既有建筑物地下增層基坑開挖數值模擬分析★

王 笑

(上海長凱巖土工程有限公司，上海 200093)

既有建筑物地下增層基坑開挖數值模擬分析★

王 笑

(上海長凱巖土工程有限公司，上海 200093)

利用Plaxis建立二維有限元模型，對既有建筑物地下增層基坑開挖進行數值模擬分析，計算結果表明，基坑開挖及降水引起的中間區域既有樁基幾乎無水平位移，邊樁水平位移相對較大(mm數量級)；基坑開挖引起工程樁隆起，基坑降水引起工程樁下沉。同時提出了有利于減少既有樁基變形的措施：適當增大圍護、支撐剛度，工程樁設置聯系桿(拉結桿)及基坑按需降水等，這一結論可為類似工程提供借鑒作用。

既有建筑物，地下增層，基坑開挖，數值模型

0 引言

建筑物地下室增層，涉及到基坑工程、土方開挖及主體結構等多工況，此類基坑工程與常規基坑有所不同，作為環境保護對象的既有建筑物在基坑內部，且原有基礎可能與圍護體系連為整體、作為支撐體系的一部分，施工工況更復雜，對變形控制要求更嚴格。

賈強[1]認為既有建筑物地下空間開發的關鍵技術是樁基礎托換和土方開挖。“整體基礎托換與地下加層施工工法”[2]認為土方應分步開挖，開挖時樁兩側要同時平衡開挖以避免樁受不平衡的側壓力。崔勤[3]介紹了利用既有地下室結構頂板作為天然蓋板向下蓋挖加層新技術，在地下室進行暗挖加層的施工方法。吳園等[4]建議的基坑支護施工流程：施工圍護樁→淺層土方開挖，開挖至基礎底板→地梁施工，將整個建筑物地下構件連為整體，并延伸至圍護樁，與圍護樁之間以圍檁連接，形成上部結構—基礎—圍檁—圍護樁這種整體受力體系。

本文以某既有建筑物新增地下室工程作為分析對象，考慮到此類工程基礎變形的敏感性，既有建筑物基礎變形必須滿足規程要求，在如此嚴格的變形控制要求下，土體變形將處于小應變區域[5]。因此，考慮土體小應變剛度特征，本文采用Plaxis軟件，建立既有建筑物新增地下室的基坑開挖的有限元模型，通過參數分析，探討土體小應變條件下既有建筑物樁基礎的變形特征。

1 工程概況

某既有建筑物，為現澆混凝土框架結構，地上4F，無地下室，基礎形式采用獨立承臺+樁基礎，采用400 mm×800 mm的基礎梁連接；樁基采用300 mm×300 mm預制方樁，樁長21 m，樁端持力層為⑦層砂質粉土。擬在建筑物下部新增1層地下室，開挖深度5.0 m，如圖1所示。

2 計算模型與參數取值

2.1計算參數

模型中簡化的土層分布：深度0 m～16 m，淤泥質土；深度16 m～21 m，⑥層粉質粘土；深度21 m以下，⑦層砂質粉土。本文采用Plaxis軟件內嵌的土體小應變剛度模型(HSS模型)[5,6]。數值模擬過程中考慮基坑周邊20 m范圍內超載。結構參數：基坑采用鉆孔灌注樁+一道混凝土支撐(既有建筑物基礎承臺及連梁作為支撐體系)。

2.2施工工況模擬

工況一：生成初始地應力場，激活承臺、連梁、工程樁及既有建筑物上部荷載，初始位移置零；

工況二：施工圍護樁、施加坑邊超載；

工況三：第一層土體開挖、施工支撐(即承臺、連梁與圍護樁相連)；

工況四：土方開挖至坑底。

3 計算分析

本文進行數值模擬的目的是分析基坑開挖過程中各項因素對既有建筑物樁基變形的影響，分析主要分以下幾方面：1)圍護樁剛度；2)支撐剛度；3)基坑降水。

3.1圍護樁剛度對既有建筑物樁基變形影響分析

圖2,圖3分別為圍護樁采用φ900灌注樁條件下基坑開挖的水平及豎向位移云圖，由圖4可知，基坑開挖引起的水平位移最大值為5.85 mm，在圍護樁坑底附近位置；基坑開挖引起的豎向位移最大值為7.99 mm，出現在坑底中間區域。

