三維有限元在地基實時沉降分析中的運用探討

摘要：在地面基礎(chǔ)工程的影響，工程建設(shè)過程中地基直接影響了建筑工程的整體質(zhì)量和建筑效率，一旦地基產(chǎn)生地面沉降，會直接影響建筑上部分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的應(yīng)力，甚至?xí)a(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形。本文首先闡述了地基實時沉降測試方法，并且結(jié)合目前常見的地基沉降模式總結(jié)出地基實時沉降分析實際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：三維有限元;地基實時沉降;三維物理建模;三維動畫模型

在自然環(huán)境下，地基本身存在著相對重力，但是由于建筑物本身的重量較大，加上建筑環(huán)境、施工緩解管理不力等原因都會造成地基的整體沉降。

一、地基實時沉降測試方法

（一）地質(zhì)分層總和法

所謂的分層總和法主要指的是，把目前地基沉降范圍和數(shù)據(jù)進(jìn)行具體劃分，并且根據(jù)數(shù)據(jù)的特殊性，劃分為若干層。同時根據(jù)各個級別的分層情況，計算各分層的數(shù)據(jù)壓縮量，隨后進(jìn)行數(shù)據(jù)總和的計算。在實際數(shù)據(jù)計算時，應(yīng)該首先按照基礎(chǔ)荷載量、地勢基底的型態(tài)模式、大小尺寸以及地質(zhì)有關(guān)的信息指標(biāo)，以此確定地基實時沉降數(shù)據(jù)計算深度，并且在地基實時沉降產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，計算出測試區(qū)域的深度范圍并且對其進(jìn)行分層，然后以此作為基礎(chǔ)的理論數(shù)據(jù)，計算出地基附加應(yīng)力值。通常進(jìn)行數(shù)據(jù)測量時，假定地基土質(zhì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)壓縮時，不允許向側(cè)面進(jìn)行結(jié)構(gòu)形變，即在側(cè)面結(jié)構(gòu)限制的條件下，其地質(zhì)測試數(shù)據(jù)的壓縮性指標(biāo)。為了避免在實際數(shù)據(jù)測量過程中，得到的沉降量偏小相關(guān)問題，一般技術(shù)人員會選取地基結(jié)構(gòu)中的中心點附加應(yīng)力進(jìn)行數(shù)據(jù)計算。

（二）三維有限元法

三維有限元法在地基沉降數(shù)據(jù)測試中，主要適用于地基的連續(xù)介質(zhì)，而對于一般土壤結(jié)構(gòu)體，可以使用非線性彈性本構(gòu)模型，或者彈塑性本構(gòu)模型。由于地基自身結(jié)構(gòu)具有比較復(fù)雜的邊界環(huán)境、體質(zhì)結(jié)構(gòu)體應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)變關(guān)系的非線性特點、體制結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力歷史、水資源與地基骨架上應(yīng)力的耦合效應(yīng)等因素，技術(shù)人員可以根據(jù)地基的相關(guān)特性，考慮土質(zhì)與土壤結(jié)構(gòu)下，產(chǎn)生的共同作用、土壤結(jié)構(gòu)層的各個方向產(chǎn)生的異性等方面[1]。同時針對其土質(zhì)特點進(jìn)行現(xiàn)場分級的數(shù)據(jù)模擬，并且進(jìn)行級別增加壓力荷定值。從數(shù)據(jù)的計算方法選擇上看，由于三維有限元法相關(guān)的計算參數(shù)較多，并且需要依靠三軸模式進(jìn)行相關(guān)試驗進(jìn)而確定，其中試驗的緩解和程序十分復(fù)雜，一般工程設(shè)計人員不能充分的運用，因此在實際預(yù)防地基沉降工程中，并不能有效的運用，所以，該方法目前只能使用在我國重要工程以及重要區(qū)域的地基沉降數(shù)值計算。

二、地基實時沉降分析實際應(yīng)用

（一）三維有限元的實際應(yīng)用

在地基實時沉降技術(shù)應(yīng)用中，有限元法是一種無限接近測試目標(biāo)的測試方法。而在實際的技術(shù)操作過程中，技術(shù)人員利用有限、位置數(shù)據(jù)量去無線接近無限的未知量，其中主要的核心關(guān)鍵就是求解領(lǐng)域的離散化。其中求解領(lǐng)域在實驗過程中可以看作是由多個有限元子領(lǐng)域相互連接而成，而每一個子領(lǐng)域可以看作是一個測試的單元，技術(shù)人員通過不同的更新迭代，進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，以此實現(xiàn)對有限元的無限接近，最后得到該問題最終的解決答案。三維有限元法的測試本質(zhì)是在有限、離散單元作為測試的基礎(chǔ)，并且以此表達(dá)實際發(fā)展的連續(xù)領(lǐng)域，因此在地基的實時沉降問題上收到了廣泛的應(yīng)用[2]。

