建筑物荷載對(duì)南京河西新城地面沉降影響的數(shù)值模擬分析

王慶 ，李永泉，曾寶慶，岳建平

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

1 前 言

地面沉降是國(guó)內(nèi)外都十分關(guān)注的一種復(fù)雜環(huán)境地質(zhì)問題，是指自然和人為因素作用下，由于地殼表層土體壓縮而導(dǎo)致區(qū)域性地面標(biāo)高降低的現(xiàn)象［1，2］。而探討與地面沉降計(jì)算有關(guān)的影響因素，應(yīng)從引起地基沉降的原因開始分析:①發(fā)生沉降的外部因素(外因)是附加應(yīng)力的存在，附加應(yīng)力由建筑荷載引起。②發(fā)生沉降的內(nèi)部因素(內(nèi)因)是土的壓縮性，土的壓縮性可用彈性模量來反映［3，4］。建筑荷載對(duì)于地面沉降的區(qū)域影響范圍已上升到不容忽視的地步，合理安排建筑物間距，避免建筑物之間地基變形的疊加效應(yīng)，人們對(duì)于地面沉降的區(qū)域影響范圍研究和重視提升到了一個(gè)新的高度［5，6］。因此，本文針對(duì)南京河西新城長(zhǎng)江漫灘典型地質(zhì)條件，從普通單體建筑物出發(fā)，采用有限單元法，考慮土體、承臺(tái)及建筑荷載等因素對(duì)地面沉降的影響，并對(duì)建筑荷載作用下沉降影響范圍進(jìn)行了初步探討。

2 有限元模型的建立及計(jì)算

ANSYS 是國(guó)際上大型通用有限元軟件之一，它能夠真實(shí)反映土體性狀的本構(gòu)模型關(guān)系。在漫談典型地質(zhì)中建立地基土層與其表面的建筑物荷載模型進(jìn)行三維有限元模擬，承臺(tái)幾何尺寸為10 m× 10 m× 1 m，其泊松比為0.26，彈性模量為20 GPa，密度為2 500 kg/m3。南京河西新城漫灘典型地基土層物理參數(shù)如圖1所示，在模擬計(jì)算的初期，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果中建筑物影響范圍超過土層寬度，因此，通過反復(fù)設(shè)置土層的寬度，使得建筑荷載影響范圍不超過土層的寬度，最終將土層尺寸設(shè)置為60 m×60 m× 26.8 m［7］。土體、承臺(tái)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(shí)體，適用于三維實(shí)體結(jié)構(gòu)模型)。

圖1 地基土層的力學(xué)物理參數(shù)

為模型劃分網(wǎng)格時(shí)，所有單元都采用掃掠網(wǎng)格劃分，由于承臺(tái)剛度較大，將其網(wǎng)格劃分較稀疏，對(duì)于土體，由于剛度較小，總的來說較承臺(tái)劃分較密［8］。建筑荷載是在土層自重固結(jié)完成后施加，不考慮地基土自重的沉降變形，僅考慮建筑物荷載對(duì)土層的影響而不計(jì)土層自重產(chǎn)生的荷載，因此可以設(shè)置土的容重為0。

模型底面、側(cè)面法向約束，在Y 方向加重力加速度g=10 m/s2(即在垂直方向施加荷載)，主要考慮由結(jié)構(gòu)自重所產(chǎn)生的荷載對(duì)土層力學(xué)行為的影響，將荷載轉(zhuǎn)化為均布面荷載施加于承臺(tái)面上［9，10］。

3 計(jì)算結(jié)果分析

用ANSYS 求解器對(duì)建筑物模型進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)其一系列結(jié)果進(jìn)行分析。本文主要從以下幾個(gè)角度對(duì)地面沉降的影響因素進(jìn)行了模擬，并分析普通單體建筑荷載影響范圍的變化規(guī)律。

3.1 土體彈性模量對(duì)地面沉降影響研究

其他參數(shù)保持不變的情況下，重點(diǎn)研究土體彈性模量對(duì)地面沉降的影響。承臺(tái)彈性模量取為20 GPa，將漫灘典型地質(zhì)第一層雜填土的彈性模量逐漸增大，分別取 為 5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa、45 MPa、50 MPa進(jìn)行計(jì)算，建筑荷載為5 000 kN。由ANSYS 進(jìn)行模擬計(jì)算，得到一系列計(jì)算結(jié)果，建筑物隨土體彈性模量的變化沉降曲線如圖2所示。

