隔离桩对砂性土天然地基变形的控制研究

姜 闯

(沈阳市勘察测绘研究院有限公司，辽宁 沈阳 110004)

天然地基是自然状态下即可满足基础全部荷载要求，无需进行人工处理的地基。国内外主要通过加固地基和施作隔离装置来减少基坑开挖引起的地基变形，郑刚等[1]采用考虑土体小应变特性的有限元方法，对隔离桩的作用机制进行了参数分析。翟杰群等[2]对隔离桩的作用机理、桩长取值以及隔离桩结构形式选择等进行了分析研究。费纬[3]结合理论计算、有限元数值模拟及现场监测数据分析等手段，验证了隔离墙在控制环境变形中的作用。目前的研究对桩刚度等重要参数没有进行深入研究，研究内容不够全面，且不同工况下隔离桩的存在对天然地基变形的控制也需深入研究。

基于此，本文以沈阳某基坑工程为背景，利用Midas有限元软件，研究隔离桩参数对基坑开挖引起的天然地基附加变形的控制效果，为后期类似基坑工程的安全施工提供参考。

1 有限元模型的建立

有限元模型如图1所示。基坑开挖宽度为9 m，开挖深度分别为1.5 m，4 m，3.5 m和3 m。采用地连墙和三道水平支撑支护，基坑右侧存在长13.5 m，宽4.5 m，埋深1.5 m的建筑物，距地连墙水平距离为6 m。基坑开挖影响宽度约为3倍～5倍的基坑开挖深度，影响深度约为2倍～4倍的基坑开挖深度[4]，因此计算模型边界范围取50 m×36 m，模型底部约束水平位移和竖向位移，两侧约束水平位移，上部为自由边界。

为研究不同隔离桩参数对天然地基变形的控制，本文设基坑开挖深度为H，地连墙与建筑物的距离为d，隔离桩刚度为EI。本文计算模型中建筑物采用弹性模型，土体采用修正摩尔库仑模型，地连墙、隔离桩采用梁单元模拟，水平支撑采用桁架单元模拟，具体参数见表1。

表1 土层物理力学参数

2 模拟结果分析

2.1 隔离桩桩长对天然地基变形的影响

本节分析隔离桩的桩长变化对邻近建筑物的整体位移所造成的影响，通过建筑物基础底部位移来判断天然地基的变形。保持隔离桩弹模为30 GPa，隔离桩与基坑围护结构的距离为0.2d。桩长分别为1.2H，1.4H，1.6H，1.8H和2.0H。

由图2可知，随着桩身长度不断增大，邻近建筑物的位移会逐渐减小，与无隔离桩工况下相比建筑物位移分别减少了9.46%，10.48%，13.5%，14.37%，14.99%。当桩长在0～1.6H之间时，其曲线斜率的变化较为明显，对天然地基变形的控制变得十分明显；当桩长在1.6H～2.0H之间时其曲线斜率变化较小，此时对天然地基变形进一步控制变得十分微小。所以，在隔离桩设计中选择合理的桩长变得十分重要，建议选择1.6H的隔离桩长。

2.2 与基坑围护结构的距离对天然地基变形的影响

本节保持隔离桩桩长为1.6H，弹模为30 GPa。设置隔离桩与围护结构的距离分别为0.2d，0.4d，0.6d，0.8d。

由图3可知，随着隔离桩与基坑围护结构的距离增大，建筑物位移先增加后减小，当距离基坑围护结构0.6d时，建筑物位移达到最大值，约25.42 mm。此时，与无隔离桩工况下相比，建筑物位移分别减少了13.5%，10.3%，7.79%，9.35%。隔离桩靠近基坑围护结构时，建筑物位移较小，这是由于隔离桩与基坑围护结构之间的距离过小，隔离桩、围护结构以及内部土体共同组合成了一种复合型围护结构，增大了基坑围护结构的刚度，进而控制了围护结构的变形。当隔离桩距离建筑物较近时，出现位移减小的情况，这是由于隔离桩阻隔了桩前后土体的水平变形，对桩后土体变形产生了一定范围的限制，减少了基坑围护结构上的土压力。考虑到在隔离桩施工过程中会对基坑围护结构产生一定的扰动，因此隔离桩位置一般最好选择在距离基坑围护结构0.2d～0.4d内。

