保护基坑邻近建筑的倾斜式隔离桩特征分析

张亚明 ，陈东生，刘金龙，祝磊

（1.安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031；3.合肥学院城市建设与交通学院，安徽 合肥 230601）

城市基坑工程建设中，基坑周边经常存在年代久远的老建筑（甚至古文物保护建筑），其基础形式多为浅基础，对地基土的变形非常敏感。遇到该情况时，往往需要对既有建筑进行加固与保护。其中，采用隔离桩保护基坑邻近建筑物是一种施工简便、费用较低的有效方法。

如南京地铁张府园车站基坑施工过程中，采用钻孔灌注桩隔断墙对邻近7层住宅楼和14层办公楼进行了有效保护。应宏伟等采用厚度0.74m、深度25.5m的地下连续墙对某基坑周边的邻近建筑进行保护，取得了良好效果。上海铁路局太平桥货场租赁房A地块工程采用φ600mm＠1200mm钻孔灌注桩，对基坑东北角居民楼进行有效保护与隔离。

已有的工程实践中，通常采用竖直分布的钻孔灌注桩形成隔离墙。事实上，在隔离桩直径与长度不变的情况下，可采用直立与倾斜交替的方式（或向不同方向交替倾斜）形成隔离桩。关于这类倾斜式隔离桩的研究较少。为此，本文基于有限元方法，对多种倾斜隔离桩的布置方式进行了对比计算，探讨倾斜隔离桩的变形特征，促进倾斜式隔离桩在工程建设中的应用。

1 有限元计算模型

某基坑工程采用抗滑桩+两道内支撑方式进行支护，抗滑桩桩径φ为0.9m、间距1.2m、桩长15.0m，桩顶的连系梁尺寸为0.8m×0.8m，基坑开挖深度8.0m，内支撑设置在距地面0.0m与-4.0m处。距离基坑坑壁9m处存在一栋7层砖混建筑，采用条形基础，基础埋深2.0m。考虑到施工的扰动影响，拟在离既有建筑1.0m处设置直立式隔离桩，对该邻近建筑进行保护，隔离桩与抗滑桩参数相同（φ900mm＠1200mm），如图1所示。

图1 直立式隔离桩示意图

为了考察倾斜式隔离桩的效果，现设计几种倾斜式构型：①外倾式，直立桩与倾斜桩交替分布，即直立桩参数为φ 900mm＠2400mm、倾斜桩参数为φ 900mm＠2400mm，倾斜桩向坑外方向倾斜，倾斜角度β=5°，如图2所示；②内倾式，倾斜桩向远离基坑方向倾斜，如图3所示；③双倾式，向坑外方向与远离基坑方向的倾斜桩交替分布，故两侧倾斜桩的夹角为2β，如图4所示。

图2 外倾式隔离桩示意图

图3 内倾式隔离桩示意图

图4 双倾式隔离桩示意图

土层计算参数 表1

数值计算按平面应变问题考虑，桩与连系梁等效为板单元，等效后直立式隔离桩的轴向刚度EA=2.056E7 kN/m、抗弯刚度EI=8.051E5 kN·m/m，倾斜隔离桩轴向刚度EA=1.63E7 kN/m、抗弯刚度EI=4.025E5 kN·m/m。既有建筑采用等效均布荷载的方法进行模拟，每层建筑按15kPa进行等效。图5给出了有数值计算网格剖分情况。

图5 网格剖分情况

施工时，先形成隔离桩、围护桩，后续分层、分步开挖至坑底。开挖至坑底时为最危险工况，下面仅考察最危险工况下的基坑特征。

2 计算结果分析

图6给出了有无隔离桩的土体位移矢量分布情况。可见，设置隔离桩后，隔离桩与既有建筑之间土体的位移矢量大大减小，抗滑桩附近的位移矢量也有一定的减小，说明隔离桩具有约束既有建筑附近土体变形的效果。

图6 土体位移矢量分布图

不同情况下既有建筑端部A-B竖向断面处的水平位移如图7所示。无隔断桩、竖直式、内倾式、外倾式、双倾式等不同情况下A-B竖向断面处的最大水平位移分别为20.8mm、17.9mm、16.3mm、17.2mm、15.0mm，设置隔离桩能有效减小既有建筑附近的土体水平位移数值。竖直式、内倾式、外倾式、双倾式等隔离桩的桩体用料基本相同，但隔离效果按下列顺序逐渐变强：竖直式、外倾式、内倾式、双倾式，即如图4所示的双倾式隔离效果最好，既有建筑周边土体的变形最小。

图7 隔离桩构型对既有建筑水平位移的影响

不同情况下基坑周边土体的水平位移分布云图如图8所示。可见，有无隔离桩情况下土体水平位移等值线形状基本相似，设置隔离桩土体的水平位移值大大减小。

图8 土体水平位移等值线分布图（单位：mm）

不同情况下既有建筑端部A点处的变形值如表2所示。可见，双倾式隔离桩的效果最佳，其能使水平位移减小31.2%、竖向沉降减小21.1%。隔离桩对约束土体水平位移的效果比竖向沉降更佳。与倾斜式隔离桩相比，传统的直立式隔离桩对土体的约束效果较差。

不同工况时既有建筑的变形分析 表2

不同工况时围护结构（抗滑桩）的水平位移如图9所示，可见，抗滑桩的水平位移最大值位于桩顶处，无隔离桩、竖直式、外倾式、内倾式、双倾式的水平位移最大值依次减小，这与图7所示的土体变形规律是一致的。这说明隔离桩在对既有建筑进行保护的同时，也能降低围护结构的水平位移，对提高基坑工程的安全性有利。

图9 不同工况下抗滑桩的水平位移分布

上述数据表明，直立式隔离桩的保护效果较差，而双倾式隔离桩的保护效果较好。显然，隔离桩对土体变形的阻挡效果，与其抗侧移刚度有关。在桩径、桩间距等参数相同情况下，把桩竖直紧密排列的抗侧移刚度较小，而向两个方向交替倾斜时隔离桩的抗侧移刚度较大。对于内倾式与外倾式，其实两者的抗侧移刚度基本相等，但内倾式的桩体处于变形相对较小的区域，而外倾式的倾斜桩处于变形相对较大的区域，故内倾式隔离桩的效果优于外倾式隔离桩。

可见，在工程实际中，尽可能采用向两个方向交替倾斜的双倾式隔离桩，其在相同桩体用料情况下隔离效果最好。

3 结论

基坑周边邻近建筑可采用隔离桩进行保护。在桩径、桩间距等参数相同情况下，针对隔离桩竖直式、内倾式、外倾式、双倾式等不同布置方式的保护效果进行对比分析，结果表明：双倾式隔离效果最好，既有建筑周边土体的变形最小，围护结构的水平位移也最小。隔离桩对土体变形的阻挡效果，与其抗侧移刚度有关，两个方向交替倾斜时隔离桩的抗侧移刚度较大，故建议工程实际中尽可能采用向两个方向交替倾斜的双倾式隔离桩。