既有建筑地下空間拓建基礎(chǔ)托換技術(shù)數(shù)值模擬研究

夏 葵, 何曉彤, 劉?？h, 黃尚珩, 冉 續(xù), 李 杰, 凌 書

(1. 成都建工第三建筑工程有限公司, 四川成都 610000; 2. 西華大學(xué), 四川成都 610000)

近年來，隨著城市化水平的提高，大型核心城市地下空間開發(fā)利用得到迅速發(fā)展。地下空間開發(fā)已成為土地稀缺的國家城市發(fā)展必要條件[1]。地下空間的發(fā)展離不開相關(guān)的技術(shù)研究，有利于推動(dòng)托換技術(shù)的發(fā)展[2]。本文提出既有建筑地下空間拓建基礎(chǔ)托換方法，即板式托換法，并采用ABAQUS模擬軟件對兩種托換流程進(jìn)行數(shù)值，總結(jié)了一套施工技術(shù)，為類似工程提供參考。

1 基礎(chǔ)托換技術(shù)研究現(xiàn)狀

基礎(chǔ)托換技術(shù)是既有建筑地下空間拓建以及地下增層過程中的一項(xiàng)重要技術(shù)，其施工難度比較大，技術(shù)要求比較高，同時(shí)又是多項(xiàng)技術(shù)的綜合體?；A(chǔ)托換技術(shù)主要包括4部分內(nèi)容：①基礎(chǔ)加固；②基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換；③既有建筑豎直向下再次開發(fā)；④增強(qiáng)建筑安全性(表1)。

近幾年，隨著城市快速發(fā)展，土地資源短缺，既有建筑地下增層工程逐漸增多，托換技術(shù)的應(yīng)用也明顯增加，除了用于地下增層改造中，在建筑安全工程和加固改造、土石方領(lǐng)域也比較常見。本技術(shù)難度系數(shù)高，安全性也比較高[4]。

建于英國的Winchester大教堂，是最早使用補(bǔ)救性托換技術(shù)的工程。通過托換技術(shù)，更換承載力不足的基礎(chǔ)，改善了原有建筑基礎(chǔ)的缺陷，是世界上第一個(gè)采用托換技術(shù)成功的案例，是托換技術(shù)的一大突破。

表1 基礎(chǔ)托換種類和特點(diǎn)[6-7]

2 既有建筑特點(diǎn)分析

在進(jìn)行基礎(chǔ)托換時(shí)，首先需要對原有建筑物進(jìn)行性能檢測，確定原建筑是否適合地下增層改造，以及改造完成以后可否滿足使用需要，并且保證后期使用安全性。另外還要對周邊環(huán)境進(jìn)行考察，避免對周邊建筑物的影響，規(guī)避不利因素，然后選擇合理的試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M施工流程:

(1)可行性勘察，如水文、地質(zhì)、周邊建筑、地下管線等。

(2)既有建筑的結(jié)構(gòu)形式、層高、基礎(chǔ)形式等。

(3)建筑荷載情況，人流量、樓面荷載。

(4)選擇基礎(chǔ)托換工藝，板式托換、樁基托換。

(5)土方開挖方法選擇，根據(jù)場地選擇合理的開挖機(jī)械、開挖順序。

(6)考慮建筑周邊的荷載，建筑位置、車流量、人流量、以及施工干擾等問題。

3 主要施工工藝

常見的基礎(chǔ)托換形式有樁基托換、梁式托換、板式托換3種，因?yàn)楸狙芯磕Ｐ蜑榈蛯咏ㄖ蚣芙Y(jié)構(gòu)，所以本文主要研究板式托換法以及施工工藝。先進(jìn)行場地平整，清理周邊雜物，然后利用周邊的水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測量放線，接下來施工一層梁和樓板，采用植筋的方法與框架柱連接，并進(jìn)行拉拔試驗(yàn)；下一步進(jìn)行對角位置土方開挖，隨著土方開挖，一層梁板逐漸發(fā)揮臨時(shí)基礎(chǔ)的支撐作用，當(dāng)挖至地下室底板標(biāo)高時(shí)，將原來的柱子接長，并完成基礎(chǔ)施工，然后進(jìn)行另一對角土方開挖，重復(fù)以上工作，最后土方全部挖完，立即封底，澆筑地下室底板和地下室外墻。

板式托換法的施工工藝流程：施工準(zhǔn)備—場地平整—測量放線—地下連續(xù)墻施工—施工首層托換梁—托換板施工—托換板與梁、柱連接—土方開挖—柱子接長—地下室底板施工—托換板下土體開挖—補(bǔ)全托換板和底板。地下室頂板與底板交替作托換構(gòu)件，可以增建多層地下室。

