既有建筑地下增層地下連續(xù)墻及基底回彈變形分析

何曉彤, 冉 續(xù), 黃尚珩, 楊大雪, 凌 書(shū), 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(guó)進(jìn)入城市化進(jìn)程的快速發(fā)展期，城市土地資源越來(lái)越匱乏[1]，城市的可持續(xù)發(fā)展將會(huì)受到土地資源的制約，并且城市中心的地價(jià)昂貴、拆除重建成本高昂，因此合理利用和開(kāi)發(fā)城市地下空間資源具有重要的意義[2-3]。對(duì)既有建筑進(jìn)行地下增層改造是一種開(kāi)發(fā)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(wèn)題。

1 地下增層施工

地下增層技術(shù)施工過(guò)程復(fù)雜，包含加固改造、基礎(chǔ)托換、基坑支護(hù)、土方開(kāi)挖等施工過(guò)程。本文主要介紹樁基托換方法及其施工技術(shù)原理[4]。采用淺埋獨(dú)立基礎(chǔ)的多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑地下增層施工技術(shù)，增建地下室底板標(biāo)高遠(yuǎn)小于這類建筑的原基礎(chǔ)頂面標(biāo)高。以下介紹此類建筑延伸式地下增層方法的施工技術(shù)流程[5]。

本建筑為3層框架結(jié)構(gòu)，為獨(dú)立基礎(chǔ)。地下增層技術(shù)流程：既有建筑檢測(cè)及加固—支護(hù)體系施工—土方開(kāi)挖施工—地下室底板和頂板施工。

1.1 既有建筑檢測(cè)及加固

以某三跨框架結(jié)構(gòu)為例，基礎(chǔ)形式為淺埋獨(dú)立基礎(chǔ)。本階段主要是對(duì)既有建筑進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)，驗(yàn)證既有建筑原有結(jié)構(gòu)能否滿足后續(xù)增層改造工程施工的要求[6]。如不滿足，需對(duì)原建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，使其在安全性和施工可操作性上均能滿足后續(xù)施工步驟的要求。

1.2 支護(hù)體系施工階段[7]

這里介紹采用錨桿靜壓樁的基礎(chǔ)托換體系施工，依次分為3個(gè)施工步驟：地下連續(xù)墻施工；破除原結(jié)構(gòu)地面、挖除原基礎(chǔ)底面以上回填土；進(jìn)行錨桿靜壓樁的施工。

1.3 土方開(kāi)挖施工階段

土方開(kāi)挖是既有建筑地下增層的核心，是形成地下室室內(nèi)空間的施工步驟。從結(jié)構(gòu)受力分析，既有建筑的荷載隨著土方開(kāi)挖的進(jìn)行逐步轉(zhuǎn)移至錨桿靜壓樁，即是原結(jié)構(gòu)由獨(dú)立基礎(chǔ)承重體系變?yōu)闃痘A(chǔ)承重體系，土方開(kāi)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(jìn)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(guò)程包含地下室結(jié)構(gòu)柱施工過(guò)程，在此過(guò)程將地下室內(nèi)的錨桿靜壓樁轉(zhuǎn)換為地下室結(jié)構(gòu)柱，上部結(jié)構(gòu)荷載直接由地下室結(jié)構(gòu)柱傳遞給下方的樁-筏基礎(chǔ)[9-10]。

施工完成后，建筑由原來(lái)的樁基礎(chǔ)變?yōu)闃?筏基礎(chǔ)，建筑物的承載能力和抗震性得到了提高，本技術(shù)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(qiáng)基坑壁的安全性。

2 地下連續(xù)墻施工

地下連續(xù)墻經(jīng)常使用600～800 mm的厚度，并且不宜小于600 mm，墻體厚度需要結(jié)合設(shè)計(jì)要求和成槽機(jī)械來(lái)確定，一般為偶數(shù)值。地下連續(xù)墻需要按照整體平面布置圖、槽壁穩(wěn)定性、受力特性、周邊環(huán)境情況和施工要求來(lái)確定槽段的形狀和長(zhǎng)度。本文討論的多層框架結(jié)構(gòu)地下增層改造項(xiàng)目，一般開(kāi)挖1～2層地下室，基坑開(kāi)挖深度一般不會(huì)大于10 m，因此地下連續(xù)墻按照規(guī)范規(guī)定的的構(gòu)造設(shè)計(jì)即可，地下連續(xù)墻厚度可取最小值600 mm。

