既有建筑基礎托換過程中的基礎沉降分析

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構服役期間，結構性能逐漸下降、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，可以抬高原建筑結構，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托換，改變原基礎形式和傳力途徑，提高基礎承載力等結構性能，而其施工過程會使得結構豎向荷載重分布，建筑基礎會產生沉降變化，可能發生不均勻沉降。

我國的建筑整體移位（包含平移和頂升等）技術從20世紀90年代開始發展。上海走在全國前列，至今已有不少成功案例。2003年，質量約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。

在技術研究方面，通過數值模擬方法可確保既有建筑移位、結構托換施工中的結構安全，具有一定的研究基礎。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，以結構裂縫寬度作為判別指標，對該歷史建筑進行了數值模擬[1]。同年，洪鷹對建筑遷移施工中的沉降差進行數值模擬分析，并通過VC++讀取Ansys結果文件的方法，在OpenGL上實現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，分析了托換結構各部分構件的內力和變形[3]。

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

1 背景工程

1.1 建筑、主體結構概況

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，局部區域有1層地下室。建筑平面呈工字形，分為南側主樓、北側副樓、中間連廊等。現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，將該建筑整體抬高約1.2 m，以改變該建筑室內地坪低于室外地坪，汛期排水難的現狀，并在改造修繕的過程中提高結構的安全性和舒適性。

1.2 基礎、地層土體概況

該歷史建筑為現澆鋼筋混凝土結構。原基礎形式為鋼筋混凝土淺基礎和松木樁群共同組成的復合型基礎。淺基礎以條形基礎為主，局部為獨立基礎，埋深為室內地坪以下約1.5 m；局部地下室處為片筏基礎，埋深為室內地坪以下約4 m。經檢驗，基礎混凝土平均強度推定為C18。根據勘查報告，基礎持力層為灰黃色粉質黏土，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。考慮上部荷載和基礎自重，房屋最大基底壓力為120 kPa，略小于復合地基承載力。原基礎承載力滿足正常使用要求，但富余量較小。

2 既有建筑基礎托換施工

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

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

圖1 基礎形式變化示意

3 基礎沉降模擬分析

本文所采用的基礎沉降分析總體思路為：選取從“圍護鋼板樁施工”到“下托盤結構制作”中的主要工況，利用有限元軟件Midas GTS分析各工況下的基礎沉降，并和施工現場的實際沉降監測數據對比。

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，上托盤結構制作和鋼支撐施工；工況3，靜壓錨桿樁（除局部地下室區域）施工；工況4，第2層土方開挖；工況5，局部地下室區域靜壓錨桿樁施工；工況6，下托盤結構制作。

模型中，不考慮井點降水對基礎沉降的影響，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沉降的影響，模型邊界處可能出現異常的模擬結果；過大的模型邊界則會增加低效率的計算成本。結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，采用相對精細的網格劃分；同時為了控制整個模型中網格劃分后單元的總數量、節約計算成本，對其他部分的實體采用相對粗略的網格劃分；相鄰實體的網格劃分精度差距不宜過大。

實際工程中，上托盤結構采用了由原基礎梁、原基礎梁兩側新建的夾墻梁、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構進行簡化建模。圖2為Midas GTS有限元軟件中劃分完網格的模型。圖3為所選取的用于和沉降模擬結果對比的監測點位布置圖，選取結構主要轉角處、長邊中部進行布點。

圖2 Midas GTS網格模型

圖3 沉降監測點位布置

3.2 模擬分析結果

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

圖4 Midas GTS 各工況下基礎沉降位移云圖

3.3 沉降數據分析

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

圖5 單工況下沉降模擬結果和實際監測數據對比分析

由圖5可知：除工況3的其他工況中，各監測點的沉降模擬結果和實際監測數據差異較小。數值模擬結果較好地反映了5個施工工況作用下基礎的沉降情況，其結果可以作為參考。

在工況3“靜壓錨桿樁（除局部地下室區域）施工”中，f5至f15的監測點沉降模擬結果和實際監測數據差異較大，且對于越往北的監測點，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同屬于保護部位的花園和古木，采用了從南側主樓向北側副樓的錨桿樁壓樁順序，而該歷史建筑北側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靜壓錨桿樁密度相當的情況下，北側副樓的壓樁施工速度較南側主樓要快；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，且數量較多。當北側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副樓較南側主樓發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生以向上為主的位移，在此過程中，基坑內工程樁主要受到如下的豎向作用：坑內土體應力釋放、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力減小，樁側摩阻力減小，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構安全的重點工況。

為了減少壓樁施工中所發生的不均勻沉降，提出如下施工建議：壓樁施工時應結合實際施工環境選取最優的壓樁推進順序。靜壓錨桿樁施工時應避免密集。對各區域密度相當的靜壓錨桿樁，壓樁速率應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 結語

既有建筑基礎托換等改造修繕施工會使得結構豎向荷載重分布，建筑基礎會產生沉降變化，可能發生不均勻沉降。通過有限元軟件對各工況下的基礎沉降進行數值模擬，并和現場實際沉降監測數據對比，可以較好地反映各施工工況對基礎沉降的影響，為前期評估、指導施工提供理論依據。

實際施工中的基礎沉降受到了地質環境、周邊建筑、施工工藝等復雜因素影響，數值模擬模型則較為理想，兩者間的差異會影響數值模型的精度。通過對壓樁等施工工藝進行優化，可以減少基礎的不均勻沉降。

本文的分析思路和方法對其他既有建筑基礎沉降分析具有參考意義。