既有建筑地下空間拓建基礎托換技術數值模擬研究

夏 葵, 何曉彤, 劉保縣, 黃尚珩, 冉 續, 李 杰, 凌 書

(1. 成都建工第三建筑工程有限公司, 四川成都 610000; 2. 西華大學, 四川成都 610000)

近年來，隨著城市化水平的提高，大型核心城市地下空間開發利用得到迅速發展。地下空間開發已成為土地稀缺的國家城市發展必要條件[1]。地下空間的發展離不開相關的技術研究，有利于推動托換技術的發展[2]。本文提出既有建筑地下空間拓建基礎托換方法，即板式托換法，并采用ABAQUS模擬軟件對兩種托換流程進行數值，總結了一套施工技術，為類似工程提供參考。

1 基礎托換技術研究現狀

基礎托換技術是既有建筑地下空間拓建以及地下增層過程中的一項重要技術，其施工難度比較大，技術要求比較高，同時又是多項技術的綜合體。基礎托換技術主要包括4部分內容：①基礎加固；②基礎轉換；③既有建筑豎直向下再次開發；④增強建筑安全性(表1)。

近幾年，隨著城市快速發展，土地資源短缺，既有建筑地下增層工程逐漸增多，托換技術的應用也明顯增加，除了用于地下增層改造中，在建筑安全工程和加固改造、土石方領域也比較常見。本技術難度系數高，安全性也比較高[4]。

建于英國的Winchester大教堂，是最早使用補救性托換技術的工程。通過托換技術，更換承載力不足的基礎，改善了原有建筑基礎的缺陷，是世界上第一個采用托換技術成功的案例，是托換技術的一大突破。

表1 基礎托換種類和特點[6-7]

2 既有建筑特點分析

在進行基礎托換時，首先需要對原有建筑物進行性能檢測，確定原建筑是否適合地下增層改造，以及改造完成以后可否滿足使用需要，并且保證后期使用安全性。另外還要對周邊環境進行考察，避免對周邊建筑物的影響，規避不利因素，然后選擇合理的試驗模型模擬施工流程:

(1)可行性勘察，如水文、地質、周邊建筑、地下管線等。

(2)既有建筑的結構形式、層高、基礎形式等。

(3)建筑荷載情況，人流量、樓面荷載。

(4)選擇基礎托換工藝，板式托換、樁基托換。

(5)土方開挖方法選擇，根據場地選擇合理的開挖機械、開挖順序。

(6)考慮建筑周邊的荷載，建筑位置、車流量、人流量、以及施工干擾等問題。

3 主要施工工藝

常見的基礎托換形式有樁基托換、梁式托換、板式托換3種，因為本研究模型為低層建筑框架結構，所以本文主要研究板式托換法以及施工工藝。先進行場地平整，清理周邊雜物，然后利用周邊的水準點進行測量放線，接下來施工一層梁和樓板，采用植筋的方法與框架柱連接，并進行拉拔試驗；下一步進行對角位置土方開挖，隨著土方開挖，一層梁板逐漸發揮臨時基礎的支撐作用，當挖至地下室底板標高時，將原來的柱子接長，并完成基礎施工，然后進行另一對角土方開挖，重復以上工作，最后土方全部挖完，立即封底，澆筑地下室底板和地下室外墻。

板式托換法的施工工藝流程：施工準備—場地平整—測量放線—地下連續墻施工—施工首層托換梁—托換板施工—托換板與梁、柱連接—土方開挖—柱子接長—地下室底板施工—托換板下土體開挖—補全托換板和底板。地下室頂板與底板交替作托換構件，可以增建多層地下室。

4 板式托換有限元分析

ABAQUS是一套數值模擬的軟件，可用于結構變形與沉降分析，通過建立模型，進行數值模擬，研究技術可行性、方案適用性。ABAQUS功能強大、用途廣泛，可以解決工程研究中的線性和非線性等一系列問題，包含有很多單元庫，材料庫，所以在很多領域都可使用。地下增層基礎托換技術復雜，綜合性很強，難度系數高，應用ABAQUS可以解決研究過程中既有建筑的應力和應變等問題。

本文采用ABAQUS分析等跨框架結構的沉降變形，原有建筑材料，柱子為C30混凝土，梁板為C25混凝土。

4.1 計算模型

為了更加準確研究本技術，本研究建立了模型試驗，設計圖紙取自某辦公樓，并將其簡化，原有建筑簡化模型為：縱向和橫向均為3跨，等跨框架結構，跨度均為7.5 m；層高為3層，結構層高均為3.3 m。基礎形式為獨立基礎。

4.2 工況模擬

為了研究等跨框架結構的沉降規律以及不均勻沉降對上部結構的影響，本文運用ABAQUS有限元軟件對地下施工過程進行數值模擬分析，針對等跨框架結構板式托換方法，采用雙側開挖方式，進行實體建模，框架結構各構件都采用實體單元，框架梁、柱、板網格劃分時，網格劃分比較細致。加載時首先對了框架結構和地基土施加自重荷載，然后對建筑的樓板和屋面板施加面荷載，這樣操作的目的是模擬建筑物在進行基礎托換之前已經有部分沉降量。

板式托換有限元研究針對基礎托換過程，建立模型計算分析，6個工況：①托換頂板、梁施工；②對角挖土、柱子底板施工；③另外對角挖土、柱子底板施工；④頂板下土體開挖等工況分別模擬。整個托換過程三維模型見圖1。

圖1 托換頂板模型

5 數值模型柱腳沉降分析

通過上述模擬，記錄整理各個工況沉降值。為了更加清晰直接地反映沉降規律，將各個工況的柱腳沉降數值繪制成折線圖，見圖2所示。

根據數值模擬得到的沉降數值，得出各個工況沉降規律：

(1)由圖2可知一、三、五 3個工況沉降值比較小，并且沉降走勢類似，基本呈現“盆式沉降”，沉降數值中柱大于角柱。

(2)二 、四工況不均勻沉降值較大，說明沉降受挖土影響較大。部分柱腳沉降值大于規范值，所以在建筑基礎托換全過程中土方開挖是至關重要的工序，需要提前編制合理的開挖方案以及必要的專家論證。

6 總結

通過ABAQUS建立三維模型，進行了板式基礎托換技術研究，著重模擬了不同工況下柱子的沉降，進而分析總結基礎托換過程中柱腳的沉降規律，本文采用的是新型十字板托換方法，為地下增層研究提供指導。既有建筑地下增層技術涉及結構、巖土、支護等多個方面，技術研究非常復雜。本文主要研究板式托換法對結構沉降的影響，但是研究相對片面，很多研究不夠完善，如數值模擬方面：需要針對不同的基礎形式、結構形式開展進一步的研究。模型試驗方面：需要研究不同的開挖形式對結構沉降的影響。

圖2 各個工況柱腳沉降值