地下鋼筋砼筒倉施工與閉水試驗(yàn)過程的抗浮試驗(yàn)研究

金立兵，劉斐驍，田棟杰

（河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450001）

地下鋼筋砼筒倉施工與閉水試驗(yàn)過程的抗浮試驗(yàn)研究

金立兵，劉斐驍，田棟杰

（河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450001）

防水防潮是大型地下糧倉的技術(shù)難點(diǎn)之一，而閉水試驗(yàn)是地下倉交付業(yè)主使用前的必需步驟。通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究與理論分析相結(jié)合的方法，驗(yàn)證了基于阿基米德原理所采用的抗浮措施過于保守，同時(shí)為了防止施工過程中特別是閉水試驗(yàn)期間地下倉上浮，給出了倉體所受實(shí)際浮力與理論浮力的線性表達(dá)式，并確定了地下倉閉水試驗(yàn)過程中的警戒水位。此研究可為類似工程的抗浮驗(yàn)算與閉水試驗(yàn)提供參考。

地下筒倉；混凝土；抗浮驗(yàn)算；閉水試驗(yàn)；施工安全

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-4-20 14:09:56

0 引言

隨著城市化建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，土地資源變得越來越稀缺，工程結(jié)構(gòu)往地下發(fā)展是不可避免的趨勢。但是，現(xiàn)有地下糧倉的建設(shè)受地形地貌等因素的影響比較大，一般建設(shè)在沒有地下水的黃土高坡或巖層地區(qū)，且倉容量小，機(jī)械化程度也比較低，使用和管理不便[1-2]。而地下大直徑鋼筋混凝土筒倉作為新倉型的一種，具有倉容量大、機(jī)械化程度高、建倉受地形地貌影響較小等優(yōu)點(diǎn)，是我國目前糧倉建設(shè)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。

地下工程在施工過程中由于管理不當(dāng)和缺乏安全意識而常發(fā)生浮力事故[3-5]。這一問題已引起學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注，有學(xué)者提出[6-7]，抗浮驗(yàn)算時(shí)按排開水的質(zhì)量乘以一個(gè)小于 1的折減系數(shù)來計(jì)算結(jié)構(gòu)實(shí)際受到的浮力，但因缺乏令人信服的理論依據(jù)，而未形成共識。文獻(xiàn)[6]也提出，黏性土層中靜水壓力(p)是靜水頭(h)與貫通孔隙率(k)及水的重度(γw)的乘積，即p=γwhk(k<1)，并認(rèn)為k可直接使用土的孔隙度(n)即n=k，但是文中認(rèn)為砂土及碎石土層中按100%靜水壓力，無須折減。但是本試驗(yàn)項(xiàng)目土壓力盒所埋位置正處于粉砂土層，可以提供詳實(shí)的不同水位情況下倉底板所受靜水壓力數(shù)據(jù)，來驗(yàn)證目前抗浮計(jì)算理論的合理性。作者通過地下鋼筋混凝土筒倉施工過程中試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析，修正了粉砂土層中地下結(jié)構(gòu)的抗浮計(jì)算理論，并對閉水試驗(yàn)階段的施工安全進(jìn)行指導(dǎo)。

1 工程概況

工程位于河南鄭州市中牟縣河南金地集團(tuán)糧食物流園區(qū)內(nèi)。地貌單元為黃河沖積平原，場地復(fù)雜程度等級為二級。工程的底板位于表1中的第5-8層，地基承載力特征值為170～220 kPa。

倉體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，倉外徑25.6 m，單排兩個(gè)倉同時(shí)建設(shè)，按小麥計(jì)算單倉倉容3 500 t，頂蓋為梁板結(jié)構(gòu)，板厚150 mm，工程完成之后，頂蓋上會有1.5 m高的覆土。倉底板為了滿足糧食自流的要求，采用坡角為 35°的倒錐殼結(jié)構(gòu)，板厚400 mm，倉壁厚300 mm，中心筒壁厚180 mm，倉體總深19.96 m。另外其下還有厚120 mm素混凝土墊層。其三維模型如圖1所示。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與整理

生產(chǎn)性試驗(yàn)倉倉底使用的是基康儀器股份有限公司生產(chǎn)的BGK4800系列土壓力盒，配套使用BGK408振弦式讀數(shù)儀可求得倉底板所受力的分布情況。土壓力盒安裝于倉體正東、正西方向，兩邊對稱布置各5個(gè)，單側(cè)土壓力盒每隔2 m布置一個(gè)，最上端壓力盒距環(huán)梁直線距離1 m，最下端土壓力盒距倉錐底直線距離6.218 m，如圖2所示。為了方便計(jì)算，把倉底板簡化為規(guī)則錐形結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示。

