隔离桩在深基坑开挖保护相邻建筑中的应用.pdf

第 6卷第 1 期 2 0 1 0年 2月 地 下 空 间 与 工 程 学 报 Ch i n e s e J o u r n a l o f Un d e r g r o u n d S p a c e a n d E n g i n e e ri n g V0 1 6 F e b 2 Ol O 隔离桩在深基坑开挖保护相邻建筑中的应用 翟杰群，贾 坚，谢 小林(同济大学建筑设计研究院(集 团)有限公司，上海2 0 0 0 9 2)摘要：随着上海城市建设的快速发展，如何控制深 大基坑 开挖 卸载对周边环境 的影响，保护坑边建筑设施，已经成为非常迫切而重要的课题。目前，隔离桩在深基坑相邻建筑保护的 工程 实践 中得到 了一定的应用，但缺乏可靠系统的理论分析研究。本文在数值分析的基础上，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，并给 出了隔离桩 桩长、结构形式等对隔离桩 实践效果的影响规律。最后本文结合 了上海地区几个深基坑工程 实践，分析评价 了隔离桩在坑边建筑保护工程 中的实践效果。关键词：隔离桩；深基坑；建筑沉降 中图分类号：T U 4 7 3 2 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 3 0 8 3 6(2 0 1 0)0 1 0 1 6 2 0 5 Pr a c t i c e o f Pa r t i t i o n W a l I i n t he Bu i l di ng P r o t e c t i o n P r o j e c t s n e a r De e p E x c a v a t i o n Z h a i J i e q u n，J i a J i a n，Xi e Xi a o l i n (T h e A r c h i t e c t u r a l D e s i g nR e s e a r c h I n s t i t u t e o f T o n i U n i v e r s i t y。S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 C h i n a)Ab s t r a c t：As t h e r a p i d d e v e l o p me n t o f u r b a n c o n s t r u c t i o n i n S h a n g h a i。t h e c o n t r o l o f t h e e n v i r o n me n t al i n fl u e n e,e阻u s e d b y t h e d e e p e x c a v a t i o n-and t h e p r o t e c t i o n o f t h e b u i l d i n g s n e a t d e e p e x c a v a t i o n I h a s b e c a me mo l e and m 0 i m p o r t a n t A t p r e s e n t。t h e p a r t i t i o n w a l l i s a p p l i e d i n s o m e b u i l d i n g p r o t e c t i o n p r o j e c t s n e a r d e e p e x c a v a t i o n Ho w e v e r。t h e the o r e t i c al l s e a l x 3 h o n p a r t i t i o n wa l l i s n o t s y s t e ma t i c I n t h i s p a p e r-b a s e d o n the n u me r i c al an aly s i s，th e p a r t i ti o n me c h a n i s m，t h e s e l e c t o n o f t h e p i l e l e n g t h a n d s t r u c t u r e s t y l e a r e d i s c u s s e d an d an a l y z ed。