长江科学院院报

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2025 , Vol. 42 >Issue 6: 154 - 161

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240480

岩土工程

地下结构抗浮设计研究进展

  • 王胜利 , 1 ,
  • 董淑卿 1 ,
  • 黄瑜 1 ,
  • 宋枳含 2 ,
  • 吴桐 1 ,
  • 郑山锁 , 2, 3
展开
  • 1 中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司,西安 710054
  • 2 西安建筑科技大学 土木工程学院,西安 710055
  • 3 西安建筑科技大学 结构工程与抗震教育部重点实验室,西安 710055
郑山锁(1960-),男,陕西渭南人,教授,博士,主要从事工程结构抗震的研究。E-mail:

王胜利(1966-),男,陕西富平人,正高级工程师,主要从事地下结构抗浮研究。E-mail:

Copy editor: 占学军

收稿日期: 2024-05-09

  修回日期: 2024-07-09

  网络出版日期: 2025-01-02

基金资助

国家重点研发计划项目(2019YFC1509302)

国家自然科学基金项目(52278530)

陕西省重点研发计划项目(2021ZDLSF06-10)

收起

Research Progress on Anti-floating Design of Underground Structures

  • WANG Sheng-li , 1 ,
  • DONG Shu-qing 1 ,
  • HUANG Yu 1 ,
  • SONG Zhi-han 2 ,
  • WU Tong 1 ,
  • ZHENG Shan-suo , 2, 3
Expand
  • 1 China Energy Engineering Group Shaanxi Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Xi’an 710054, China
  • 2 School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China
  • 3 Key Laboratory of Structural Engineering and Earthquake Resistance of Ministry of Education, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China

Received date: 2024-05-09

  Revised date: 2024-07-09

  Online published: 2025-01-02

Fold

摘要

为优化地下结构抗浮性能、提升工程应用价值,在综述国内外地下结构抗浮性能的理论与试验方法基础上,梳理水浮力计算方法、地下结构浮力模型试验、地下结构抗浮措施的研究进展,总结了当前地下结构抗浮性能研究中存在的一些共性科学难题和技术瓶颈。结果表明:抗浮力与抗浮设防水位、土层条件、渗流因素有关,尤其要重视竖向渗流的影响;砂性土体中地下结构浮力数值较明确,而黏性土体中地下结构的浮力计算有争议,相关文献建议数值折减,但折减系数尚无统一结论;地下结构抗浮措施分为主动抗浮式和被动抗浮式,主动抗浮措施适用性更广,在工程建设中,需要结合结构物特点、地质条件与经济性分析,选择最佳处理措施。

关键词： 水浮力计算; 抗浮设防水位; 浮力折减系数; 浮力模型试验; 抗浮措施

本文引用格式

王胜利 , 董淑卿 , 黄瑜 , 宋枳含 , 吴桐 , 郑山锁 . 地下结构抗浮设计研究进展[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(6) : 154 -161 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240480

Abstract

With the acceleration of urbanization and continuous expansion of underground space, anti-floating design has become a core issue in ensuring the safety of underground structures. Based on a review of theoretical and experimental methods for the anti-floating performance of underground structures both domestically and internationally, we systematically summarize the research progresses on water buoyancy calculation methods, buoyancy model testing of underground structures, and anti-floating measures for underground structures. We also review the common scientific challenges and technical bottlenecks in current studies on the anti-floating performance of underground structures. The results show that: (1) the selection of anti-floating water levels requires comprehensive consideration of hydrogeological conditions and monitoring data, while there is currently no unified standard for multi-layer groundwater conditions. Anti-floating design for slope buildings is more complex due to significant differences in upstream-downstream water levels. Additionally, seepage significantly impacts buoyancy, particularly the overflow effect of confined water caused by vertical seepage, which can increase buoyancy to more than twice the hydrostatic pressure. Considering seepage effects, nine water buoyancy calculation models for different aquiclude structures were established based on Darcy’s law and seepage equilibrium equations, providing theoretical support for buoyancy calculations under complex geological conditions. (2) Researchers worldwide have derived buoyancy reduction coefficients for specific conditions through theoretical analysis, numerical simulation, and model box testing. Water buoyancy in sandy soils requires no reduction, while in cohesive soils, the reduction coefficient ranges from 0.41 to 0.85. (3) Anti-floating measures for underground structures can be divided into passive and active anti-floating types, with five common measures and their applicable conditions summarized. Passive anti-floating mainly increases the self-weight of the structure or the anchoring force, including methods of anti-floating (uplift) piles and anti-floating anchors (cables). Among these, floating beam capping and counterweight methods are widely used due to their convenient construction and simple operation. Anti-floating piles are suitable for deep excavations but have higher costs, while anti-floating anchors offer economic and flexible solutions but require leakage prevention at connections. Active anti-floating measures reduce water levels through interception and drainage decompression, offering quick results and low cost, though excessive drainage may cause ecological issues and foundation settlement. Practical engineering requires comprehensive consideration of geological conditions, structural characteristics, and cost-effectiveness to achieve balance between safety and efficiency.

