既有建筑基础托换过程中的基础沉降分析

2022-07-18时春霞

建筑施工 2022年3期

时春霞何强潘峰

上海建工五建集团有限公司上海 200063

上海有着较大存量的历史建筑，这些历史建筑在过去的结构服役期间，结构性能逐渐下降、居住舒适度变差等问题日渐凸显。随着上海城市更新步伐的加快，这些既有建筑亟待改造修缮。顶升施工是其中难度较高的一种改造修缮方法。通过顶升施工，可以抬高原建筑结构，改善地下水位侵蚀、雨水倒灌等问题。顶升施工过程就往往需要进行基础托换，改变原基础形式和传力途径，提高基础承载力等结构性能，而其施工过程会使得结构竖向荷载重分布，建筑基础会产生沉降变化，可能发生不均匀沉降。

我国的建筑整体移位（包含平移和顶升等）技术从20世纪90年代开始发展。上海走在全国前列，至今已有不少成功案例。2003年，质量约5 800 t的上海音乐厅被整体平移66.46 m，顶升3.38 m；2009年，上海南浦大桥东主引桥下匝道部分的九孔桥梁完成了顶升位移，整体顶升重约为100 000 kN，顶升面积约为5 000 m2；2017年，上海玉佛寺进行了加固修缮，并被整体平移30.66 m，顶升1.05 m。

在技术研究方面，通过数值模拟方法可确保既有建筑移位、结构托换施工中的结构安全，具有一定的研究基础。2012年，谢洪恩用SAP2000软件建立了南京博物院老大殿的有限元分析模型，以位移时程曲线来模拟顶升施工时可能遇到的不利工况，以结构裂缝宽度作为判别指标，对该历史建筑进行了数值模拟[1]。同年，洪鹰对建筑迁移施工中的沉降差进行数值模拟分析，并通过VC++读取Ansys结果文件的方法，在OpenGL上实现了建筑物迁移模拟的可视化[2]；2013年，赵士永用SAP2000软件建立某古建筑群模型，分析了托换结构各部分构件的内力和变形[3]。

目前，分析既有建筑基础托换、顶升施工过程中基础沉降的相关研究较少。针对该问题，结合上海某历史建筑托换顶升工程，通过数值模拟方法，对比实际沉降监测数据，对各施工工况下的基础沉降变化情况展开研究[4-6]。

1 背景工程

1.1 建筑、主体结构概况

该历史建筑总建筑面积约10 000 m2，东西向总长约为80 m，南北向总宽约为45 m。房屋总高6层，局部区域有1层地下室。建筑平面呈工字形，分为南侧主楼、北侧副楼、中间连廊等。现拟对该历史建筑进行整体顶升修缮改造，通过托换、顶升技术，将该建筑整体抬高约1.2 m，以改变该建筑室内地坪低于室外地坪，汛期排水难的现状，并在改造修缮的过程中提高结构的安全性和舒适性。

1.2 基础、地层土体概况

该历史建筑为现浇钢筋混凝土结构。原基础形式为钢筋混凝土浅基础和松木桩群共同组成的复合型基础。浅基础以条形基础为主，局部为独立基础，埋深为室内地坪以下约1.5 m；局部地下室处为片筏基础，埋深为室内地坪以下约4 m。经检验，基础混凝土平均强度推定为C18。根据勘查报告，基础持力层为灰黄色粉质黏土，承载力特征值为80 kPa，考虑松木桩群作用后，复合地基承载力约为125 kPa。考虑上部荷载和基础自重，房屋最大基底压力为120 kPa，略小于复合地基承载力。原基础承载力满足正常使用要求，但富余量较小。

2 既有建筑基础托换施工

该历史建筑托换、顶升总体施工流程为：上部结构加固→围护钢板桩施工→第1层土方开挖→上托盘结构制作→钢支撑施工→静压锚杆桩施工（除地下室区域）→井点降水→第2层土方开挖→静压锚杆桩施工（局部地下室区域）→下托盘结构制作→顶升前上部结构第2次临时加固→在上、下托盘结构之间设置千斤顶顶升系统→截断上、下托盘结构之间的锚杆桩段→结构整体顶升→在上、下托盘结构之间设置新的竖向结构和隔震支座→建筑内外修缮复原。本文主要计算分析基础托换的施工工序，即到“下托盘结构制作”这一工序。

该历史建筑原基础为钢筋混凝土浅基础和木群桩共同组成的复合型基础；在第2层土方开挖过程中，当原基础和土体不再接触后，该建筑的主要基础形式变为静压锚杆桩基础；当截断上、下托盘结构之间的锚杆桩段后，该建筑的基础形式变为下托盘结构及其下方的静压锚杆桩共同组成的筏板长桩基础。图1为截断上、下托盘结构之间的锚杆桩段前，施工流程中基础形式变化示意图。

图1 基础形式变化示意

3 基础沉降模拟分析

本文所采用的基础沉降分析总体思路为：选取从“围护钢板桩施工”到“下托盘结构制作”中的主要工况，利用有限元软件Midas GTS分析各工况下的基础沉降，并和施工现场的实际沉降监测数据对比。

