地下钢筋砼筒仓施工与闭水试验过程的抗浮试验研究

金立兵，刘斐骁，田栋杰

（河南工业大学 土木建筑学院，河南 郑州 450001）

地下钢筋砼筒仓施工与闭水试验过程的抗浮试验研究

金立兵，刘斐骁，田栋杰

（河南工业大学 土木建筑学院，河南 郑州 450001）

防水防潮是大型地下粮仓的技术难点之一，而闭水试验是地下仓交付业主使用前的必需步骤。通过现场试验研究与理论分析相结合的方法，验证了基于阿基米德原理所采用的抗浮措施过于保守，同时为了防止施工过程中特别是闭水试验期间地下仓上浮，给出了仓体所受实际浮力与理论浮力的线性表达式，并确定了地下仓闭水试验过程中的警戒水位。此研究可为类似工程的抗浮验算与闭水试验提供参考。

地下筒仓；混凝土；抗浮验算；闭水试验；施工安全

网络出版时间：2017-4-20 14:09:56

0 引言

随着城市化建设进程的不断推进，土地资源变得越来越稀缺，工程结构往地下发展是不可避免的趋势。但是，现有地下粮仓的建设受地形地貌等因素的影响比较大，一般建设在没有地下水的黄土高坡或岩层地区，且仓容量小，机械化程度也比较低，使用和管理不便[1-2]。而地下大直径钢筋混凝土筒仓作为新仓型的一种，具有仓容量大、机械化程度高、建仓受地形地貌影响较小等优点，是我国目前粮仓建设的重点发展方向之一。

地下工程在施工过程中由于管理不当和缺乏安全意识而常发生浮力事故[3-5]。这一问题已引起学术界和工程界的广泛关注，有学者提出[6-7]，抗浮验算时按排开水的质量乘以一个小于 1的折减系数来计算结构实际受到的浮力，但因缺乏令人信服的理论依据，而未形成共识。文献[6]也提出，黏性土层中静水压力(p)是静水头(h)与贯通孔隙率(k)及水的重度(γw)的乘积，即p=γwhk(k<1)，并认为k可直接使用土的孔隙度(n)即n=k，但是文中认为砂土及碎石土层中按100%静水压力，无须折减。但是本试验项目土压力盒所埋位置正处于粉砂土层，可以提供详实的不同水位情况下仓底板所受静水压力数据，来验证目前抗浮计算理论的合理性。作者通过地下钢筋混凝土筒仓施工过程中试验数据的整理和分析，修正了粉砂土层中地下结构的抗浮计算理论，并对闭水试验阶段的施工安全进行指导。

1 工程概况

工程位于河南郑州市中牟县河南金地集团粮食物流园区内。地貌单元为黄河冲积平原，场地复杂程度等级为二级。工程的底板位于表1中的第5-8层，地基承载力特征值为170～220 kPa。

仓体采用钢筋混凝土结构，仓外径25.6 m，单排两个仓同时建设，按小麦计算单仓仓容3 500 t，顶盖为梁板结构，板厚150 mm，工程完成之后，顶盖上会有1.5 m高的覆土。仓底板为了满足粮食自流的要求，采用坡角为 35°的倒锥壳结构，板厚400 mm，仓壁厚300 mm，中心筒壁厚180 mm，仓体总深19.96 m。另外其下还有厚120 mm素混凝土垫层。其三维模型如图1所示。

2 试验数据的采集与整理

生产性试验仓仓底使用的是基康仪器股份有限公司生产的BGK4800系列土压力盒，配套使用BGK408振弦式读数仪可求得仓底板所受力的分布情况。土压力盒安装于仓体正东、正西方向，两边对称布置各5个，单侧土压力盒每隔2 m布置一个，最上端压力盒距环梁直线距离1 m，最下端土压力盒距仓锥底直线距离6.218 m，如图2所示。为了方便计算，把仓底板简化为规则锥形结构，如图2(b)所示。

