隔离桩保护基坑邻近建筑的效果分析

陈东生，张亚明，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)

城市基坑工程的开挖深度与面积往往较大，且周边建筑物与管线密集，如何降低基坑施工对周边建筑物的不利影响是重要的考虑因素。实际工程中，由于基坑开挖导致周边建筑产生较大变形、倾斜与开裂的案例屡见不鲜。

可通过增加基坑横向支撑的数目、刚度、采取速挖速撑等方法，控制基坑开挖引起的土体变形。但在某些邻近建筑物存在特殊、对沉降变形特别敏感或存在严格的保护标准，仅采用提高基坑围护结构的刚度往往还达不到相关要求。因此，有必要采取额外的工程措施对邻近建筑进行保护。

为了对既有建筑进行有效保护，可在既有建筑周边设置隔离桩。隔离桩深入滑动面下部土层中，能够阻止既有建筑周边土体由基坑开挖卸荷造成的滑移与变形，控制桩后土体的变形，从而达到保护建筑物的作用。隔离桩保护既有建筑的技术已在多个工程中得到了应用与验证。

本文基于有限元方法，通过变换隔离桩的主要设计参数，对比计算探讨隔离桩保护基坑周边既有建筑的效果，促进隔离桩在工程建设中的应用。

1 有限元计算模型

某基坑工程采用双排桩支护，桩径φ为0.8m、间距1.4m、桩长18.0m，排距2.5m，桩顶的连系梁尺寸为0.8m×0.8m，基坑开挖深度9.0m，如图1所示。距离基坑坑壁

L

=9m处存在一栋7层砖混建筑，采用条形基础，基础埋深2.0m，如图1所示。

图1 基坑开挖h型桩支护示意图

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，等效后桩的轴向刚度

EA

=1.67E7 kN/m、抗弯刚度

EI

=4.31E5 kN·m/m，连系梁的轴向刚度

EA

=2.09E7kN/m、抗弯刚度

EI

=8.54E5 kN·m/m。

由于基坑开挖面积较大，未设置内支撑。虽然双排桩支护结构具有较大的刚度，但基坑开挖仍可能对该既有建筑产生较大影响。为了加强对既有建筑的保护，拟在基坑与既有建筑之间设置隔离桩。隔离桩的桩径、桩长与间距与围护结构相同。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2给出了有数值计算网格剖分情况。

图2 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，下面仅对比最危险工况下的基坑变形与桩体内力取值情况。

2 计算结果分析

2.1 隔离桩位置的影响

图3给出了隔离桩直径

φ

=0.8m、桩长

H

=18.0m、

x

=2.0m 情况下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，从而达到约束既有建筑附近土体变形的效果。

图3 土体位移矢量分布图

水平位移是基坑开挖过程中的关键控制指标，基坑安全性预警也往往依靠水平位移的警报值实施的。基坑开挖至底时，土体的水平位移等值线分布如图4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大大减小。

图4 土体水平位移等值线分布图(单位:mm)

以既有建筑根部的竖向断面A-B（见图1所示）为例，探讨隔离桩不同位置对土体水平位移的影响，如图5所示。未设置隔离桩时，A-B竖向断面处的水平位移最大值为38.1mm，隔离桩距既有建筑距离

x

为0.5m、2.0m、3.5m、5.0m时该位置处水平位移最大值分别为22.81mm、25.81mm、28.61mm、33.9mm。

图5 隔离桩位置对土体水平位移的影响

可见，设置隔离桩能大大减小既有建筑周边的水平位移，且隔离桩距既有建筑越近，土体水平位移减小幅度越大，保护既有建筑效果越好。

x

=0.5m时AB竖向断面处的水平位移相当于无隔离桩时减小了40.1%。

但隔离桩离既有建筑越近，桩基施工时其对建筑基础产生一定的震动与干扰，对既有建筑造成一定的影响。故隔离桩的设置需考虑对既有建筑影响最小的情况下，尽可能就近设置。

以既有建筑端部A点为例，隔离桩不同位置对A点水平位移与竖向沉降的影响如图6与图7所示。可见，x取值越小（隔离桩距既有建筑越近），A点水平位移与竖向沉降均越小，基坑施工对既有建筑的影响越小。