Key words： water buoyancy calculation; anti-floating water level; buoyancy reduction coefficient; buoyancy model test; anti-floating measures

0 引言

随着城市化进程的推进,地下空间的开发利用已逐渐成为一种趋势[1],我国城市地下空间利用最早开始于20世纪60年代末,至80年代中期进入开发高潮,地铁、大面积超深的多层地下室、半地下变电站等地下结构日益增多[2]。然而,由于设计不当[3]、强降雨[4]或土体液化引发的地下水位骤涨[5],地下空间结构受到变化的水浮力作用,常发生破坏严重,伴随着巨大的经济损失。如1911年,宾夕法尼亚州一大坝在设计时未考虑作用在坝上的水压力,致使该大坝在使用期间发生了严重事故[6];2005年青岛某大型商场因抗浮水头设计不当,导致底板开裂,阻碍了施工进度[7]。1999年,土耳其Kocaeli因7.4级地震,出现了大面积场地液化,致使Adapazari市区地下水位骤涨,造成大量人员伤亡和经济损失[8]。
由此可见,开展地下结构抗浮性能研究具有重要现实意义。故本文归纳了水浮力计算方法、地下结构浮力模型试验及抗浮措施的研究现状,分析目前研究存在的不足,并对后续研究方向提出建议。

1 水浮力计算方法

1.1 抗浮设防水位的确定

抗浮设防水位是指确保地下结构抗浮设防安全的场地地下水位。目前国内外规范建议根据场地地下水位监测数据及区域水文地质资料进行计算。
《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ/T 72—2017)规定,能取得长期水位观测资料时,场地抗浮设防水位可采用实测最高水位;无长期水位观测资料或资料不全时,按勘察期间实测最高稳定水位并考虑场地地形地貌等因素综合确定。《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》(DBJ 11-501—2021)规定,应根据基础埋深、场地条件确定抗浮设防水位。《建筑工程抗浮技术标准》(JGJ 476—2019)规定,施工期内抗浮设防水位应取通过水位预测、勘测观察、地方经验得到的地下水位最高值;使用期内抗浮设防水位应取场地区域的水位区划值、水位预测的最高水位、历史最高水位、设计承载水位、地方经验确定的水位最高值;既有工程抗浮设防水位应根据相关安全性鉴定标准并考虑建筑的使用年限综合判断。《欧洲规范7:岩土工程设计》 (EN1997-2:2007)基于场地地下水位预测模型,结合长期水位观测资料分析了某实际工程场地和周边区域的地下水赋存状态,进而确定了该工程的抗浮设防水位。
综上所述,目前国内外行业规范未明确多层地下水情况下抗浮设防水位的确定方法。基于此,黄志仑等[9]提出了基础底板所在层的最高水位为抗浮设防水位。张旷成等[10]则认为当建筑场地在同一个地貌单元或同一个水文地质单元上时,应只有一个“场地抗浮设防水位”,而不是根据不同基础埋深确定多个抗浮设防水位。
因坡地建筑山脚下高差较大、地势起伏陡峭,汇水条件较好,当发生降雨时,基坑内排水存在滞后性,致使地下水从上游向下游渗流,形成较大的水头差,产生渗流水压力,增大地下结构基础底板所受的浮力[11],如图1所示。
图1 坡地建筑地下结构形式

