建筑物荷載對南京河西新城地面沉降影響的數值模擬分析

王慶 ，李永泉，曾寶慶，岳建平

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

1 前 言

地面沉降是國內外都十分關注的一種復雜環境地質問題，是指自然和人為因素作用下，由于地殼表層土體壓縮而導致區域性地面標高降低的現象［1，2］。而探討與地面沉降計算有關的影響因素，應從引起地基沉降的原因開始分析:①發生沉降的外部因素(外因)是附加應力的存在，附加應力由建筑荷載引起。②發生沉降的內部因素(內因)是土的壓縮性，土的壓縮性可用彈性模量來反映［3，4］。建筑荷載對于地面沉降的區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，人們對于地面沉降的區域影響范圍研究和重視提升到了一個新的高度［5，6］。因此，本文針對南京河西新城長江漫灘典型地質條件，從普通單體建筑物出發，采用有限單元法，考慮土體、承臺及建筑荷載等因素對地面沉降的影響，并對建筑荷載作用下沉降影響范圍進行了初步探討。

2 有限元模型的建立及計算

ANSYS 是國際上大型通用有限元軟件之一，它能夠真實反映土體性狀的本構模型關系。在漫談典型地質中建立地基土層與其表面的建筑物荷載模型進行三維有限元模擬，承臺幾何尺寸為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如圖1所示，在模擬計算的初期，發現模擬結果中建筑物影響范圍超過土層寬度，因此，通過反復設置土層的寬度，使得建筑荷載影響范圍不超過土層的寬度，最終將土層尺寸設置為60 m×60 m× 26.8 m［7］。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)。

圖1 地基土層的力學物理參數

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

模型底面、側面法向約束，在Y 方向加重力加速度g=10 m/s2(即在垂直方向施加荷載)，主要考慮由結構自重所產生的荷載對土層力學行為的影響，將荷載轉化為均布面荷載施加于承臺面上［9，10］。

3 計算結果分析

用ANSYS 求解器對建筑物模型進行計算，并對其一系列結果進行分析。本文主要從以下幾個角度對地面沉降的影響因素進行了模擬，并分析普通單體建筑荷載影響范圍的變化規律。

3.1 土體彈性模量對地面沉降影響研究

其他參數保持不變的情況下，重點研究土體彈性模量對地面沉降的影響。承臺彈性模量取為20 GPa，將漫灘典型地質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進行計算，建筑荷載為5 000 kN。由ANSYS 進行模擬計算，得到一系列計算結果，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。當土的彈性模量增大到一定程度時，建筑物沉降幾乎不變，如當土體彈性模量由5 MPa變化到30 MPa時，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，建筑物沉降由26.082 mm降至24.108 mm，變化量僅為1.974 mm。這說明了，土體彈性模量在一定范圍內增大時，可以減少建筑物沉降，但過大效果不顯著。

3.2 承臺彈性模量對地面沉降的影響

其他參數保持不變的情況下，重點考慮承臺彈性模量對地面沉降的影響。建筑荷載為5 000 kN，將承臺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進行計算。不同承臺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彈性模量逐漸增大變化不明顯，當承臺彈性模量增大到15 GPa以上時，建筑物沉降幾乎變成一條平穩水平直線。而且承臺彈性模量從1 GPa增加到45 GPa時，建筑物沉降從32.524 mm變為27.934 mm，變化量僅為4.59 mm。從以上可以看出，只要承臺滿足穩定性、足夠強度要求即可，承臺彈性模量對建筑物沉降影響甚微。

圖3 承臺彈性模量－建筑物沉降曲線

3.3 建筑荷載對地面沉降影響研究

承臺彈性模量取為20 GPa，在計算過程中，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，其他土體相關參數見表1。得到建筑物沉降隨荷載增大變化關系如圖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，對于均質地基土，隨著建筑荷載的增加，承臺工作處于線性狀態，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，應經濟合理控制樓層高度，保證建筑物沉降量在國家標準允許范圍之內。

在監測南京河西地面沉降的同時，開展地面荷載變化情況調查，調查新增加的4 層以上的建筑物的荷載及變化情況，根據地面荷載調查結果分析，發現河西地區沉降與地面荷載的增加有直接關系，并且很多方面表現為一致性，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為一致性，河西地區經濟開發初期，基礎建設主要集中在集慶門西附近，此時集慶門西逐漸成為了河西地區的沉降中心，隨著經濟建設全面發展，基礎建設延伸到向興路西和濱江風光帶附近，此時這兩塊地區地面沉降迅速，并且向興路西慢慢發展為河西沉降中心。其次兩者在沉降量的大小和沉降區域面積有很大的聯系，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域面積也相應較大，反之也是這樣。

從圖5可以得出，建筑物中心區域的土體沉降最大，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、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，而其對在此范圍外的點產生的影響可以忽略。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，建筑荷載越大，對該處土體產生的沉降越大，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，在距建筑物中心8 m內，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，在距建筑物中心20 m、22 m、24 m處，兩者對土體產生的沉降量分別為 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，隨著距離增大初期，大小不同建筑荷載對土體產生的沉降差異較大，之后沉降差異越來越小，總體呈減小的趨勢。

由圖6可知，建筑荷載預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，直到對某深處土體影響忽略不計，表明單個建筑物深度影響范圍是有限的。且可以看出對于同一建筑荷載，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，如對于深度25.03 m處的土體，建筑荷載1 000 kN和10 000 kN 對其產生的沉降分別為 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 論

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

(1)地基土的彈性模量在一定范圍內增大時，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，應反復計算，得到最優土體彈性模量。

(2)在對承臺進行選擇時，只要承臺滿足穩定性、足夠強度要求即可，承臺彈性模量對建筑物沉降影響甚微。

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

(4)單個、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。

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