地下連續(xù)墻成槽必須采用專門(mén)的挖槽設(shè)備，并且在成槽過(guò)程中需要有泥漿護(hù)壁。成槽應(yīng)當(dāng)分段開(kāi)挖，槽段開(kāi)挖完成后向內(nèi)吊裝鋼筋籠，而后采用導(dǎo)管法澆筑混凝土，依次逐段進(jìn)行施工，便可完成整個(gè)鋼筋混凝土地下連續(xù)墻的施工。

地下連續(xù)墻最關(guān)鍵的工序是成槽，成槽的工藝主要分為3類：旋轉(zhuǎn)切削土層并采用泥漿循環(huán)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(jī)成槽工藝。

圖1 地下增層施工技術(shù)流程

3 三維有限元模擬

本文以3層獨(dú)立基礎(chǔ)既有框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型試驗(yàn)，結(jié)合ABAQUS軟件，建立有限元數(shù)值分析計(jì)算模型。針對(duì)既有建筑地下增層原型結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，數(shù)值模擬做出如下假定：

(1)上部框架結(jié)構(gòu)、樁體、擋土墻等鋼筋混凝土材料，假設(shè)在受力變形過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈線性變化，采用線彈性本構(gòu)模型；

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

3.1 地下連續(xù)墻變形分析

地下連續(xù)墻在基坑開(kāi)挖中的水平位移云圖，圖中的變形放大系數(shù)為200，單位為m。可以看出由于沒(méi)有設(shè)置水平支撐，地下連續(xù)墻頂?shù)乃轿灰戚^大，水平位移呈現(xiàn)由上往下遞減的趨勢(shì)。如果設(shè)置頂部的水平支撐，能夠增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度，有效約束地下連續(xù)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(shè)水平支撐可以有效約束地下連續(xù)墻上部的水平位移(圖2)。

圖2 地下連續(xù)墻變形

3.2 坑底回彈變形分析

既有框架結(jié)構(gòu)地下增層模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，得出土體由于上層土方開(kāi)挖，使得下層土方的附加應(yīng)力減小，出現(xiàn)了坑底回彈的現(xiàn)象。ABAQUS三維數(shù)值模擬土方開(kāi)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(méi)有獨(dú)立基礎(chǔ)作用的中部位置，坑底回彈現(xiàn)象最嚴(yán)重。

4 總結(jié)

既有框架結(jié)構(gòu)地下增層模型試驗(yàn)研究，在地下增層施工對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響和樁應(yīng)變變化規(guī)律分析方面取得了一些初步的成果，對(duì)地下增層ABAQUS三維模型進(jìn)行分析，主要得出結(jié)論：①地下連續(xù)墻頂設(shè)置水平支撐能夠有效限制連續(xù)墻上部的水平位移，不設(shè)置則地下連續(xù)墻水平位移呈現(xiàn)從上往下遞減的趨勢(shì)。②坑底土體出現(xiàn)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(guò)既有框架結(jié)構(gòu)地下增層模型試驗(yàn)研究，在地下增層施工對(duì)地下連續(xù)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(gè)復(fù)雜的工程項(xiàng)目，仍然有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步的深入研究：

(1)本文采用厚木板模擬地下連續(xù)墻，并未考慮地下連續(xù)墻的材料相似和厚度尺寸相似，后續(xù)的研究工作中可以嚴(yán)格按照相似理論設(shè)計(jì)制作模型的地下連續(xù)墻，分析地下連續(xù)墻的位移和應(yīng)變規(guī)律。

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

(3)本文進(jìn)行的既有建筑地下增層模型試驗(yàn)探究的是采用獨(dú)立基礎(chǔ)承重的框架結(jié)構(gòu)地下增層施工技術(shù)，而實(shí)際工程中存在樁基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)等多種基礎(chǔ)形式，上部結(jié)構(gòu)也有可能是砌體結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式，后續(xù)可以研究不同基礎(chǔ)類型的建筑或者不同的上部結(jié)構(gòu)類型的地下增層施工技術(shù)。