Fig.1 Underground structure of buildings on sloped terrain

由于沿坡而建,受降雨量等因素影响,导致上下游水位差异明显,若选取上游水位作为抗浮设防水位,该水位高于下游水位,工程成本增加;若是选取下游水位作为抗浮设防水位,该水位不能满足上游建筑结构抗浮要求,结构易遭受破坏。综上所述,坡地结构抗浮设防水位的确定比较困难,下一步可以增加坡底的水浮力监测研究,采用智慧监测平台进行基础底部应力监测,基于实测数据形成坡地建筑物的抗浮水位设计方法。

1.2 不同含水层水浮力计算模型

在抗浮设计实践中,地下结构所受浮力大小与地下水的类型、含水层的相对位置有关,当各含水层发生渗流时,产生水头损失,使得浮力值的理论计算值与实测值偏差较大。因此需要细化地下结构水浮力计算方法,本文在考虑渗流作用的前提下,按照地下结构与不同含水层的相对位置关系总结了部分学者的地下结构水浮力计算模型[12-13],见图2。
图2 不同隔水层的结构水浮力计算模型

Fig.2 Calculation models for structural water buoyancy of different aquicludes

模型1如图2(a)所示,当地下结构底板位于地下水位之上时,由于埋置位置无地下水赋存,所以地下结构承受水浮力 f为
f = 0 　 。
模型2如图2(b)所示,当地下结构底板位于潜水层中时,抗浮设防水位取潜水位,该情况下不需要对浮力进行折减,故地下结构承受水浮力f为
f = γ w h 　 。
式中:h为地下结构水位下的深度;γw为水的重度。
模型3如图2(c)所示,当地下结构上部穿过潜水层,下部及底板位于弱透水层中时,由于上部潜水层渗流作用,地下结构仍会受到一定的水浮力,该浮力f为
f = γ w h - a b ( h - a ) 　 。
式中:a为地下结构进入弱透水层的深度;b为弱透水层的厚度。
模型4如图2(d)所示,当地下结构底板位于弱透水层中,弱透水层下是承压水层时,由于下部承压水渗流作用,地下结构也会承受一定的水浮力,该情况下抗浮设防水位取承压水位,水浮力f为
f = γ w d b h 　 。
式中d为承压水的水头高度。
模型5如图2(e)所示,当地下结构的上部超过弱透水层的水平标准后,下部以及底板的承压水位根据实际情况相应调整,地下结构承受水浮力f为
f = γ w ( d + m ) 　 。
式中:m为地下结构进入承压水层的深度;d+m为承压水的水头高度。
模型6见图2(f),当地下结构上部穿过潜水层,下部及底板位于弱透水层中,弱透水层下是承压水层时,由于下部承压水不能向上部弱透水层渗流,故当 h ≥ a时,该模型可等同于第3种模型;当 h a时,地下结构不承受水浮力。具体计算公式如下:
f = γ w h - a 1 - a b ,   h ≥ a 　 ,
f = 0   , 　 h a 　 。
模型7如图2(g)所示,当地下结构上部穿过潜水层,下部及底板位于弱透水层中,弱透水层下是承压水层时,该情况下上下两含水层间会存在渗流补给,故当 h ≥ a时,选取抗浮设防水位应同时考虑潜水位及承压水位;当 h a时,抗浮设防水位取承压水位,可等同于第4种模型。2种情况下地下结构承受水浮力f为:
f = γ w ( h - a ) - a b [ ( h - a ) - d ] γ w   , h ≥ a ,
f = γ w d h b - a + h   , 　 h a 　 。
模型8如图2(h)所示,当地下结构上部穿过潜水层及不透水层,下部及底板位于承压水层中时,承压水层不能向上部弱透水层渗流,抗浮设防水位取承压水位,故地下结构承受水浮力f为
f = y w x 　 。
式中x为承压水的水头高度。
模型9见图2(i),当地下结构上部穿过潜水层及不透水层,下部及底板位于承压水层中时,承压水向弱透水层发生渗流,故地下结构承受水浮力f为
f = γ w ( m + d ) 　 。
为进一步分析水位变化对水浮力的影响效果,以地下室位于弱透水层时的水浮力为例,如图3所示,进行水浮力计算公式推导。
图3 地下室位于弱透水层中的水浮力作用

