既有建筑地下空间拓建基础托换技术数值模拟研究

夏 葵, 何晓彤, 刘保县, 黄尚珩, 冉 续, 李 杰, 凌 书

(1. 成都建工第三建筑工程有限公司, 四川成都 610000; 2. 西华大学, 四川成都 610000)

近年来，随着城市化水平的提高，大型核心城市地下空间开发利用得到迅速发展。地下空间开发已成为土地稀缺的国家城市发展必要条件[1]。地下空间的发展离不开相关的技术研究，有利于推动托换技术的发展[2]。本文提出既有建筑地下空间拓建基础托换方法，即板式托换法，并采用ABAQUS模拟软件对两种托换流程进行数值，总结了一套施工技术，为类似工程提供参考。

1 基础托换技术研究现状

基础托换技术是既有建筑地下空间拓建以及地下增层过程中的一项重要技术，其施工难度比较大，技术要求比较高，同时又是多项技术的综合体。基础托换技术主要包括4部分内容：①基础加固；②基础转换；③既有建筑竖直向下再次开发；④增强建筑安全性(表1)。

近几年，随着城市快速发展，土地资源短缺，既有建筑地下增层工程逐渐增多，托换技术的应用也明显增加，除了用于地下增层改造中，在建筑安全工程和加固改造、土石方领域也比较常见。本技术难度系数高，安全性也比较高[4]。

建于英国的Winchester大教堂，是最早使用补救性托换技术的工程。通过托换技术，更换承载力不足的基础，改善了原有建筑基础的缺陷，是世界上第一个采用托换技术成功的案例，是托换技术的一大突破。

表1 基础托换种类和特点[6-7]

2 既有建筑特点分析

在进行基础托换时，首先需要对原有建筑物进行性能检测，确定原建筑是否适合地下增层改造，以及改造完成以后可否满足使用需要，并且保证后期使用安全性。另外还要对周边环境进行考察，避免对周边建筑物的影响，规避不利因素，然后选择合理的试验模型模拟施工流程:

(1)可行性勘察，如水文、地质、周边建筑、地下管线等。

(2)既有建筑的结构形式、层高、基础形式等。

(3)建筑荷载情况，人流量、楼面荷载。

(4)选择基础托换工艺，板式托换、桩基托换。

(5)土方开挖方法选择，根据场地选择合理的开挖机械、开挖顺序。

(6)考虑建筑周边的荷载，建筑位置、车流量、人流量、以及施工干扰等问题。

3 主要施工工艺

常见的基础托换形式有桩基托换、梁式托换、板式托换3种，因为本研究模型为低层建筑框架结构，所以本文主要研究板式托换法以及施工工艺。先进行场地平整，清理周边杂物，然后利用周边的水准点进行测量放线，接下来施工一层梁和楼板，采用植筋的方法与框架柱连接，并进行拉拔试验；下一步进行对角位置土方开挖，随着土方开挖，一层梁板逐渐发挥临时基础的支撑作用，当挖至地下室底板标高时，将原来的柱子接长，并完成基础施工，然后进行另一对角土方开挖，重复以上工作，最后土方全部挖完，立即封底，浇筑地下室底板和地下室外墙。

板式托换法的施工工艺流程：施工准备—场地平整—测量放线—地下连续墙施工—施工首层托换梁—托换板施工—托换板与梁、柱连接—土方开挖—柱子接长—地下室底板施工—托换板下土体开挖—补全托换板和底板。地下室顶板与底板交替作托换构件，可以增建多层地下室。

4 板式托换有限元分析

ABAQUS是一套数值模拟的软件，可用于结构变形与沉降分析，通过建立模型，进行数值模拟，研究技术可行性、方案适用性。ABAQUS功能强大、用途广泛，可以解决工程研究中的线性和非线性等一系列问题，包含有很多单元库，材料库，所以在很多领域都可使用。地下增层基础托换技术复杂，综合性很强，难度系数高，应用ABAQUS可以解决研究过程中既有建筑的应力和应变等问题。

本文采用ABAQUS分析等跨框架结构的沉降变形，原有建筑材料，柱子为C30混凝土，梁板为C25混凝土。

4.1 计算模型

为了更加准确研究本技术，本研究建立了模型试验，设计图纸取自某办公楼，并将其简化，原有建筑简化模型为：纵向和横向均为3跨，等跨框架结构，跨度均为7.5 m；层高为3层，结构层高均为3.3 m。基础形式为独立基础。

4.2 工况模拟

为了研究等跨框架结构的沉降规律以及不均匀沉降对上部结构的影响，本文运用ABAQUS有限元软件对地下施工过程进行数值模拟分析，针对等跨框架结构板式托换方法，采用双侧开挖方式，进行实体建模，框架结构各构件都采用实体单元，框架梁、柱、板网格划分时，网格划分比较细致。加载时首先对了框架结构和地基土施加自重荷载，然后对建筑的楼板和屋面板施加面荷载，这样操作的目的是模拟建筑物在进行基础托换之前已经有部分沉降量。

板式托换有限元研究针对基础托换过程，建立模型计算分析，6个工况：①托换顶板、梁施工；②对角挖土、柱子底板施工；③另外对角挖土、柱子底板施工；④顶板下土体开挖等工况分别模拟。整个托换过程三维模型见图1。

图1 托换顶板模型

5 数值模型柱脚沉降分析

通过上述模拟，记录整理各个工况沉降值。为了更加清晰直接地反映沉降规律，将各个工况的柱脚沉降数值绘制成折线图，见图2所示。

根据数值模拟得到的沉降数值，得出各个工况沉降规律：

(1)由图2可知一、三、五 3个工况沉降值比较小，并且沉降走势类似，基本呈现“盆式沉降”，沉降数值中柱大于角柱。

(2)二 、四工况不均匀沉降值较大，说明沉降受挖土影响较大。部分柱脚沉降值大于规范值，所以在建筑基础托换全过程中土方开挖是至关重要的工序，需要提前编制合理的开挖方案以及必要的专家论证。

6 总结

通过ABAQUS建立三维模型，进行了板式基础托换技术研究，着重模拟了不同工况下柱子的沉降，进而分析总结基础托换过程中柱脚的沉降规律，本文采用的是新型十字板托换方法，为地下增层研究提供指导。既有建筑地下增层技术涉及结构、岩土、支护等多个方面，技术研究非常复杂。本文主要研究板式托换法对结构沉降的影响，但是研究相对片面，很多研究不够完善，如数值模拟方面：需要针对不同的基础形式、结构形式开展进一步的研究。模型试验方面：需要研究不同的开挖形式对结构沉降的影响。

图2 各个工况柱脚沉降值