既有建筑地下增層地下連續墻及基底回彈變形分析

何曉彤, 冉 續, 黃尚珩, 楊大雪, 凌 書, 李 杰

(成都建工第三建筑工程有限公司, 四川成都 610000)

隨著我國進入城市化進程的快速發展期，城市土地資源越來越匱乏[1]，城市的可持續發展將會受到土地資源的制約，并且城市中心的地價昂貴、拆除重建成本高昂，因此合理利用和開發城市地下空間資源具有重要的意義[2-3]。對既有建筑進行地下增層改造是一種開發城市地下空間的有效途徑，能緩解城市中心停車難和地面空間擁擠等問題。

1 地下增層施工

地下增層技術施工過程復雜，包含加固改造、基礎托換、基坑支護、土方開挖等施工過程。本文主要介紹樁基托換方法及其施工技術原理[4]。采用淺埋獨立基礎的多層鋼筋混凝土框架結構建筑地下增層施工技術，增建地下室底板標高遠小于這類建筑的原基礎頂面標高。以下介紹此類建筑延伸式地下增層方法的施工技術流程[5]。

本建筑為3層框架結構，為獨立基礎。地下增層技術流程：既有建筑檢測及加固—支護體系施工—土方開挖施工—地下室底板和頂板施工。

1.1 既有建筑檢測及加固

以某三跨框架結構為例，基礎形式為淺埋獨立基礎。本階段主要是對既有建筑進行建筑結構檢測，驗證既有建筑原有結構能否滿足后續增層改造工程施工的要求[6]。如不滿足，需對原建筑結構進行加固，使其在安全性和施工可操作性上均能滿足后續施工步驟的要求。

1.2 支護體系施工階段[7]

這里介紹采用錨桿靜壓樁的基礎托換體系施工，依次分為3個施工步驟：地下連續墻施工；破除原結構地面、挖除原基礎底面以上回填土；進行錨桿靜壓樁的施工。

1.3 土方開挖施工階段

土方開挖是既有建筑地下增層的核心，是形成地下室室內空間的施工步驟。從結構受力分析，既有建筑的荷載隨著土方開挖的進行逐步轉移至錨桿靜壓樁，即是原結構由獨立基礎承重體系變為樁基礎承重體系，土方開挖的方式將直接影響地下增層改造工程的成敗[8]。

1.4 地下室底板和頂板施工

地下室土方工程施工完成后，需要立即進行地下室底板施工工作，以保證基坑的安全(圖1)。地下室頂板施工過程包含地下室結構柱施工過程，在此過程將地下室內的錨桿靜壓樁轉換為地下室結構柱，上部結構荷載直接由地下室結構柱傳遞給下方的樁-筏基礎[9-10]。

施工完成后，建筑由原來的樁基礎變為樁-筏基礎，建筑物的承載能力和抗震性得到了提高，本技術原理為地下室逆作法施工。此方法可以使使基坑四周的壓力相互抵消，增強基坑壁的安全性。

2 地下連續墻施工

地下連續墻經常使用600～800 mm的厚度，并且不宜小于600 mm，墻體厚度需要結合設計要求和成槽機械來確定，一般為偶數值。地下連續墻需要按照整體平面布置圖、槽壁穩定性、受力特性、周邊環境情況和施工要求來確定槽段的形狀和長度。本文討論的多層框架結構地下增層改造項目，一般開挖1～2層地下室，基坑開挖深度一般不會大于10 m，因此地下連續墻按照規范規定的的構造設計即可，地下連續墻厚度可取最小值600 mm。

地下連續墻成槽必須采用專門的挖槽設備，并且在成槽過程中需要有泥漿護壁。成槽應當分段開挖，槽段開挖完成后向內吊裝鋼筋籠，而后采用導管法澆筑混凝土，依次逐段進行施工，便可完成整個鋼筋混凝土地下連續墻的施工。

地下連續墻最關鍵的工序是成槽，成槽的工藝主要分為3類：旋轉切削土層并采用泥漿循環排渣成槽方法；挖土斗或者抓斗式直接出土成槽方法；沖擊式鑿巖機成槽工藝。

圖1 地下增層施工技術流程

3 三維有限元模擬

本文以3層獨立基礎既有框架結構進行模型試驗，結合ABAQUS軟件，建立有限元數值分析計算模型。針對既有建筑地下增層原型結構和支護結構的特點，數值模擬做出如下假定：

(1)上部框架結構、樁體、擋土墻等鋼筋混凝土材料，假設在受力變形過程中應力應變關系呈線性變化，采用線彈性本構模型；

(2)模型中的黏土視作均質、連續且各向同性的彈塑性材料，土體屬性定義采用Mohr-Coulomb本構模型。

3.1 地下連續墻變形分析

地下連續墻在基坑開挖中的水平位移云圖，圖中的變形放大系數為200，單位為m。可以看出由于沒有設置水平支撐，地下連續墻頂的水平位移較大，水平位移呈現由上往下遞減的趨勢。如果設置頂部的水平支撐，能夠增加圍護結構的整體剛度，有效約束地下連續墻上部的水平位移。

由模型可以看出頂部變形較大，并且由上向下逐漸減小，因此頂部加設水平支撐可以有效約束地下連續墻上部的水平位移(圖2)。

圖2 地下連續墻變形

3.2 坑底回彈變形分析

既有框架結構地下增層模型試驗數據時，得出土體由于上層土方開挖，使得下層土方的附加應力減小，出現了坑底回彈的現象。ABAQUS三維數值模擬土方開挖完成后，基坑土體回彈情況如圖3所示。

圖3 坑底回彈變形

坑底中部的回彈值明顯高于周邊部位的回彈值，并且在沒有獨立基礎作用的中部位置，坑底回彈現象最嚴重。

4 總結

既有框架結構地下增層模型試驗研究，在地下增層施工對上部結構的影響和樁應變變化規律分析方面取得了一些初步的成果，對地下增層ABAQUS三維模型進行分析，主要得出結論：①地下連續墻頂設置水平支撐能夠有效限制連續墻上部的水平位移，不設置則地下連續墻水平位移呈現從上往下遞減的趨勢。②坑底土體出現了回彈，且坑底中部的回彈量明顯大于坑底周邊的回彈量。

5 展望

本文通過既有框架結構地下增層模型試驗研究，在地下增層施工對地下連續墻及基底回彈變形研究方面取得了一些初步的成果，但是既有建筑地下增層施工是一個復雜的工程項目，仍然有許多問題需要進一步的深入研究：

(1)本文采用厚木板模擬地下連續墻，并未考慮地下連續墻的材料相似和厚度尺寸相似，后續的研究工作中可以嚴格按照相似理論設計制作模型的地下連續墻，分析地下連續墻的位移和應變規律。

(2)本文采用單層土體模擬地基土，不能很好地模擬實際工程地基場地的土層劃分情況，后續研究中可以模擬多層地基土進行既有建筑地下增層模型試驗，探究樁在不同土層的應變變化規律。

(3)本文進行的既有建筑地下增層模型試驗探究的是采用獨立基礎承重的框架結構地下增層施工技術，而實際工程中存在樁基礎、條形基礎等多種基礎形式，上部結構也有可能是砌體結構等結構形式，后續可以研究不同基礎類型的建筑或者不同的上部結構類型的地下增層施工技術。