圖2 土彈性模量－建筑物沉降曲線

由圖2可知，隨著土的彈性模量逐漸增大，建筑物沉降逐漸降低，其減小速率也逐漸減小。當(dāng)土的彈性模量增大到一定程度時(shí)，建筑物沉降幾乎不變，如當(dāng)土體彈性模量由5 MPa變化到30 MPa時(shí)，建筑物沉降由44.662 mm降至26.082 mm，變化量為18.580 mm，而土彈性模量由30 MPa變化到50 MPa時(shí)，建筑物沉降由26.082 mm降至24.108 mm，變化量?jī)H為1.974 mm。這說明了，土體彈性模量在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，可以減少建筑物沉降，但過大效果不顯著。

3.2 承臺(tái)彈性模量對(duì)地面沉降的影響

其他參數(shù)保持不變的情況下，重點(diǎn)考慮承臺(tái)彈性模量對(duì)地面沉降的影響。建筑荷載為5 000 kN，將承臺(tái)的彈性模量逐漸增大，分別取為1 GPa、3 GPa、5 GPa、10 GPa、15 GPa、20 GPa、25 GPa、30 GPa、35 GPa、40 GPa、45 GPa進(jìn)行計(jì)算。不同承臺(tái)彈性模量下建筑物沉降曲線如圖3所示。

由圖3可看出，建筑物沉降曲線隨承臺(tái)彈性模量逐漸增大變化不明顯，當(dāng)承臺(tái)彈性模量增大到15 GPa以上時(shí)，建筑物沉降幾乎變成一條平穩(wěn)水平直線。而且承臺(tái)彈性模量從1 GPa增加到45 GPa時(shí)，建筑物沉降從32.524 mm變?yōu)?7.934 mm，變化量?jī)H為4.59 mm。從以上可以看出，只要承臺(tái)滿足穩(wěn)定性、足夠強(qiáng)度要求即可，承臺(tái)彈性模量對(duì)建筑物沉降影響甚微。

圖3 承臺(tái)彈性模量－建筑物沉降曲線

3.3 建筑荷載對(duì)地面沉降影響研究

承臺(tái)彈性模量取為20 GPa，在計(jì)算過程中，建筑物荷載逐漸增大，依次取為 1 000 kN、2 000 kN、3 000 kN、4 000 kN、5 000 kN、6 000 kN、7 000 kN、8 000 kN、9 000 kN、10 000 kN，其他土體相關(guān)參數(shù)見表1。得到建筑物沉降隨荷載增大變化關(guān)系如圖4所示，距建筑物中心不同水平距離土體沉降曲線如圖5所示，距建筑物中心不同深度土體沉降曲線如圖6所示。

圖4 建筑物隨荷載變化沉降曲線

圖5 水平距離土體沉降曲線

圖6 不同深度土體沉降曲線

由圖4可以看出，對(duì)于均質(zhì)地基土，隨著建筑荷載的增加，承臺(tái)工作處于線性狀態(tài)，建筑物沉降曲線呈直線形式。表明建筑物在荷載增量相同情況下，沉降增量相同，因此，應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理控制樓層高度，保證建筑物沉降量在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi)。

在監(jiān)測(cè)南京河西地面沉降的同時(shí)，開展地面荷載變化情況調(diào)查，調(diào)查新增加的4 層以上的建筑物的荷載及變化情況，根據(jù)地面荷載調(diào)查結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)河西地區(qū)沉降與地面荷載的增加有直接關(guān)系，并且很多方面表現(xiàn)為一致性，首先河西地面沉降中心位置變化與建筑荷載增量位置變化表現(xiàn)為一致性，河西地區(qū)經(jīng)濟(jì)開發(fā)初期，基礎(chǔ)建設(shè)主要集中在集慶門西附近，此時(shí)集慶門西逐漸成為了河西地區(qū)的沉降中心，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)全面發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)延伸到向興路西和濱江風(fēng)光帶附近，此時(shí)這兩塊地區(qū)地面沉降迅速，并且向興路西慢慢發(fā)展為河西沉降中心。其次兩者在沉降量的大小和沉降區(qū)域面積有很大的聯(lián)系，一般來說，河西某地荷載增量比較大，那么該地沉降量和沉降區(qū)域面積也相應(yīng)較大，反之也是這樣。

