既有建筑增建地下空間技術(shù)的仿真數(shù)值模擬研究

湯熙海

（南京高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 南京 210019）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展壯大，國(guó)內(nèi)大中型城市的人口密集度逐年提高，人們對(duì)城市建設(shè)與發(fā)展的速度和質(zhì)量均提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，建設(shè)新型、現(xiàn)代化的城市已迫在眉睫。其中對(duì)于城市空間的全面、合理利用逐漸成為未來城市發(fā)展的總體趨勢(shì)。在現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展基礎(chǔ)上，對(duì)城市中大量存在的既有建筑進(jìn)行增層改造或地下空間開發(fā)利用，是目前城市建設(shè)和發(fā)展的主流方向。

1 既有建筑增建地下空間技術(shù)

1.1 地下空間增建技術(shù)

既有建筑地下空間的增建與改造工程是一項(xiàng)系統(tǒng)的、綜合性的施工技術(shù)體系。它包括既有建筑的安全鑒定與加固改造、既有基礎(chǔ)的主動(dòng)與被動(dòng)托換、基坑支護(hù)體系的建立、土方工程的開挖以及地下空間體系的建立等，同時(shí)，施工的全過程受到周邊環(huán)境復(fù)雜、施工作業(yè)面狹小等各方面因素的制約。針對(duì)既有建筑地下空間的增建與改造工程技術(shù)綜合性高、施工難度大的特點(diǎn)，本文采用仿真數(shù)值分析的方法，對(duì)增建改造過程進(jìn)行仿真模擬，重點(diǎn)探討既有建筑地下空間的增建與改造過程中，對(duì)既有建筑本身和周邊環(huán)境的影響，為工程實(shí)踐提出切實(shí)、可行的施工方案。

1.2 模擬分析工況

本文所討論的既有建筑為目前城市中大量存在的框架結(jié)構(gòu)建筑。該類建筑具有較典型的框架結(jié)構(gòu)特征：一般為多層、框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為淺埋式獨(dú)基、無地下室，且獨(dú)立基礎(chǔ)頂標(biāo)高不能滿足地下空間的增建要求?；诂F(xiàn)有的施工技術(shù)條件和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，目前該類建筑的地下空間的增建與改造，可以采用以下三階段施工，如圖1所示。

初始狀態(tài)，如圖1a）所示。根據(jù)既有建筑特征，建立框架結(jié)構(gòu)體系，并按照荷載規(guī)范要求，對(duì)既有建筑荷載特征值進(jìn)行組合，并施加于結(jié)構(gòu)構(gòu)件，還原真實(shí)工況。

圖1 既有建筑三階段增建改造示意圖

階段一：支護(hù)體系與基礎(chǔ)托換施工。如圖1b）所示，首先，基坑支護(hù)構(gòu)件施工，在既有建筑的周邊、用地邊界線內(nèi)進(jìn)行地下連續(xù)墻的施工，為后續(xù)逆作法土方工程提供保障。其次，既有建筑地坪層施工，回填土開挖至原基礎(chǔ)頂標(biāo)高，并進(jìn)行支撐和圍檁施工，形成支護(hù)體系。最后，對(duì)既有基礎(chǔ)實(shí)施錨桿靜壓樁施工，形成基礎(chǔ)被動(dòng)托換的基本條件。

階段二：逆作法土方開挖。如圖1c）所示，在一階段施工的基礎(chǔ)上，實(shí)施逆作法土方開挖，形成地下空間，完成樁基礎(chǔ)與原獨(dú)立基礎(chǔ)的被動(dòng)托換。

階段三：地下室結(jié)構(gòu)體系建立。如圖1d）所示，按照逆作法施工作法，完成地下室底板和頂板的施工，并將既有建筑底層框架柱延伸至負(fù)一層，替換地下空間內(nèi)的錨桿靜壓樁樁體，形成箱式基礎(chǔ)，地下空間增建改造完成。

2 數(shù)值分析的前處理

2.1 主體結(jié)構(gòu)建模

本文對(duì)既有建筑地下空間的增建改造過程進(jìn)行了仿真數(shù)值模擬。前處理部分，模擬對(duì)象為某五層、框架結(jié)構(gòu)商業(yè)建筑，獨(dú)立基礎(chǔ)，柱網(wǎng)尺寸如圖2所示。

圖2 既有建筑實(shí)體建模示意圖

平面軸網(wǎng)尺寸為7.8m、6m和5.4m，如圖2所示。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》商業(yè)建筑樓面活荷載3.5kN/m，屋頂為不上人屋面，活載0.5kN/m。

2.2 地基土體建模

本算例的地基土體模型以某地下室增層改造項(xiàng)目實(shí)踐為背景，參照了該地區(qū)的巖土分布情況，如圖2b）所示。建模中，土體采用“C3D8R”三維八節(jié)點(diǎn)減縮積分單元，土體本構(gòu)關(guān)系采用摩爾庫倫模型，由《工程地質(zhì)手冊(cè)》確定其參考泊松比，詳細(xì)土層信息參見表1。

表1 地基巖土參數(shù)匯總表

2.3 模型邊界條件

在本算例中，逆作法基坑的開挖尺寸為27m×23.4m，深6.9m。模型的計(jì)算深度40m，水平邊界為基坑開挖深度的3～4倍，即以基坑邊緣為界，向四周各延伸25m，所得場(chǎng)地模型總尺寸為77m×73.4m×40m。