an d r e l a ti o n b e t w e e n t h e p a r t i t i o n e ff e c t and p i l e l e n g t h and s t r u c t u r e s t y l e i s o b t ain e d F i n a l l y，t h r o u g h s o me b u i l d i n g p rot e c t i o n p ro j e c t s n e a r d e e p e x c a v a t i o n i n S h a n g h ai，t h e a c t u al r e s u l t s i n p r a c ti c e o f the p a r t i t i o n w a l l i s anal y z ed Ke y wo r d s：p a r t i ti o n w a H；d e 叩e x c a v a t i o n；s e t t l e me n t o f b uil din g 1 引言 随着上海城市建设的快速发展，在城市建设中 遇到了大量的深基坑工程。许多深基坑工程周边 邻近年代久远的老建筑，甚至是文物保护建筑。这 些建筑物多为砖木或砖混结构，基础形式多为天然 地基上的大放脚基础，对地基土的沉降、位移非常 敏感。因此，相邻深基坑开挖施工过程中必须采取 有效的措施控制开挖卸载引起 的周边土体沉降变 形，避免基坑变形过大导致周边保护建筑沉陷、开 裂甚至破坏。目前，对深基坑工程相邻建筑物的保护措施主 要有以下几种：加强支护结构、采用地基加固、进行 建筑物原位加固、按照时空效应原理控制开挖支护 施工 以及设置坑外隔离桩(隔断法)等。其 中针对 前 四种措施 的研究分析较为成熟，工程实践较为成 功。而针对隔离桩的研究分析较少，缺少可靠的理 论分析方法。在隔离桩的实践应用中，有些工程较 为成功，有些工程则并 未取 得理想 的效果 J。本 文在理论分析的基础上，结合上海地区几个深基坑 收稿 日期：2 0 0 9-0 9-3 0(修改稿)作者简介：翟杰群(1 9 8 1 一)，男，工学硕士，主要研究方向为岩土工程与结构工程。E mai l：z h e n h a i n g h o t m a i l eom 2 0 1 0年第 1 期 翟杰群，等：隔离桩在深基坑开挖保护相邻建筑中的应用 1 6 3 工程实践，探讨并研究 了隔离桩 的作用机理、设计 施工要点 以及工程实践效果。2 隔 离桩控 制基坑 变形 的机 理分析 2 1 深大基坑开挖卸载对周边环境 的影响 深大基坑开挖卸载后周边地层 位移趋势如 图 1 所示，在坑内土体卸载的作用下，坑外土体位移 场、应力场发生变化，坑外二 E 体向坑内滑移，造成基 坑周边地表沉降，从 而导致基 坑相邻建 筑物 的沉 降。图 1 深大基坑开挖卸载变形 机理 F i g 1 Me c h a ni s m o f u n l o a d i n g d e f o r ma t i o n a t d e e p l a r g e f o u n da t i o n e x c a v a t i o n 2 2隔离桩的作用机理 根据基坑开挖卸载后坑外土体的滑移位移场 特点，在基坑与保护建筑 间设 置隔离桩，桩体穿过 土体滑动区嵌入下部土层，详见图 2。当土体产生 滑移变形时，隔离桩通过提高滑移 面的抗剪能力 以 及桩身提供 的桩侧阻力 以限制桩后土体的变形发 展，减小桩后保护建筑 的沉降。隔离桩“主要承受 开挖施工引起的侧 向土压力和地基差异沉降产生 的摩阻力”2 J。另一方 面，隔离桩在一定程度上可 以减少作用在围护结构上 的土压力 j。2 3隔离桩 的几个设计要点 目前，隔离桩的设计 以经验为主，缺乏系统、可 靠的理论指导。本节 以上海软土地区典 型的地质 条件为背景，在数值计算的基础上对隔离桩设计中 的几个主要参 数进行研究分析。本 节计 算结果仅 用作定性分析。数值分析以开挖深度 1 6 m 的基坑 为例，围护 结构采用 B e a m单元模拟，：t体采用 Ha r d e n i n g S o i l 模型来模拟。其 中土体的压缩 弹性模量及 卸载回 弹模量根据大量基坑工程实践反分析求得。2 3 1 隔离桩的设计桩长对隔离效果的影响 由图 2可知，隔离桩必须穿过滑移面并具备一 图2 隔离桩作用机理 F i g 2 Me c h a n i s m o f p a r t i t i o n p i l e s 定的插人深度才能有效地限制土体位移。图4为 隔离桩桩长分别 为 2 1 m，2 4 m，2 7 m，3 0 m 以及不设 置隔离桩 的情况下的计算结果。表 1 土层参数表 Ta b l e 1 Pa r a me t e r s o f s o i l l a y e rs 图 3有限兀计算模型 Fi g 3 Mo d e l o f F EA 根据有限元计算结果，设置隔离桩可以有效地 控制桩后土体变形，明显减少建筑物的沉降。