地下增层条件下既有受荷基桩承载特性研究

摘要

既有建筑下挖增层改造将改变既有桩及托换桩基础的承载性状。首先，结合浙江饭店地下车库扩建工程，分别分析下挖增层改造对既有单桩基础及群桩基础沉降性状的影响。随着增层下挖深度的增加，桩周土体对基桩的约束逐渐减小，基桩有可能发生屈曲失稳破坏。之后，结合浙江饭店地下车库扩建工程及甘水巷3号组团地下室建设工程，研究下挖增层工况下嵌岩桩及非嵌岩桩的屈曲稳定临界荷载;在此基础上，研究基桩两端不同约束对嵌岩桩及非嵌岩桩屈曲稳定的影响。最后，结合甘水巷3号组团地下室建设工程的现场实测资料及有限元三维数值模型，分析既有建筑下挖增层改造对上部结构沉降性状，托换桩及新增地下室结构柱承载性状的影响。本文主要工作和成果如下:
　　(1)利用荷载传递法建立下挖增层工况下单桩的受力模型并得到其控制方程，通过侧阻软化模型及端阻双曲线模型分别模拟开挖工况下的桩侧及桩端阻力荷载传递性状，得出下挖深度对桩端极限阻力影响不大，而对桩侧极限阻力影响较大;既有单桩基础桩顶沉降量随下挖深度不断增大。假定托换桩基础与既有桩基础截面尺寸保持一致，考虑既有桩与托换桩之间存在的桩-桩相互作用，结合混合法研究下挖增层改造对群桩基础沉降性状的影响，得出随着下挖深度的增加，方形承台中心桩桩顶沉降量不断增大;在同一开挖深度时，角桩桩顶沉降量最大，边桩次之，中心桩最小;不同布桩形式会对群桩基础中心桩桩顶沉降量产生一定的影响;下挖深度对圆形布桩中心桩桩顶沉降量影响最大，方形次之，菱形最小;
　　(2)由甘水巷3号组团地下室建设工程托换桩载荷试验可知，当反力架所提供的反力达到极限值时，对应的桩顶沉降量为1.61 mm;当桩顶荷载卸载至零时，托换桩桩顶残余沉降量为1.22 mm;当桩顶荷载超过150 kN时，上部土层发生侧阻软化效应。结合甘水巷3号组团地下室建设工程现场实测资料，可知托换桩桩身轴力随开挖深度的增加而逐渐增大，随入土深度的增加而缓慢减小;桩侧摩阻力至上而下逐步发挥，在整个下挖增层改造过程中，桩端阻力始终为零;上部结构沉降量随时间而缓慢增大，但在截桩工序中，上部结构沉降量急剧增大;结构柱轴力随托换桩截除数量的增加而急剧增大，特别是③号托换桩截除时，结构柱轴力增量达到最大值;相邻承台截桩对结构柱轴力的影响可忽略不计;
　　(3)结合浙江饭店地下车库扩建工程和甘水巷3号组团地下室建设工程，通过能量法建立嵌岩桩及非嵌岩桩桩-土体系总势能方程，利用最小势能原理，导出桩身屈曲稳定临界荷载表达式，并分析下挖增层改造对嵌岩桩及非嵌岩桩屈曲稳定临界荷载的影响;之后，分析不同桩顶约束对下挖增层工况下的嵌岩桩及非嵌岩桩屈曲稳定临界荷载的影响。表明，随着半波数的增加，嵌岩桩与非嵌岩桩的屈曲稳定临界荷载急剧收敛，且桩顶固定时的收敛速度最快，铰接次之，弹性嵌固最慢;桩侧摩阻力及桩身自重对非嵌岩桩屈曲稳定临界荷载的影响不明显;非嵌岩桩的屈曲稳定临界荷载随比例系数m值的增大而增加，但当下挖深度大于4.0m时，m值对非嵌岩桩的屈曲稳定临界荷载的影响可忽略不计;嵌岩桩与非嵌岩桩的屈曲稳定临界荷载随下挖深度的增加而急剧减小;不同桩顶约束对桩基础屈曲稳定临界荷载比影响不同，在同一开挖深度时，桩顶固定时，临界荷载比最大，弹性嵌固次之，铰接最小;随着下挖深度的增加，桩顶固定时的临界荷载比缓慢减小，而桩顶嵌固及铰接时的临界荷载比急剧降低;
　　(4)利用Plaxis3D有限元软件建立甘水巷3号组团地下室建设工程中7C承台的三维实体模型，分析下挖增层改造对7C承台沉降、托换桩及新增地下室结构柱承载性状的影响。可知托换桩施工结束后，土层下挖对7C承台沉降性状的影响较基础托换施工之前小;当下挖至指定标高时，浇筑新增地下室底板对上部结构沉降性状影响较大。基础托换及浇筑结构柱对上部结构沉降性状的影响可忽略不计。不同的截桩顺序对结构柱轴力会有一定的影响。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 下挖增层改造施工工艺简介