圖4為不同圍護樁剛度條件下，基坑開挖引起既有建筑物樁基的最大水平位移，工程樁編號見圖1，水平位移以圖1中x軸正向為正，余同。由圖4可知，工程樁水平位移的變形趨勢為邊樁往中間位移，而中間區域工程樁幾乎沒有水平位移；圍護樁剛度不同，基坑開挖引起的工程樁水平位移有所不同，但差別不大。以P1-1為例，φ600灌注樁條件下最大水平位移5.02 mm，φ900灌注樁條件下最大水平位移4.63 mm，圍護樁樁徑由600增加至900，工程樁水平位移減少8%。

圖5為不同圍護樁剛度條件下，基坑開挖引起既有建筑物樁基的豎向位移，豎向位移以圖1中y軸正向為正，余同。由圖5可知，工程樁豎向位移與坑底隆起變形趨勢一致，呈中間隆起大，兩側相對較小；圍護樁剛度不同，工程樁的隆起變形幾乎無差異；工程樁隆起最大位置為中間區域工程樁(P2-1～P2-3)，隆起量為1.78 mm，占坑底最大隆起量8.00 mm的22%。

3.2支撐剛度對既有建筑物樁基變形影響分析

考慮到本工程既有建筑物的承臺、基礎梁作為支撐體系，模型中支撐是按板構件梁單元考慮的，支撐剛度分布選取板厚0.4 m、板厚1.0 m以及板厚1.0 m+聯系桿三種情況進行計算分析。

圖6是不同支撐剛度下，基坑開挖引起既有建筑物樁基最大水平位移。由圖6可知，無論對于邊樁還是中間區域工程樁，支撐剛度越大，工程樁的水平位移越小，以P1-2為例，支撐剛度取板厚0.4 m情況下水平位移最大值5.5 mm，支撐剛度取板厚1.0 m情況下水平位移最大值5.0 mm，支撐剛度取板厚1.0 m+聯系桿情況下水平位移最大值4.34 mm，支撐剛度加大及考慮聯系桿作用能減少21%的水平位移。

圖7是不同支撐剛度下，基坑開挖引起的既有建筑物樁基豎向位移。由圖7可知，支撐剛度對邊樁的豎向位移幾乎無影響，對中間區域工程樁有一定的影響，以P2-2為例，支撐剛度取板厚0.4 m情況下豎向位移最大值1.58 mm，支撐剛度取板厚1.0 m情況下豎向位移最大值1.85 mm，支撐剛度取板厚1.0 m+聯系桿情況下豎向位移最大值2.05 mm。支撐剛度加大及考慮聯系桿作用增大了中間區域工程樁29%的豎向位移。

3.3基坑降水對既有建筑物樁基變形影響分析

工程中為確保基坑開挖順利進行，通常在土方開挖前進行預降水，本節所模擬的基坑預降水，即在圍護樁完成后、土方開挖前進行的坑內降水，模型中通過設置水位線將坑內水位降低至坑底面。

圖8為分別考慮基坑降水、土方開挖及兩者共同作用下坑內工程樁的水平位移。由圖8可知，基坑開挖和基坑降水引起的工程樁水平位移變形規律上是一致的，即邊樁向基坑中部水平側移，而中間樁幾乎無水平位移。分析其原因，基坑降水引起的滲流場與基坑開挖引起的應力釋放場趨勢上較為一致。以邊樁P2-2為例，水平位移最大值，基坑降水引起、土方開挖引起及兩者疊加分別為0.86 mm,4.89 mm和5.75 mm，基坑降水引起的約占總變形的15%。

