建筑荷载引起漫滩地面沉降数值模拟分析

建筑荷载引起漫滩地面沉降数值模拟分析

曾宝庆1，岳建平1，王庆2，刘斌1

(1.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210098；2.南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏 南京 210019)

摘要：基于土力学理论，结合数值分析的方法建立长江漫滩典型地质条件下地基土层及其表面的建筑荷载模型，采用ANSYS计算软件对其进行模拟分析，探讨建筑物间距、建筑物规模对建筑物差异沉降的影响，分析相邻建筑物作用下的沉降影响范围变化规律。结果表明，建筑物间距、建筑物规模对建筑物差异沉降会产生不同的影响，相邻建筑物作用下的水平和深度影响范围也有不同的变化规律。

关键词：地面沉降；长江漫滩；数值分析；建筑物荷载；沉降影响范围；建筑物间距

中图分类号：TU433

收稿日期：2014-07-31

作者简介：曾宝庆(1989-)，男，硕士研究生.

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

随着长江三角洲地区城市建设的快速发展，特别是近年来大规模的工程建设，长江三角洲地区地面承受的荷载不断增加，地面有明显下沉趋势。城市建筑物的密集化、高层化使得相邻的单个建筑物之间相互影响，相互作用，从而引起建筑物之间地基产生叠加效应，导致建筑物产生不均匀沉降。相邻建筑荷载对于地面沉降的影响已上升到不容忽视的地步，应合理安排建筑物间距，避免建筑物之间地基沉降产生叠加[1-3]。因此，针对长江漫滩典型地质条件，结合数值分析的方法探讨了建筑物间距、建筑物规模对建筑物差异沉降的影响，并对相邻建筑物作用下的沉降影响范围进行了分析。

1模型的建立及计算

ANSYS软件是美国研制的一款大型通用有限元分析软件，它有较广的适用范围，能够真实的反映土体的非线性力学行为及土体结构受力特性。长江漫滩典型地质土层自上而下分别为杂填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土夹粉土、粉砂夹粉土、粉细砂，其力学物理参数如表1所示[4]，在漫滩典型地质中建立地基土层及其表面的建筑荷载模型进行三维有限元数值模拟，承台为钢筋混凝土材料，其弹性模量为20GPa，密度为2 500kg/m3，泊松比为0.26，几何尺寸为10 m×10 m×1 m。为了使得各种工况下相邻建筑物荷载区域影响范围不超过土体的边界，并考虑到有限元模拟分析的收敛速度，通过反复设置土体的边界，最终将承重土层的尺寸设置为116 m×74 m×26.8 m[5-6]。土体、承台假定为各向同性弹性材料，采用SOLID45单元模拟，SOLID45单元为3-D实体，适用于三维实体结构模型。

表1　漫滩典型地质土层的力学物理参数

土层自重压密固结完成后施加建筑物荷载，仅考虑建筑物荷载附加应力对地基土层的影响而不计土层自重产生的荷载，因此可以将土的容重设置为0。划分有限元模型时，采用扫掠方式进行网格划分，由于承台刚度较大，将其网格划分较稀疏，其单元边长尺寸设为3m，对于土体，由于刚度较小，总的来说较承台划分较密，其单元边长尺寸设为2m[7-8]。模拟中，模型底面、侧面施加位移为0的法向约束条件，在Y方向施加重力加速度g=10m/s2，主要考虑建筑物荷载自重产生的附加应力对土层的影响，将建筑物荷重转化为均布面荷载施加于承台面上[9-10]。

2模拟结果分析

采用有限元分析软件ANSYS对相邻建筑荷载作用下的地面沉降规律进行分析，重点分析了建筑物间距、建筑物规模对建筑物差异沉降的影响，并探讨了相邻建筑物作用下的沉降影响范围变化规律。

2.1　建筑物间距对建筑物差异沉降的影响

在模拟计算过程中，相邻建筑物间距逐渐增大，分别取为2m，4m，6m，8m，10m，12m，14m，16m，18m，20m，22m，24m，26m，28m，30m,32m，建筑荷载为5 000kN，其他参数保持不变。不同建筑物间距下建筑物最大沉降量如图1所示，不同建筑物间距下建筑物差异沉降量如图2所示。

图1　不同建筑物间距下建筑物最大沉降量示意图

图2　不同建筑物间距下建筑物差异沉降量示意图

由图1可知，随着建筑物间距的增大，建筑物最大沉降量逐渐减小，当建筑物间距增大到某个临界值时，建筑物最大沉降量趋于稳定的沉降值。且可以看出，在间距增大的初期，最大沉降量变化较为迅速，达到临界值后继续增大间距，建筑物最大沉降量变化趋于平缓。如建筑物间距从2m增大到12m时，建筑物最大沉降量分别为39.218mm和30.621mm，变化幅度为8.597mm，而建筑物间距32m时建筑物最大沉降量为28.824mm，建筑物间距从12m增大到32m，建筑物最大沉降量仅仅相差1.797mm。

