三維有限元在地基實時沉降分析中的運用探討

摘要：在地面基礎工程的影響，工程建設過程中地基直接影響了建筑工程的整體質量和建筑效率，一旦地基產生地面沉降，會直接影響建筑上部分結構產生額外的應力，甚至會產生結構變形。本文首先闡述了地基實時沉降測試方法，并且結合目前常見的地基沉降模式總結出地基實時沉降分析實際應用。

關鍵詞：三維有限元;地基實時沉降;三維物理建模;三維動畫模型

在自然環境下，地基本身存在著相對重力，但是由于建筑物本身的重量較大，加上建筑環境、施工緩解管理不力等原因都會造成地基的整體沉降。

一、地基實時沉降測試方法

（一）地質分層總和法

所謂的分層總和法主要指的是，把目前地基沉降范圍和數據進行具體劃分，并且根據數據的特殊性，劃分為若干層。同時根據各個級別的分層情況，計算各分層的數據壓縮量，隨后進行數據總和的計算。在實際數據計算時，應該首先按照基礎荷載量、地勢基底的型態模式、大小尺寸以及地質有關的信息指標，以此確定地基實時沉降數據計算深度，并且在地基實時沉降產生的數據，計算出測試區域的深度范圍并且對其進行分層，然后以此作為基礎的理論數據，計算出地基附加應力值。通常進行數據測量時，假定地基土質進行結構壓縮時，不允許向側面進行結構形變，即在側面結構限制的條件下，其地質測試數據的壓縮性指標。為了避免在實際數據測量過程中，得到的沉降量偏小相關問題，一般技術人員會選取地基結構中的中心點附加應力進行數據計算。

（二）三維有限元法

三維有限元法在地基沉降數據測試中，主要適用于地基的連續介質，而對于一般土壤結構體，可以使用非線性彈性本構模型，或者彈塑性本構模型。由于地基自身結構具有比較復雜的邊界環境、體質結構體應力、結構應變關系的非線性特點、體制結構體的應力歷史、水資源與地基骨架上應力的耦合效應等因素，技術人員可以根據地基的相關特性，考慮土質與土壤結構下，產生的共同作用、土壤結構層的各個方向產生的異性等方面[1]。同時針對其土質特點進行現場分級的數據模擬，并且進行級別增加壓力荷定值。從數據的計算方法選擇上看，由于三維有限元法相關的計算參數較多，并且需要依靠三軸模式進行相關試驗進而確定，其中試驗的緩解和程序十分復雜，一般工程設計人員不能充分的運用，因此在實際預防地基沉降工程中，并不能有效的運用，所以，該方法目前只能使用在我國重要工程以及重要區域的地基沉降數值計算。

二、地基實時沉降分析實際應用

（一）三維有限元的實際應用

在地基實時沉降技術應用中，有限元法是一種無限接近測試目標的測試方法。而在實際的技術操作過程中，技術人員利用有限、位置數據量去無線接近無限的未知量，其中主要的核心關鍵就是求解領域的離散化。其中求解領域在實驗過程中可以看作是由多個有限元子領域相互連接而成，而每一個子領域可以看作是一個測試的單元，技術人員通過不同的更新迭代，進行技術優化，以此實現對有限元的無限接近，最后得到該問題最終的解決答案。三維有限元法的測試本質是在有限、離散單元作為測試的基礎，并且以此表達實際發展的連續領域，因此在地基的實時沉降問題上收到了廣泛的應用[2]。

