隔離樁對砂性土天然地基變形的控制研究

姜 闖

(沈陽市勘察測繪研究院有限公司，遼寧 沈陽 110004)

天然地基是自然狀態下即可滿足基礎全部荷載要求，無需進行人工處理的地基。國內外主要通過加固地基和施作隔離裝置來減少基坑開挖引起的地基變形，鄭剛等[1]采用考慮土體小應變特性的有限元方法，對隔離樁的作用機制進行了參數分析。翟杰群等[2]對隔離樁的作用機理、樁長取值以及隔離樁結構形式選擇等進行了分析研究。費緯[3]結合理論計算、有限元數值模擬及現場監測數據分析等手段，驗證了隔離墻在控制環境變形中的作用。目前的研究對樁剛度等重要參數沒有進行深入研究，研究內容不夠全面，且不同工況下隔離樁的存在對天然地基變形的控制也需深入研究。

基于此，本文以沈陽某基坑工程為背景，利用Midas有限元軟件，研究隔離樁參數對基坑開挖引起的天然地基附加變形的控制效果，為后期類似基坑工程的安全施工提供參考。

1 有限元模型的建立

有限元模型如圖1所示。基坑開挖寬度為9 m，開挖深度分別為1.5 m，4 m，3.5 m和3 m。采用地連墻和三道水平支撐支護，基坑右側存在長13.5 m，寬4.5 m，埋深1.5 m的建筑物，距地連墻水平距離為6 m。基坑開挖影響寬度約為3倍～5倍的基坑開挖深度，影響深度約為2倍～4倍的基坑開挖深度[4]，因此計算模型邊界范圍取50 m×36 m，模型底部約束水平位移和豎向位移，兩側約束水平位移，上部為自由邊界。

為研究不同隔離樁參數對天然地基變形的控制，本文設基坑開挖深度為H，地連墻與建筑物的距離為d，隔離樁剛度為EI。本文計算模型中建筑物采用彈性模型，土體采用修正摩爾庫侖模型，地連墻、隔離樁采用梁單元模擬，水平支撐采用桁架單元模擬，具體參數見表1。

表1 土層物理力學參數

2 模擬結果分析

2.1 隔離樁樁長對天然地基變形的影響

本節分析隔離樁的樁長變化對鄰近建筑物的整體位移所造成的影響，通過建筑物基礎底部位移來判斷天然地基的變形。保持隔離樁彈模為30 GPa，隔離樁與基坑圍護結構的距離為0.2d。樁長分別為1.2H，1.4H，1.6H，1.8H和2.0H。

由圖2可知，隨著樁身長度不斷增大，鄰近建筑物的位移會逐漸減小，與無隔離樁工況下相比建筑物位移分別減少了9.46%，10.48%，13.5%，14.37%，14.99%。當樁長在0～1.6H之間時，其曲線斜率的變化較為明顯，對天然地基變形的控制變得十分明顯；當樁長在1.6H～2.0H之間時其曲線斜率變化較小，此時對天然地基變形進一步控制變得十分微小。所以，在隔離樁設計中選擇合理的樁長變得十分重要，建議選擇1.6H的隔離樁長。

2.2 與基坑圍護結構的距離對天然地基變形的影響

本節保持隔離樁樁長為1.6H，彈模為30 GPa。設置隔離樁與圍護結構的距離分別為0.2d，0.4d，0.6d，0.8d。

由圖3可知，隨著隔離樁與基坑圍護結構的距離增大，建筑物位移先增加后減小，當距離基坑圍護結構0.6d時，建筑物位移達到最大值，約25.42 mm。此時，與無隔離樁工況下相比，建筑物位移分別減少了13.5%，10.3%，7.79%，9.35%。隔離樁靠近基坑圍護結構時，建筑物位移較小，這是由于隔離樁與基坑圍護結構之間的距離過小，隔離樁、圍護結構以及內部土體共同組合成了一種復合型圍護結構，增大了基坑圍護結構的剛度，進而控制了圍護結構的變形。當隔離樁距離建筑物較近時，出現位移減小的情況，這是由于隔離樁阻隔了樁前后土體的水平變形，對樁后土體變形產生了一定范圍的限制，減少了基坑圍護結構上的土壓力。考慮到在隔離樁施工過程中會對基坑圍護結構產生一定的擾動，因此隔離樁位置一般最好選擇在距離基坑圍護結構0.2d～0.4d內。

