地下加层对既有建筑物上部结构内力的影响

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1、第4 章增层工程 表4 2 6 拟改建建筑物基础范围内外和场地地基土的静力魅探平均比贯入阻力结果 一般层底标高 建筑物下平均比贯人 原有建筑物外平均比场地平均比贯入 层号土名 ( 绝对标高) ( m ) 阻力P 。( M P a ) 贯入阻力P 。( M P a )阻力P 。( M P a ) 一3砂质粉土 一4 51 5 7 1 1 51 2 8 淤泥质黏土 一1 4 60 5 40 5 90 5 7 一1粉质黏土 一2 4 80 8 70 8 60 8 6 一3粉质黏土 一3 7 71 3 81 3 01 3 0 一4粉质黏士一4 0 0 4 2 6 22 6 2 从其对比可见，建筑物内部

2、第一3 层P 。值明显较位于建筑物外的大，而第层土P 。值变 化不大，说明原有建筑打桩挤密以及原有建筑荷载对第一3 层砂质粉土层影响明显，强度有所 增长，而第层强度变化小。 4 2 3 7 综合评价 原有建筑物荷载在原有基础条件安全的前提下，原有建筑物加层可采用锚杆静压桩或树根 桩等方法对原有桩基进行补强，并保证补强后荷载偏心控制在规范要求范围内。考虑到加桩对原 有基础的扰动，对原有基础的承载能力应进行适当折减，并根据设计选取的桩型确定加桩的数量。 原有建筑物附加荷载对桩端持力层以下土体的影响较小，加层产生的荷载则通过增加新的 桩加以承担的前提下，地基土体产生的附加沉降量较小，在具备足够承载力

3、安全度基础上不会影 响建筑物的正常使用功能。 4 2 4 结论与建议 既有建筑物增层工程日趋增多，在这类工程中，对原地基土的岩土工程评价是一个关键问 题，而目前有关报道和文献中对此涉及较少。本文提出了对既有建筑物增层进行地基土岩土工 程评价的一般思路和主要内容。这些内容主要包括： ( 1 ) 场地稳定性和适宜性评价； ( 2 ) 原有天然地基或桩基承载力、沉降评价； ( 3 ) 地基加固方案评价； ( 4 ) 建筑物增层后引起的附加荷载和附加沉降评价； ( 5 ) 原建筑物附加荷载对地基土强度的影响评价； ( 6 ) 综合提出增层的岩土工程评价及相关建议。 针对某建筑物增层进行的岩土工程评价表

4、明，按照上述思路和评价内容展开岩土工程评价， 完全可以清楚地描述地基土状态并采取相应的合理措施加固地基，以满足增层需要。 李韬孙莉杨石飞陈晖 ( 上海岩土工程勘察设计研究院有限公司设计咨询中心) 4 3 地下加层对既有建筑物上部结构内力的影响 4 3 1 建筑物地下加层工程的数值模拟 本文考虑施工过程中托换基础与上部结构、地基共同工作时不同工况下结构内力的分布情 况。以2 层框架结构为例建立有限元实体模型进行数值模拟，来研究考虑共同工作时地下加层 工程对上部结构的影响。模拟中 昆凝土材料视为线弹性体，土体为非线性弹性材料。采用八节 1 7 1 特种工程新技术 点六面体单元进行分析。加层地下室层

5、高4 5 m ，基础连梁高8 0 0 m m ，取土深度最大为地下5 3 m 。 结构材料属性及尺寸如表4 3 1 及图4 3 1 、图4 3 2 所示。 表4 3 1 体系构件尺寸、材料表 边跨梁中跨梁边柱中柱 托换桩 类别 b hbXhn “口口 边柱下D中柱下D 尺寸4 0 0 x 8 0 03 0 Q 6 0 05 I 的5 0 ( )4 5 0 x 4 5 0 S O O ( m m ) l0 0 0 ( m m ) 材料C 3 0C 3 0C 3 0C 3 0C 3 0C 3 0 边界 b e l 。! 。L ! 。I 。! ，L 三! g I O ，0 0 五= 一 - 4 5