表1 地质情况Table 1 Geological conditions

图1 地下钢筋混凝土筒仓示意图Fig.1 Schematic diagram of underground reinforced concrete silo

2.1 计算仓体加上垫层的质量

根据《建筑结构荷载规范》和现场检测报告，确定本工程钢筋混凝土容重为25 kN/m3，素混凝土容重为23.56 kN/m3，经计算仓体结构质量约为2 060.489 4 t。另外，数据采集期间，由于仓内工作需要，浇筑仓顶盖所搭设的脚手架没有拆除，初估钢管长度总计约16 972.3 m，顶丝1 000套，扣件15 925个，根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》，计算出脚手架质量89.906 t。综上，采集土压力盒数据时的仓体总质量约为2 150.395 4 t。

2.2 土压力盒的数据分析

在施工过程中由于天气的影响和基坑降水的中止，地下水位是上下波动的。分别在水位为-11.68、-11.12、-10.46 m时，采集了3组压力盒数据。现以水位-11.68 m时的数据为例加以分析，如表2所示。

图2 钢筋混凝土地下筒仓锥底压力盒布置图Fig.2 The arrangement diagram of pressure cells under reinforced concrete underground silo

表2 水位-11.68 m土压力盒数据分析Table 2 Data analysis of the soil pressure cells at water level-11.68 m

由表2可以发现,两侧压力盒数据的均值与其对应位置至锥底的距离近似呈线性关系，拟合后的直线表达式如图3所示，y代表压力值，x代表距离锥底顶点的长度。

图3 土压力盒数据与底板尺寸的拟合Fig.3 Fitting of the data of soil pressure cell and the size of bottom plate

根据拟合后的直线表达式可以绘制出仓底板的压力分布图（规定压力方向指向仓内时为正），确定出压力零点及其位置并对各段区域进行编号，如图4所示。点1处土压力盒数据出现负值，可能是温度过低造成仪器精度的偏差，故不作考虑。图4中只给出左侧的数据，代表了各对应段的仓底板上的单位面积压力值。

由图4可知，从压力零点即点2开始计算，可以积分得到点2～7段的仓底所受总力10 142.749 61 kN，换算成竖直向上的力为8 308.454 08 kN。由此得到了在水位-11.68 m时，仓体所受水土浮力。

2.3 各水位的土压力盒数据与纯水浮力对比

首先，计算出各水位情况下仓体的排水量Vd，水位在-11.68、-11.12、-10.46 m的排水量分别为1 004.477 241、1 305.598 158、1 656.972 405 m3。然后，按照前面提出的计算方法，分别计算出各水位下压力盒所反映出的压力变化与纯水浮力进行对比，结果如表3所示。

图4 仓底板受力分布图Fig.4 The silo bottom’s distribution of stress

表3 实测数据分析与纯水浮力对比情况Table 3 Contrast between measured data and pure water buoyancy

3 数据分析与闭水试验安全指导

3.1 数据分析与对比

由表3可以看出，水位在-11.68、-11.12、-10.46 m时，压力盒统计数据都比纯水浮力要小很多，说明土体的存在明显减小了地下水对仓体的浮力。根据3次的数据对比，可拟合出工程所受实际浮力Fa与理论浮力Ft的线性表达式：

根据阿基米德原理很容易得到按纯水浮力计算的仓体施工过程中抗浮警戒线的理论位置，即浮力等于仓体质量时，按仓体质量为2 150.395 4 t计算，水位警戒线为-9.531 m。由式（1）可以得到仓体质量为2 150.395 4 t时，推算出理论临界纯水浮力为24 971.298 6 kN，对应的实际警戒水位为-8.876 m。

通过 3组实测浮力与理论浮力的比值，可得到一个浮力折减系数 0.829，按仓体质量为2 150.395 4 t时，警戒水位为-8.655 m，与式（1）所得结论相差不大。文献[8]提出当地下室底板处于粉土层时，设计浮力按理论浮力的0.7～0.8倍进行折减。文献[9]通过室内小型的地下结构抗浮计算试验研究，得到在砂土环境中的浮力折减系数为0.94。另外，崔岩等[10-11]也都对黏土和砂土进行了水浮力试验，然而得出了黏土和砂土中水浮力都不存在折减的结论。

3.2 闭水试验警戒水位计算

工程考虑到闭水试验过程中水位会因为电力和其他人为因素而波动较大，增加C20素混凝土抗浮配重共318.3 m3。考虑到试验所用围挡结构的施工难度和使用安全，仓壁的闭水试验每次做2 m高，所以抗浮配重计划分3次浇筑，每次浇筑106.1 m3，浇筑高度2 m。假设3次浇筑期间工程工况没有发生太大变化，根据公式（1）算出了3次浇筑施工期间的警戒水位，为防止施工过程中特别是闭水试验期间仓体因地下水浮力过大造成上浮而提供指导，如表4所示。