随着隔离桩桩长的增加，坑外土体变形逐渐减 小，当设置 2 1 m隔离桩时可以减小建筑沉降约 l 6 4 地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 6 卷 锝 在 在 蹩 咧 谯 无 2 1 m 2 4 m 2 7 m 3 0 m 亟堕 三垂 稠 图4 房屋沉降随隔离桩桩长变化曲线 F i g 4 Va ria t i o n c u r v e o f b u i l d i n g s e t t l e me n t wi t h p i l e l e n g t h 图5 设置 3 0 m隔离桩时坑外土体沉降云图 F i g 5 Ne p h o g r a m o f s o i l s e t t l e me n t i n c a s e o f 3 0 m p a r t i t i o n p i l e s r-图 6 未设置 隔离桩时坑外土体沉降云图 F i g 6 Ne p h o g r a m o f s o i l s e t l l c me n t wi t h o u t p a r t i t i o n p i l e s 1 7，当设置 3 0 m隔离桩 时可 以减小建筑沉降约 3 0。因此为了达到控制建筑沉降的要求，隔离桩 的设计桩长必须达到一定的深度，才能对坑外土体 位移起到一定 的遮挡作用，才能发挥减小地层变形 的作用。2 3 2 隔离桩的结构形式选择 隔离桩设计 时一般可以采用树根桩、灌注桩、地墙、搅拌桩等结构形式。下图为几种结构形式下(等效刚度不 同)隔离桩对 限制土体位移的作 用，计算以3 0 m隔离桩为例。水泥土搅拌桩 币4 0 0 泔根桩 8 0 0 灌注桩加明 l_ 碱 陵 j 函：面磊 _二丽 图7 基坑变形随隔离桩刚度变化曲线 F i g 7 C u e o f f o u n d a t i o n d e f o r ma t i o n w i t h p a r t i t i o n p i l e s t i ff n e s s 由上图可知，一方面，为了有效的减小 土层变 形，隔离桩必须具备一定的刚度，水泥土搅拌桩刚 度过小，控制桩后土体变形的效果不 明显，建议隔 离桩采用刚度较大的钢筋混凝土结构形式；另一方 面，刚度增加到一定程度后，刚度变化对桩后土体 变形的影响非常小，若采用地墙作隔离体则性价比 较低。隔离桩设计时建议采用树根桩或灌注桩。若隔离桩采用树根桩，则压浆采用纯水泥浆更 有利于浆液向周围土体扩散，以增强隔离桩 的遮挡 效果。当基坑围护结构发生局部渗漏时，隔离桩能 有效地减缓桩后水土流失，保护桩后建筑物。2 3 3 隔离桩嵌入土层的性质对隔离桩效果的影 响 上海地区层、层土性较差，而：层、层及层土性相对较好。由于市区内各 区域土层 起伏，设计时也需要考虑不同地质条件下隔离桩的 效果，一般认为，隔离桩下端若能嵌入较好的土层，则控制桩后土体变形的效果也更好。3 隔离桩 实施过程 中需要 注意的问题 一般情况下，隔离桩距离 被保 护的建筑物较 近，因此在施工隔离桩的时候应采取措施减少隔离 桩对土层 的施工扰动。大量工程实践和研究表明 qj，在基坑工程实 施过程中，由于地墙、导墙、加 固、工程桩、顶圈梁及 第一道支撑的施工等造成的施工扰动对周边环境 的影响较大，尤其对地表土层的扰动较大。在上海 地区部分基坑工程实践中，基坑前期工程造成的地 表沉降甚至与深基坑开挖造成的地表沉降相同。因此在工程实施时，应最先施工隔离桩，尽早形成 隔离帷幕，以有效地减小前期工程施工扰动造成地 表沉降。O 冒旦 习 f 柏 m 0 曹旦 世妪 瞄啦遐 一 l 一 一 一 一 一 一 E 卜 一 2 0 1 0年第 1 期 翟杰群，等：隔离桩在深基坑开挖保护相邻建筑中的应用 1 6 5 4 深基 坑 采 用 隔 离桩 保 护 周 边 建 筑 的工程 实践 目前，上海地 区的深大基坑工程 中，有 一些通 过设置隔离桩而成功保护_坑边建筑 的案例。4 1 上海静安区某基坑工程 4 1 1 工程概况 上海静安区某工程，综合考虑周边环境保护及 施工筹划要求，基坑采取分区施工。其中南 1区基 坑开挖 深度约 2 3 m，开挖面积 2 2 0 0 0 m ，该 区北侧 中部邻近重要的历史文物保护建筑，该建筑为上世 纪二十年代建造的二层混合结构房屋。基坑将该 建筑物三面环绕，两者最近距离仅 6 5 m。喜 二 一：一-一|：二：暑|一 一 一一 图 8 嘉里静安南 1区基坑工程 总平 面图 F i g 8 G e n e r a l p l a n o f f o u n d a t i o n a t J i a l i n a n Re g i o n 为减小基坑开挖卸载对该文物建筑的影响，在 该文物建筑周 边约 2 m处设 置双排 3 0 m深 I：4 0 0 树根桩(隔离桩)，树根桩平面布置采用弧形设计，以增大隔离桩整体刚度。