既有建筑物地下增层基坑开挖数值模拟分析★

王 笑

(上海长凯岩土工程有限公司，上海 200093)

既有建筑物地下增层基坑开挖数值模拟分析★

王 笑

(上海长凯岩土工程有限公司，上海 200093)

利用Plaxis建立二维有限元模型，对既有建筑物地下增层基坑开挖进行数值模拟分析，计算结果表明，基坑开挖及降水引起的中间区域既有桩基几乎无水平位移，边桩水平位移相对较大(mm数量级)；基坑开挖引起工程桩隆起，基坑降水引起工程桩下沉。同时提出了有利于减少既有桩基变形的措施：适当增大围护、支撑刚度，工程桩设置联系杆(拉结杆)及基坑按需降水等，这一结论可为类似工程提供借鉴作用。

既有建筑物，地下增层，基坑开挖，数值模型

0 引言

建筑物地下室增层，涉及到基坑工程、土方开挖及主体结构等多工况，此类基坑工程与常规基坑有所不同，作为环境保护对象的既有建筑物在基坑内部，且原有基础可能与围护体系连为整体、作为支撑体系的一部分，施工工况更复杂，对变形控制要求更严格。

贾强[1]认为既有建筑物地下空间开发的关键技术是桩基础托换和土方开挖。“整体基础托换与地下加层施工工法”[2]认为土方应分步开挖，开挖时桩两侧要同时平衡开挖以避免桩受不平衡的侧压力。崔勤[3]介绍了利用既有地下室结构顶板作为天然盖板向下盖挖加层新技术，在地下室进行暗挖加层的施工方法。吴园等[4]建议的基坑支护施工流程：施工围护桩→浅层土方开挖，开挖至基础底板→地梁施工，将整个建筑物地下构件连为整体，并延伸至围护桩，与围护桩之间以围檩连接，形成上部结构—基础—围檩—围护桩这种整体受力体系。

本文以某既有建筑物新增地下室工程作为分析对象，考虑到此类工程基础变形的敏感性，既有建筑物基础变形必须满足规程要求，在如此严格的变形控制要求下，土体变形将处于小应变区域[5]。因此，考虑土体小应变刚度特征，本文采用Plaxis软件，建立既有建筑物新增地下室的基坑开挖的有限元模型，通过参数分析，探讨土体小应变条件下既有建筑物桩基础的变形特征。

1 工程概况

某既有建筑物，为现浇混凝土框架结构，地上4F，无地下室，基础形式采用独立承台+桩基础，采用400 mm×800 mm的基础梁连接；桩基采用300 mm×300 mm预制方桩，桩长21 m，桩端持力层为⑦层砂质粉土。拟在建筑物下部新增1层地下室，开挖深度5.0 m，如图1所示。

2 计算模型与参数取值

2.1计算参数

模型中简化的土层分布：深度0 m～16 m，淤泥质土；深度16 m～21 m，⑥层粉质粘土；深度21 m以下，⑦层砂质粉土。本文采用Plaxis软件内嵌的土体小应变刚度模型(HSS模型)[5,6]。数值模拟过程中考虑基坑周边20 m范围内超载。结构参数：基坑采用钻孔灌注桩+一道混凝土支撑(既有建筑物基础承台及连梁作为支撑体系)。

2.2施工工况模拟

工况一：生成初始地应力场，激活承台、连梁、工程桩及既有建筑物上部荷载，初始位移置零；

工况二：施工围护桩、施加坑边超载；

工况三：第一层土体开挖、施工支撑(即承台、连梁与围护桩相连)；

工况四：土方开挖至坑底。

3 计算分析

本文进行数值模拟的目的是分析基坑开挖过程中各项因素对既有建筑物桩基变形的影响，分析主要分以下几方面：1)围护桩刚度；2)支撑刚度；3)基坑降水。

3.1围护桩刚度对既有建筑物桩基变形影响分析

图2,图3分别为围护桩采用φ900灌注桩条件下基坑开挖的水平及竖向位移云图，由图4可知，基坑开挖引起的水平位移最大值为5.85 mm，在围护桩坑底附近位置；基坑开挖引起的竖向位移最大值为7.99 mm，出现在坑底中间区域。

图4为不同围护桩刚度条件下，基坑开挖引起既有建筑物桩基的最大水平位移，工程桩编号见图1，水平位移以图1中x轴正向为正，余同。由图4可知，工程桩水平位移的变形趋势为边桩往中间位移，而中间区域工程桩几乎没有水平位移；围护桩刚度不同，基坑开挖引起的工程桩水平位移有所不同，但差别不大。以P1-1为例，φ600灌注桩条件下最大水平位移5.02 mm，φ900灌注桩条件下最大水平位移4.63 mm，围护桩桩径由600增加至900，工程桩水平位移减少8%。

图5为不同围护桩刚度条件下，基坑开挖引起既有建筑物桩基的竖向位移，竖向位移以图1中y轴正向为正，余同。由图5可知，工程桩竖向位移与坑底隆起变形趋势一致，呈中间隆起大，两侧相对较小；围护桩刚度不同，工程桩的隆起变形几乎无差异；工程桩隆起最大位置为中间区域工程桩(P2-1～P2-3)，隆起量为1.78 mm，占坑底最大隆起量8.00 mm的22%。