模型約束條件如下：地表水平面設(shè)為自由邊界，YZ面兩側(cè)邊界設(shè)置X向位移約束，XZ面兩側(cè)邊界設(shè)置Y向位移約束，模型底部邊界設(shè)置為固定約束。網(wǎng)格劃分以模型中部為核心計(jì)算區(qū)域，網(wǎng)格劃分單元應(yīng)致密，外圍區(qū)域的網(wǎng)格尺寸適當(dāng)增加。整個(gè)模型共計(jì)劃分為93159個(gè)網(wǎng)格單元格。模型詳細(xì)信息如圖3所示。

圖3 既有建筑ABAQUS建模

3 地下空間增建技術(shù)的影響分析

既有建筑增建地下空間技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程。整個(gè)增建技術(shù)的成敗取決于施工過程對(duì)其上部結(jié)構(gòu)的影響。該影響是建立在既有建筑作為新建建筑的初始變形的基礎(chǔ)上完成的一個(gè)短暫的二次變形過程。并且相對(duì)于初始變形，既有建筑的二次變形能力存在著較大削弱。因此，既有建筑增建改造應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)施工過程中的沉降控制。

3.1 增建技術(shù)的沉降控制依據(jù)

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB5007-2011規(guī)定，框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)鼗令悇e為中、低壓縮性土?xí)r，其相鄰柱基的允許沉降差限值為[0.002l]，高壓縮性土?xí)r，允許沉降差限制為[0.003l]，其中l(wèi)為相鄰柱基礎(chǔ)的中心距。同濟(jì)大學(xué)葉書麟根據(jù)其多年的實(shí)踐總結(jié)，得出基礎(chǔ)托換后建筑物的沉降允許值為：均勻沉降3cm和相鄰柱基沉降差1cm。

3.2 增建改造過程對(duì)既有建筑的沉降影響分析

在不同的工況下，觀測(cè)本算例中16根框架柱柱基的沉降分布，找出最小沉降位置，將其他柱基沉降與之相減，獲得各階段下，柱基的相對(duì)沉降值，選取沉降明顯的中柱、角柱及邊柱為沉降分析的主要對(duì)象。所得結(jié)果見表2和表3。

表2 增建改造前后柱基沉降值(單位/mm)

表3 增建改造前后相鄰柱基沉降差值(單位/mm)

根據(jù)表2和表3中的數(shù)據(jù)，增建改造過程中，上部結(jié)構(gòu)的最大沉降發(fā)生在中柱，最大沉降值為21.339mm，達(dá)到規(guī)范允許限值3cm的71.13%；相鄰柱基沉降差值以角柱與縱向邊柱間的沉降差值最大為2.613mm，達(dá)到規(guī)范允許限值1cm的26.13%。因此，在本次地下空間增建改造完成后，既有建筑仍處于可靠狀態(tài)。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，上部結(jié)構(gòu)的柱底沉降，中柱＞邊柱＞角柱；縱向邊柱＞橫向邊柱。即從增建改造實(shí)施開始至竣工完成，上部結(jié)構(gòu)的柱底沉降呈現(xiàn)出典型的“盆式”沉降的規(guī)律，并隨著施工的進(jìn)程，緩慢發(fā)展。數(shù)值模擬過程中，當(dāng)進(jìn)行逆作法土方開挖工序時(shí)，柱底沉降發(fā)展明顯加劇，應(yīng)注意對(duì)上部結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的不利影響。逆作法土方開挖的過程即完成基礎(chǔ)被動(dòng)托換的過程，是整個(gè)增建改造技術(shù)中的核心關(guān)鍵工序，在實(shí)際增建改造中應(yīng)注意放慢土方施工進(jìn)度，并選擇恰當(dāng)?shù)娜⊥练桨福瑴p緩上部結(jié)構(gòu)沉降的發(fā)展，確保增建改造過程安全可控。

對(duì)表2和表3中的中柱最大沉降值和縱向邊柱與角柱之間的最大相鄰沉降差值進(jìn)行提取，得到增建改造過程中柱底沉降與相鄰柱基沉降差的最不利情況，如表4所示。

由數(shù)值分析結(jié)果可知，在逆作法土方開挖過程中，既有建筑的荷載逐步由原獨(dú)立基礎(chǔ)轉(zhuǎn)移至樁基礎(chǔ)，錨桿靜壓樁的樁身和地基土之間側(cè)摩阻力逐漸增大，并發(fā)生附加沉降，呈現(xiàn)出典型的“盆式”沉降特征。在此過程中原獨(dú)立基礎(chǔ)發(fā)生了樁基被動(dòng)托換，上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力。表4中數(shù)據(jù)顯示，本文所設(shè)計(jì)的地下空間增建改造技術(shù)在理論上是切實(shí)可行的，能夠切實(shí)有效的控制柱底沉降及相鄰柱基沉降差值，確保既有建筑地下空間增建過程安全可靠。

表4 增建改造前后沉降分析(單位/mm)

4 結(jié)語

本文通過ABAQUS軟件對(duì)既有建筑地下空間的增建改造全過程進(jìn)行了三維仿真數(shù)值模擬分析，獲得以下研究結(jié)論。

（1）通過多次的數(shù)值模擬分析，確立了一套切實(shí)可行的既有建筑地下空間增建改造技術(shù)，具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義，可供實(shí)際的增建改造項(xiàng)目借鑒和參考。

（2）增建改造過程中，上部結(jié)構(gòu)的實(shí)際沉降呈“盆式”沉降，隨著關(guān)鍵工序逆作法土方工程的開挖，基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)托換，此時(shí)柱底沉降發(fā)展迅速，直至增建改造完成。

（3）地下空間增建改造的數(shù)值模擬過程中，柱底沉降最大值為中柱21.339mm，相鄰柱基沉降差最大值為縱向邊柱與角柱之間2.613mm，滿足現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的要求。