4 1 2 监测结果及评价 图9为基坑开挖各施工阶段周边房屋沉降监 测曲线，表 2为基坑周边地表沉降监测结果。图中 工况 1工况 5分别代表开挖并施工第一道支 撑 结束 开挖并施工第 5道支撑结束，工况 6代表开 挖至坑底并完成垫层，工况 7代表底板施工完成。南 1区周边房屋，除该文物保护建筑外，其余房屋 均距离基坑 1 倍开挖深度 以外。表 2中沉 降值 为 从开挖到底板施工结束的累计最大监测值。由沉降监测结果可知，通过设置隔离桩等保护 措施，紧邻基坑 的文物保 护建筑最 大沉 降控制在 2 5 m m 以内，其最大沉降值与远离基坑(2 5 m 以外)的其他侧房屋最大沉降相当，并 明显小于坑边 2 0 m 范围内的地表沉降。该工程 中隔离桩 明显 的减小 了保护建筑区域内土体的变形。开挖施工工况 三 亟：垂 垂 三 暖 婀 图9 嘉里南 1区基坑周边房屋沉降监测曲线 F i g 9 Mo n i f o r e d c u r v e o f b u i l d i n g s e t t l e me n t 另外，基坑开挖阶段，紧邻该文物建筑 的一幅 地墙接缝处曾出现过漏水的情况，但 由于隔离桩减 缓 了桩后水土流失，因此经及时堵漏，并未对桩后 建筑造成不利影响。表 2 嘉里南 1区基坑周 边地表沉降监测对比 Ta b l e 2 Co mp a r i s o n o f m o n i t o r e d s e t t l e m e n t n e a r t h e f o u n d a ti o n a t J i a l i n a n r e g i o n 1 ：三 蔓 L：二二：_二!=_ 一 一 一 =、一；一：一 露 I F 二 0 冒县遥世蛙趔遐 潜 二 一 晕：1 6 6 地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 6卷 桩与围护结构间进行主动注浆，以控制西侧土体变 形。4 2 2 监测结果及评价 图 l l 为基坑周边建筑物沉降监测曲线。韵期工程舡 第二道支掉结束第三道支撑结束第四道支捧结束垫层施工 柬=j 蟊而 图 l l 基坑周边建筑物沉降监测曲线 F i g I I Mo n i t o r e d s e tt l e me n t c u r v e o f b u i l d i n g 由监测数据可以看出以下几个方面：第一，桩基、地连墙、顶圈梁等基坑前期工程的 实施，对周边土体有一定的扰动，尤其是西侧距离 基坑较近的建筑物沉降较为明显，前期工程施工导 致的西侧建筑物沉降超过了 2 0 ra m。第二，场地西侧建筑物距离基坑较近，前期沉 降速率较大，隔离桩施工后，西侧建筑沉降速率得 到一定的控制。第三，初始阶段西侧建筑沉降速率明显快于北 侧，而隔离桩施工后，西侧建筑物沉降速率小于北 侧建筑沉降。由监测数据可知，虽然该工程周边房屋累计沉 降量较大，但从监测数据可以看出，隔离桩施工后，桩后建筑沉降速率得到了控制，隔离桩发挥了一定 的效果。5 结 语 通过对隔离桩的数值分析研究，以及上海地区 多个深基坑工程的应用实践，可以得到以下结论：(1)隔离桩必须达到一定的深度，穿越主要的 土层滑移面才能发挥减小地层变形的作用。(2)隔离桩必须具备一定的刚度，否则控制桩 后土体变形的效果不明显，建议采用钢筋混凝土结 构形式。但隔离桩刚度增加到一定程度后，对控制 桩后土体变形的效果影响非常小。(3)隔离桩设计应考虑尽量嵌人较好的土层。(4)采用树根桩作为隔离桩，当基坑发生局部 渗漏时，可以有效地减缓桩后水土流失。(5)基坑工程前期工程施工对周边地表土层 扰动较大，因此宜最先施工隔离桩，以减小前期的 施工扰动。在上海深基坑周边建筑物保护的工程实践中，关于隔离桩效果的争议较多，因此对隔离桩的系统 研究分析非常有必要。本文对隔离桩的分析研究。可以对今后的研究分析提供参考，也可以为今后类 似工程提供借鉴。