建筑荷載引起漫灘地面沉降數(shù)值模擬分析

建筑荷載引起漫灘地面沉降數(shù)值模擬分析

曾寶慶1，岳建平1，王慶2，劉斌1

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

摘要：基于土力學(xué)理論，結(jié)合數(shù)值分析的方法建立長(zhǎng)江漫灘典型地質(zhì)條件下地基土層及其表面的建筑荷載模型，采用ANSYS計(jì)算軟件對(duì)其進(jìn)行模擬分析，探討建筑物間距、建筑物規(guī)模對(duì)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(guī)律。結(jié)果表明，建筑物間距、建筑物規(guī)模對(duì)建筑物差異沉降會(huì)產(chǎn)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(guī)律。

關(guān)鍵詞：地面沉降；長(zhǎng)江漫灘；數(shù)值分析；建筑物荷載；沉降影響范圍；建筑物間距

中圖分類號(hào)：TU433

收稿日期：2014-07-31

作者簡(jiǎn)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(zhǎng)江三角洲地區(qū)城市建設(shè)的快速發(fā)展，特別是近年來大規(guī)模的工程建設(shè)，長(zhǎng)江三角洲地區(qū)地面承受的荷載不斷增加，地面有明顯下沉趨勢(shì)。城市建筑物的密集化、高層化使得相鄰的單個(gè)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(chǎn)生疊加效應(yīng)，導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生不均勻沉降。相鄰建筑荷載對(duì)于地面沉降的影響已上升到不容忽視的地步，應(yīng)合理安排建筑物間距，避免建筑物之間地基沉降產(chǎn)生疊加[1-3]。因此，針對(duì)長(zhǎng)江漫灘典型地質(zhì)條件，結(jié)合數(shù)值分析的方法探討了建筑物間距、建筑物規(guī)模對(duì)建筑物差異沉降的影響，并對(duì)相鄰建筑物作用下的沉降影響范圍進(jìn)行了分析。

1模型的建立及計(jì)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(shí)的反映土體的非線性力學(xué)行為及土體結(jié)構(gòu)受力特性。長(zhǎng)江漫灘典型地質(zhì)土層自上而下分別為雜填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾粉土、粉砂夾粉土、粉細(xì)砂，其力學(xué)物理參數(shù)如表1所示[4]，在漫灘典型地質(zhì)中建立地基土層及其表面的建筑荷載模型進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬，承臺(tái)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(qū)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(fù)設(shè)置土體的邊界，最終將承重土層的尺寸設(shè)置為116 m×74 m×26.8 m[5-6]。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。

表1　漫灘典型地質(zhì)土層的力學(xué)物理參數(shù)

土層自重壓密固結(jié)完成后施加建筑物荷載，僅考慮建筑物荷載附加應(yīng)力對(duì)地基土層的影響而不計(jì)土層自重產(chǎn)生的荷載，因此可以將土的容重設(shè)置為0。劃分有限元模型時(shí)，采用掃掠方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于承臺(tái)剛度較大，將其網(wǎng)格劃分較稀疏，其單元邊長(zhǎng)尺寸設(shè)為3m，對(duì)于土體，由于剛度較小，總的來說較承臺(tái)劃分較密，其單元邊長(zhǎng)尺寸設(shè)為2m[7-8]。模擬中，模型底面、側(cè)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(chǎn)生的附加應(yīng)力對(duì)土層的影響，將建筑物荷重轉(zhuǎn)化為均布面荷載施加于承臺(tái)面上[9-10]。

2模擬結(jié)果分析

采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)相鄰建筑荷載作用下的地面沉降規(guī)律進(jìn)行分析，重點(diǎn)分析了建筑物間距、建筑物規(guī)模對(duì)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(guī)律。

2.1　建筑物間距對(duì)建筑物差異沉降的影響

在模擬計(jì)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(shù)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(dāng)建筑物間距增大到某個(gè)臨界值時(shí)，建筑物最大沉降量趨于穩(wěn)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(dá)到臨界值后繼續(xù)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(shí)，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(shí)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?jī)H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(dāng)建筑物的間距增加到一定程度時(shí)，建筑物幾乎不會(huì)產(chǎn)生差異沉降。如建筑物間距從2m增大到16m時(shí)，建筑物差異沉降量由8.904mm變?yōu)?.106mm，變化量為7.798mm，而建筑物間距從16m增大到32m時(shí)，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(chǎn)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(yīng)合理控制建筑物間距，避免建筑物發(fā)生不均勻沉降和過大沉降。

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)對(duì)建筑物地基變形做了規(guī)定，如表2所示。針對(duì)漫灘典型地質(zhì)條件，通過模擬結(jié)果可知，對(duì)于高度為30m的建筑物荷載，應(yīng)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(guī)模對(duì)建筑物差異沉降的影響

在計(jì)算過程中，用建筑物荷載大小來代表不同的建筑物規(guī)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(shù)不變。不同建筑物規(guī)模下建筑物差異沉降量如圖3所示。

由圖3可以得出，對(duì)于漫灘典型均質(zhì)地基土，隨著建筑規(guī)模的增大，建筑物差異沉降量呈線性增長(zhǎng)。這說明了，建筑物在規(guī)模增加相同的情況下，建筑物差異沉降量變化相同，因此，應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理控制建筑物規(guī)模，使得建筑物差異沉降量符合國家建筑基本規(guī)范。

當(dāng)建筑物間距控制在10m時(shí)，根據(jù)表2所示建筑物地基變形允許值，對(duì)于長(zhǎng)江漫灘典型地質(zhì)條件，建筑物高度不應(yīng)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(biāo)原點(diǎn)，根據(jù)表2各工況的有限元計(jì)算結(jié)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(qū)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(qū)域附近，沉降量等值線較為密集，距建筑物中心較遠(yuǎn)區(qū)域，沉降等值線較為稀疏，表明土體沉降量在建筑物中心區(qū)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(huì)產(chǎn)生相互疊加，增加建筑物間距可以減小疊加效應(yīng)，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(qiáng)，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(fā)的土體沉降在建筑物之間會(huì)產(chǎn)生疊加，建筑物間距越小，疊加效應(yīng)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(yīng)，且可以降低土體沉降，但當(dāng)建筑物間距增加到一定程度時(shí)，相鄰建筑物可以看成單個(gè)、分散的建筑物。對(duì)于本模型而言，建筑物間距達(dá)到32m時(shí)，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(jié)論

針對(duì)長(zhǎng)江漫灘典型地質(zhì)條件，結(jié)合數(shù)值分析的方法建立了該地質(zhì)條件下地基土層及其表面的建

筑荷載模型，采用ANSYS計(jì)算軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探討了建筑物間距、建筑物規(guī)模對(duì)建筑物差異沉降的影響，并對(duì)相鄰建筑物作用下的沉降影響范圍進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

1)建筑物間距在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，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(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程反復(fù)計(jì)算得到最佳建筑物間距。

2)對(duì)于漫灘典型均質(zhì)地基土，隨著建筑規(guī)模的增大，建筑物差異沉降量呈線性增長(zhǎng)，因此，應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理控制建筑物規(guī)模，使得建筑物差異沉降量符合國家建筑基本規(guī)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(yīng)，且可以降低土體沉降量，但當(dāng)建筑物間距增加到一定程度時(shí)，相鄰建筑物可以看成單個(gè)、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(zé)任編輯：劉文霞]