建筑物荷载对南京河西新城地面沉降影响的数值模拟分析

王庆 ，李永泉，曾宝庆，岳建平

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

1 前 言

地面沉降是国内外都十分关注的一种复杂环境地质问题，是指自然和人为因素作用下，由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的现象［1，2］。而探讨与地面沉降计算有关的影响因素，应从引起地基沉降的原因开始分析:①发生沉降的外部因素(外因)是附加应力的存在，附加应力由建筑荷载引起。②发生沉降的内部因素(内因)是土的压缩性，土的压缩性可用弹性模量来反映［3，4］。建筑荷载对于地面沉降的区域影响范围已上升到不容忽视的地步，合理安排建筑物间距，避免建筑物之间地基变形的叠加效应，人们对于地面沉降的区域影响范围研究和重视提升到了一个新的高度［5，6］。因此，本文针对南京河西新城长江漫滩典型地质条件，从普通单体建筑物出发，采用有限单元法，考虑土体、承台及建筑荷载等因素对地面沉降的影响，并对建筑荷载作用下沉降影响范围进行了初步探讨。

2 有限元模型的建立及计算

ANSYS 是国际上大型通用有限元软件之一，它能够真实反映土体性状的本构模型关系。在漫谈典型地质中建立地基土层与其表面的建筑物荷载模型进行三维有限元模拟，承台几何尺寸为10 m× 10 m× 1 m，其泊松比为0.26，弹性模量为20 GPa，密度为2 500 kg/m3。南京河西新城漫滩典型地基土层物理参数如图1所示，在模拟计算的初期，发现模拟结果中建筑物影响范围超过土层宽度，因此，通过反复设置土层的宽度，使得建筑荷载影响范围不超过土层的宽度，最终将土层尺寸设置为60 m×60 m× 26.8 m［7］。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)。

图1 地基土层的力学物理参数

为模型划分网格时，所有单元都采用扫掠网格划分，由于承台刚度较大，将其网格划分较稀疏，对于土体，由于刚度较小，总的来说较承台划分较密［8］。建筑荷载是在土层自重固结完成后施加，不考虑地基土自重的沉降变形，仅考虑建筑物荷载对土层的影响而不计土层自重产生的荷载，因此可以设置土的容重为0。

模型底面、侧面法向约束，在Y 方向加重力加速度g=10 m/s2(即在垂直方向施加荷载)，主要考虑由结构自重所产生的荷载对土层力学行为的影响，将荷载转化为均布面荷载施加于承台面上［9，10］。

3 计算结果分析

用ANSYS 求解器对建筑物模型进行计算，并对其一系列结果进行分析。本文主要从以下几个角度对地面沉降的影响因素进行了模拟，并分析普通单体建筑荷载影响范围的变化规律。

3.1 土体弹性模量对地面沉降影响研究

其他参数保持不变的情况下，重点研究土体弹性模量对地面沉降的影响。承台弹性模量取为20 GPa，将漫滩典型地质第一层杂填土的弹性模量逐渐增大，分别取 为 5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa、45 MPa、50 MPa进行计算，建筑荷载为5 000 kN。由ANSYS 进行模拟计算，得到一系列计算结果，建筑物随土体弹性模量的变化沉降曲线如图2所示。

图2 土弹性模量－建筑物沉降曲线

由图2可知，随着土的弹性模量逐渐增大，建筑物沉降逐渐降低，其减小速率也逐渐减小。当土的弹性模量增大到一定程度时，建筑物沉降几乎不变，如当土体弹性模量由5 MPa变化到30 MPa时，建筑物沉降由44.662 mm降至26.082 mm，变化量为18.580 mm，而土弹性模量由30 MPa变化到50 MPa时，建筑物沉降由26.082 mm降至24.108 mm，变化量仅为1.974 mm。这说明了，土体弹性模量在一定范围内增大时，可以减少建筑物沉降，但过大效果不显著。

3.2 承台弹性模量对地面沉降的影响

其他参数保持不变的情况下，重点考虑承台弹性模量对地面沉降的影响。建筑荷载为5 000 kN，将承台的弹性模量逐渐增大，分别取为1 GPa、3 GPa、5 GPa、10 GPa、15 GPa、20 GPa、25 GPa、30 GPa、35 GPa、40 GPa、45 GPa进行计算。不同承台弹性模量下建筑物沉降曲线如图3所示。

由图3可看出，建筑物沉降曲线随承台弹性模量逐渐增大变化不明显，当承台弹性模量增大到15 GPa以上时，建筑物沉降几乎变成一条平稳水平直线。而且承台弹性模量从1 GPa增加到45 GPa时，建筑物沉降从32.524 mm变为27.934 mm，变化量仅为4.59 mm。从以上可以看出，只要承台满足稳定性、足够强度要求即可，承台弹性模量对建筑物沉降影响甚微。

