保護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.安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，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）

城市基坑工程建設中，基坑周邊經常存在年代久遠的老建筑（甚至古文物保護建筑），其基礎形式多為淺基礎，對地基土的變形非常敏感。遇到該情況時，往往需要對既有建筑進行加固與保護。其中，采用隔離樁保護基坑鄰近建筑物是一種施工簡便、費用較低的有效方法。

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鄰近7層住宅樓和14層辦公樓進行了有效保護。應宏偉等采用厚度0.74m、深度25.5m的地下連續墻對某基坑周邊的鄰近建筑進行保護，取得了良好效果。上海鐵路局太平橋貨場租賃房A地塊工程采用φ600mm＠1200mm鉆孔灌注樁，對基坑東北角居民樓進行有效保護與隔離。

已有的工程實踐中，通常采用豎直分布的鉆孔灌注樁形成隔離墻。事實上，在隔離樁直徑與長度不變的情況下，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，對多種傾斜隔離樁的布置方式進行了對比計算，探討傾斜隔離樁的變形特征，促進傾斜式隔離樁在工程建設中的應用。

1 有限元計算模型

某基坑工程采用抗滑樁+兩道內支撐方式進行支護，抗滑樁樁徑φ為0.9m、間距1.2m、樁長15.0m，樁頂的連系梁尺寸為0.8m×0.8m，基坑開挖深度8.0m，內支撐設置在距地面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，基礎埋深2.0m。考慮到施工的擾動影響，擬在離既有建筑1.0m處設置直立式隔離樁，對該鄰近建筑進行保護，隔離樁與抗滑樁參數相同（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，現設計幾種傾斜式構型：①外傾式，直立樁與傾斜樁交替分布，即直立樁參數為φ 900mm＠2400mm、傾斜樁參數為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內傾式，傾斜樁向遠離基坑方向傾斜，如圖3所示；③雙傾式，向坑外方向與遠離基坑方向的傾斜樁交替分布，故兩側傾斜樁的夾角為2β，如圖4所示。

圖2 外傾式隔離樁示意圖

圖3 內傾式隔離樁示意圖

圖4 雙傾式隔離樁示意圖

土層計算參數 表1

數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行模擬，每層建筑按15kPa進行等效。圖5給出了有數值計算網格剖分情況。

圖5 網格剖分情況

施工時，先形成隔離樁、圍護樁，后續分層、分步開挖至坑底。開挖至坑底時為最危險工況，下面僅考察最危險工況下的基坑特征。

2 計算結果分析

圖6給出了有無隔離樁的土體位移矢量分布情況。可見，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，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，設置隔離樁能有效減小既有建筑附近的土體水平位移數值。豎直式、內傾式、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：豎直式、外傾式、內傾式、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 隔離樁構型對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。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，傳統的直立式隔離樁對土體的約束效果較差。

不同工況時既有建筑的變形分析 表2

不同工況時圍護結構（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所示的土體變形規律是一致的。這說明隔離樁在對既有建筑進行保護的同時，也能降低圍護結構的水平位移，對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

上述數據表明，直立式隔離樁的保護效果較差，而雙傾式隔離樁的保護效果較好。顯然，隔離樁對土體變形的阻擋效果，與其抗側移剛度有關。在樁徑、樁間距等參數相同情況下，把樁豎直緊密排列的抗側移剛度較小，而向兩個方向交替傾斜時隔離樁的抗側移剛度較大。對于內傾式與外傾式，其實兩者的抗側移剛度基本相等，但內傾式的樁體處于變形相對較小的區域，而外傾式的傾斜樁處于變形相對較大的區域，故內傾式隔離樁的效果優于外傾式隔離樁。

可見，在工程實際中，盡可能采用向兩個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 結論

基坑周邊鄰近建筑可采用隔離樁進行保護。在樁徑、樁間距等參數相同情況下，針對隔離樁豎直式、內傾式、外傾式、雙傾式等不同布置方式的保護效果進行對比分析，結果表明：雙傾式隔離效果最好，既有建筑周邊土體的變形最小，圍護結構的水平位移也最小。隔離樁對土體變形的阻擋效果，與其抗側移剛度有關，兩個方向交替傾斜時隔離樁的抗側移剛度較大，故建議工程實際中盡可能采用向兩個方向交替傾斜的雙傾式隔離樁。