浅埋地下结构静水浮力作用机理

摘要

近年来随着各类隧道、地下车站、地下综合体等建设规模迅速加大，地下结构的抗浮问题越来越引起工程界和学术界的重视。但是，由于缺乏合理的理论指导及地下结构浮力问题本身的复杂性，人们对于如何确定地下结构上的浮力并没有统一的认识。本文尝试探究不同性质土层中静水浮力的作用机理，在此基础上寻找地下结构浮力的确定方法及抗浮稳定性的分析方法，主要的研究工作和结论如下：
　　 (1)根据水中与饱和土中浮力问题的差异，分析阿基米德定律运用于地下结构浮力计算的局限性；系统总结前人在地下结构浮力问题上的研究成果；对前人在该问题上的研究手段的优缺点进行分析和总结，明确改进和完善的方向；自行研制的模型试验系统中，通过断开模型室侧壁与底板、柔性胶皮密封止水和采用水准仪观测三方面措施，较好地克服了以往模型试验中的不足之处；根据纯水中扬压力等于静水压力，确定了主要系统参数；通过纯水中的浮力试验验证了系统最大测试误差小于1％。
　　 (2)利用模型试验系统，对不同埋深下饱和砾石、中砂、细砂、粉土和淤泥质黏土中模型室底板受到的浮力及土中孔隙水压力进行了测试。试验结果表明，饱和砾石、中砂、细砂和粉土中模型室底板所受浮力比其在相同条件下的纯水中受到的浮力小约4～5％，而淤泥质黏土中模型室底板所受浮力与其在相同条件下的纯水中受到的浮力相等；饱和粉土和黏性土在填筑过程中，底板所受浮力极大，并可能超过被其排开的饱和土的重量；测压管水头在填筑过程中均超过填土面高度，埋置越深的测压管水头越高；长期稳定状态下，饱和无黏性土和黏性土中各测压管中水头高度均与填土表面平齐，二者均能够完全传递孔隙水压力。
　　 (3)利用离散元方法分析了模型试验中，底板浮起前后与其下土颗粒之间的接触状态。分析结果表明，砂性土中底板上浮前后的状态基本相似，底板与砂土之间始终保持较紧密的接触状态；考虑到流塑态黏性土可能具有比砂土更好的流动性，可以认为试验中底板与其下黏性土也不会脱开。由此可以认为模型试验的结果可以真实地反映地下结构在长期稳定状态下所承受的浮力。
　　 (4)根据模型试验和数值计算结果及理论分析，明确了饱和砂性土中浮力的作用机理。砂性土中颗粒与地下结构间以及颗粒与颗粒间的接触面积上因水被挤出而失去水力联系，因此有地下结构底板上的扬压力小于孔隙水压力，以及土体内部沿土颗粒边缘截取的任意曲平面上受到的浮托力亦小于孔隙水压力。将某一位置处的扬压力与孔隙水压力之比定义为扬压力系数，底板上或土中扬压力系数之大者将决定地下结构所受浮力的大小。并据此对坑底加固对地下结构抗浮的有利影响及其机理进行了分析；提出了黏性土中浮力的作用机理。明确了结合水、黏性土稠度和超静孔隙水压力与地下结构所受浮力的关系，并明确了稠度是决定黏性土中浮力大小的关键指标。提出了长期稳定状态下，不同稠度状态黏性土中浮力的计算方法；将扬压力系数引入有效应力原理，并在此基础上提出了通过分析地下结构下部土层的有效应力状态来分析地下结构抗浮稳定性的方法，并利用该方法推导了地下结构和水下隧道的抗浮稳定性计算公式。
　　 (5)根据地下结构浮力的作用机理，对设置抗拔桩的地下结构在施工扰动状态、正常使用极限状态和承载力极限状态下的浮力取值提出了建议。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 土中孔隙水压力的传递机理