1．3 国内外研究现状

1．3．1 桩基础沉降性状研究现状

1．3．2 桩基础屈曲稳定研究现状

1．3．3 基坑开挖对桩基础承载性状研究现状

1．3．4 下挖增层对桩基础承载性状研究现状

1．4 研究思路与讨论

第2章 下挖增层对桩基础沉降性状的影响

2．2 案例背景介绍

2．3 下挖增层对单桩基础沉降性状的影响

2．3．1 桩侧荷载传递模型

2．3．2 桩端荷载传递模型

2．3．3 单桩沉降计算

2．3．4 参数分析

2．3．5 沉降分析

2．4 下挖增层对群桩基础沉降性状的影响

2．4．1 桩侧荷载传递模型

2．4．2 桩端荷载传递模型

2．4．3 算例验证

2．4．4 参数分析

2．5 本章小结

第3章 既有建筑下挖增层改造工程案例实测分析

3．2．2 工程场地水文地质条件

3．3 下挖增层改造施工工艺

3．3．1 施工围护结构

3．3．2 土层开挖及基础托换

3．3．3 截桩

3．4 现场监测点布置

3．4．1 沉降监测点布置

3．4．2 桩身及结构柱轴力监测点布置

3．5 托换桩静载试验

3．5．1 荷载-沉降关系

3．5．2 桩身轴力

3．5．3 桩侧阻力

3．6 下挖增层对托换桩及结构柱工作性状分析

3．6．1 托换桩荷载传递机理

3．6．2 邻近承台截桩对结构柱轴力影响

3．6．3 同一承台截桩对结构柱轴力影响

3．7 下挖增层对上部结构沉降性状分析

3．8 本章小结

4．1 引言

4．2 基桩屈曲稳定分析方法

4．2．1 静力法

4．2．2 能量法

4．2．3 有限元法

4．3 下挖增层对非嵌岩桩屈曲稳定临界荷载分析

4．3．1 屈曲分析

4．3．2 桩-土体系总势能方程

4．3．3 参数分析

4．4 下挖增层对嵌岩桩屈曲稳定临界荷载分析

4．4．1 屈曲分析

4．4．2 桩-土体系总势能方程

4．4．3 参数分析

4．5 下挖增层桩顶约束对基桩屈曲稳定临界荷载分析

4．5．1 屈曲分析

4．5．2 屈曲能量控制方程

4．5．3 参数分析

4．6 本章小结

5．1 引言

5．2．1 本构模型

5．2．2 结构单元

5．3 建立模型

5．3．1 土体模型

5．3．2 模型参数

5．4 施工模拟

5．5 算例验证

5．6 参数分析

5．6．1 上部结构沉降量

5．6．2 截桩顺序

5．6．3 桩身轴力与侧阻力

5．7 本章小结

6．1 主要成果与结论

6．2 展望

参考文献

作者简介及在读期间科研成果