既有建筑下增層開挖排樁支護體系研究★

程元暉 胡立鋒 謝征兵 劉念武

(1.紹興市柯橋區(qū)建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督站，浙江 紹興 312030； 2.浙江理工大學(xué)建工學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

既有建筑下增層開挖排樁支護體系研究★

程元暉1胡立鋒1謝征兵2劉念武2

(1.紹興市柯橋區(qū)建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督站，浙江 紹興 312030； 2.浙江理工大學(xué)建工學(xué)院，浙江 杭州 310018)

總結(jié)分析了既有建筑增層開挖與新建基坑開挖的差異，針對既有支護結(jié)構(gòu)在增層開挖過程中會出現(xiàn)承載力不足的問題，提出通過補入新增支護結(jié)構(gòu)形成雙排樁組合支護體系，并闡述了雙排樁支護體系的施工工序、類型與受力特性，指出在增層開挖工程中應(yīng)當(dāng)保留既有支護結(jié)構(gòu)，合理利用既有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為支撐，并根據(jù)開挖深度和現(xiàn)場環(huán)境選取合適的排樁分布類型。

既有建筑，增層改造，雙排樁，受荷性狀

0 引言

隨著國家城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，人口膨脹、生存空間擁擠、生態(tài)失衡等因素已嚴(yán)重制約城市的健康發(fā)展。城市空間在向平面擴展受限的條件下，開發(fā)地下空間具有明顯的資源優(yōu)勢，對既有地下空間進行二次開發(fā)利用是城市健康發(fā)展的需要，也是城市進步的必然選擇[1]。

對既有建筑進行下挖改造涉及到基坑的維護，在增層過程中既有的支護結(jié)構(gòu)難以滿足設(shè)計要求，通過對既有支護結(jié)構(gòu)進行補強加固來提高整體穩(wěn)定性。當(dāng)既有支護結(jié)構(gòu)與新建支護結(jié)構(gòu)都為排樁支護時，兩者形成雙排樁組合支護結(jié)構(gòu)。雙排樁支護結(jié)構(gòu)的優(yōu)點明顯：

1)結(jié)構(gòu)整體側(cè)向剛度大，對基坑周圍環(huán)境影響小。

2)可適用于深基坑。

3)組合類型多，前后排樁可以根據(jù)實際工程需要組合成不同的支護形式。

當(dāng)前對雙排樁的研究主要集中于樁排間距、樁長、樁頂約束狀況等因素對支護結(jié)構(gòu)的影響。其中，王星華等[2]基于有限元研究分析，得出雙排樁最優(yōu)樁排間距為3d～4d。李立軍[3]通過有限元分析樁長對雙排樁支護結(jié)構(gòu)的影響，得出改變前排樁樁長對支護結(jié)構(gòu)的影響顯著。高印立[4]，曾慶義等[5]從理論上分析圈梁對支護結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，圈梁可明顯增大支護結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，起到協(xié)調(diào)分配樁頂?shù)氖芰ψ饔谩?/p>

具體到實際的改造工程，吳銘炳等[6,7]通過對已建基坑支護樁進行補強加固來提高基坑的穩(wěn)定性，完成增層改造工作。Fang等[8]通過有限元研究了增層開挖中的雙排支護墻工作性狀?，F(xiàn)有的增層案例和理論分析較少，導(dǎo)致增層工程的基坑維護技術(shù)亟待突破。本文通過分析增層開挖與新建基坑開挖的差異性，總結(jié)了雙排樁組合支護體系的工作特性。

1 增層開挖與新建基坑開挖的差異

新建基坑開挖與增層開挖的示意圖如圖1，圖2所示，兩者的差異主要有：

1)增層開挖的對象為既有服役狀態(tài)下的樁基，樁周土體的移除會導(dǎo)致樁基承載性狀發(fā)生改變；

2)服役狀態(tài)下的樁基對基坑產(chǎn)生加固作用，可以提高基坑的穩(wěn)定性；

3)新支護結(jié)構(gòu)與既有支護結(jié)構(gòu)之間形成雙排樁組合支護結(jié)構(gòu)，兩者協(xié)調(diào)工作；

4)既有建筑底板作為圍護結(jié)構(gòu)的支撐，可以有效地減小基坑變形。當(dāng)既有建筑處于建筑密集區(qū)域時，不僅要考慮到基坑內(nèi)部建筑的穩(wěn)定性還應(yīng)當(dāng)考慮基坑周圍建筑的穩(wěn)定性。因此既有支護結(jié)構(gòu)的補強加固措施對基坑安全和穩(wěn)定起到至關(guān)重要的作用。

2 增層開挖施工流程

增層開挖技術(shù)涉及到巖土工程、結(jié)構(gòu)工程、環(huán)境工程等領(lǐng)域，對既有建筑進行增層改造時，主要步驟為：

1)對既有建筑質(zhì)量進行檢測和評估；2)既有上部結(jié)構(gòu)的補強加固；3)既有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的加固(補樁)；4)增層開挖；5)新建基礎(chǔ)底板和梁柱；6)對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行托換；7)新建建筑外墻。

3 既有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的二次利用

盡管支護結(jié)構(gòu)屬于臨時建筑，設(shè)計年限較短，當(dāng)基坑底板和建筑外墻建好時就已退出工作狀態(tài)。由于地下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性較好，既有支護結(jié)構(gòu)超過設(shè)計使用年限后，仍具有一定的承載能力[9,10]。因此考慮既有支護結(jié)構(gòu)的有利作用可以在一定程度上提高基坑的整體安全性并降低工程造價。