（二）三維物理建模

根據(jù)我國目前地基實時沉降的基本特點和運作模式，大多數(shù)三維有限元法都選擇三維物理建模法，可以有效的實現(xiàn)三維有限元法的模型可視化。所謂的三維物理建模法，實際本質(zhì)為對地基沉降數(shù)據(jù)量使用三維技術(shù)進(jìn)行模型的建立，而使用相關(guān)地基沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行模型建立過程中，解求模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)模型狀態(tài)。其中使用三維建模時，所有的數(shù)據(jù)來源主要基于有限元進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計算時，各個位置和點位在相同時間內(nèi)產(chǎn)生的地基沉降總量。由于各個位置和點位是相對分散的，在計算過程中需要進(jìn)行數(shù)值的插值計算，以此生成具有連續(xù)性、曲面狀態(tài)模型。加上數(shù)據(jù)的空間差值的方法主要有數(shù)值確定性差值、數(shù)據(jù)統(tǒng)計性差值等，因此在實際的應(yīng)用過程中，技術(shù)人員使用次數(shù)比較頻繁的是確定性差值結(jié)構(gòu)中，反向距離加權(quán)差值法，與數(shù)值統(tǒng)計差值法中的克里金插值法。其中反向距離加權(quán)差值法在實際的運用過程當(dāng)中，無需針對每一個測試點進(jìn)行線性方程的數(shù)值求取，因此其自身計算效率比克里金插值法相對較高，而使用反向距離加權(quán)差值法自身所需要的數(shù)據(jù)儲存空間也相對較小。因此該種方法比較適合使用在測試采樣點位相對比較均勻，并且需要分布在測試區(qū)域每一個位置，由于數(shù)據(jù)采樣測試點如果分布不均勻會直接影響插值算法的精準(zhǔn)程度，而使用克里金插值法計算區(qū)域的數(shù)據(jù)變化時，不僅需要考慮到測試點位的距離，還需要考慮點位空間性質(zhì)的異常性，在理論上，克里金插值法的測試方式更加完善。所以克里金插值法更加適用于區(qū)域變量情況較大的測試環(huán)境。

（三）三維動畫模型

為了有效的測試地基沉降實時性的數(shù)據(jù)變化程度，最為直觀的形成模式就是三維動畫模型，而關(guān)鍵幀動畫技術(shù)是制作三維動畫模型的常見技術(shù)，加上運動關(guān)鍵幀動畫，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的中間幀插值是不可或缺的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。所以完成地基沉降實時數(shù)據(jù)模擬情況的關(guān)鍵核心，就是中間幀插值的確定。在實際的地基沉降測試過程中，中間幀插值法主要分為兩種：中間線性插值和中間幀球面插值。其中中間線性插值主要應(yīng)用特點就是求取數(shù)據(jù)解速度極快，但是在進(jìn)行關(guān)鍵幀求解時，其求解準(zhǔn)確度較低，同時中間幀球面插值有效的將此種問題和不足進(jìn)行解決，可以較好的利用差值運算的特性描述出其形變特征。為此，大多數(shù)測試人員在三維動畫模型時，使用其中關(guān)鍵幀的形成技術(shù)，并且結(jié)合非線性中間幀插值，計算并且生成具備連續(xù)狀態(tài)的三維動畫，以此運用更加自然的方式展現(xiàn)地基在沉降過程中，所展現(xiàn)的實時變化，以此幫助用戶有效的了解地基沉降的過程和原因[3]。

（四）三維有限元模擬分析

基于以上的技術(shù)理論和基礎(chǔ)要求，設(shè)計主要實現(xiàn)了地基的實時沉降的三維有限元分析程序，同時數(shù)據(jù)測量界面的操作流程相對于傳統(tǒng)技術(shù)來說，盡可能的進(jìn)行簡化，并且進(jìn)行地基實時沉降的三維動態(tài)模型展示應(yīng)用。根據(jù)地基沉降的實際測試環(huán)境和設(shè)備的模擬應(yīng)用，其程序主要實現(xiàn)以下功能：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的導(dǎo)向作用、有限元模擬數(shù)據(jù)計算分析、地基沉降三維模型建立以及數(shù)據(jù)分析的結(jié)果輸出。其中數(shù)據(jù)的輸出主要導(dǎo)入有限元所分析的各類數(shù)據(jù)參數(shù)，并且在實際操作過程中，由用戶進(jìn)行自定義，比如：土層結(jié)構(gòu)厚度、土層結(jié)構(gòu)重度、土層模型總量、土層結(jié)構(gòu)中PH數(shù)值、土層自身滲透程度、土層固定結(jié)塊系數(shù)、地下水位整體高度、土層數(shù)據(jù)計算時間、額定承載總量以及額定承載大小尺寸等相關(guān)因素。

結(jié)語

本文主要根據(jù)目前地基沉降因素進(jìn)行綜合分析，并且根據(jù)三維有限元技術(shù)分析了地基實時沉降產(chǎn)生的原因和模擬應(yīng)用，為建筑工程人員提供了實際的數(shù)據(jù)參考價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉元釗， 張鶴， 馬永峰. 三維有限元在地基實時沉降分析中應(yīng)用探索[J]. 四川建筑， 2018， 038（001）：99-101.

[2]涂慕溪， 陳禮彪， 曾俊鋮，等. 基于有限元的地基-路堤-路面協(xié)同變形機(jī)理分析[J]. 公路交通科技， 2019（11）：33-39.

[3]王軍. 基于三維有限元的復(fù)合地基典型參數(shù)影響研究[J]. 廣東土木與建筑， 2018， 025（006）：22-25.

作者簡介：

李旭民（1977年7月-），甘肅蘭州，講師，碩士，主要從事土木工程結(jié)構(gòu)研究

基金項目：甘肅廣播電視大學(xué)2015年校級課題項目“考慮地基土-壓縮機(jī)基礎(chǔ)相互作用的動力有限元分析”（2015-QN-03）。