图6 隔离桩位置对既有建筑水平位移的影响

图7 隔离桩位置对既有建筑竖向沉降的影响

隔离桩不同位置分布对隔离桩弯矩的影响如图8所示。可见，距离既有建筑越近，隔离桩在坑底以下范围内的弯矩越小、坑底以上范围的弯矩越大。即距离既有建筑越近，隔离桩的弯矩分布更均匀。坑底以上隔离桩受到的弯矩越大，说明该段隔离桩对阻止土体变形发挥的作用更大，因而其水平位移更小，对保护既有建筑更有利。

图8 不同位置处隔离桩的弯矩分布

2.2 隔离桩长度的影响

以既有建筑端部A点为例，隔离桩不同长度对A点水平位移与竖向沉降的影响如图9与图10所示。可见，隔离桩长度H取值越大，A点水平位移与竖向沉降均越小，隔离效果越好。桩长

H

=10.0m时A点水平位移为23.9 mm，比未设置隔离桩时水平位移减小了28.7%，具有一定的隔离效果但仍不非常显著。

图9 隔离桩长度对既有建筑水平位移的影响

图10 隔离桩长度对既有建筑竖向沉降的影响

隔离桩不同长度时的弯矩分布如图11所示。可见，隔离桩长度越小，桩体受到的弯矩最大值越小，开挖面以上的桩体弯矩也越小。特别地，当隔离桩长度小于10.0m时，桩体受到的弯矩急剧减小。

图11 不同长度隔离桩的弯矩分布

基于强度折减有限元法得到了基坑破坏时的潜在滑裂面位置，如图12所示。可见，在

x

=2.0m处的滑裂面深度为10.0m左右，故在该位置处设置隔离桩时，桩长小于10.0m表示隔离桩未透过滑裂面位置，其弯矩较小，说明发挥的作用较小，未能对土体形成有效的变形阻挡作用。因此，隔离桩的长度需透过潜在滑裂面位置且到达较深土层中，才能发挥较好的阻隔作用。

图12 基坑土体的潜在滑裂面位置

2.3 隔离桩刚度的影响

一般地，隔离桩的刚度越大，对阻止土体移动更有利。提高隔离桩抗侧移刚度的方法有多种，本文仅比较通过增大隔离桩桩径的方法。隔离桩直径越大，相应的钢筋笼也越大，整体侧移刚度越大。

以既有建筑端部A点为例，隔离桩不同直径

φ

（桩间距不变）对A点水平位移与竖向沉降的影响如图13与图14所示。桩径1.1m时A点的水平位移与竖向沉降比桩径0.8m时的水平位移与竖向沉降分别减小了9.8%与12.4%。可见，隔离桩直径

φ

取值越大，土体水平位移与竖向沉降均越小，但降低幅度不大。桩径1.1m与桩径0.8m相比，其施工难度与造价均大幅度提高，而对降低土体变形的贡献较小，可见性价比不高。

图13 隔离桩直径对既有建筑水平位移的影响

图14 隔离桩直径对既有建筑竖向沉降的影响

隔离桩不同桩径时的弯矩分布如图15所示。可见，桩径越大，开挖面以下桩体弯矩的最大值越大，但对-4.0m埋深以内的桩体弯矩影响非常小。而既有建筑的基础埋深约2.0m，故隔离桩桩径变化对既有建筑的变形影响较小。

图15 不同直径隔离桩的弯矩分布

可见，通过增大隔离桩直径来提高隔离桩侧移刚度的方法，对减小既有建筑变形的作用有限，性价比相对较低。工程建设中，不建议采用增加隔离桩桩径的方法来达到提高隔离桩侧移刚度、约束土体变形的目的。

3 结语

①在考虑桩基础施工对既有建筑影响较小情况下，隔离桩的设置距既有建筑越近，既有建筑周边土体水平位移减小幅度越大，保护既有建筑效果越好。

②隔离桩长度越大，既有建筑周边土体水平位移与竖向沉降均越小，隔离效果越好。隔离桩的长度需透过潜在滑裂面位置且到达较深土层中，才能发挥较好的阻隔作用。

③隔离桩直径越大，土体水平位移与竖向沉降均越小，但降低幅度不大，与造价增大相比其性价比不高。故不建议使用增大隔离桩桩径的方法来约束土体的变形。