6、0 i i = 一1 0 o o 五二一 图4 3 1 土体计算区域简图图4 3 2 上部结构与托换基础简图 根据地下加层施工顺序，将整个工程分为四个工况，工况1 为基础托换完成，原结构独立基 础退出工作时的受力状况；工况2 取土深度地下3 m 时的状况；工况3 取土深度地下4 m 时的状况； 工况4 取土深度地下5 3 m 时的状况。按照不考虑共同工作计算得出的框架结构内力作为初始工 况，对整个施工过程，对比分析不同工况下上部结构与初始工况之间的内力、变形的变化规律。 4 3 2 框架柱脚沉降规律分析 地基土体在基底压力作用下产生附加应力，并发生压缩变形，使基础发生沉降。一般设计方法 是把柱

7、端看作是嵌固端，然后进行上部结构的内力计算。既有建筑物地下加层是一项复杂的工程， 由于取土和基础托换使基础持力层下移，原基础下方土体严重卸载，土体发生反弹，桩体侧摩阻力 得以充分发挥，桩端阻力与侧摩阻力比值减小，地基附加应力减小，基础沉降减小，导致上部结构的 内力发生重分布。同时，随着原建筑物下方的土体的取出，结构所承受的侧向土压力逐渐增大，原 结构的内力及变形也将发生较大的变化。图4 3 3 给出了不同工况下底层柱柱脚沉降分布曲线。 从图4 。3 3 中可以看出，边柱与中柱的沉降差在进行基础托换前为0 3 m m ，进行基础托换 后，两柱脚都产生向下的附加位移，并随着逐步向下取土，两柱柱脚差

8、异沉降逐渐减小。工况1 两柱差异为1 7 8 r a m ，工况2 减至0 。9 m m ，工况3 减至0 5 m m ，工况4 增大为1 O m m ，但是边柱柱脚 沉降比中柱柱脚增大，底层柱脚处附加沉降呈现先减小后 增大的趋势。 当原建筑物柱下独立基础采用桩基托换时，由于应力 扩散原因，原基础对深层土的影响较小，基础托换完成以 后，托换桩直接将荷载传至新的持力层，桩端地基附加应 力增大，基础发生附加沉降。转换梁在框架柱竖向荷载作 用下产生挠曲变形，使框架柱柱脚发生竖向附加位移。在 侧向荷载作用下转换梁发生弯曲变形，对框架柱产生了抬 1 7 2 2 0 - 3 0 I 枷 釜一5 0 嚣一6

9、 0 7 0 - 8 0 工况 0123 4 + 底层边 底层中 图4 3 3 底层柱脚处沉降 葚锹醛摹fH耀翟 第4 章增层工程 一 升作用，当地基土卸载时，桩侧土回弹变形，桩侧摩阻力得以充分发挥，桩端阻力减小，基础沉降 变形减小。中柱下桩端部地基附加应力受卸载影响最明显，因此中柱竖向变形减小较大。 4 3 3 地下加层对上部结构内力的影响 图4 3 4 为不考虑共同作用时的计算内力图，图4 3 5 为考虑结构与土体相互作用时结构 的内力图，图4 3 6 一图4 3 9 为不同工况时上部结构内力图。 1 2 3 1 Z 5 3 3 I 1 _ _ 0 8 33 7 0 6 3 4 1些 7

10、1 4 f 11 1 1 1 5 l1 9 4 3 7 4 3 2 一 5 2 柱轴力、粱剪力( k N ) 弯矩图( k N m ) 图4 3 4 不考虑共同工作时结构内力图 A卢 坚堕 3 3 7 7 堑f 1 1 2 0 5 计8面 卜 望型 3 5 3 4 3 4 2 2 2 5 3 6 j 亨i 9 5 21 1 !N ! ：! 乃1 5 6 9 6 8 2 8 5 2 4 3 6 2 7 0 4 4 8 4 8 图4 3 6 工况1 时结构内力图 入产 一1 0 3 8 1 6 ns 3 6 6 1 9 7迅3 1 2 8 7【3 a 3 7 1B 绁 2 2 6- 5 2 9 卜