2.3 桩刚度对天然地基变形的影响

本节保持隔离桩桩长为1.6H，隔离桩与基坑围护结构距离为0.2d。设置桩刚度分别为0.5EI，EI，2EI，3EI，4EI。

由图4可知，随着隔离桩刚度的不断增大，邻近建筑物的位移会逐渐减小，与无隔离桩工况下相比建筑物位移分别减少了13.06%，14.99%，16.23%，16.45%，16.96%。当隔离桩刚度较小时，建筑物位移比较大，对天然地基变形的控制达不到要求，随着刚度的不断增大，建筑物位移在逐渐减小，但当刚度增加到一定值后，建筑物的位移几乎不再继续减小，这说明继续增大隔离桩的刚度，并没有对天然地基的变形起到实质性的影响。分析数据可知，当隔离桩的刚度为2EI，3EI，4EI时，建筑物的位移减幅变化不明显，继续增大刚度对土体变形的控制几乎没有影响。因此，进行隔离桩设计时可以选择增大桩径或者提高桩材料的弹模来达到合理的隔离桩刚度值，如选择桩径为1 m的钢筋混凝土灌注桩。

2.4 不同附加荷载下隔离桩对天然地基变形的影响

本节保持隔离桩弹模为30 GPa，隔离桩与基坑围护结构距离为0.2d，桩长为1.6H。设置附加荷载分别为100 kPa，200 kPa，300 kPa，500 kPa，700 kPa和1 000 kPa。

由图5可知，随着建筑物附加荷载的增加，邻近建筑物的位移逐渐增大，且附加荷载增加越大，布置隔离桩与不布置隔离桩相比对天然地基的变形控制效果越明显。以附加荷载为1 000 kPa时布置隔离桩的基坑开挖引起的建筑物位移(23.2 mm)为基准，将不同附加荷载下的有无隔离桩的建筑物位移增量进行归一化处理，随附加荷载的增加，建筑物位移的增幅分别为0.64%，1.20%，1.59%，3.75%，8.92%，18.40%。分析数据可知，当建筑物的附加荷载为500 kPa及以下时，建筑物位移的增幅在5%以下，也就是说布置隔离桩对天然地基变形的控制效果不明显，因此可以不用布置隔离桩；当建筑物附加荷载在500 kPa以上时，布置隔离桩可以有效地减少天然地基的变形，因此在施工中当邻近建筑物附加荷载较大时可以通过布置隔离桩来控制天然地基的变形。

3 结论与建议

本文通过有限元软件数值分析，研究了基坑施工中隔离桩长度、桩间距、桩刚度和与基坑围护结构的距离等参数对天然地基变形的影响规律，得到如下结论：

1)采用隔离桩会明显的控制基坑外邻近建筑物天然地基的变形，隔离桩要选取合适的桩长，桩身穿过土体滑移面插入到下部稳定土层一定的深度内，才能起到限制土体位移的作用。2)考虑到在隔离桩施工过程中会对基坑围护结构产生一定的扰动，因此隔离桩位置一般最好选择在距离基坑围护结构0.2d～0.4d内；进行隔离桩设计时可以选择增大桩径或者提高桩材料的弹模来达到合理的隔离桩刚度值，如选择桩径为1 m的钢筋混凝土灌注桩。3)随着附加荷载的增大，布置隔离桩与不布置隔离桩相比，对天然地基的变形控制效果均越来越明显。在施工中当邻近建筑物附加荷载较大(大于500 kPa)时可以通过布置隔离桩来控制天然地基的变形。