表1 地質(zhì)情況Table 1 Geological conditions

圖1 地下鋼筋混凝土筒倉示意圖Fig.1 Schematic diagram of underground reinforced concrete silo

2.1 計(jì)算倉體加上墊層的質(zhì)量

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和現(xiàn)場檢測報(bào)告，確定本工程鋼筋混凝土容重為25 kN/m3，素混凝土容重為23.56 kN/m3，經(jīng)計(jì)算倉體結(jié)構(gòu)質(zhì)量約為2 060.489 4 t。另外，數(shù)據(jù)采集期間，由于倉內(nèi)工作需要，澆筑倉頂蓋所搭設(shè)的腳手架沒有拆除，初估鋼管長度總計(jì)約16 972.3 m，頂絲1 000套，扣件15 925個(gè)，根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》，計(jì)算出腳手架質(zhì)量89.906 t。綜上，采集土壓力盒數(shù)據(jù)時(shí)的倉體總質(zhì)量約為2 150.395 4 t。

2.2 土壓力盒的數(shù)據(jù)分析

在施工過程中由于天氣的影響和基坑降水的中止，地下水位是上下波動的。分別在水位為-11.68、-11.12、-10.46 m時(shí)，采集了3組壓力盒數(shù)據(jù)?，F(xiàn)以水位-11.68 m時(shí)的數(shù)據(jù)為例加以分析，如表2所示。

圖2 鋼筋混凝土地下筒倉錐底壓力盒布置圖Fig.2 The arrangement diagram of pressure cells under reinforced concrete underground silo

表2 水位-11.68 m土壓力盒數(shù)據(jù)分析Table 2 Data analysis of the soil pressure cells at water level-11.68 m

由表2可以發(fā)現(xiàn),兩側(cè)壓力盒數(shù)據(jù)的均值與其對應(yīng)位置至錐底的距離近似呈線性關(guān)系，擬合后的直線表達(dá)式如圖3所示，y代表壓力值，x代表距離錐底頂點(diǎn)的長度。

圖3 土壓力盒數(shù)據(jù)與底板尺寸的擬合Fig.3 Fitting of the data of soil pressure cell and the size of bottom plate

根據(jù)擬合后的直線表達(dá)式可以繪制出倉底板的壓力分布圖（規(guī)定壓力方向指向倉內(nèi)時(shí)為正），確定出壓力零點(diǎn)及其位置并對各段區(qū)域進(jìn)行編號，如圖4所示。點(diǎn)1處土壓力盒數(shù)據(jù)出現(xiàn)負(fù)值，可能是溫度過低造成儀器精度的偏差，故不作考慮。圖4中只給出左側(cè)的數(shù)據(jù)，代表了各對應(yīng)段的倉底板上的單位面積壓力值。

由圖4可知，從壓力零點(diǎn)即點(diǎn)2開始計(jì)算，可以積分得到點(diǎn)2～7段的倉底所受總力10 142.749 61 kN，換算成豎直向上的力為8 308.454 08 kN。由此得到了在水位-11.68 m時(shí)，倉體所受水土浮力。

2.3 各水位的土壓力盒數(shù)據(jù)與純水浮力對比

首先，計(jì)算出各水位情況下倉體的排水量Vd，水位在-11.68、-11.12、-10.46 m的排水量分別為1 004.477 241、1 305.598 158、1 656.972 405 m3。然后，按照前面提出的計(jì)算方法，分別計(jì)算出各水位下壓力盒所反映出的壓力變化與純水浮力進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示。

圖4 倉底板受力分布圖Fig.4 The silo bottom’s distribution of stress

表3 實(shí)測數(shù)據(jù)分析與純水浮力對比情況Table 3 Contrast between measured data and pure water buoyancy

3 數(shù)據(jù)分析與閉水試驗(yàn)安全指導(dǎo)

3.1 數(shù)據(jù)分析與對比

由表3可以看出，水位在-11.68、-11.12、-10.46 m時(shí)，壓力盒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)都比純水浮力要小很多，說明土體的存在明顯減小了地下水對倉體的浮力。根據(jù)3次的數(shù)據(jù)對比，可擬合出工程所受實(shí)際浮力Fa與理論浮力Ft的線性表達(dá)式：

