建筑荷載引起漫灘地面沉降數值模擬分析

建筑荷載引起漫灘地面沉降數值模擬分析

曾寶慶1，岳建平1，王慶2，劉斌1

(1.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210098；2.南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

摘要：基于土力學理論，結合數值分析的方法建立長江漫灘典型地質條件下地基土層及其表面的建筑荷載模型，采用ANSYS計算軟件對其進行模擬分析，探討建筑物間距、建筑物規模對建筑物差異沉降的影響，分析相鄰建筑物作用下的沉降影響范圍變化規律。結果表明，建筑物間距、建筑物規模對建筑物差異沉降會產生不同的影響，相鄰建筑物作用下的水平和深度影響范圍也有不同的變化規律。

關鍵詞：地面沉降；長江漫灘；數值分析；建筑物荷載；沉降影響范圍；建筑物間距

中圖分類號：TU433

收稿日期：2014-07-31

作者簡介：曾寶慶(1989-)，男，碩士研究生.

Numericalsimulationanalysisonfloodplaingroundsubsidencecausedbybuildingload

ZENGBao-qing1,YUE Jian-ping1,WANG Qing2,LIU Bin1

(1.SchoolofEarthSciencesandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.NanjingInstituteofSurveying,Mapping&GeotechnicalInvestigation,Co.,Ltd.,Nanjing210019,China)

Abstract：Based on the theory of soil mechanics and numerical analysis method,a foundation soil and building load model of Yangtze River floodplain is established, and analyzed through ANSYS calculation software on differential settlement of buildings caused by spacing of buildings and building scale. The results show the differential settlement caused by spacing of building and building scale is different, as well as the variation of the level and depth of influence scope of adjacent buildings.

Keywords：groundsubsidence；YangtzeRiverback-swamp；numericalanalysis；buildingload；effectingscopeofsubsidence；spacingofbuildings

隨著長江三角洲地區城市建設的快速發展，特別是近年來大規模的工程建設，長江三角洲地區地面承受的荷載不斷增加，地面有明顯下沉趨勢。城市建筑物的密集化、高層化使得相鄰的單個建筑物之間相互影響，相互作用，從而引起建筑物之間地基產生疊加效應，導致建筑物產生不均勻沉降。相鄰建筑荷載對于地面沉降的影響已上升到不容忽視的地步，應合理安排建筑物間距，避免建筑物之間地基沉降產生疊加[1-3]。因此，針對長江漫灘典型地質條件，結合數值分析的方法探討了建筑物間距、建筑物規模對建筑物差異沉降的影響，并對相鄰建筑物作用下的沉降影響范圍進行了分析。

1模型的建立及計算

ANSYS軟件是美國研制的一款大型通用有限元分析軟件，它有較廣的適用范圍，能夠真實的反映土體的非線性力學行為及土體結構受力特性。長江漫灘典型地質土層自上而下分別為雜填土、粉質粘土、淤泥質粉質粘土、粉質粘土夾粉土、粉砂夾粉土、粉細砂，其力學物理參數如表1所示[4]，在漫灘典型地質中建立地基土層及其表面的建筑荷載模型進行三維有限元數值模擬，承臺為鋼筋混凝土材料，其彈性模量為20GPa，密度為2 500kg/m3，泊松比為0.26，幾何尺寸為10 m×10 m×1 m。為了使得各種工況下相鄰建筑物荷載區域影響范圍不超過土體的邊界，并考慮到有限元模擬分析的收斂速度，通過反復設置土體的邊界，最終將承重土層的尺寸設置為116 m×74 m×26.8 m[5-6]。土體、承臺假定為各向同性彈性材料，采用SOLID45單元模擬，SOLID45單元為3-D實體，適用于三維實體結構模型。

表1　漫灘典型地質土層的力學物理參數

土層自重壓密固結完成后施加建筑物荷載，僅考慮建筑物荷載附加應力對地基土層的影響而不計土層自重產生的荷載，因此可以將土的容重設置為0。劃分有限元模型時，采用掃掠方式進行網格劃分，由于承臺剛度較大，將其網格劃分較稀疏，其單元邊長尺寸設為3m，對于土體，由于剛度較小，總的來說較承臺劃分較密，其單元邊長尺寸設為2m[7-8]。模擬中，模型底面、側面施加位移為0的法向約束條件，在Y方向施加重力加速度g=10m/s2，主要考慮建筑物荷載自重產生的附加應力對土層的影響，將建筑物荷重轉化為均布面荷載施加于承臺面上[9-10]。

2模擬結果分析

采用有限元分析軟件ANSYS對相鄰建筑荷載作用下的地面沉降規律進行分析，重點分析了建筑物間距、建筑物規模對建筑物差異沉降的影響，并探討了相鄰建筑物作用下的沉降影響范圍變化規律。

2.1　建筑物間距對建筑物差異沉降的影響

在模擬計算過程中，相鄰建筑物間距逐漸增大，分別取為2m，4m，6m，8m，10m，12m，14m，16m，18m，20m，22m，24m，26m，28m，30m,32m，建筑荷載為5 000kN，其他參數保持不變。不同建筑物間距下建筑物最大沉降量如圖1所示，不同建筑物間距下建筑物差異沉降量如圖2所示。

