既有建筑地下增层地下连续墙及基底回弹变形分析

何晓彤, 冉 续, 黄尚珩, 杨大雪, 凌 书, 李 杰

(成都建工第三建筑工程有限公司, 四川成都 610000)

随着我国进入城市化进程的快速发展期，城市土地资源越来越匮乏[1]，城市的可持续发展将会受到土地资源的制约，并且城市中心的地价昂贵、拆除重建成本高昂，因此合理利用和开发城市地下空间资源具有重要的意义[2-3]。对既有建筑进行地下增层改造是一种开发城市地下空间的有效途径，能缓解城市中心停车难和地面空间拥挤等问题。

1 地下增层施工

地下增层技术施工过程复杂，包含加固改造、基础托换、基坑支护、土方开挖等施工过程。本文主要介绍桩基托换方法及其施工技术原理[4]。采用浅埋独立基础的多层钢筋混凝土框架结构建筑地下增层施工技术，增建地下室底板标高远小于这类建筑的原基础顶面标高。以下介绍此类建筑延伸式地下增层方法的施工技术流程[5]。

本建筑为3层框架结构，为独立基础。地下增层技术流程：既有建筑检测及加固—支护体系施工—土方开挖施工—地下室底板和顶板施工。

1.1 既有建筑检测及加固

以某三跨框架结构为例，基础形式为浅埋独立基础。本阶段主要是对既有建筑进行建筑结构检测，验证既有建筑原有结构能否满足后续增层改造工程施工的要求[6]。如不满足，需对原建筑结构进行加固，使其在安全性和施工可操作性上均能满足后续施工步骤的要求。

1.2 支护体系施工阶段[7]

这里介绍采用锚杆静压桩的基础托换体系施工，依次分为3个施工步骤：地下连续墙施工；破除原结构地面、挖除原基础底面以上回填土；进行锚杆静压桩的施工。

1.3 土方开挖施工阶段

土方开挖是既有建筑地下增层的核心，是形成地下室室内空间的施工步骤。从结构受力分析，既有建筑的荷载随着土方开挖的进行逐步转移至锚杆静压桩，即是原结构由独立基础承重体系变为桩基础承重体系，土方开挖的方式将直接影响地下增层改造工程的成败[8]。

1.4 地下室底板和顶板施工

地下室土方工程施工完成后，需要立即进行地下室底板施工工作，以保证基坑的安全(图1)。地下室顶板施工过程包含地下室结构柱施工过程，在此过程将地下室内的锚杆静压桩转换为地下室结构柱，上部结构荷载直接由地下室结构柱传递给下方的桩-筏基础[9-10]。

施工完成后，建筑由原来的桩基础变为桩-筏基础，建筑物的承载能力和抗震性得到了提高，本技术原理为地下室逆作法施工。此方法可以使使基坑四周的压力相互抵消，增强基坑壁的安全性。

2 地下连续墙施工

地下连续墙经常使用600～800 mm的厚度，并且不宜小于600 mm，墙体厚度需要结合设计要求和成槽机械来确定，一般为偶数值。地下连续墙需要按照整体平面布置图、槽壁稳定性、受力特性、周边环境情况和施工要求来确定槽段的形状和长度。本文讨论的多层框架结构地下增层改造项目，一般开挖1～2层地下室，基坑开挖深度一般不会大于10 m，因此地下连续墙按照规范规定的的构造设计即可，地下连续墙厚度可取最小值600 mm。

地下连续墙成槽必须采用专门的挖槽设备，并且在成槽过程中需要有泥浆护壁。成槽应当分段开挖，槽段开挖完成后向内吊装钢筋笼，而后采用导管法浇筑混凝土，依次逐段进行施工，便可完成整个钢筋混凝土地下连续墙的施工。

地下连续墙最关键的工序是成槽，成槽的工艺主要分为3类：旋转切削土层并采用泥浆循环排渣成槽方法；挖土斗或者抓斗式直接出土成槽方法；冲击式凿岩机成槽工艺。

图1 地下增层施工技术流程

3 三维有限元模拟

本文以3层独立基础既有框架结构进行模型试验，结合ABAQUS软件，建立有限元数值分析计算模型。针对既有建筑地下增层原型结构和支护结构的特点，数值模拟做出如下假定：

(1)上部框架结构、桩体、挡土墙等钢筋混凝土材料，假设在受力变形过程中应力应变关系呈线性变化，采用线弹性本构模型；

(2)模型中的黏土视作均质、连续且各向同性的弹塑性材料，土体属性定义采用Mohr-Coulomb本构模型。

3.1 地下连续墙变形分析

地下连续墙在基坑开挖中的水平位移云图，图中的变形放大系数为200，单位为m。可以看出由于没有设置水平支撑，地下连续墙顶的水平位移较大，水平位移呈现由上往下递减的趋势。如果设置顶部的水平支撑，能够增加围护结构的整体刚度，有效约束地下连续墙上部的水平位移。

由模型可以看出顶部变形较大，并且由上向下逐渐减小，因此顶部加设水平支撑可以有效约束地下连续墙上部的水平位移(图2)。

图2 地下连续墙变形

3.2 坑底回弹变形分析

既有框架结构地下增层模型试验数据时，得出土体由于上层土方开挖，使得下层土方的附加应力减小，出现了坑底回弹的现象。ABAQUS三维数值模拟土方开挖完成后，基坑土体回弹情况如图3所示。

图3 坑底回弹变形

坑底中部的回弹值明显高于周边部位的回弹值，并且在没有独立基础作用的中部位置，坑底回弹现象最严重。

4 总结

既有框架结构地下增层模型试验研究，在地下增层施工对上部结构的影响和桩应变变化规律分析方面取得了一些初步的成果，对地下增层ABAQUS三维模型进行分析，主要得出结论：①地下连续墙顶设置水平支撑能够有效限制连续墙上部的水平位移，不设置则地下连续墙水平位移呈现从上往下递减的趋势。②坑底土体出现了回弹，且坑底中部的回弹量明显大于坑底周边的回弹量。

5 展望

本文通过既有框架结构地下增层模型试验研究，在地下增层施工对地下连续墙及基底回弹变形研究方面取得了一些初步的成果，但是既有建筑地下增层施工是一个复杂的工程项目，仍然有许多问题需要进一步的深入研究：

(1)本文采用厚木板模拟地下连续墙，并未考虑地下连续墙的材料相似和厚度尺寸相似，后续的研究工作中可以严格按照相似理论设计制作模型的地下连续墙，分析地下连续墙的位移和应变规律。

(2)本文采用单层土体模拟地基土，不能很好地模拟实际工程地基场地的土层划分情况，后续研究中可以模拟多层地基土进行既有建筑地下增层模型试验，探究桩在不同土层的应变变化规律。

(3)本文进行的既有建筑地下增层模型试验探究的是采用独立基础承重的框架结构地下增层施工技术，而实际工程中存在桩基础、条形基础等多种基础形式，上部结构也有可能是砌体结构等结构形式，后续可以研究不同基础类型的建筑或者不同的上部结构类型的地下增层施工技术。