李華

摘 要：隨著城市建設(shè)發(fā)展，城市空間日趨緊缺，大量地下室，特別是純地下建筑物的涌現(xiàn)，對(duì)于地下構(gòu)筑物抗浮方面的研究也應(yīng)運(yùn)而生。只有了解水在不同土體中浮力的大小，才能根據(jù)土體的具體情況采用相應(yīng)的抗浮措施，從而達(dá)到造價(jià)經(jīng)濟(jì)的目的。

關(guān)鍵詞：浮力;地下建筑;土體

一、選題背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地下建筑的類(lèi)型和數(shù)量不斷增加，很多新的建筑問(wèn)題也隨之出現(xiàn)，如地下建筑在地下水浮力的作用下而發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，為了減小其對(duì)結(jié)構(gòu)造成的不利影響，不得不在設(shè)計(jì)和施工上都加大了投入，抗浮措施如抗拔樁、錨桿等大量使用。然而，當(dāng)前我國(guó)對(duì)于地下建筑所受浮力的研究并不完善，對(duì)于地下水浮力的理論計(jì)算尚不成熟。由于地下建筑物所受到地下水浮力、側(cè)壁摩擦力的大小勢(shì)必會(huì)因地基土性質(zhì)的不同而有些差異，因而這些力的實(shí)際值不一定等同于用阿基米德定理算得的值（以下簡(jiǎn)稱(chēng)理論值），究竟這些因素如何影響地下水對(duì)建筑物的作用則必須經(jīng)過(guò)試驗(yàn)及相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明，因而有了本次的課題研究。

二、研究方法與方案論證

（一）測(cè)試裝置的組成及考評(píng)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)可行性，操作簡(jiǎn)易規(guī)范性與經(jīng)濟(jì)性等方面的必選，最終選用測(cè)試裝置如下：

測(cè)試裝置組成：SF-400A型電子稱(chēng)（已改裝）、密封塑料膜;玻璃槽模型;透明膠帶、強(qiáng)力膠;大容量方形塑料透明容器，20cm刻度尺;（注：1選用電子稱(chēng)作為實(shí)驗(yàn)裝置是因?yàn)殡娮映幽軐?shí)時(shí)直觀地把重力的變化顯示在屏幕上，而重力又與力存在密切的關(guān)系;2選用玻璃槽是因?yàn)橛欣趯?shí)時(shí)觀察容器底部，即假想地下建筑物的底部與水接觸等情況。）

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，先對(duì)裝置的靈敏性和穩(wěn)定性進(jìn)行了性能評(píng)定，結(jié)果如下：其靈敏度達(dá)到了0.22pa，具有很高的穩(wěn)定性。該裝置能長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)采集浮力信號(hào)，自動(dòng)檢測(cè)某種地基下由水位變化而引起的浮力變化過(guò)程，因此能滿足對(duì)試驗(yàn)研究測(cè)試的要求。（詳見(jiàn)論文“土體中浮力測(cè)試裝置的研制”）。

（二）土樣選取

由于不同土體中地下建筑收到的浮力可能不同，因此選取砂土試樣①②③④⑤⑥⑦和粘性土試樣⑧來(lái)模擬幾種不同的地基情況。其中試樣①為砂土、②為粗砂、③為細(xì)砂、④為粒徑在0.15mm-0.3mm的砂、⑤為粒徑在0.3mm-0.6mm的砂、⑥為粒徑在0.6mm-1.18mm的砂、⑦為粒徑在1.18mm-2.36mm的砂、⑧為紅粘土。其中④⑤⑥⑦為同種砂經(jīng)過(guò)篩分所得到的不同粒徑的砂。

（三）試驗(yàn)步驟

第一步：將20cm刻度尺貼于玻璃槽外壁，并用塑料膜密封電子稱(chēng)固定于塑料容器中間。

第二步：將土樣（若為砂土則先用標(biāo)準(zhǔn)篩分實(shí)驗(yàn)篩分，在分別用不同粒徑的砂繼續(xù)以下步驟）加入大容量塑料透明容器內(nèi)，在中間放入SF-400A電子稱(chēng)，將其固定并打開(kāi)，顯示儀表及操作鍵盤(pán)放在外部。

