(中鐵十八局集團第一工程有限公司，涿州 河北 072750)

1 前 言

建筑物在地基施工前，由于排水、加壓等措施使土體孔隙水壓力失衡變形，產(chǎn)生固結(jié)沉降；在施工后，地基周圍土體持續(xù)蠕動產(chǎn)生進(jìn)一步變形沉降(次固結(jié)沉降)。這兩類沉降量較大，且沉降分布不均勻，對建筑結(jié)構(gòu)物自身以及周邊管線、道路、建筑影響較大。精確預(yù)測沉降大小，對于前期工程可行性論證、制定合理減小沉降措施具有十分重要的意義。

目前常用的地基沉降計算方法包括分層總和法以及有限元計算法。分層總和法的原理是按照地基土質(zhì)結(jié)構(gòu)對土體進(jìn)行分層，依次計算各層應(yīng)力應(yīng)變、壓縮量，從而推求最終沉降量。有限元法依托完善的有限元計算理論和先進(jìn)的電子計算機技術(shù)，將研究范圍內(nèi)土體切分成若干單元，然而對各個單元進(jìn)行近似函數(shù)假設(shè)，將連續(xù)的無限自由度問題轉(zhuǎn)換成成離散的有限自由度問題進(jìn)行求解。

目前業(yè)內(nèi)最權(quán)威、常用的有限元計算軟件有ABAQUS、ANSYS、MSC、ADINA等。其中，ADINA具有強大的求解結(jié)構(gòu)以及設(shè)計結(jié)構(gòu)場之外的多場耦合問題功能，是目前在非線性問題求解中計算速度最快、計算精度最高的軟件，在諸多實例工程中獲得業(yè)內(nèi)的高度認(rèn)可。

本文采用ADINA計算軟件中的Structure計算模塊，以湖北武漢市中北春天住宅樓為對象，研究ADINA數(shù)值模擬法在房建工程中的地基沉降量計算方法。

2 工程介紹

工程位于武漢市武昌區(qū)中北路150號，東臨省建機居住區(qū)用地，南臨天源城居住小區(qū)，西臨中北路，北側(cè)現(xiàn)為車家?guī)X街。規(guī)劃凈用地面積23 508.2 m2，建筑層數(shù)15層，總建筑面積252 580 m2。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式采用筏板基礎(chǔ)，底板厚1 500 mm；主體結(jié)構(gòu)形式采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，地基處理采用鉆孔灌注樁。

工程區(qū)域地質(zhì)可分為以下主要幾層：(1)1～2.5 m厚的素填土；(2)1.8～3.5 m厚的粉質(zhì)黏土；(3)2.5～6 m厚的沖積粉土。地基承載力為450 kPa。

3 ADINA數(shù)值模擬法計算沉降

采用ADINA模擬軟件中的Structure計算模塊，對實例對象進(jìn)行三維建模。計算區(qū)域以該工程地面尺寸為基礎(chǔ)，向x、y方向各擴大3倍，根據(jù)以往沉降計算經(jīng)驗，z方向在地面以上取實例工程建筑頂高程(37.2 m)，地面以下取50 m。模型豎向設(shè)置xy方向的約束，以確保水平向位移為0。

計算模型中的土體參數(shù)均根據(jù)地勘報告設(shè)置，以及工程建筑物的結(jié)果受力分析，對地基模型施加的均布荷載大小取350 kPa。計算網(wǎng)格選擇矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格間距取5 m(圖1)。時間步長取20 s，迭代次數(shù)設(shè)置為500次，自由度設(shè)置為0.07。

圖1 工程模型計算網(wǎng)格劃分

將該工程最終沉降計算結(jié)果計算云圖繪于圖2，并將最終沉降X方向軸線、Y方向軸線切片依次繪于圖3、圖4。

分析圖2至圖4可知：

(1)從平面分布來看，沉降分布以建筑物底面積為中心，向四周擴散。影響范圍除構(gòu)筑物區(qū)域外，沿構(gòu)筑物外沿可擴散約30～35 m。其中在同一深度，構(gòu)筑物區(qū)域沉降量基本相同。

(2)從豎向分布來看，沉降量最大區(qū)域在地基頂處，最大承載量達(dá)234 mm。沉降量沿豎向遞減，傳遞至土體以下38 m處，沉降量已下降至10 mm；再往下層，沉降量趨近于0。

(3)沉降量沿X中軸分布與沿Y中軸分布基本一致，均是以構(gòu)筑物區(qū)域為中心，呈橢圓形向四周擴散，并逐漸遞減。

圖2 最終沉降量計算結(jié)果云圖

圖3 最終沉降量計算結(jié)果X中軸切片云圖

圖4 最終沉降量計算結(jié)果Y中軸切片云圖

4 ADINA數(shù)值模擬法計算精度驗證

通過實測數(shù)據(jù)以及按規(guī)范推薦的分層總和法計算的結(jié)果來驗證ADINA數(shù)值模擬法的計算精度。

4.1 實測最終沉降量

在實例工程施工過程中，在10 m深的土層布設(shè)沉降位移計(BJQF-V型)，記錄沉降。位移計沿x中軸布設(shè)，共布設(shè)9個位移計(布設(shè)間距為30 m)。

4.2 分層總和法計算最終沉降量

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》 (JGJ 94—2008)中的分層總和法對實例工程最終沉降進(jìn)行計算。其計算式如下：

(式1)

4.3 ADINA數(shù)值模擬法計算精度分析

將10 m深土層9個測點的實測值、ADINA數(shù)值模擬計算值、分層總和法計算值均繪于圖5。分析圖5可知：

(1)與實測值相比，9個數(shù)據(jù)點的ADINA計算值與實測值最大誤差為-0.030 mm，平均誤差為-0.04 mm(計算值比實測值偏小)，誤差率在10%以下的測點有7個，監(jiān)測點數(shù)據(jù)計算值與實測值相關(guān)關(guān)系為0.937，呈顯著正相關(guān)。

(2)9個數(shù)據(jù)點的分層總和法計算值與實測值最大誤差為0.017 mm，平均誤差為-0.06 mm(計算值偏大)，誤差率在10%以下的測點有6個，監(jiān)測點數(shù)據(jù)計算值與實測值相關(guān)關(guān)系為0.911，呈顯著正相關(guān)。

(3)總體來看，兩種方法的計算精度都較高。ADINA模擬計算結(jié)果比實際值偏小，分層總和法計算結(jié)果偏大。ADINA模擬計算誤差波動小，與實測值誤差波動更小，方法計算值較為精確。

圖5 ADINA數(shù)值模擬法計算精度分析

5 結(jié) 論

以湖北武漢市中北春天住宅樓為實例，借助ADINA數(shù)值模擬法對其沉降量進(jìn)行了計算，并將計算結(jié)果與實測結(jié)果、分層總和法計算結(jié)果做了比較，得到以下結(jié)論：

(1)ADINA數(shù)值模擬法與分層總和法的計算結(jié)果都十分接近實測值，其中，與實測值相比，前者的計算結(jié)果偏小，后者的計算結(jié)果偏大?？傮w來看，ADINA數(shù)值模擬法計算精度更優(yōu)。

(2)ADINA數(shù)值模擬法可以有效解決結(jié)構(gòu)以及設(shè)計結(jié)構(gòu)場之外的多場耦合問題，計算精度高，計算速度快。借助ADINA有限元計算軟件可以很好地建立房建工程地基沉降計算模型，并為前期工程可行性論證、制定合理減小沉降措施提供依據(jù)。