ADINA数值模拟法在房建工程地基沉降计算中的应用研究

(中铁十八局集团第一工程有限公司，涿州 河北 072750)

1 前 言

建筑物在地基施工前，由于排水、加压等措施使土体孔隙水压力失衡变形，产生固结沉降；在施工后，地基周围土体持续蠕动产生进一步变形沉降(次固结沉降)。这两类沉降量较大，且沉降分布不均匀，对建筑结构物自身以及周边管线、道路、建筑影响较大。精确预测沉降大小，对于前期工程可行性论证、制定合理减小沉降措施具有十分重要的意义。

目前常用的地基沉降计算方法包括分层总和法以及有限元计算法。分层总和法的原理是按照地基土质结构对土体进行分层，依次计算各层应力应变、压缩量，从而推求最终沉降量。有限元法依托完善的有限元计算理论和先进的电子计算机技术，将研究范围内土体切分成若干单元，然而对各个单元进行近似函数假设，将连续的无限自由度问题转换成成离散的有限自由度问题进行求解。

目前业内最权威、常用的有限元计算软件有ABAQUS、ANSYS、MSC、ADINA等。其中，ADINA具有强大的求解结构以及设计结构场之外的多场耦合问题功能，是目前在非线性问题求解中计算速度最快、计算精度最高的软件，在诸多实例工程中获得业内的高度认可。

本文采用ADINA计算软件中的Structure计算模块，以湖北武汉市中北春天住宅楼为对象，研究ADINA数值模拟法在房建工程中的地基沉降量计算方法。

2 工程介绍

工程位于武汉市武昌区中北路150号，东临省建机居住区用地，南临天源城居住小区，西临中北路，北侧现为车家岭街。规划净用地面积23 508.2 m2，建筑层数15层，总建筑面积252 580 m2。基础结构形式采用筏板基础，底板厚1 500 mm；主体结构形式采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构，地基处理采用钻孔灌注桩。

工程区域地质可分为以下主要几层：(1)1～2.5 m厚的素填土；(2)1.8～3.5 m厚的粉质黏土；(3)2.5～6 m厚的冲积粉土。地基承载力为450 kPa。

3 ADINA数值模拟法计算沉降

采用ADINA模拟软件中的Structure计算模块，对实例对象进行三维建模。计算区域以该工程地面尺寸为基础，向x、y方向各扩大3倍，根据以往沉降计算经验，z方向在地面以上取实例工程建筑顶高程(37.2 m)，地面以下取50 m。模型竖向设置xy方向的约束，以确保水平向位移为0。

计算模型中的土体参数均根据地勘报告设置，以及工程建筑物的结果受力分析，对地基模型施加的均布荷载大小取350 kPa。计算网格选择矩形网格，网格间距取5 m(图1)。时间步长取20 s，迭代次数设置为500次，自由度设置为0.07。

图1 工程模型计算网格划分

将该工程最终沉降计算结果计算云图绘于图2，并将最终沉降X方向轴线、Y方向轴线切片依次绘于图3、图4。

分析图2至图4可知：

(1)从平面分布来看，沉降分布以建筑物底面积为中心，向四周扩散。影响范围除构筑物区域外，沿构筑物外沿可扩散约30～35 m。其中在同一深度，构筑物区域沉降量基本相同。

(2)从竖向分布来看，沉降量最大区域在地基顶处，最大承载量达234 mm。沉降量沿竖向递减，传递至土体以下38 m处，沉降量已下降至10 mm；再往下层，沉降量趋近于0。

(3)沉降量沿X中轴分布与沿Y中轴分布基本一致，均是以构筑物区域为中心，呈椭圆形向四周扩散，并逐渐递减。

图2 最终沉降量计算结果云图

图3 最终沉降量计算结果X中轴切片云图

图4 最终沉降量计算结果Y中轴切片云图

4 ADINA数值模拟法计算精度验证

通过实测数据以及按规范推荐的分层总和法计算的结果来验证ADINA数值模拟法的计算精度。

4.1 实测最终沉降量

在实例工程施工过程中，在10 m深的土层布设沉降位移计(BJQF-V型)，记录沉降。位移计沿x中轴布设，共布设9个位移计(布设间距为30 m)。

4.2 分层总和法计算最终沉降量

根据《建筑桩基技术规范》 (JGJ 94—2008)中的分层总和法对实例工程最终沉降进行计算。其计算式如下：

(式1)

4.3 ADINA数值模拟法计算精度分析

将10 m深土层9个测点的实测值、ADINA数值模拟计算值、分层总和法计算值均绘于图5。分析图5可知：

(1)与实测值相比，9个数据点的ADINA计算值与实测值最大误差为-0.030 mm，平均误差为-0.04 mm(计算值比实测值偏小)，误差率在10%以下的测点有7个，监测点数据计算值与实测值相关关系为0.937，呈显著正相关。

(2)9个数据点的分层总和法计算值与实测值最大误差为0.017 mm，平均误差为-0.06 mm(计算值偏大)，误差率在10%以下的测点有6个，监测点数据计算值与实测值相关关系为0.911，呈显著正相关。

(3)总体来看，两种方法的计算精度都较高。ADINA模拟计算结果比实际值偏小，分层总和法计算结果偏大。ADINA模拟计算误差波动小，与实测值误差波动更小，方法计算值较为精确。

图5 ADINA数值模拟法计算精度分析

5 结 论

以湖北武汉市中北春天住宅楼为实例，借助ADINA数值模拟法对其沉降量进行了计算，并将计算结果与实测结果、分层总和法计算结果做了比较，得到以下结论：

(1)ADINA数值模拟法与分层总和法的计算结果都十分接近实测值，其中，与实测值相比，前者的计算结果偏小，后者的计算结果偏大。总体来看，ADINA数值模拟法计算精度更优。

(2)ADINA数值模拟法可以有效解决结构以及设计结构场之外的多场耦合问题，计算精度高，计算速度快。借助ADINA有限元计算软件可以很好地建立房建工程地基沉降计算模型，并为前期工程可行性论证、制定合理减小沉降措施提供依据。