（二）三維物理建模

根據我國目前地基實時沉降的基本特點和運作模式，大多數三維有限元法都選擇三維物理建模法，可以有效的實現三維有限元法的模型可視化。所謂的三維物理建模法，實際本質為對地基沉降數據量使用三維技術進行模型的建立，而使用相關地基沉降數據進行模型建立過程中，解求模型內部結構的物理參數模型狀態。其中使用三維建模時，所有的數據來源主要基于有限元進行數據分析和計算時，各個位置和點位在相同時間內產生的地基沉降總量。由于各個位置和點位是相對分散的，在計算過程中需要進行數值的插值計算，以此生成具有連續性、曲面狀態模型。加上數據的空間差值的方法主要有數值確定性差值、數據統計性差值等，因此在實際的應用過程中，技術人員使用次數比較頻繁的是確定性差值結構中，反向距離加權差值法，與數值統計差值法中的克里金插值法。其中反向距離加權差值法在實際的運用過程當中，無需針對每一個測試點進行線性方程的數值求取，因此其自身計算效率比克里金插值法相對較高，而使用反向距離加權差值法自身所需要的數據儲存空間也相對較小。因此該種方法比較適合使用在測試采樣點位相對比較均勻，并且需要分布在測試區域每一個位置，由于數據采樣測試點如果分布不均勻會直接影響插值算法的精準程度，而使用克里金插值法計算區域的數據變化時，不僅需要考慮到測試點位的距離，還需要考慮點位空間性質的異常性，在理論上，克里金插值法的測試方式更加完善。所以克里金插值法更加適用于區域變量情況較大的測試環境。

（三）三維動畫模型

為了有效的測試地基沉降實時性的數據變化程度，最為直觀的形成模式就是三維動畫模型，而關鍵幀動畫技術是制作三維動畫模型的常見技術，加上運動關鍵幀動畫，其內部結構中的中間幀插值是不可或缺的基礎環節。所以完成地基沉降實時數據模擬情況的關鍵核心，就是中間幀插值的確定。在實際的地基沉降測試過程中，中間幀插值法主要分為兩種：中間線性插值和中間幀球面插值。其中中間線性插值主要應用特點就是求取數據解速度極快，但是在進行關鍵幀求解時，其求解準確度較低，同時中間幀球面插值有效的將此種問題和不足進行解決，可以較好的利用差值運算的特性描述出其形變特征。為此，大多數測試人員在三維動畫模型時，使用其中關鍵幀的形成技術，并且結合非線性中間幀插值，計算并且生成具備連續狀態的三維動畫，以此運用更加自然的方式展現地基在沉降過程中，所展現的實時變化，以此幫助用戶有效的了解地基沉降的過程和原因[3]。

（四）三維有限元模擬分析

基于以上的技術理論和基礎要求，設計主要實現了地基的實時沉降的三維有限元分析程序，同時數據測量界面的操作流程相對于傳統技術來說，盡可能的進行簡化，并且進行地基實時沉降的三維動態模型展示應用。根據地基沉降的實際測試環境和設備的模擬應用，其程序主要實現以下功能：基礎數據的導向作用、有限元模擬數據計算分析、地基沉降三維模型建立以及數據分析的結果輸出。其中數據的輸出主要導入有限元所分析的各類數據參數，并且在實際操作過程中，由用戶進行自定義，比如：土層結構厚度、土層結構重度、土層模型總量、土層結構中PH數值、土層自身滲透程度、土層固定結塊系數、地下水位整體高度、土層數據計算時間、額定承載總量以及額定承載大小尺寸等相關因素。

結語

本文主要根據目前地基沉降因素進行綜合分析，并且根據三維有限元技術分析了地基實時沉降產生的原因和模擬應用，為建筑工程人員提供了實際的數據參考價值。

參考文獻：

[1]劉元釗， 張鶴， 馬永峰. 三維有限元在地基實時沉降分析中應用探索[J]. 四川建筑， 2018， 038（001）：99-101.

[2]涂慕溪， 陳禮彪， 曾俊鋮，等. 基于有限元的地基-路堤-路面協同變形機理分析[J]. 公路交通科技， 2019（11）：33-39.

[3]王軍. 基于三維有限元的復合地基典型參數影響研究[J]. 廣東土木與建筑， 2018， 025（006）：22-25.

作者簡介：

李旭民（1977年7月-），甘肅蘭州，講師，碩士，主要從事土木工程結構研究

基金項目：甘肅廣播電視大學2015年校級課題項目“考慮地基土-壓縮機基礎相互作用的動力有限元分析”（2015-QN-03）。