参 考文 献：1 欧章煜，谢百钩深开挖邻产保护之探讨 J 岩土 工程学报，2 0 0 8，3 0(S u p p)：5 0 95 1 7 (O u Z h a n g y u，Xi e Bmg o u Bu i l d i n g p r o t e c ti o n me a s u r e s i n d e e p e x e a-v a t i o n s J C h i n e s e J o u ma l o f G e o t e c h n i e a l E n g i n e e r-i n g，2 0 0 8，3 0(S u p p)：5 0 9 5 1 7 (i n C h i n e s e)2 刘建航，侯学渊 基坑工程手册 M 北京：中国建筑 工业 出版社，1 9 9 7，4：8 6 0(L i u J i a n h a n g，H o u X u e y u a n E x c a v a t i o n e n g i n e e ri n g h a n d b o o k M B e i-j i n g：C h i n a A r c h i t e c t u r e B u i l d i n g P r e s s，1 9 9 7，4：8 6 0 (i n C h i n e s e)3 吴权 深基坑工程树根桩隔离作用实例分析 J 建 筑技术，2 0 0 7，3 8(3)：1 9 9 2 0 2(Wu Q u anC ase a n a l y s i s o f i s o l a t i n g f u n c t i o n o f r oot p i l e i n d e e p e x c a v a-t i o n p i t J A r c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y，2 0 0 7，3 8(3)：1 9 9 2 0 2 (i n C h i n e s e)4 C B B T h o r l e y，R A F 0 r t h S e t t l e m e n t d u e t o d i a p h r a g m w a l l c o n s tr u c t i o n i n r e c l a i me d l a n d i n Ho n g K o n g J J o u mai of G e o t e c h n i c a l a n d G e een v i r o n me n-t al E n gi n e e ri n g，A S C E，2 0 0 2(1 2 8)：4 7 34 7 8 5 上海市工程建设规范 地基基础设计规范 D G J 0 8 1 11 9 9 9 (S h a n g h ai E q g i n e e r i n g C o n s t r u c ti o n C o d e F o u n d a t i o n d e s i g n c o d e GD J 0 81 1 1 9 9 9 f i n C h i n e s e)6 C b a n，S F，a n d Y a p，T F(1 9 9 2)E ff e c ts o f c o n s t r u c ti o n o f a d i a p h r a g m w a l l v e r y c l o s e t o a maso n r y b u i l d i n g Sl u r r y wa l l s：De s i g n c o ns t r u c t i o n a nd q ua l i t y c o n t r o l，AS T M S T P 1 1 2 9，D B P a u l，R R Da v i d s o n，a n d N J C a v a l l i，e d s，Ame ri c a n S o c i e t y f o r T e s ti n g an d Ma t e r i-a l s 7 姚海波，王梦恕，张顶立，等 导洞 一隔离桩体系工作 机理研究与侧向变形分析 J 土木工程学报，2 0 0 6，3 9(4)：1 0 51 0 9 (Y a o H a i b o，Wa n g Me n g s h u，Z h a n g Di n g l i e t a 1 Me c h a n i s m of a d ri f t p i l e s y s t e m a n d a n a l y s i s o f i t s h o ri z o n t al di s p l a c e m e n t J C h i n a C i d l E n gin e e ri n g J o u rna1 2 0 0 6，3 9(4)：1 0 51 0 9 (i n C h i n e s e)8 龚晓南 基坑工程实例 2 M 北京：中国建筑工业出 版社，2 0 0 8 (G o n g X i a o n anF o u n d a ti o n p r o j e c t s e a s e s 2 M B e r i n g：C h i n a A r c h i t e c t u r e B u i l d i n g P r e s s，2 0 0 8 (i n C h i n e s e)