Fig.3 Water buoyancy effect on basement located in aquitard

由达西定律可知
Q = A k Δ H L 　 。
式中:Q为渗透流量;k为土的渗透系数;A为垂直于渗流方向的土样截面面积; Δ H为土样两端的水头差值;L为流体流动的路径长度。
则透过弱透水层单位面积的渗透流量 Q 1为
Q 1 = h 1 + l + h 2 - h 1 + H l k 　 。
式中: h 1为承压水层的厚度; h 2为潜水层水位的高度;l为弱透水层的厚度;H为弱透水层水位的高度。
透过地下室底板以上弱透水层单位面积的渗透流量 Q 2为
Q 2 = h 1 + l + h 2 - h 1 + l - d ' + h d ' k 　 。
式中:h为地下室底板以上的压力水头; d '为地下室进入弱透水层的深度。
根据同一模型内流量平衡,可得出式(13)与式(14)中Q1=Q2,推出地下室底板以上压力水头h的具体表达式如下
h = h 2 - h 2 - H l d ' 　 。
综上,可得到地下室底板承受的水浮力f为
f = γ w h 2 - h 2 - H l d ' 　 。
当弱透水层位于地下室底板以下时,式(16)可等效于式(6)。
水浮力的计算模型需要综合考虑潜水位、承压水位及地下室的位置,根据实际情况,选取合适的计算模型。

1.3 渗流影响研究

地下水渗流对地下结构浮力造成的影响一直是工程研究的重点[12]。地下水渗流可分为水平和竖直方向渗流,其中以竖直方向渗流对地下结构浮力的影响效果最为显著,尤其是承压水向上越流渗流对地下结构浮力的影响[13]。陈志国[14]分析了承压水越流对地下结构浮力造成的影响及程度大小,研究结果表明,若土层处于弱透水层当中,底板埋深的浮力发生显著变化,最高提升比例达到2倍以上。当地下含水层发生越流补给(含水层通过相邻含水层的越流作用而得到补给)时,将产生一定的水头损失,地下结构的浮力也会受到影响。余良刚[11]发现潜水与承压水之间存在越流现象,并且在越流过程中存在一定的水头损失,可通过水头损失得到基底处的实际水压力;若忽略该损失,将按照潜水最高水位计算工程设计时基底处的水压力,由此会导致工程造价增加。朱韶彬[15]认为基底位置存在多层地下水时,浮力计算应分为越层渗流和无越层渗流。当发生越层渗流时,考虑水头损失与孔隙水压力,浮力计算应按渗流孔隙水压力计算;当发生无越层渗流时,其按静水压力计算,两层含水层间的弱透水层按照非饱和孔隙水压力计算。韩白华[16]通过Comsol多物理场仿真软件模拟了不同渗流方向对浮力的影响,数值模拟结果表明水平方向的渗流对地下室底板的水压力影响较小;竖直方向的越流导致底板水压力的折减程度明显增大。
为保障地下结构的稳定性,防止结构上浮受到破坏,需要充分研究土体中地下水的渗流规律,现有研究结果表明竖直方向的渗流对水压力的影响效果显著,未来可进一步结合解析法、图解法、物理模型法与数值模拟方法深入分析竖向渗流的机理。