在既有建筑下增層開挖可以利用既有建筑基礎(chǔ)的底板作為支護結(jié)構(gòu)的水平支撐，既有建筑底板的剛度大，整體穩(wěn)定性好，支撐在基坑四周既避免了新建支撐又可以有效地約束支護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，節(jié)省地下作業(yè)空間。此外，通過在支護結(jié)構(gòu)樁頂增設(shè)圈梁能夠增加結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，從而提升組合支護結(jié)構(gòu)的承載性能。

對既有建筑進行增層開挖，坑內(nèi)工程樁處于服役狀態(tài)，工程樁與坑內(nèi)既有基礎(chǔ)的作用效應(yīng)主要體現(xiàn)在服役狀態(tài)下樁基對坑底土體的反壓作用，坑底工程樁的存在對基坑的變形有明顯的抑制作用[11]。在基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中往往沒有考慮坑內(nèi)工程樁對圍護結(jié)構(gòu)和坑底土體回彈的影響，從而導(dǎo)致在基坑設(shè)計過程中造成一定的浪費。基坑在開挖過程中工程樁的存在有效地減小了坑底土體的回彈，對基坑的穩(wěn)定性起有利作用。當(dāng)工程樁鄰近支護結(jié)構(gòu)時，被動區(qū)土體得到加固，支護結(jié)構(gòu)變形減小[12]。

4 雙排樁支護體系類型

增層開挖所形成的雙排樁組合支護結(jié)構(gòu)在分布形式上較多。當(dāng)增層開挖深度較淺時通過在既有支護結(jié)構(gòu)外側(cè)補入等長支護樁兩者形成門架式雙排樁，如圖3a)所示。當(dāng)既有建筑外墻距離既有支護結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)(兩者間距滿足施工要求)時，可以在既有支護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)補入新支護樁，如圖3c)所示。當(dāng)既有支護結(jié)構(gòu)距離建筑外墻較近時，在既有支護結(jié)構(gòu)外側(cè)補入新增支護結(jié)構(gòu)，形成h型雙排樁，如圖3b)所示。新增支護結(jié)構(gòu)的補入應(yīng)當(dāng)依據(jù)工程環(huán)境而定，選擇相應(yīng)的排樁布置類型。雙排樁支護結(jié)構(gòu)布置類型不僅受到空間環(huán)境的影響，還要受到開挖深度的影響。當(dāng)開挖面位于既有支護結(jié)構(gòu)底部以下時，采用h型雙排樁支護結(jié)構(gòu)，能夠合理的分配開挖面上部和下部的土壓力，既有支護結(jié)構(gòu)也不會因為完全暴露出來而導(dǎo)致失效。因此在選擇雙排樁布置類型時應(yīng)當(dāng)綜合考慮空間環(huán)境和開挖深度的影響。

5 雙排樁支護結(jié)構(gòu)受力特性

普通雙排樁支護結(jié)構(gòu)在基坑開挖時前后排樁同時受樁背土壓力的作用，前排樁樁長對支護結(jié)構(gòu)影響顯著。在雙排樁組合支護結(jié)構(gòu)中，既有支護樁在增層開挖前就處于受荷狀態(tài)，新增支護樁在增層開挖過程中才會受到由樁間土傳遞過來的土壓力。兩者在服役順序和受荷大小上有明顯差異。當(dāng)開挖面位于既有支護結(jié)構(gòu)底部以上時，樁間土(被動區(qū)反壓土)可顯著改善前排支護結(jié)構(gòu)的受力狀況[13]。既有支護結(jié)構(gòu)在整個增層開挖過程中都不會發(fā)生傾覆破壞。當(dāng)開挖面位于既有支護結(jié)構(gòu)底部以下時，開挖至既有支護結(jié)構(gòu)底端時，嵌固深度為零，既有支護結(jié)構(gòu)退出工作，樁背土壓力會全部轉(zhuǎn)移至新增支護結(jié)構(gòu)上。因此建議選擇合理的增層開挖深度，且在設(shè)計新增支護結(jié)構(gòu)時考慮受荷時間的影響。

6 結(jié)語

本文以既有建筑下增層開挖為工程背景，分析總結(jié)了現(xiàn)有增層技術(shù)經(jīng)驗，以增層開挖過程中支護結(jié)構(gòu)體系為分析對象，分析了新舊支護結(jié)構(gòu)施工流程、分布類型以及受荷特性，得出在選擇排樁支護體系分布類型時應(yīng)當(dāng)充分考慮基坑周圍環(huán)境以及開挖深度的影響，并應(yīng)當(dāng)綜合考慮既有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的有利作用。

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Study on the pile supported system of supplementary excavation beneath constructed buildings★

Cheng Yuanhui1Hu Lifeng1Xie Zhengbing2Liu Nianwu2

(1.KeqiaoDistrictConstructionQualityandSafetySupervisionCenter,Shaoxing312030,China;2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou310018,China)

Analysis of the differences between the new pit excavation and the existing pit excavation, the existing supporting structure will occur the problem of insufficient bearing capacity. By adding a new supporting structure compose a double-row piles system. This paper mainly analyzes the construction process, types and characteristics of the double row pile supporting system, point out that the existing retaining structure should be kept and the existing structure can be used as the support, and according to the excavation depth and site environment selected appropriate pile arrangement type

existing buildings, underground storey supplement, double-row piles, bearing capacity

1009-6825(2017)13-0049-03

2017-02-25★：浙江省科技廳公益技術(shù)研究項目(2014C31G2060052)

程元暉(1983- )，男，工程師

TU473.1

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