圖1　不同建筑物間距下建筑物最大沉降量示意圖

圖2　不同建筑物間距下建筑物差異沉降量示意圖

由圖1可知，隨著建筑物間距的增大，建筑物最大沉降量逐漸減小，當建筑物間距增大到某個臨界值時，建筑物最大沉降量趨于穩定的沉降值。且可以看出，在間距增大的初期，最大沉降量變化較為迅速，達到臨界值后繼續增大間距，建筑物最大沉降量變化趨于平緩。如建筑物間距從2m增大到12m時，建筑物最大沉降量分別為39.218mm和30.621mm，變化幅度為8.597mm，而建筑物間距32m時建筑物最大沉降量為28.824mm，建筑物間距從12m增大到32m，建筑物最大沉降量僅僅相差1.797mm。

從圖2可以看出，隨著建筑物間距的增大，建筑物差異沉降量逐漸減小，其變化速率也逐漸減小，當建筑物的間距增加到一定程度時，建筑物幾乎不會產生差異沉降。如建筑物間距從2m增大到16m時，建筑物差異沉降量由8.904mm變為1.106mm，變化量為7.798mm，而建筑物間距從16m增大到32m時，建筑物差異沉降量由1.106mm降至0.139mm，變化幅度僅為0.967mm。這表明了，在建筑物間距較小的情況下，建筑物容易產生不均勻沉降，且建筑物間距越小，不均勻沉降越明顯。因此，應合理控制建筑物間距，避免建筑物發生不均勻沉降和過大沉降。

《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)對建筑物地基變形做了規定，如表2所示。針對漫灘典型地質條件，通過模擬結果可知，對于高度為30m的建筑物荷載，應保證建筑物間距至少大于12m。

表2　建筑物地基變形允許值　 m

2.2　建筑物規模對建筑物差異沉降的影響

在計算過程中，用建筑物荷載大小來代表不同的建筑物規模，相鄰建筑荷載逐漸增加，依次取為1 000kN，2 000kN，3 000kN，4 000kN，5 000kN，6 000kN，7 000kN，8 000kN，9 000kN,10 000kN，建筑物間距為10m，保證其他參數不變。不同建筑物規模下建筑物差異沉降量如圖3所示。

由圖3可以得出，對于漫灘典型均質地基土，隨著建筑規模的增大，建筑物差異沉降量呈線性增長。這說明了，建筑物在規模增加相同的情況下，建筑物差異沉降量變化相同，因此，應經濟合理控制建筑物規模，使得建筑物差異沉降量符合國家建筑基本規范。

當建筑物間距控制在10m時，根據表2所示建筑物地基變形允許值，對于長江漫灘典型地質條件，建筑物高度不應超過24m。

2.3　建筑物作用下的沉降影響范圍研究

取承重土層表面中心為坐標原點，根據表2各工況的有限元計算結果，得到不同建筑物間距下建筑物水平影響范圍沉降等值線如圖4所示，不同建筑物間距下建筑物深度影響范圍沉降等值線如圖5所示。

由圖4可以看出，建筑物中心區域土體受到建筑荷載的影響最大，沉降量也最大，隨著離建筑物中心距離的增大，土體沉降量逐漸減小，直至某處土體不受建筑物荷載的影響。且由圖可知在建筑物中心區域附近，沉降量等值線較為密集，距建筑物中心較遠區域，沉降等值線較為稀疏，表明土體沉降量在建筑物中心區域衰減較迅速，隨著距建筑物中心距離的增加，土體沉降量衰減速度越來越緩慢。此外，在水平方向上由建筑荷載引起的地面沉降在建筑物之間會產生相互疊加，增加建筑物間距可以減小疊加效應，使得地面土體沉降量明顯降低。

圖5　不同建筑物間距下建筑物深度影響范圍沉降等值線

由圖5可知，建筑物荷載作用下淺部地基土層沉降量最大，隨著深度的增大土體沉降量逐漸減小，直至某深處土體不受建筑荷載的影響。且可以看出，深度影響范圍沉降等值線較均勻，層次感較強，表明土體沉降量在深度方向總體上較水平方向變化較為平緩。同樣的，在深度方向由建筑物引發的土體沉降在建筑物之間會產生疊加，建筑物間距越小，疊加效應越明顯。增大建筑物間距可以減小建筑物之間地基變形的疊加效應，且可以降低土體沉降，但當建筑物間距增加到一定程度時，相鄰建筑物可以看成單個、分散的建筑物。對于本模型而言，建筑物間距達到32m時，再增大間距，土體沉降量變化幅度不大，控制地面沉降效果不顯著。

3結論

針對長江漫灘典型地質條件，結合數值分析的方法建立了該地質條件下地基土層及其表面的建

筑荷載模型，采用ANSYS計算軟件對其進行數值模擬分析，探討了建筑物間距、建筑物規模對建筑物差異沉降的影響，并對相鄰建筑物作用下的沉降影響范圍進行了分析，得到以下結論：

1)建筑物間距在一定范圍內增大時，可以減小建筑物最大沉降量和差異沉降量，但過大效果不明顯，因此在考慮建筑物間距時，應結合實際工程反復計算得到最佳建筑物間距。

2)對于漫灘典型均質地基土，隨著建筑規模的增大，建筑物差異沉降量呈線性增長，因此，應經濟合理控制建筑物規模，使得建筑物差異沉降量符合國家建筑基本規范。

3)增大建筑物間距可以減小建筑物之間地基變形的疊加效應，且可以降低土體沉降量，但當建筑物間距增加到一定程度時，相鄰建筑物可以看成單個、分散的建筑物，再增大間距，土體沉降量變化幅度不大，控制地面沉降效果不顯著。

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[責任編輯：劉文霞]