根據(jù)阿基米德原理很容易得到按純水浮力計(jì)算的倉體施工過程中抗浮警戒線的理論位置，即浮力等于倉體質(zhì)量時(shí)，按倉體質(zhì)量為2 150.395 4 t計(jì)算，水位警戒線為-9.531 m。由式（1）可以得到倉體質(zhì)量為2 150.395 4 t時(shí)，推算出理論臨界純水浮力為24 971.298 6 kN，對應(yīng)的實(shí)際警戒水位為-8.876 m。

通過 3組實(shí)測浮力與理論浮力的比值，可得到一個(gè)浮力折減系數(shù) 0.829，按倉體質(zhì)量為2 150.395 4 t時(shí)，警戒水位為-8.655 m，與式（1）所得結(jié)論相差不大。文獻(xiàn)[8]提出當(dāng)?shù)叵率业装逄幱诜弁翆訒r(shí)，設(shè)計(jì)浮力按理論浮力的0.7～0.8倍進(jìn)行折減。文獻(xiàn)[9]通過室內(nèi)小型的地下結(jié)構(gòu)抗浮計(jì)算試驗(yàn)研究，得到在砂土環(huán)境中的浮力折減系數(shù)為0.94。另外，崔巖等[10-11]也都對黏土和砂土進(jìn)行了水浮力試驗(yàn)，然而得出了黏土和砂土中水浮力都不存在折減的結(jié)論。

3.2 閉水試驗(yàn)警戒水位計(jì)算

工程考慮到閉水試驗(yàn)過程中水位會因?yàn)殡娏推渌藶橐蛩囟▌虞^大，增加C20素混凝土抗浮配重共318.3 m3?？紤]到試驗(yàn)所用圍擋結(jié)構(gòu)的施工難度和使用安全，倉壁的閉水試驗(yàn)每次做2 m高，所以抗浮配重計(jì)劃分3次澆筑，每次澆筑106.1 m3，澆筑高度2 m。假設(shè)3次澆筑期間工程工況沒有發(fā)生太大變化，根據(jù)公式（1）算出了3次澆筑施工期間的警戒水位，為防止施工過程中特別是閉水試驗(yàn)期間倉體因地下水浮力過大造成上浮而提供指導(dǎo)，如表4所示。

表4 閉水試驗(yàn)期間水位警戒線Table 4 The warning water level during closed water test

4 結(jié)論

通過整理、分析不同水位情況下土壓力盒的實(shí)測數(shù)據(jù)，得到了較為真實(shí)的倉底所受水土浮力，進(jìn)而與對應(yīng)水位倉體排出的純水所產(chǎn)生的理論浮力進(jìn)行對比，得到以下結(jié)論：

（1）土體的存在明顯地減少了地下水對地下結(jié)構(gòu)的浮力作用，驗(yàn)證了目前所采用的抗浮措施偏于保守，并修正了位于粉砂土層中地下結(jié)構(gòu)抗浮驗(yàn)算的計(jì)算方法，得到了浮力折減系數(shù)0.829。另外，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出了本工程所受實(shí)際浮力與理論浮力的線性表達(dá)式（1）。

（2）根據(jù)上述線性表達(dá)式，計(jì)算出了閉水試驗(yàn)前工程在自身質(zhì)量為2 150.395 4 t時(shí)的工況下的警戒水位為-8.876 m。并針對閉水試驗(yàn)期間，澆筑了抗浮配重之后工況的變化，而分別推算出表4中的警戒水位，為施工安全和結(jié)構(gòu)的抗浮驗(yàn)算提供了指導(dǎo)。

（3）由于試驗(yàn)設(shè)備及環(huán)境的不同，關(guān)于各土質(zhì)情況下地下工程抗浮計(jì)算的折減系數(shù)研究結(jié)論差異較大。文中所得結(jié)論對于粉砂土層中地下結(jié)構(gòu)的抗浮驗(yàn)算具有一定的指導(dǎo)意義，其他地質(zhì)條件下的抗浮計(jì)算是否需要折減需要進(jìn)一步驗(yàn)證，試驗(yàn)條件及程序的規(guī)范化也需要進(jìn)一步的研究。

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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

糧食公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201413007-01）

金立兵（1976—），男，河南濮陽人，副教授，博士，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)與儲倉結(jié)構(gòu)的教學(xué)和研究。