第三步：將土樣抹平，添加或減少土樣以使其高度與固定好的電子稱(chēng)秤盤(pán)上表面平齊。

第四步：將玻璃槽模型放置在電子稱(chēng)上壓至緊密接觸，玻璃槽內(nèi)放入4塊秤砣。

第五步：待電子稱(chēng)讀數(shù)穩(wěn)定后開(kāi)始沿透明容器壁緩慢加水，讀取水位及對(duì)應(yīng)的壓力讀數(shù)。記錄數(shù)據(jù)（10-15組左右）。

第六步：換土樣重復(fù)上述步驟，每組土樣的厚度要求大概一致。測(cè)得浮力隨水位的變化情況，繪制出相應(yīng)的浮力變化曲線。

三、研究結(jié)果

（一）數(shù)據(jù)采集與處理

1、測(cè)量結(jié)果處理方法

顯示儀表顯示的數(shù)值為被測(cè)物體在面積S秤盤(pán)的相對(duì)P值，通過(guò)找出顯示器顯示數(shù)據(jù)與被測(cè)物體真實(shí)F值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到線性方程

P實(shí) =（U0- Ui）g/【1000×（S底– S秤）】? ?… …? … … …? ?（1）

P理=1000 ×g×（hi–h0）/1000? ? ? ? ? … … … … … … …? （2）

式中： P實(shí)—— 表示建筑模型所受到的實(shí)際壓強(qiáng)，

U0 —— 表示電子稱(chēng)顯示儀的初始數(shù)值，Ui —— 表示第i次測(cè)量時(shí)的電子稱(chēng)顯示儀讀數(shù);

S底—— 表示模型底部面積，? ? ? ? ?S秤 —— 表示秤盤(pán)面積;

P理—— 表示用阿基米德定理計(jì)算出的理論壓強(qiáng)（P=ρgV/S，其中V/S=h）;

hi —— 表示第i次測(cè)試到的水位值。

試驗(yàn)回歸方程式為形如y = kx + b 式的一個(gè)性狀指標(biāo)與測(cè)量結(jié)果的關(guān)系。試驗(yàn)用所測(cè)得數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算。

2、數(shù)據(jù)采集與處理結(jié)果

通過(guò)以上方法得出水位變化對(duì)浮力的影響，初步研究分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)反映了隨著水位的升高，浮力逐漸增大，電子稱(chēng)顯示器上數(shù)值越來(lái)越小。并將其繪成曲線圖。

如圖1所示，本試驗(yàn)對(duì)地下建筑物浮力進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)和研究測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析了4種地基對(duì)浮力的影響，其中粗砂（未篩分）地基中的浮力值為理論值的0.23-0.58倍，砂土（未篩分）地基中浮力為理論值的0.17-0.27倍，細(xì)砂（未篩分）地基中浮力為理論值的0.10-0.68倍，紅粘土地基中的浮力值是理論值的0.06-0.13倍。由此可見(jiàn)，地下建筑所受到的浮力會(huì)隨著地基土的不同而有所變化，它的大小與地基的孔隙率，粘聚性有關(guān)。當(dāng)粘聚性相同時(shí)孔隙率越大浮力越大，當(dāng)孔隙率相同時(shí)，粘聚性越小浮力越大。因此實(shí)際工程抗浮力計(jì)算中應(yīng)該將建筑物的自重，地基土的實(shí)際情況及基礎(chǔ)如側(cè)壁摩擦力、樁基礎(chǔ)的抗拔力等都考慮到，只有這樣才能將各項(xiàng)材料的性能充分利用，減少浪費(fèi)。

由圖2可知：砂粒粒徑越大，浮力的變化越平穩(wěn);砂粒粒徑越小，浮力隨著水位的升高變化越快。但就總體而言，同種砂由于粒徑不同而造成的浮力差距不會(huì)太大。

3、結(jié)論

1、實(shí)際地基土當(dāng)中地下建筑所受到的浮力小于阿基米德定理所計(jì)算出來(lái)的浮力。

2、研究出了水在部分土體中浮力值的變化規(guī)律，說(shuō)明在進(jìn)行地基設(shè)計(jì)時(shí)考慮土體中浮力的實(shí)際值是很有必要的。

四、創(chuàng)新點(diǎn)

不用傳統(tǒng)的應(yīng)變片，壓力盒等器材，而采用改裝后的電子稱(chēng)，既實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離自動(dòng)測(cè)量，使得操作簡(jiǎn)便，大大降低了勞動(dòng)量;又大大地節(jié)約了研究經(jīng)費(fèi)，達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

參考文獻(xiàn)：

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