4 板式托換有限元分析

ABAQUS是一套數(shù)值模擬的軟件，可用于結(jié)構(gòu)變形與沉降分析，通過建立模型，進(jìn)行數(shù)值模擬，研究技術(shù)可行性、方案適用性。ABAQUS功能強(qiáng)大、用途廣泛，可以解決工程研究中的線性和非線性等一系列問題，包含有很多單元庫，材料庫，所以在很多領(lǐng)域都可使用。地下增層基礎(chǔ)托換技術(shù)復(fù)雜，綜合性很強(qiáng)，難度系數(shù)高，應(yīng)用ABAQUS可以解決研究過程中既有建筑的應(yīng)力和應(yīng)變等問題。

本文采用ABAQUS分析等跨框架結(jié)構(gòu)的沉降變形，原有建筑材料，柱子為C30混凝土，梁板為C25混凝土。

4.1 計(jì)算模型

為了更加準(zhǔn)確研究本技術(shù)，本研究建立了模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)圖紙取自某辦公樓，并將其簡化，原有建筑簡化模型為：縱向和橫向均為3跨，等跨框架結(jié)構(gòu)，跨度均為7.5 m；層高為3層，結(jié)構(gòu)層高均為3.3 m?；A(chǔ)形式為獨(dú)立基礎(chǔ)。

4.2 工況模擬

為了研究等跨框架結(jié)構(gòu)的沉降規(guī)律以及不均勻沉降對上部結(jié)構(gòu)的影響，本文運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對地下施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，針對等跨框架結(jié)構(gòu)板式托換方法，采用雙側(cè)開挖方式，進(jìn)行實(shí)體建模，框架結(jié)構(gòu)各構(gòu)件都采用實(shí)體單元，框架梁、柱、板網(wǎng)格劃分時(shí)，網(wǎng)格劃分比較細(xì)致。加載時(shí)首先對了框架結(jié)構(gòu)和地基土施加自重荷載，然后對建筑的樓板和屋面板施加面荷載，這樣操作的目的是模擬建筑物在進(jìn)行基礎(chǔ)托換之前已經(jīng)有部分沉降量。

板式托換有限元研究針對基礎(chǔ)托換過程，建立模型計(jì)算分析，6個(gè)工況：①托換頂板、梁施工；②對角挖土、柱子底板施工；③另外對角挖土、柱子底板施工；④頂板下土體開挖等工況分別模擬。整個(gè)托換過程三維模型見圖1。

圖1 托換頂板模型

5 數(shù)值模型柱腳沉降分析

通過上述模擬，記錄整理各個(gè)工況沉降值。為了更加清晰直接地反映沉降規(guī)律，將各個(gè)工況的柱腳沉降數(shù)值繪制成折線圖，見圖2所示。

根據(jù)數(shù)值模擬得到的沉降數(shù)值，得出各個(gè)工況沉降規(guī)律：

(1)由圖2可知一、三、五 3個(gè)工況沉降值比較小，并且沉降走勢類似，基本呈現(xiàn)“盆式沉降”，沉降數(shù)值中柱大于角柱。

(2)二 、四工況不均勻沉降值較大，說明沉降受挖土影響較大。部分柱腳沉降值大于規(guī)范值，所以在建筑基礎(chǔ)托換全過程中土方開挖是至關(guān)重要的工序，需要提前編制合理的開挖方案以及必要的專家論證。

6 總結(jié)

通過ABAQUS建立三維模型，進(jìn)行了板式基礎(chǔ)托換技術(shù)研究，著重模擬了不同工況下柱子的沉降，進(jìn)而分析總結(jié)基礎(chǔ)托換過程中柱腳的沉降規(guī)律，本文采用的是新型十字板托換方法，為地下增層研究提供指導(dǎo)。既有建筑地下增層技術(shù)涉及結(jié)構(gòu)、巖土、支護(hù)等多個(gè)方面，技術(shù)研究非常復(fù)雜。本文主要研究板式托換法對結(jié)構(gòu)沉降的影響，但是研究相對片面，很多研究不夠完善，如數(shù)值模擬方面：需要針對不同的基礎(chǔ)形式、結(jié)構(gòu)形式開展進(jìn)一步的研究。模型試驗(yàn)方面：需要研究不同的開挖形式對結(jié)構(gòu)沉降的影響。

圖2 各個(gè)工況柱腳沉降值