CN111062144B - 一种地下结构浮力测算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种地下结构浮力测算方法。步骤如下：在试验箱体内布置地基土层，地基土层包括粗砂层和黏性土层；根据黏性土层中黏性土的液性指数IL判定黏性土的状态，确定坡率；根据坡率，设计地下结构模块的结构为倒圆台体或倒梯形台体，所述地下结构模块的侧面与水平面之间的夹角α小于等于坡率的反正切函数；将地下结构模块放置在黏性土层中，地下结构模块的顶部通过反力梁与测力模块连接；向地基土层注入水，绘制垂向渗流曲线，计算侧向水压力F4的值，并根据预先获得的地下结构模块的结构自重G，同时结合测力模块的测量数据得到地下结构模块所受地下水浮力。该方法能够消除侧向摩擦力，使地下结构浮力测算更加准确。

Description

一种地下结构浮力测算方法
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种地下结构浮力测算方法。
背景技术
通过试验来测算饱和黏性土层地下结构所受浮力一直以来都是抗浮研究领域一种重要的手段。虽取得了大量成果，但现有地下结构浮力测算方法对于地下结构侧壁摩擦力处理均有不足之处，如：宋林辉等的试验结构模型深入在黏性土中一定深度，试验结果则显示饱和黏性土中水压力存在折减，既未考虑也未消除垂向摩擦力；周鹏飞等的试验结构模型深入在黏性土中一定深度，通过地下结构侧壁材料与土体的接触滑动摩擦试验测定动摩擦因数，在后续的浮力作用试验中，按照此动摩擦因数计算侧向摩擦力，此种方法虽给出了明确的摩擦力值，但静摩擦力和滑动摩擦力区别很大，且最大静摩擦力并非完全等于滑动摩擦力，很难计算准确，又无法消除。
纵观上述试验研究,由于地下结构浮力测算方法的局限，各位研究者对饱和土层中地下结构所有浮力作用的测算成果存在较大的分歧。因此，有必要在考虑上述方法优缺点的基础上，设计出一种测算更加细致、更接近客观值的地下结构浮力测算方法，以便开展更加深入的试验研究工作。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有存在的技术问题，本发明提供一种地下结构浮力测算方法，能够消除侧向摩擦力，使地下结构浮力测算更加准确。
(二)技术方案
本发明提供一种地下结构浮力测算方法，预先获取试验用黏性土层中黏性土的液性指数IL，包括如下步骤：
S1、在试验箱体内布置地基土层，所述地基土层包括从实验箱体底部到顶部依次设置的粗砂层和黏性土层；
S2、根据黏性土层中黏性土的液性指数IL判定黏性土的状态，确定坡率；
S3、根据坡率，设计用于地下结构浮力测算的地下结构模块的立体形状，所述地下结构模块为倒圆台体或倒梯形台体，包括相互平行的顶部和底部以及连接顶部和底部的侧面，且使所述地下结构模块的侧面与底部之间的夹角α小于等于坡率的反正切函数；
S4、将地下结构模块放置在黏性土层中，地下结构模块的顶部通过反力梁与测力模块连接；
S5、向地基土层注入水，绘制垂向渗流曲线，计算侧向水压力F4的值，并根据预先获得的地下结构模块的结构自重G，同时结合测力模块的测量数据，计算出所述地下结构模块所受地下水浮力F2。
进一步地，在所述步骤S5中，地下结构模块在黏性土层中会受到结构自重G、垂向土颗粒反力F1、地下水浮力F2、侧向土颗粒反力F3、侧向水压力F4、反力梁反力F5和结构侧壁摩阻力f，其中反力梁反力F5来自测力模块的测量数据；
侧向土颗粒反力F3和侧向水压力F4在水平方向上的分量相互抵消；
垂直方向上，静力平衡方程计算如下：
(F3+F4)cosα+F1+F2＝fsinα+G+F5 (1)
当地下结构模块处于临界浮起状态时，垂向土颗粒反力F1、侧向土颗粒反力F3和结构侧壁摩阻力f均趋近于0，此时静力平衡方程计算如下：
F4cosα+F2＝G+F5 (2)；
根据公式(2)计算出地下水浮力F2。
进一步地，所述地下结构模块的顶部与黏性土层的顶部位于同一水平线。
进一步地，所述地下结构模块的侧面与水平面之间的夹角α等于坡率的反正切函数。
进一步地，所述黏性土层的厚度为90-95cm，所述粗砂层的厚度为10-15cm。
进一步地，所述地下结构模块的高度小于等于0.5m。
进一步地，所述试验箱体的长为100cm、宽为100cm、高为110cm。
(三)有益效果
本发明提供的地下结构浮力测算方法，可消除结构呈上浮趋势时产生的侧向摩擦力，使试验结果更准确。试验土层主要由黏性土层组成，通过控制地下水位，可进行饱和黏性土中地下水对结构浮力的作用研究试验，而且本发明的方法简单，易于实现。
附图说明
图1为本发明中地下结构浮力测算方法的流程图；
图2为本发明中地下结构模块的受力分析图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种地下结构浮力测算方法，预先获取试验用黏性土层中黏性土的液性指数IL，包括如下步骤：