3.1 模拟分析模型

计算工况包括：工况1，钢板桩施工及第1层土方开挖；工况2，上托盘结构制作和钢支撑施工；工况3，静压锚杆桩（除局部地下室区域）施工；工况4，第2层土方开挖；工况5，局部地下室区域静压锚杆桩施工；工况6，下托盘结构制作。

模型中，不考虑井点降水对基础沉降的影响，对各层土体进行水平简化。土体采用修正摩尔-库仑本构模型。模型中土体高度取2～3倍最大桩长，基坑开挖边界至模型边界取3～5倍基坑深度。过小的模型边界可能无法完整反映各施工工况对基础沉降的影响，模型边界处可能出现异常的模拟结果；过大的模型边界则会增加低效率的计算成本。结合背景工程中的静压锚杆桩有效桩长约为38 m，基坑深度约为5 m，在模型中取土层高度为80 m，基坑开挖边界至模型边界为25 m。

考虑的荷载类型包括：土体自重、梁板柱自重、墙体自重。墙体自重以线荷载的方式施加在梁上，外环梁上为黏土砖墙，所施加的线荷载大小为27.65 kN/m，其余梁上考虑轻质砌块墙，所施加的线荷载大小为7 kN/m。

对与原来的松木桩群埋深相同的实体，采用相对精细的网格划分；同时为了控制整个模型中网格划分后单元的总数量、节约计算成本，对其他部分的实体采用相对粗略的网格划分；相邻实体的网格划分精度差距不宜过大。

实际工程中，上托盘结构采用了由原基础梁、原基础梁两侧新建的夹墙梁、穿墙钢筋和穿墙型钢抬梁组成的双夹梁形式。在模型中采用二维板单元对上托盘结构进行简化建模。图2为Midas GTS有限元软件中划分完网格的模型。图3为所选取的用于和沉降模拟结果对比的监测点位布置图，选取结构主要转角处、长边中部进行布点。

图2 Midas GTS网格模型

图3 沉降监测点位布置

3.2 模拟分析结果

图4为Midas GTS有限元软件中各工况下基础沉降位移云图。由图4可知：各模拟工况下的基础沉降位移绝对值在5 mm以内。模拟沉降最为显著的2个工况为工况3“施工静压锚杆桩（除地下室区域）”和工况6“下托盘结构制作”。工况3中基础最大下沉量为－4.28 mm；工况6中基础最大下沉量为－4.33 mm。

图4 Midas GTS 各工况下基础沉降位移云图

3.3 沉降数据分析

通过对比分析沉降模拟结果和现场实际监测数据，一方面可以检验基础沉降在数值模型和实际施工两者间相符合的程度；另一方面，可以结合监测预警阈值，对实际施工中异常的基础沉降进行预警。各单工况下的基础沉降数据对比如图5所示。

图5 单工况下沉降模拟结果和实际监测数据对比分析

由图5可知：除工况3的其他工况中，各监测点的沉降模拟结果和实际监测数据差异较小。数值模拟结果较好地反映了5个施工工况作用下基础的沉降情况，其结果可以作为参考。

在工况3“静压锚杆桩（除局部地下室区域）施工”中，f5至f15的监测点沉降模拟结果和实际监测数据差异较大，且对于越往北的监测点，两者之间的差异越大。究其原因：在实际施工静压锚杆桩时，为了保护该历史建筑南侧同属于保护部位的花园和古木，采用了从南侧主楼向北侧副楼的锚杆桩压桩顺序，而该历史建筑北侧有紧邻的单建式多层地下车库，地下车库和该历史建筑之间还有灌注桩隔离屏障，一定程度上阻碍了压桩后土压力的卸载；因工期原因，在该历史建筑南北侧静压锚杆桩密度相当的情况下，北侧副楼的压桩施工速度较南侧主楼要快；背景工程中的工程桩的断面直径约400 mm，为较大断面的工程桩，且数量较多。当北侧副楼处以相对较快的速度沉桩时，其下部土体中的孔隙水压力迅速增大而又无法消散，其排土量几乎和压入土体中的桩体体积相当。上述因素造成了北侧副楼较南侧主楼发生了相对较大的上抬。

4 施工工况评价及工艺建议

基坑开挖卸载引起坑底土体产生以向上为主的位移，在此过程中，基坑内工程桩主要受到如下的竖向作用：坑内土体应力释放、回弹，带动桩上移，桩身上部承受向上的正摩阻力作用，即上拔荷载，桩被抬升；桩身下部阻止桩的上移，对桩产生向下的负摩阻力。桩在正、负摩阻力的作用下承受拉伸轴力[7]。此外，基坑内土体开挖完成后，上覆土体的移去使得桩周中的土体有效应力减小，桩侧摩阻力减小，导致桩的承载力有一定程度的降低。因此，背景工程的施工工况4“第二层土方开挖”是保障该历史建筑结构安全的重点工况。

为了减少压桩施工中所发生的不均匀沉降，提出如下施工建议：压桩施工时应结合实际施工环境选取最优的压桩推进顺序。静压锚杆桩施工时应避免密集。对各区域密度相当的静压锚杆桩，压桩速率应尽量保持一致且缓慢。此外，为了加快整体的压桩施工进度，可在相距较远的压桩点位同时压桩。