2.3 樁剛度對天然地基變形的影響

本節保持隔離樁樁長為1.6H，隔離樁與基坑圍護結構距離為0.2d。設置樁剛度分別為0.5EI，EI，2EI，3EI，4EI。

由圖4可知，隨著隔離樁剛度的不斷增大，鄰近建筑物的位移會逐漸減小，與無隔離樁工況下相比建筑物位移分別減少了13.06%，14.99%，16.23%，16.45%，16.96%。當隔離樁剛度較小時，建筑物位移比較大，對天然地基變形的控制達不到要求，隨著剛度的不斷增大，建筑物位移在逐漸減小，但當剛度增加到一定值后，建筑物的位移幾乎不再繼續減小，這說明繼續增大隔離樁的剛度，并沒有對天然地基的變形起到實質性的影響。分析數據可知，當隔離樁的剛度為2EI，3EI，4EI時，建筑物的位移減幅變化不明顯，繼續增大剛度對土體變形的控制幾乎沒有影響。因此，進行隔離樁設計時可以選擇增大樁徑或者提高樁材料的彈模來達到合理的隔離樁剛度值，如選擇樁徑為1 m的鋼筋混凝土灌注樁。

2.4 不同附加荷載下隔離樁對天然地基變形的影響

本節保持隔離樁彈模為30 GPa，隔離樁與基坑圍護結構距離為0.2d，樁長為1.6H。設置附加荷載分別為100 kPa，200 kPa，300 kPa，500 kPa，700 kPa和1 000 kPa。

由圖5可知，隨著建筑物附加荷載的增加，鄰近建筑物的位移逐漸增大，且附加荷載增加越大，布置隔離樁與不布置隔離樁相比對天然地基的變形控制效果越明顯。以附加荷載為1 000 kPa時布置隔離樁的基坑開挖引起的建筑物位移(23.2 mm)為基準，將不同附加荷載下的有無隔離樁的建筑物位移增量進行歸一化處理，隨附加荷載的增加，建筑物位移的增幅分別為0.64%，1.20%，1.59%，3.75%，8.92%，18.40%。分析數據可知，當建筑物的附加荷載為500 kPa及以下時，建筑物位移的增幅在5%以下，也就是說布置隔離樁對天然地基變形的控制效果不明顯，因此可以不用布置隔離樁；當建筑物附加荷載在500 kPa以上時，布置隔離樁可以有效地減少天然地基的變形，因此在施工中當鄰近建筑物附加荷載較大時可以通過布置隔離樁來控制天然地基的變形。

3 結論與建議

本文通過有限元軟件數值分析，研究了基坑施工中隔離樁長度、樁間距、樁剛度和與基坑圍護結構的距離等參數對天然地基變形的影響規律，得到如下結論：

1)采用隔離樁會明顯的控制基坑外鄰近建筑物天然地基的變形，隔離樁要選取合適的樁長，樁身穿過土體滑移面插入到下部穩定土層一定的深度內，才能起到限制土體位移的作用。2)考慮到在隔離樁施工過程中會對基坑圍護結構產生一定的擾動，因此隔離樁位置一般最好選擇在距離基坑圍護結構0.2d～0.4d內；進行隔離樁設計時可以選擇增大樁徑或者提高樁材料的彈模來達到合理的隔離樁剛度值，如選擇樁徑為1 m的鋼筋混凝土灌注樁。3)隨著附加荷載的增大，布置隔離樁與不布置隔離樁相比，對天然地基的變形控制效果均越來越明顯。在施工中當鄰近建筑物附加荷載較大(大于500 kPa)時可以通過布置隔離樁來控制天然地基的變形。