圖9為分別考慮基坑降水、土方開挖及兩者共同作用下坑內工程樁的豎向位移。由圖9可知，基坑開挖引起坑內工程樁豎向隆起，隆起量中間區域最大，P2-1～P2-3隆起量分別為1.78 mm,1.71 mm,1.79 mm；邊樁隆起量最小，P1-1～P1-3隆起量分別為0.22 mm,0.84 mm,1.56 mm；不同承臺差異沉降為0.87 mm。基坑降水引起坑內工程樁沉降，沉降量兩邊大、中間小，邊樁沉降量最大為1.55 mm，中間工程樁沉降量約0.52 mm；降水和土方開挖兩者疊加后，不同承臺差異沉降為1.64 mm，即先降水再開挖基坑，會加劇工程樁及承臺的差異沉降，與未考慮降水情況相比，考慮降水的土方開挖會導致不同承臺差異沉降增大一倍。

4 結語

既有建筑物地下增層基坑開挖過程會引起既有建筑物樁基發生水平及豎向位移。本文通過數值模擬，分析了圍護樁剛度、支撐剛度、基坑降水等在基坑開挖工程中對既有建筑物樁基礎變形的影響程度，結論如下：

1)基坑開挖及降水，引起既有樁基水平位移：中間區域樁基幾乎無水平位移，邊樁水平位移相對較大(mm數量級)。有利于減少邊樁水平位移的措施：適當增大圍護、支撐剛度，工程樁設置聯系桿(拉結桿)。2)基坑開挖及降水，引起既有樁基豎向位移：基坑開挖引起工程樁隆起，基坑降水引起工程樁下沉。有利于減少工程樁豎向位移及減少差異沉降的措施：工程樁設置聯系桿(拉結桿)、基坑按需降水。

[1] 賈 強,張 鑫,劉華軍.既有建筑地下增層支撐鋼管的連接安裝方法[J].四川建筑科學研究,2014,40(6):99-100.

[2] 北京城建七建設工程有限公司.整體基礎托換與地下加層施工工法[J].施工技術,2002,31(5):45-46.

[3] 崔 勤,徐正良,張中杰.復雜環境的地下室蓋挖加層關鍵技術研究[J].城市道橋與防洪,2008,8(8):189-192.

[4] 吳 園,張必勝.既有建筑增建地下空間的方法與關鍵技術[J].施工技術,2015,44(sup):611-613.

[5] 褚 峰,李永盛,梁發云,等.土體小應變條件下緊鄰地鐵樞紐的超深基坑變形特性數值分析[J].巖石力學與工程學報,2010,29(S1):3184-3192.

[6] 尹 驥.小應變硬化土模型在上海地區深基坑工程中的應用[J].巖土工程學報,2010,32(S1):166-172.

Numericalsimulationanalysisoffoundationpitexcavationinexistingbuildings★

WangXiao

(ShanghaiChangkaiGeotechnicalEngineeringCo.,Ltd,Shanghai200093,China)

Using Plaxis to establish a two-dimensional finite element model to the existing buildings, underground excavation is simulated by layer analysis, the calculation results show that the foundation pit excavation and precipitation in the middle region of the existing pile almost no horizontal displacement, horizontal displacement of pile side is relatively large. At the same time is proposed to reduce the existing pile deformation measures: increasing pit, bracing stiffness, pile setting connection rod, and excavation according to precipitation. This conclusion can provide reference for similar engineering.

existing buildings, underground adding layer, foundation pit excavation, numerical model

1009-6825(2017)32-0048-03

2017-09-08 ★:上海張江國家自主創新示范區專項發展資金重點項目(201705-YP-C2090-037)

王 笑(1987- )，女，工程師

TU753

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