既有建筑基礎(chǔ)托換過程中的基礎(chǔ)沉降分析

時春霞 何 強 潘 峰

上海建工五建集團有限公司 上海 200063

上海有著較大存量的歷史建筑，這些歷史建筑在過去的結(jié)構(gòu)服役期間，結(jié)構(gòu)性能逐漸下降、居住舒適度變差等問題日漸凸顯。隨著上海城市更新步伐的加快，這些既有建筑亟待改造修繕。頂升施工是其中難度較高的一種改造修繕方法。通過頂升施工，可以抬高原建筑結(jié)構(gòu)，改善地下水位侵蝕、雨水倒灌等問題。頂升施工過程就往往需要進行基礎(chǔ)托換，改變原基礎(chǔ)形式和傳力途徑，提高基礎(chǔ)承載力等結(jié)構(gòu)性能，而其施工過程會使得結(jié)構(gòu)豎向荷載重分布，建筑基礎(chǔ)會產(chǎn)生沉降變化，可能發(fā)生不均勻沉降。

我國的建筑整體移位（包含平移和頂升等）技術(shù)從20世紀90年代開始發(fā)展。上海走在全國前列，至今已有不少成功案例。2003年，質(zhì)量約5 800 t的上海音樂廳被整體平移66.46 m，頂升3.38 m；2009年，上海南浦大橋東主引橋下匝道部分的九孔橋梁完成了頂升位移，整體頂升重約為100 000 kN，頂升面積約為5 000 m2；2017年，上海玉佛寺進行了加固修繕，并被整體平移30.66 m，頂升1.05 m。

在技術(shù)研究方面，通過數(shù)值模擬方法可確保既有建筑移位、結(jié)構(gòu)托換施工中的結(jié)構(gòu)安全，具有一定的研究基礎(chǔ)。2012年，謝洪恩用SAP2000軟件建立了南京博物院老大殿的有限元分析模型，以位移時程曲線來模擬頂升施工時可能遇到的不利工況，以結(jié)構(gòu)裂縫寬度作為判別指標，對該歷史建筑進行了數(shù)值模擬[1]。同年，洪鷹對建筑遷移施工中的沉降差進行數(shù)值模擬分析，并通過VC++讀取Ansys結(jié)果文件的方法，在OpenGL上實現(xiàn)了建筑物遷移模擬的可視化[2]；2013年，趙士永用SAP2000軟件建立某古建筑群模型，分析了托換結(jié)構(gòu)各部分構(gòu)件的內(nèi)力和變形[3]。

目前，分析既有建筑基礎(chǔ)托換、頂升施工過程中基礎(chǔ)沉降的相關(guān)研究較少。針對該問題，結(jié)合上海某歷史建筑托換頂升工程，通過數(shù)值模擬方法，對比實際沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，對各施工工況下的基礎(chǔ)沉降變化情況展開研究[4-6]。

1 背景工程

1.1 建筑、主體結(jié)構(gòu)概況

該歷史建筑總建筑面積約10 000 m2，東西向總長約為80 m，南北向總寬約為45 m。房屋總高6層，局部區(qū)域有1層地下室。建筑平面呈工字形，分為南側(cè)主樓、北側(cè)副樓、中間連廊等?，F(xiàn)擬對該歷史建筑進行整體頂升修繕改造，通過托換、頂升技術(shù)，將該建筑整體抬高約1.2 m，以改變該建筑室內(nèi)地坪低于室外地坪，汛期排水難的現(xiàn)狀，并在改造修繕的過程中提高結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性。

1.2 基礎(chǔ)、地層土體概況

該歷史建筑為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。原基礎(chǔ)形式為鋼筋混凝土淺基礎(chǔ)和松木樁群共同組成的復合型基礎(chǔ)。淺基礎(chǔ)以條形基礎(chǔ)為主，局部為獨立基礎(chǔ)，埋深為室內(nèi)地坪以下約1.5 m；局部地下室處為片筏基礎(chǔ)，埋深為室內(nèi)地坪以下約4 m。經(jīng)檢驗，基礎(chǔ)混凝土平均強度推定為C18。根據(jù)勘查報告，基礎(chǔ)持力層為灰黃色粉質(zhì)黏土，承載力特征值為80 kPa，考慮松木樁群作用后，復合地基承載力約為125 kPa?？紤]上部荷載和基礎(chǔ)自重，房屋最大基底壓力為120 kPa，略小于復合地基承載力。原基礎(chǔ)承載力滿足正常使用要求，但富余量較小。