1.2.2 水—土共同作用机理

1.2.3 地下水渗流及其对地下结构浮力的影响

1.2.4 地下结构上的外水荷载的相关规范条文及研究成果

1.2.5 地下结构上的浮力的相关规范条文及研究成果

1.3 本文的主要研究内容和创新点

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 本研究的创新点

第2章 水中与饱和土中的浮力问题

2.1 水中的浮力问题

2.1.1 浮力与阿基米德定律

2.1.2 阿基米德定律的局限性

2.2 土中浮力问题的复杂性

2.3 土中水的形态与类型

2.3.1 土颗粒及相邻颗粒间的连结

2.3.2 土的结构

2.3.3 土中水的类型和特点

2.3.4 土中水的赋存孔径

2.3.5 不同稠度状态的黏性土中的水

2.4 土中浮力问题的试验研究技术

2.4.1 孔隙水压力测试

2.4.2 模型试验实测地下结构上的浮力

2.5 本章小结

第3章 地下结构浮力机理模型试验系统

3.1 试验装置构思

3.1.1 试验系统概念模型

3.1.2 模型试验所要解决的问题

3.2 试验装置设计及制作

3.2.1 提高试验精度的切入点

3.2.2 试验装置的构造

3.2.3 观测系统

3.2.4 测压管及其连接

3.2.5 系统装配步骤

3.3 测定系统参数

3.3.1 参数的确定及测试方法

3.3.2 试验注意事项

3.3.3 系统参数测定结果

3.4 纯水中的浮力试验

3.4.1 试验目的

3.4.2 试验步骤

3.4.3 纯水中的浮力测试结果

3.5 本章小结

第4章 饱和土中地下结构浮力试验

4.1 试验材料的选取

4.1.1 砂土和粉土

4.1.2 黏性土

4.2 试验设计与注意事项

4.3 试验步骤

4.4 砂土中的浮力试验结果

4.4.1 2#砂中的浮力试验

4.4.2 5#砂中的浮力试验

4.4.3 河砂中的浮力试验

4.5 粉土中的浮力试验结果

4.5.1 试验概况

3.5.2 试验结果

4.6 淤泥质黏土中的浮力试验结果

4.6.1 试验概况

4.6.2 试样制备与预压

4.6.3 试验结果

4.6.4 对试验结果的初步分析

4.7 本章小结

第5章 土颗粒与底板之间的接触状态分析

5.1 问题的提出

5.2 颗粒流方法的特点

5.3 颗粒流方法的理论依据

5.3.1 力—位移定理

5.3.2 运动定律

5.3.3 循环运算过程

5.4 计算思路

5.5 建立颗粒流分析模型

5.5.1 外筒和内筒

5.5.2 接触本构模型

5.5.3 模型参数

5.5.3 成样过程和计算步骤

5.6 砂性土颗粒流分析结果

5.6.1 填高250mm

5.6.2 填高300mm

5.6.3 填高350mm

5.7 本章小结

第6章 地下结构浮力作用机理及分析方法

6.1 砂性土中浮力作用机理

6.1.1 土颗粒与底板间的接触对浮力的影响

6.1.2 砂土内部颗粒之间的接触对浮力的影响

6.1.3 对砂土浮力试验结果的分析

6.1.4 坑底加固对地下结构抗浮的影响

6.2 黏性土中浮力作用机理

6.2.1 黏性土中结合水对浮力的影响

6.2.2 稠度可能是影响黏性土中浮力大小的关键指标

6.2.3 不同稠度黏性土中浮力的作用机理

6.2.4 黏性土和粉土中超静水浮力及其时效性

6.3 地下结构浮抗浮稳定性的分析方法

6.3.1 考虑扬压力系数的有效应力原理

6.3.2 地下室的抗浮稳定性分析

6.3.3 隧道的抗浮稳定性分析方法

6.4 地下结构浮力的其它影响因素

6.5 本章小结

第7章 设抗拔桩的地下结构不同极限状态下的浮力

7.1 抗拔桩的破坏形态

7.1.1 等截面单桩的破坏形态

7.1.2 扩底单桩的破坏形态

7.1.3 群桩的破坏形态

7.2 抗拔桩承载力现场试验

7.2.1 试验概况及试验结果

7.2.2 抗拔桩的变形特性分析

7.3 地下结构的三种状态下的浮力取值

7.4 本章小结

第8章 结论与展望

8.1 结论

8.2 进一步研究的建议

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果