3.2支撑刚度对既有建筑物桩基变形影响分析

考虑到本工程既有建筑物的承台、基础梁作为支撑体系，模型中支撑是按板构件梁单元考虑的，支撑刚度分布选取板厚0.4 m、板厚1.0 m以及板厚1.0 m+联系杆三种情况进行计算分析。

图6是不同支撑刚度下，基坑开挖引起既有建筑物桩基最大水平位移。由图6可知，无论对于边桩还是中间区域工程桩，支撑刚度越大，工程桩的水平位移越小，以P1-2为例，支撑刚度取板厚0.4 m情况下水平位移最大值5.5 mm，支撑刚度取板厚1.0 m情况下水平位移最大值5.0 mm，支撑刚度取板厚1.0 m+联系杆情况下水平位移最大值4.34 mm，支撑刚度加大及考虑联系杆作用能减少21%的水平位移。

图7是不同支撑刚度下，基坑开挖引起的既有建筑物桩基竖向位移。由图7可知，支撑刚度对边桩的竖向位移几乎无影响，对中间区域工程桩有一定的影响，以P2-2为例，支撑刚度取板厚0.4 m情况下竖向位移最大值1.58 mm，支撑刚度取板厚1.0 m情况下竖向位移最大值1.85 mm，支撑刚度取板厚1.0 m+联系杆情况下竖向位移最大值2.05 mm。支撑刚度加大及考虑联系杆作用增大了中间区域工程桩29%的竖向位移。

3.3基坑降水对既有建筑物桩基变形影响分析

工程中为确保基坑开挖顺利进行，通常在土方开挖前进行预降水，本节所模拟的基坑预降水，即在围护桩完成后、土方开挖前进行的坑内降水，模型中通过设置水位线将坑内水位降低至坑底面。

图8为分别考虑基坑降水、土方开挖及两者共同作用下坑内工程桩的水平位移。由图8可知，基坑开挖和基坑降水引起的工程桩水平位移变形规律上是一致的，即边桩向基坑中部水平侧移，而中间桩几乎无水平位移。分析其原因，基坑降水引起的渗流场与基坑开挖引起的应力释放场趋势上较为一致。以边桩P2-2为例，水平位移最大值，基坑降水引起、土方开挖引起及两者叠加分别为0.86 mm,4.89 mm和5.75 mm，基坑降水引起的约占总变形的15%。

图9为分别考虑基坑降水、土方开挖及两者共同作用下坑内工程桩的竖向位移。由图9可知，基坑开挖引起坑内工程桩竖向隆起，隆起量中间区域最大，P2-1～P2-3隆起量分别为1.78 mm,1.71 mm,1.79 mm；边桩隆起量最小，P1-1～P1-3隆起量分别为0.22 mm,0.84 mm,1.56 mm；不同承台差异沉降为0.87 mm。基坑降水引起坑内工程桩沉降，沉降量两边大、中间小，边桩沉降量最大为1.55 mm，中间工程桩沉降量约0.52 mm；降水和土方开挖两者叠加后，不同承台差异沉降为1.64 mm，即先降水再开挖基坑，会加剧工程桩及承台的差异沉降，与未考虑降水情况相比，考虑降水的土方开挖会导致不同承台差异沉降增大一倍。

4 结语

既有建筑物地下增层基坑开挖过程会引起既有建筑物桩基发生水平及竖向位移。本文通过数值模拟，分析了围护桩刚度、支撑刚度、基坑降水等在基坑开挖工程中对既有建筑物桩基础变形的影响程度，结论如下：

1)基坑开挖及降水，引起既有桩基水平位移：中间区域桩基几乎无水平位移，边桩水平位移相对较大(mm数量级)。有利于减少边桩水平位移的措施：适当增大围护、支撑刚度，工程桩设置联系杆(拉结杆)。2)基坑开挖及降水，引起既有桩基竖向位移：基坑开挖引起工程桩隆起，基坑降水引起工程桩下沉。有利于减少工程桩竖向位移及减少差异沉降的措施：工程桩设置联系杆(拉结杆)、基坑按需降水。

[1] 贾 强,张 鑫,刘华军.既有建筑地下增层支撑钢管的连接安装方法[J].四川建筑科学研究,2014,40(6):99-100.

[2] 北京城建七建设工程有限公司.整体基础托换与地下加层施工工法[J].施工技术,2002,31(5):45-46.

[3] 崔 勤,徐正良,张中杰.复杂环境的地下室盖挖加层关键技术研究[J].城市道桥与防洪,2008,8(8):189-192.

[4] 吴 园,张必胜.既有建筑增建地下空间的方法与关键技术[J].施工技术,2015,44(sup):611-613.

[5] 褚 峰,李永盛,梁发云,等.土体小应变条件下紧邻地铁枢纽的超深基坑变形特性数值分析[J].岩石力学与工程学报,2010,29(S1):3184-3192.

[6] 尹 骥.小应变硬化土模型在上海地区深基坑工程中的应用[J].岩土工程学报,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 ★:上海张江国家自主创新示范区专项发展资金重点项目(201705-YP-C2090-037)

王 笑(1987- )，女，工程师

TU753

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