2 既有建筑基礎(chǔ)托換施工

該歷史建筑托換、頂升總體施工流程為：上部結(jié)構(gòu)加固→圍護鋼板樁施工→第1層土方開挖→上托盤結(jié)構(gòu)制作→鋼支撐施工→靜壓錨桿樁施工（除地下室區(qū)域）→井點降水→第2層土方開挖→靜壓錨桿樁施工（局部地下室區(qū)域）→下托盤結(jié)構(gòu)制作→頂升前上部結(jié)構(gòu)第2次臨時加固→在上、下托盤結(jié)構(gòu)之間設(shè)置千斤頂頂升系統(tǒng)→截斷上、下托盤結(jié)構(gòu)之間的錨桿樁段→結(jié)構(gòu)整體頂升→在上、下托盤結(jié)構(gòu)之間設(shè)置新的豎向結(jié)構(gòu)和隔震支座→建筑內(nèi)外修繕復原。本文主要計算分析基礎(chǔ)托換的施工工序，即到“下托盤結(jié)構(gòu)制作”這一工序。

該歷史建筑原基礎(chǔ)為鋼筋混凝土淺基礎(chǔ)和木群樁共同組成的復合型基礎(chǔ)；在第2層土方開挖過程中，當原基礎(chǔ)和土體不再接觸后，該建筑的主要基礎(chǔ)形式變?yōu)殪o壓錨桿樁基礎(chǔ)；當截斷上、下托盤結(jié)構(gòu)之間的錨桿樁段后，該建筑的基礎(chǔ)形式變?yōu)橄峦斜P結(jié)構(gòu)及其下方的靜壓錨桿樁共同組成的筏板長樁基礎(chǔ)。圖1為截斷上、下托盤結(jié)構(gòu)之間的錨桿樁段前，施工流程中基礎(chǔ)形式變化示意圖。

圖1 基礎(chǔ)形式變化示意

3 基礎(chǔ)沉降模擬分析

本文所采用的基礎(chǔ)沉降分析總體思路為：選取從“圍護鋼板樁施工”到“下托盤結(jié)構(gòu)制作”中的主要工況，利用有限元軟件Midas GTS分析各工況下的基礎(chǔ)沉降，并和施工現(xiàn)場的實際沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)對比。

3.1 模擬分析模型

計算工況包括：工況1，鋼板樁施工及第1層土方開挖；工況2，上托盤結(jié)構(gòu)制作和鋼支撐施工；工況3，靜壓錨桿樁（除局部地下室區(qū)域）施工；工況4，第2層土方開挖；工況5，局部地下室區(qū)域靜壓錨桿樁施工；工況6，下托盤結(jié)構(gòu)制作。

模型中，不考慮井點降水對基礎(chǔ)沉降的影響，對各層土體進行水平簡化。土體采用修正摩爾-庫侖本構(gòu)模型。模型中土體高度取2～3倍最大樁長，基坑開挖邊界至模型邊界取3～5倍基坑深度。過小的模型邊界可能無法完整反映各施工工況對基礎(chǔ)沉降的影響，模型邊界處可能出現(xiàn)異常的模擬結(jié)果；過大的模型邊界則會增加低效率的計算成本。結(jié)合背景工程中的靜壓錨桿樁有效樁長約為38 m，基坑深度約為5 m，在模型中取土層高度為80 m，基坑開挖邊界至模型邊界為25 m。

考慮的荷載類型包括：土體自重、梁板柱自重、墻體自重。墻體自重以線荷載的方式施加在梁上，外環(huán)梁上為黏土磚墻，所施加的線荷載大小為27.65 kN/m，其余梁上考慮輕質(zhì)砌塊墻，所施加的線荷載大小為7 kN/m。

對與原來的松木樁群埋深相同的實體，采用相對精細的網(wǎng)格劃分；同時為了控制整個模型中網(wǎng)格劃分后單元的總數(shù)量、節(jié)約計算成本，對其他部分的實體采用相對粗略的網(wǎng)格劃分；相鄰實體的網(wǎng)格劃分精度差距不宜過大。

實際工程中，上托盤結(jié)構(gòu)采用了由原基礎(chǔ)梁、原基礎(chǔ)梁兩側(cè)新建的夾墻梁、穿墻鋼筋和穿墻型鋼抬梁組成的雙夾梁形式。在模型中采用二維板單元對上托盤結(jié)構(gòu)進行簡化建模。圖2為Midas GTS有限元軟件中劃分完網(wǎng)格的模型。圖3為所選取的用于和沉降模擬結(jié)果對比的監(jiān)測點位布置圖，選取結(jié)構(gòu)主要轉(zhuǎn)角處、長邊中部進行布點。

圖2 Midas GTS網(wǎng)格模型

圖3 沉降監(jiān)測點位布置

3.2 模擬分析結(jié)果

圖4為Midas GTS有限元軟件中各工況下基礎(chǔ)沉降位移云圖。由圖4可知：各模擬工況下的基礎(chǔ)沉降位移絕對值在5 mm以內(nèi)。模擬沉降最為顯著的2個工況為工況3“施工靜壓錨桿樁（除地下室區(qū)域）”和工況6“下托盤結(jié)構(gòu)制作”。工況3中基礎(chǔ)最大下沉量為－4.28 mm；工況6中基礎(chǔ)最大下沉量為－4.33 mm。