从图2可以看出，随着建筑物间距的增大，建筑物差异沉降量逐渐减小，其变化速率也逐渐减小，当建筑物的间距增加到一定程度时，建筑物几乎不会产生差异沉降。如建筑物间距从2m增大到16m时，建筑物差异沉降量由8.904mm变为1.106mm，变化量为7.798mm，而建筑物间距从16m增大到32m时，建筑物差异沉降量由1.106mm降至0.139mm，变化幅度仅为0.967mm。这表明了，在建筑物间距较小的情况下，建筑物容易产生不均匀沉降，且建筑物间距越小，不均匀沉降越明显。因此，应合理控制建筑物间距，避免建筑物发生不均匀沉降和过大沉降。

《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)对建筑物地基变形做了规定，如表2所示。针对漫滩典型地质条件，通过模拟结果可知，对于高度为30m的建筑物荷载，应保证建筑物间距至少大于12m。

表2　建筑物地基变形允许值　 m

2.2　建筑物规模对建筑物差异沉降的影响

在计算过程中，用建筑物荷载大小来代表不同的建筑物规模，相邻建筑荷载逐渐增加，依次取为1 000kN，2 000kN，3 000kN，4 000kN，5 000kN，6 000kN，7 000kN，8 000kN，9 000kN,10 000kN，建筑物间距为10m，保证其他参数不变。不同建筑物规模下建筑物差异沉降量如图3所示。

由图3可以得出，对于漫滩典型均质地基土，随着建筑规模的增大，建筑物差异沉降量呈线性增长。这说明了，建筑物在规模增加相同的情况下，建筑物差异沉降量变化相同，因此，应经济合理控制建筑物规模，使得建筑物差异沉降量符合国家建筑基本规范。

当建筑物间距控制在10m时，根据表2所示建筑物地基变形允许值，对于长江漫滩典型地质条件，建筑物高度不应超过24m。

2.3　建筑物作用下的沉降影响范围研究

取承重土层表面中心为坐标原点，根据表2各工况的有限元计算结果，得到不同建筑物间距下建筑物水平影响范围沉降等值线如图4所示，不同建筑物间距下建筑物深度影响范围沉降等值线如图5所示。

由图4可以看出，建筑物中心区域土体受到建筑荷载的影响最大，沉降量也最大，随着离建筑物中心距离的增大，土体沉降量逐渐减小，直至某处土体不受建筑物荷载的影响。且由图可知在建筑物中心区域附近，沉降量等值线较为密集，距建筑物中心较远区域，沉降等值线较为稀疏，表明土体沉降量在建筑物中心区域衰减较迅速，随着距建筑物中心距离的增加，土体沉降量衰减速度越来越缓慢。此外，在水平方向上由建筑荷载引起的地面沉降在建筑物之间会产生相互叠加，增加建筑物间距可以减小叠加效应，使得地面土体沉降量明显降低。

图5　不同建筑物间距下建筑物深度影响范围沉降等值线

由图5可知，建筑物荷载作用下浅部地基土层沉降量最大，随着深度的增大土体沉降量逐渐减小，直至某深处土体不受建筑荷载的影响。且可以看出，深度影响范围沉降等值线较均匀，层次感较强，表明土体沉降量在深度方向总体上较水平方向变化较为平缓。同样的，在深度方向由建筑物引发的土体沉降在建筑物之间会产生叠加，建筑物间距越小，叠加效应越明显。增大建筑物间距可以减小建筑物之间地基变形的叠加效应，且可以降低土体沉降，但当建筑物间距增加到一定程度时，相邻建筑物可以看成单个、分散的建筑物。对于本模型而言，建筑物间距达到32m时，再增大间距，土体沉降量变化幅度不大，控制地面沉降效果不显著。

3结论

针对长江漫滩典型地质条件，结合数值分析的方法建立了该地质条件下地基土层及其表面的建

筑荷载模型，采用ANSYS计算软件对其进行数值模拟分析，探讨了建筑物间距、建筑物规模对建筑物差异沉降的影响，并对相邻建筑物作用下的沉降影响范围进行了分析，得到以下结论：

1)建筑物间距在一定范围内增大时，可以减小建筑物最大沉降量和差异沉降量，但过大效果不明显，因此在考虑建筑物间距时，应结合实际工程反复计算得到最佳建筑物间距。

2)对于漫滩典型均质地基土，随着建筑规模的增大，建筑物差异沉降量呈线性增长，因此，应经济合理控制建筑物规模，使得建筑物差异沉降量符合国家建筑基本规范。

3)增大建筑物间距可以减小建筑物之间地基变形的叠加效应，且可以降低土体沉降量，但当建筑物间距增加到一定程度时，相邻建筑物可以看成单个、分散的建筑物，再增大间距，土体沉降量变化幅度不大，控制地面沉降效果不显著。

参考文献：

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[责任编辑：刘文霞]