既有建筑物地下增層基坑開挖數(shù)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(shù)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(jìn)行數(shù)值模擬分析，計算結(jié)果表明，基坑開挖及降水引起的中間區(qū)域既有樁基幾乎無水平位移，邊樁水平位移相對較大(mm數(shù)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(dāng)增大圍護(hù)、支撐剛度，工程樁設(shè)置聯(lián)系桿(拉結(jié)桿)及基坑按需降水等，這一結(jié)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(shù)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(jié)構(gòu)等多工況，此類基坑工程與常規(guī)基坑有所不同，作為環(huán)境保護(hù)對象的既有建筑物在基坑內(nèi)部，且原有基礎(chǔ)可能與圍護(hù)體系連為整體、作為支撐體系的一部分，施工工況更復(fù)雜，對變形控制要求更嚴(yán)格。

賈強(qiáng)[1]認(rèn)為既有建筑物地下空間開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)是樁基礎(chǔ)托換和土方開挖。“整體基礎(chǔ)托換與地下加層施工工法”[2]認(rèn)為土方應(yīng)分步開挖，開挖時樁兩側(cè)要同時平衡開挖以避免樁受不平衡的側(cè)壓力。崔勤[3]介紹了利用既有地下室結(jié)構(gòu)頂板作為天然蓋板向下蓋挖加層新技術(shù)，在地下室進(jìn)行暗挖加層的施工方法。吳園等[4]建議的基坑支護(hù)施工流程：施工圍護(hù)樁→淺層土方開挖，開挖至基礎(chǔ)底板→地梁施工，將整個建筑物地下構(gòu)件連為整體，并延伸至圍護(hù)樁，與圍護(hù)樁之間以圍檁連接，形成上部結(jié)構(gòu)—基礎(chǔ)—圍檁—圍護(hù)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(chǔ)變形的敏感性，既有建筑物基礎(chǔ)變形必須滿足規(guī)程要求，在如此嚴(yán)格的變形控制要求下，土體變形將處于小應(yīng)變區(qū)域[5]。因此，考慮土體小應(yīng)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(shù)分析，探討土體小應(yīng)變條件下既有建筑物樁基礎(chǔ)的變形特征。

1 工程概況

某既有建筑物，為現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)，地上4F，無地下室，基礎(chǔ)形式采用獨立承臺+樁基礎(chǔ)，采用400 mm×800 mm的基礎(chǔ)梁連接；樁基采用300 mm×300 mm預(yù)制方樁，樁長21 m，樁端持力層為⑦層砂質(zhì)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(shù)取值

2.1計算參數(shù)

模型中簡化的土層分布：深度0 m～16 m，淤泥質(zhì)土；深度16 m～21 m，⑥層粉質(zhì)粘土；深度21 m以下，⑦層砂質(zhì)粉土。本文采用Plaxis軟件內(nèi)嵌的土體小應(yīng)變剛度模型(HSS模型)[5,6]。數(shù)值模擬過程中考慮基坑周邊20 m范圍內(nèi)超載。結(jié)構(gòu)參數(shù)：基坑采用鉆孔灌注樁+一道混凝土支撐(既有建筑物基礎(chǔ)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(yīng)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(hù)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(hù)樁相連)；

工況四：土方開挖至坑底。

3 計算分析

本文進(jìn)行數(shù)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(hù)樁剛度；2)支撐剛度；3)基坑降水。

3.1圍護(hù)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(hù)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(hù)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(xiàn)在坑底中間區(qū)域。

圖4為不同圍護(hù)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(qū)域工程樁幾乎沒有水平位移；圍護(hù)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(hù)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(hù)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(cè)相對較小；圍護(hù)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(qū)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(chǔ)梁作為支撐體系，模型中支撐是按板構(gòu)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(lián)系桿三種情況進(jìn)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(qū)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(lián)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(lián)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(qū)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(lián)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(lián)系桿作用增大了中間區(qū)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?；娱_挖順利進(jìn)行，通常在土方開挖前進(jìn)行預(yù)降水，本節(jié)所模擬的基坑預(yù)降水，即在圍護(hù)樁完成后、土方開挖前進(jìn)行的坑內(nèi)降水，模型中通過設(shè)置水位線將坑內(nèi)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(nèi)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(guī)律上是一致的，即邊樁向基坑中部水平側(cè)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(yīng)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(nèi)工程樁的豎向位移。由圖9可知，基坑開挖引起坑內(nèi)工程樁豎向隆起，隆起量中間區(qū)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?；咏邓鹂觾?nèi)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(dǎo)致不同承臺差異沉降增大一倍。

4 結(jié)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(fā)生水平及豎向位移。本文通過數(shù)值模擬，分析了圍護(hù)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(chǔ)變形的影響程度，結(jié)論如下：

1)基坑開挖及降水，引起既有樁基水平位移：中間區(qū)域樁基幾乎無水平位移，邊樁水平位移相對較大(mm數(shù)量級)。有利于減少邊樁水平位移的措施：適當(dāng)增大圍護(hù)、支撐剛度，工程樁設(shè)置聯(lián)系桿(拉結(jié)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(shè)置聯(lián)系桿(拉結(jié)桿)、基坑按需降水。

[1] 賈 強(qiáng),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(xué)研究,2014,40(6):99-100.

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

[3] 崔 勤,徐正良,張中杰.復(fù)雜環(huán)境的地下室蓋挖加層關(guān)鍵技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)[J].施工技術(shù),2015,44(sup):611-613.

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

[6] 尹 驥.小應(yīng)變硬化土模型在上海地區(qū)深基坑工程中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)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(chuàng)新示范區(qū)專項發(fā)展資金重點項目(201705-YP-C2090-037)

王 笑(1987- )，女，工程師

TU753

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