圖4 Midas GTS 各工況下基礎(chǔ)沉降位移云圖

3.3 沉降數(shù)據(jù)分析

通過對比分析沉降模擬結(jié)果和現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，一方面可以檢驗基礎(chǔ)沉降在數(shù)值模型和實際施工兩者間相符合的程度；另一方面，可以結(jié)合監(jiān)測預警閾值，對實際施工中異常的基礎(chǔ)沉降進行預警。各單工況下的基礎(chǔ)沉降數(shù)據(jù)對比如圖5所示。

圖5 單工況下沉降模擬結(jié)果和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

由圖5可知：除工況3的其他工況中，各監(jiān)測點的沉降模擬結(jié)果和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)差異較小。數(shù)值模擬結(jié)果較好地反映了5個施工工況作用下基礎(chǔ)的沉降情況，其結(jié)果可以作為參考。

在工況3“靜壓錨桿樁（除局部地下室區(qū)域）施工”中，f5至f15的監(jiān)測點沉降模擬結(jié)果和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)差異較大，且對于越往北的監(jiān)測點，兩者之間的差異越大。究其原因：在實際施工靜壓錨桿樁時，為了保護該歷史建筑南側(cè)同屬于保護部位的花園和古木，采用了從南側(cè)主樓向北側(cè)副樓的錨桿樁壓樁順序，而該歷史建筑北側(cè)有緊鄰的單建式多層地下車庫，地下車庫和該歷史建筑之間還有灌注樁隔離屏障，一定程度上阻礙了壓樁后土壓力的卸載；因工期原因，在該歷史建筑南北側(cè)靜壓錨桿樁密度相當?shù)那闆r下，北側(cè)副樓的壓樁施工速度較南側(cè)主樓要快；背景工程中的工程樁的斷面直徑約400 mm，為較大斷面的工程樁，且數(shù)量較多。當北側(cè)副樓處以相對較快的速度沉樁時，其下部土體中的孔隙水壓力迅速增大而又無法消散，其排土量幾乎和壓入土體中的樁體體積相當。上述因素造成了北側(cè)副樓較南側(cè)主樓發(fā)生了相對較大的上抬。

4 施工工況評價及工藝建議

基坑開挖卸載引起坑底土體產(chǎn)生以向上為主的位移，在此過程中，基坑內(nèi)工程樁主要受到如下的豎向作用：坑內(nèi)土體應(yīng)力釋放、回彈，帶動樁上移，樁身上部承受向上的正摩阻力作用，即上拔荷載，樁被抬升；樁身下部阻止樁的上移，對樁產(chǎn)生向下的負摩阻力。樁在正、負摩阻力的作用下承受拉伸軸力[7]。此外，基坑內(nèi)土體開挖完成后，上覆土體的移去使得樁周中的土體有效應(yīng)力減小，樁側(cè)摩阻力減小，導致樁的承載力有一定程度的降低。因此，背景工程的施工工況4“第二層土方開挖”是保障該歷史建筑結(jié)構(gòu)安全的重點工況。

為了減少壓樁施工中所發(fā)生的不均勻沉降，提出如下施工建議：壓樁施工時應(yīng)結(jié)合實際施工環(huán)境選取最優(yōu)的壓樁推進順序。靜壓錨桿樁施工時應(yīng)避免密集。對各區(qū)域密度相當?shù)撵o壓錨桿樁，壓樁速率應(yīng)盡量保持一致且緩慢。此外，為了加快整體的壓樁施工進度，可在相距較遠的壓樁點位同時壓樁。

5 結(jié)語

既有建筑基礎(chǔ)托換等改造修繕施工會使得結(jié)構(gòu)豎向荷載重分布，建筑基礎(chǔ)會產(chǎn)生沉降變化，可能發(fā)生不均勻沉降。通過有限元軟件對各工況下的基礎(chǔ)沉降進行數(shù)值模擬，并和現(xiàn)場實際沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，可以較好地反映各施工工況對基礎(chǔ)沉降的影響，為前期評估、指導施工提供理論依據(jù)。

實際施工中的基礎(chǔ)沉降受到了地質(zhì)環(huán)境、周邊建筑、施工工藝等復雜因素影響，數(shù)值模擬模型則較為理想，兩者間的差異會影響數(shù)值模型的精度。通過對壓樁等施工工藝進行優(yōu)化，可以減少基礎(chǔ)的不均勻沉降。

本文的分析思路和方法對其他既有建筑基礎(chǔ)沉降分析具有參考意義。