表4 闭水试验期间水位警戒线Table 4 The warning water level during closed water test

4 结论

通过整理、分析不同水位情况下土压力盒的实测数据，得到了较为真实的仓底所受水土浮力，进而与对应水位仓体排出的纯水所产生的理论浮力进行对比，得到以下结论：

（1）土体的存在明显地减少了地下水对地下结构的浮力作用，验证了目前所采用的抗浮措施偏于保守，并修正了位于粉砂土层中地下结构抗浮验算的计算方法，得到了浮力折减系数0.829。另外，根据试验数据拟合出了本工程所受实际浮力与理论浮力的线性表达式（1）。

（2）根据上述线性表达式，计算出了闭水试验前工程在自身质量为2 150.395 4 t时的工况下的警戒水位为-8.876 m。并针对闭水试验期间，浇筑了抗浮配重之后工况的变化，而分别推算出表4中的警戒水位，为施工安全和结构的抗浮验算提供了指导。

（3）由于试验设备及环境的不同，关于各土质情况下地下工程抗浮计算的折减系数研究结论差异较大。文中所得结论对于粉砂土层中地下结构的抗浮验算具有一定的指导意义，其他地质条件下的抗浮计算是否需要折减需要进一步验证，试验条件及程序的规范化也需要进一步的研究。

［1］郑培，王振清，余汉华.我国地下仓的简史及特点［J］.粮油加工，2009（1）:90-94.

［2］余汉华，王录民，王振清，等.我国地下粮仓应用的现状及前瞻［J］.河南工业大学学报（自然科学版），2008（6）:79-81.

［3］JACKSON D C.It is a crime to design a dam without considering upward pressure:engineers and uplift，1890-1930［C］//Symposium to Honor Henry Philibert Caspard Darcy，2003: 220-232.

［4］王贵生.一项大型水池工程上浮事故的处理［J］.特种结构，1998（2）:13-14.

［5］李平先，梁国仓，黄秋风.水池漂浮事故处理及抗浮构造措施［J］.中国给水排水，2004，20（2）:104-106.

［6］张旷成，丘建金.关于抗浮设防水位及浮力计算问题的分析讨论［J］.岩土工程技术，2007（1）:15-20.

［7］黄志仑.关于地下建筑物的地下水扬力问题分析［J］.岩土工程技术，2002（5）:273-274，283.

［8］张欣海.深圳地区地下建筑抗浮设计水位取值与浮力折减分析［J］.勘察科学技术，2004（2）:12-15，20.

［9］李冲.单一土质中地下钢筋砼粮食圆形筒仓抗浮模拟试验研究［D］.郑州：河南工业大学，2016.

［10］崔岩，崔京浩，吴世红.地下结构浮力模型试验研究［J］.特种结构，1999（1）:34-37，41.

［11］张第轩，陈龙珠.地下结构抗浮计算方法试验研究［J］.四川建筑科学研究，2008（3）: 105-110.

ANTI-FLOATING TEST IN CONSTRUCTION AND CLOSED-WATER TEST PROCESS OF UNDERGROUND REINFORCED CONCRETE SILOS

JIN Libing，LIU Feixiao，TIAN Dongjie
（School of Civil Engineering and Architecture，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China）

Water and moisture resistance is one of the difficulties in the research of large underground silos，and closed water test is a necessary step before underground silos is put into service.In this paper，the anti-floating measures based on Archimedes principle were proved to be too conservative by the method of combination of field test research and theoretical analysis.In order to prevent floating of the underground silo during construction especially during the closed water test，the paper put forward a linear expression of the actual and theoretical buoyancy of the silo，and determined the warning water level of the underground silo in the closed water test. The result can provide reference for anti-floating computation and close water test of the similar projects.

underground silo；concrete；anti-floating computation；closed-water test；construction safety

TU249.2

B

1673-2383(2017)02-0105-04

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20170420.1409.036.html

2016-08-02

粮食公益性行业科研专项（201413007-01）

金立兵（1976—），男，河南濮阳人，副教授，博士，主要从事混凝土结构与储仓结构的教学和研究。