從圖5可以得出，建筑物中心區(qū)域的土體沉降最大，隨著水平距離的增大，土體沉降量逐漸減小，直至為零，表明單個(gè)、分散的建筑物，它自身水平影響范圍是有限的，并且可以看出建筑物對(duì)地面沉降的水平影響范圍稍大于2 倍建筑物寬度，因此在離建筑物一定水平范圍處其沉降不能忽略不計(jì)，而其對(duì)在此范圍外的點(diǎn)產(chǎn)生的影響可以忽略。隨著建筑荷載的增大，其水平影響范圍幾乎不變，但在其影響范圍一定水平距離內(nèi)，建筑荷載越大，對(duì)該處土體產(chǎn)生的沉降越大，之后沉降變化量逐漸縮小。如建筑荷載從1 000 kN增大到10 000 kN時(shí)，在距建筑物中心8 m內(nèi)，兩者差值均超過10 mm，同樣的建筑荷載從1 000 kN增大到10 000 kN時(shí)，在距建筑物中心20 m、22 m、24 m處，兩者對(duì)土體產(chǎn)生的沉降量分別為 0.294 87 mm、0.130 41 mm、 0.011 432 mm 和 1.053 4 mm、0.466 16 mm、 0.041 357 mm，變化量為0.758 53 mm、0.335 75 mm、0.029 925 mm，都不超過1 mm，這表明在建筑物影響范圍內(nèi)，隨著距離增大初期，大小不同建筑荷載對(duì)土體產(chǎn)生的沉降差異較大，之后沉降差異越來越小，總體呈減小的趨勢(shì)。

由圖6可知，建筑荷載預(yù)壓下地基土層中沉降量在淺部土層最大，隨著深度的增加沉降量減小，直到對(duì)某深處土體影響忽略不計(jì)，表明單個(gè)建筑物深度影響范圍是有限的。且可以看出對(duì)于同一建筑荷載，在一定程度上其深度影響范圍大于水平影響范圍。在影響范圍內(nèi)距離增大的初期，土體沉降在深度方向的衰減較水平方向更為緩慢，達(dá)到某一臨界值，在深度方向變化率較大。隨著建筑荷載的增大，其深度影響范圍有增大的趨勢(shì)，如對(duì)于深度25.03 m處的土體，建筑荷載1 000 kN和10 000 kN 對(duì)其產(chǎn)生的沉降分別為 0.365 89 mm、1.303 9 mm，兩者差異值幾乎為1 mm，且這種差異隨著荷載的增大越來越大，因此建筑物的深度影響范圍隨建筑荷載的增大而增大，也從另一方面說明在一定程度上其深度影響范圍較水平影響范圍更大。

4 結(jié) 論

針對(duì)南京河西新城長(zhǎng)江漫灘典型地質(zhì)條件，通過建立該地質(zhì)條件下均質(zhì)地基中建筑物的三維有限元模型，探討了土體彈性模量、承臺(tái)彈性模量及建筑荷載等因素對(duì)地面沉降的影響，并初步分析了普通單體建筑荷載影響范圍變化規(guī)律，獲得了可為漫灘地面實(shí)際工程提供一定理論參考的結(jié)論:

(1)地基土的彈性模量在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，可以減小建筑物的沉降，但過大效果不顯著，所以在考慮地基土層時(shí)，應(yīng)反復(fù)計(jì)算，得到最優(yōu)土體彈性模量。

(2)在對(duì)承臺(tái)進(jìn)行選擇時(shí)，只要承臺(tái)滿足穩(wěn)定性、足夠強(qiáng)度要求即可，承臺(tái)彈性模量對(duì)建筑物沉降影響甚微。

(3)對(duì)于均質(zhì)地基土，隨著建筑荷載的增加，承臺(tái)工作處于線性狀態(tài)，建筑物沉降曲線呈直線形式。

(4)單個(gè)、分散的普通單體建筑物，它自身水平和深度影響范圍是有限的，在一定程度上其深度影響范圍較水平影響范圍更大。隨著建筑荷載的增大，其水平影響范圍幾乎不變，而其深度影響范圍有增大的趨勢(shì)。

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