S1、在长宽高分别为100cm、100cm和110cm的试验箱体内布置地基土层，所述地基土层包括从试验箱体底部到顶部依次设置的粗砂层和黏性土层。优选地，黏性土层的厚度为90-95cm，所述粗砂层的厚度为10-15cm。
S2、根据黏性土层中黏性土的液性指数IL判定黏性土的状态，确定坡率。具体如下表1所示：
表1坡率取值
Figure BDA0002346949520000041
S3、根据坡率，设计用于地下结构浮力测算的地下结构模块的立体形状。在本实施例中，将地下结构模块设计为倒圆台体，倒圆台体的高度等于0.5m，包括相互平行的顶部和底部以及连接顶部和底部的侧面，且使所述倒圆台体的侧面与底部之间的夹角α小于等于坡率的反正切函数。
优选地，所述倒圆台体的侧面与底部之间的夹角α等于坡率的反正切函数。
进一步地，倒圆台体由刚性轻质材料组成，如有机玻璃或塑料等。
S4、将地下结构模块放置在黏性土层中，地下结构模块的顶部与黏性土层的顶部位于同一水平线。
同时，地下结构模块的顶部通过反力梁与测力模块连接。
S5、向地基土层注入水，如图2所示，此时地下结构模块在黏性土层中会受到结构自重G、垂向土颗粒反力F1、地下水浮力F2、侧向土颗粒反力F3、侧向水压力F4、反力梁反力F5和结构侧壁摩阻力f。
侧向土颗粒反力F3和侧向水压力F4在水平方向上的分量相互抵消；
垂直方向上，静力平衡方程计算如下：
(F3+F4)cosα+F1+F2＝fsinα+G+F5 (1)
当地下结构模块处于临界浮起状态时(前提条件地下水浮力F2大于结构自重G)，垂向土颗粒反力F1、侧向土颗粒反力F3和结构侧壁摩阻力f均趋近于0，此时静力平衡方程计算如下：
F4cosα+F2＝G+F5 (2)。
通过向地基土层注入不同高度的水，绘制垂向渗流曲线，计算侧向水压力F4的值，并根据预先获得的地下结构模块的结构自重G，同时结合测力模块的测量数据得到地下结构模块所受地下水浮力F2。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：在地下结构模块设计为倒梯形台体，倒梯形台体的高度等于0.5m，包括相互平行的顶部和底部以及连接顶部和底部的侧面，且使所述倒梯形台体的侧面与底部之间的夹角α等于坡率的反正切函数。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种地下结构浮力测算方法，其特征在于，预先获取试验用黏性土层中黏性土的液性指数IL，包括如下步骤：
S1、在试验箱体内布置地基土层，所述地基土层包括从实验箱体底部到顶部依次设置的粗砂层和黏性土层；
S2、根据黏性土层中黏性土的液性指数IL判定黏性土的状态，确定坡率；所述液性指数IL≤0，坡率为1:0.35；0＜液性指数IL≤0.25时，坡率为1:0.50；
S3、根据坡率，设计用于地下结构浮力测算的地下结构模块的立体形状，所述地下结构模块为倒圆台体或倒梯形台体，包括相互平行的顶部和底部以及连接顶部和底部的侧面，且使所述地下结构模块的侧面与底部之间的夹角α小于等于坡率的反正切函数；
S4、将地下结构模块放置在黏性土层中，地下结构模块的顶部通过反力梁与测力模块连接；
S5、向地基土层注入水，绘制垂向渗流曲线，计算侧向水压力F4的值，并根据预先获得的地下结构模块的结构自重G，同时结合测力模块的测量数据，计算出所述地下结构模块所受地下水浮力F2；
所述测力模块的测量数据为反力梁反力F5；
在所述步骤S5中，地下结构模块在黏性土层中会受到结构自重G、垂向土颗粒反力F1、地下水浮力F2、侧向土颗粒反力F3、侧向水压力F4、反力梁反力F5和结构侧壁摩阻力f；
在水平方向上，侧向土颗粒反力F3和侧向水压力F4的分量相互抵消，垂直方向上，静力平衡方程计算如下：
(F3+F4)cosα+F1+F2＝fsinα+G+F5 (1)
当地下结构模块处于临界浮起状态时，垂向土颗粒反力F1、侧向土颗粒反力F3和结构侧壁摩阻力f均趋近于0，此时静力平衡方程计算如下：
F4cosα+F2＝G+F5 (2)。
2.根据权利要求1所述的地下结构浮力测算方法，其特征在于，所述地下结构模块的顶部与黏性土层的顶部位于同一水平线。
3.根据权利要求1所述的地下结构浮力测算方法，其特征在于，所述地下结构模块的侧面与水平面之间的夹角α等于坡率的反正切函数。
4.根据权利要求1所述的地下结构浮力测算方法，其特征在于，所述黏性土层的厚度为90-95cm，所述粗砂层的厚度为10-15cm。
5.根据权利要求1所述的地下结构浮力测算方法，其特征在于，所述地下结构模块的高度小于等于0.5m。
6.根据权利要求1所述的地下结构浮力测算方法，其特征在于，所述试验箱体的长为100cm、宽为100cm、高为110cm。
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