图3 承台弹性模量－建筑物沉降曲线

3.3 建筑荷载对地面沉降影响研究

承台弹性模量取为20 GPa，在计算过程中，建筑物荷载逐渐增大，依次取为 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，其他土体相关参数见表1。得到建筑物沉降随荷载增大变化关系如图4所示，距建筑物中心不同水平距离土体沉降曲线如图5所示，距建筑物中心不同深度土体沉降曲线如图6所示。

图4 建筑物随荷载变化沉降曲线

图5 水平距离土体沉降曲线

图6 不同深度土体沉降曲线

由图4可以看出，对于均质地基土，随着建筑荷载的增加，承台工作处于线性状态，建筑物沉降曲线呈直线形式。表明建筑物在荷载增量相同情况下，沉降增量相同，因此，应经济合理控制楼层高度，保证建筑物沉降量在国家标准允许范围之内。

在监测南京河西地面沉降的同时，开展地面荷载变化情况调查，调查新增加的4 层以上的建筑物的荷载及变化情况，根据地面荷载调查结果分析，发现河西地区沉降与地面荷载的增加有直接关系，并且很多方面表现为一致性，首先河西地面沉降中心位置变化与建筑荷载增量位置变化表现为一致性，河西地区经济开发初期，基础建设主要集中在集庆门西附近，此时集庆门西逐渐成为了河西地区的沉降中心，随着经济建设全面发展，基础建设延伸到向兴路西和滨江风光带附近，此时这两块地区地面沉降迅速，并且向兴路西慢慢发展为河西沉降中心。其次两者在沉降量的大小和沉降区域面积有很大的联系，一般来说，河西某地荷载增量比较大，那么该地沉降量和沉降区域面积也相应较大，反之也是这样。

从图5可以得出，建筑物中心区域的土体沉降最大，随着水平距离的增大，土体沉降量逐渐减小，直至为零，表明单个、分散的建筑物，它自身水平影响范围是有限的，并且可以看出建筑物对地面沉降的水平影响范围稍大于2 倍建筑物宽度，因此在离建筑物一定水平范围处其沉降不能忽略不计，而其对在此范围外的点产生的影响可以忽略。随着建筑荷载的增大，其水平影响范围几乎不变，但在其影响范围一定水平距离内，建筑荷载越大，对该处土体产生的沉降越大，之后沉降变化量逐渐缩小。如建筑荷载从1 000 kN增大到10 000 kN时，在距建筑物中心8 m内，两者差值均超过10 mm，同样的建筑荷载从1 000 kN增大到10 000 kN时，在距建筑物中心20 m、22 m、24 m处，两者对土体产生的沉降量分别为 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，变化量为0.758 53 mm、0.335 75 mm、0.029 925 mm，都不超过1 mm，这表明在建筑物影响范围内，随着距离增大初期，大小不同建筑荷载对土体产生的沉降差异较大，之后沉降差异越来越小，总体呈减小的趋势。

由图6可知，建筑荷载预压下地基土层中沉降量在浅部土层最大，随着深度的增加沉降量减小，直到对某深处土体影响忽略不计，表明单个建筑物深度影响范围是有限的。且可以看出对于同一建筑荷载，在一定程度上其深度影响范围大于水平影响范围。在影响范围内距离增大的初期，土体沉降在深度方向的衰减较水平方向更为缓慢，达到某一临界值，在深度方向变化率较大。随着建筑荷载的增大，其深度影响范围有增大的趋势，如对于深度25.03 m处的土体，建筑荷载1 000 kN和10 000 kN 对其产生的沉降分别为 0.365 89 mm、1.303 9 mm，两者差异值几乎为1 mm，且这种差异随着荷载的增大越来越大，因此建筑物的深度影响范围随建筑荷载的增大而增大，也从另一方面说明在一定程度上其深度影响范围较水平影响范围更大。

4 结 论

针对南京河西新城长江漫滩典型地质条件，通过建立该地质条件下均质地基中建筑物的三维有限元模型，探讨了土体弹性模量、承台弹性模量及建筑荷载等因素对地面沉降的影响，并初步分析了普通单体建筑荷载影响范围变化规律，获得了可为漫滩地面实际工程提供一定理论参考的结论:

(1)地基土的弹性模量在一定范围内增大时，可以减小建筑物的沉降，但过大效果不显著，所以在考虑地基土层时，应反复计算，得到最优土体弹性模量。

(2)在对承台进行选择时，只要承台满足稳定性、足够强度要求即可，承台弹性模量对建筑物沉降影响甚微。

(3)对于均质地基土，随着建筑荷载的增加，承台工作处于线性状态，建筑物沉降曲线呈直线形式。

(4)单个、分散的普通单体建筑物，它自身水平和深度影响范围是有限的，在一定程度上其深度影响范围较水平影响范围更大。随着建筑荷载的增大，其水平影响范围几乎不变，而其深度影响范围有增大的趋势。

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