)。

Ip,j、Is,j分別為第j根樁的樁端阻力和樁側(cè)阻力對應(yīng)力計算點的應(yīng)力影響系數(shù)，計算方法如下[6]：

(3)

(4)

式中：A2=[n2+(m-1)2]；B2=[n2+(m+1)2]；F2=n2+m2；n=r/L；m=z/L；μ為地基土的泊松比，取為0.4；r為計算點離樁身軸線的水平距離；z為計算應(yīng)力點離承臺底面的豎向距離。

2.2 地基土沉降計算的分層總和法

計算得到沉降計算點處壓縮層范圍內(nèi)自樁端平面往下的各土層附加應(yīng)力后，即可采用單向壓縮分層總和法求得該點的最終沉降量為：

(5)

式中：φm為樁基沉降計算經(jīng)驗系數(shù)；T為在沉降計算點處壓縮層范圍內(nèi)自樁端平面往下的土層總數(shù)，土層可按每層土厚度1 m進行劃分；Es,t為樁端平面下第t層土在自重壓力至自重壓力加附加壓力作用時的壓縮模量(MPa)；nt為樁端平面下第t層土的單向壓縮計算分層總數(shù)，按每層土厚度1 m進行劃分；σzt,i為樁端平面下第t層土的第i個分層處土體的豎向附加應(yīng)力(kPa)；ΔHt,i為樁端平面下第t層土的第i個分層的層厚(m)。

根據(jù)以上計算原理，為同時得到地鐵線路上n個點的沉降變形數(shù)值并繪制出沉降曲線，將總數(shù)為k的群樁的沉降計算荷載Q、各樁在任一點引起的豎向附加應(yīng)力σz等數(shù)據(jù)均定義為k行向量；將地鐵線路上n個點的坐標(biāo)等數(shù)據(jù)均定義為n行的向量；將地層深度方向的T層土層壓縮模量等數(shù)據(jù)定義為T行的向量；直接采用數(shù)值計算軟件編制程序進行矩陣計算和數(shù)據(jù)處理。計算中其它相關(guān)的巖土參數(shù)參照巖土工程詳細勘察報告取值。

3 計算分析

由于本工程裙樓層數(shù)少、荷載小，裙樓樁基均為抗拔樁，因此不需對裙樓樁基進行地基沉降計算，僅需對主樓承壓樁進行計算。主樓基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及荷載信息如表1，扣除基底水浮力和自重應(yīng)力后，單樁沉降計算荷載為287 kN，按此荷載進行地基沉降計算。

表1 建筑主樓基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及荷載信息

沿地鐵線路方向取左線和右線兩個斷面進行地鐵結(jié)構(gòu)基底沉降計算，按式(1)計算得到各沉降計算點處壓縮層范圍內(nèi)自樁端平面往下的各土層附加應(yīng)力后，即可按式(5)采用單向壓縮分層總和法求得該點的最終沉降量。按上述原理計算得到地鐵左線和右線基底各點的沉降變形，并繪制出沿線路方向的地鐵結(jié)構(gòu)基底變形曲線。經(jīng)數(shù)值計算，本工程樁基沉降引起的地鐵結(jié)構(gòu)左線、右線基底變形曲線如圖2所示。

(a)地鐵左線斷面基底變形曲線

(b)地鐵右線斷面基底變形曲線圖2 建筑樁基沉降引起的地鐵結(jié)構(gòu)變形曲線

從計算結(jié)果可以看到，由建筑樁基荷載引起的地鐵線路下方基底最大沉降值為：左線0.48 mm，右線0.95 mm，均小于10 mm的控制指標(biāo)；最大沉降點發(fā)生在車站區(qū)間分界線以東約5 m處，該位置也是塔樓樁基的中心線位置，群樁對該點的疊加影響最大。

4 結(jié)束語

本文計算了由高層建筑樁基引起的地鐵結(jié)構(gòu)基底沉降值，得到了沿地鐵線路方向的沉降變形曲線。計算結(jié)果表明，本工程樁基沉降引起的地鐵線路基底變形小于10 mm的控制指標(biāo)，可以滿足地鐵保護要求。

[1] 樓曉明, 金志靖. 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)對緊鄰地鐵隧道產(chǎn)生豎向附加應(yīng)力和變形的計算分析[J]. 巖土力學(xué), 1996(3)

[2] 樓曉明, 劉建航. 高層建筑樁基礎(chǔ)對鄰近隧道影響的監(jiān)測與分析[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報, 2003(9)

[3] 賀翀, 閆靜雅. 群樁沉降及周圍土體沉降的計算[J]. 探礦工程, 2008(4)

[4] 趙偉力. 周邊建筑樁基對地鐵隧道的影響分析[D]. 天津大學(xué), 2005

[5] 黃曉陽. 樁基礎(chǔ)荷載對既有地鐵隧道的受力和變形的影響分析[D]. 中南大學(xué), 2010

[6] DGJ 08-11-2010上海市標(biāo)準(zhǔn)-地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]