11、4 2 7 7 5 1 r 1 5 0 ! 9 z2 0 9 1 7 6 9 3 2 0 4 6 9 9 柱轴力、粱剪力( 1 澍) 弯矩图( k N m ) 图4 3 8 工况3 时结构内力图 气、 卫! ：1 3 5 2 73 6 f l 1 5 弋4 6 1 2 2 1 8 9 廷，Ib乡p 1 2 1 1 8 1 溢4 9 0 6 9 6 9 1 I 4 7 7 2 3 73 6 柱轴力、粱剪力( k N ) 弯矩图( k N m ) 图4 3 5 考虑共同工作时结构内力图 1 1 4 ：2l 一1 1 6 2 3 6 4 43 4 31 4 11 1 8 6 7 0 7 311 4

12、1 6 94 6 0 7 2 5 1 l 2 5 2 。 柱轴力、粱剪力( k N ) 弯矩图( k N m ) 图4 3 7 工况2 时结构内力图 入 洒：o o 罂量3 7 1 7 芝爪 _ - 。_ 。- 。， - “ - - - - L 2 3 ， l4 0 1 6 4 3 3 7 8 l 3 4 83 5 80 。5 3 4 1 - 。- 1 4 1 3 5 汆、 、 7 菇【6 6 】 7 7 3 01 5 41 3 0 柱轴力、梁剪力( 1 N ) 弯矩图( k N m ) 图4 3 9 工况4 时结构内力图 由图4 3 4 、图4 3 5 中可以看到，考虑共同作用时与不考虑共同

13、作用时相比，底层边柱柱脚 处轴力由5 4 2 2 k N 增至5 5 6 3 k N ，相对增加2 6 ，中柱柱脚处轴力由7 4 3 2 k N 减少至7 2 3 7 k N ， 相对减小2 6 ；二层边柱柱脚处轴力由2 6 9 7 k N 增至2 7 2 7 k N ，相对增加1 1 ，中柱柱脚处轴 力由3 7 0 6 k N 减小至3 6 7 6 k N ，相对减小0 8 。可以看出，考虑共同作用时，出现中柱卸载，边柱 加载。不考虑共同作用时，在竖向荷载作用下，除边柱承受较大弯矩作用外，中柱所承受弯矩作用 较小。说明按常规分离式方法设计时，边柱偏于不安全，中柱却过于浪费，并给结构带来安全隐

14、患。 不考虑共同作用时底层边跨梁外端弯矩为5 6 9 k N m ，剪力1 0 8 3 k N ；考虑共同作用时弯矩增 1 7 3 特种工程新技术 大为6 9 9 k N 。m ，剪力增大为1 2 5 6 k N 。内端弯矩、剪力减小。如果按照常规方法计算结果进行配 筋计算，在弯矩变号截面，特别是在梁柱节点处，易发生破坏，进而影响整个建筑物的安全。 当原结构基础进行桩基托换以后，边柱与中柱在柱脚处均发生附加沉降，但中柱柱脚处的附 加沉降变形大于边柱柱脚，增大了边柱与中柱在柱脚处的沉降差，上部结构的受力状况发生很大 变化。由图4 3 5 、图4 3 6 可以看出，由于边柱相对抬升，使边跨梁内端弯

15、矩、剪力减小。二层 边跨梁内端弯矩由2 4 6 k N m 变为一1 9 7 k N m ( 负号表示梁上侧受压) ，弯矩变号，梁由上侧受拉 变为下侧受拉，剪力减小，中跨梁端由上部受拉变为七部受压。底层边跨梁内端弯矩由4 1 2 k N m 变为一9 3 k N m ，发生变号，剪力减小。中跨梁外端弯矩、剪力增大，边跨梁外端弯矩、剪力增 加。由此可以看出，基础托换对框架结构梁端内力影响很大，最为显著的是边跨框架梁内端弯 矩、剪力减小，弯矩发生变号，外端弯矩、剪力增大。基础托换完成后，边柱的弯矩变化很明显，尤 其是底层柱，上端弯矩由2 0 9 k N m 增加至3 2 7 k N m ，相对增加5 6 5 ，柱脚处弯矩由o 7 k N m 变为一0 3 k N m ，弯矩发生变号。底层边柱柱脚处轴力由5 5 6 3 k