1.4 水浮力折减系数研究

在工程抗浮设计中,国内学者一致认为砂土中基底所受浮力无需折减,按阿基米德定律进行计算。然而,黏土中基底所受浮力大小仍存在一定争议。
张第轩[17]基于砂土和黏土的试验研究得出结论,当水位升高时,砂土地基与黏土地基对应的浮力增长值应按全水头计算而无需折减。崔红军等[18]认为静水压力在砂土与黏性土中均可传递,只是砂土中的传递过程很短暂,而黏土的传递过程需要一段时间。陆启贤等[19]通过模型试验得到黏土地基中水浮力大小存在一定程度的折减,并给出了相应的折减系数。陈志国[14]则通过结构基础底面下黏土地基中的孔隙水压力量测结果,得出结构基础底板位置的孔隙水压力实测值均小于计算值,建议计算值的折减系数取0.85。同样,周朋飞[20]得出渗透性较差的黏土及粉质黏土中,实测孔隙水压力明显小于理论静水压力,其折减系数为0.6~0.8。张豫川等[21]发现砂岩地基与地下结构仅简单接触时的水压力折减系数为0.82~0.91。Ren等[22]采用平分法得到不同重量轻质地基模型在黏性土中的浮力折减系数,发现浮力折减系数最初为0.55~0.66,随时间推移,浮力折减系数会逐渐增大并稳定在0.82。
由此可见,国内外学者对于折减系数大小并未达成共识,通过原位测试、模型试验、数值模拟等手段,得出不同土层条件下结构的浮力折减系数存在差异。虽然多种方法均可得到水浮力折减系数,传统方法水浮力折减系数的确定依赖于经验取值法,然而,水浮力折减系数与具体的工程环境、材料特性和结构形式紧密相关,经验取值法存在主观性,因此,高精度数值计算模型已成为水浮力折减系数确定的主流方法,其计算方便、适用于多工况分析,而且依据工程监测数据可以进一步优化计算结果,由此可以更精确地确定浮力的折减系数。
综上所述,地下结构抗浮受以上多个因素的影响,这些因素决定了地下结构在实际工程中的安全稳定问题。因此,在工程设计中,必须充分考虑水文条件、地质条件以及相关的监测数据,可提升地下工程抗浮设计的可靠性,确保地下结构在长期使用中的安全。

2 水浮力模型试验

目前国内外模型试验大多基于初始受力平衡方程(式(17))和上浮极限状态下的受力平衡方程(式(18))建立。
F + P = G 　 。
式中:F为试验内箱底受到的浮力;P为试验内箱底受到的土体支持力;G为试验内箱重量。
F = G + f ' 　 。
式中 f '为试验箱周边土体对试验箱侧壁产生的侧摩阻力。
张第轩[17]在模型外箱上部设置了一根角钢用于力传感器固定,便于测量浮力的变化情况,如图4所示。事实上,工程实践中地下结构四周均位于土体介质中,因此,该模型试验与工程实际存在一定的差异。
图4 试验模型示意图

Fig.4 Schematic diagram of experimental model

针对前人试验存在的不足,朱彦鹏等[23]提出了一种新的试验模型,如图5所示。为了避免摩擦力的影响,在箱体内部涂抹了凡士林,将侧摩阻力降至最低,同时还能保持土体回填,更符合工程实际。
图5 试验系统概化模型及传感器埋设布置

Fig.5 Generalized model of experimental system and detailed sensor layout

宋林辉等[24]设计了一款土体回填内箱模型,并于箱底建立了一个活动底板的试验模块,该活动底板是由2块不同直径的有机玻璃同心圆板粘合而成,两者接触位置处设有环形发泡硅胶垫,对应的细缝处涂凡士林,如图6所示。受浮力影响,内箱不再整体上浮,而是通过活动底板上浮和其上设置的位移计来掌握浮动值。这种设计方案能更真实地模拟建筑与周围土体的相互作用。
图6 活动底板与模型桶的接触示意图

Fig.6 Schematic diagram of contact between movable bottom plate and model bucket

为了能更深入了解孔隙水压力传递机理,陆启贤等[19]设计了一套U型管试验模型,主要由U型管模型箱、模型桶和监测系统组成,具体如图7所示。基于式(17)和式(18),陆启贤等[19]考虑到黏土中的水浮力存在折减情况,通过调节右侧水位高度和内箱中水量进行多组试验后得到:
μ F w 1 = G 1 + f ' 　 ,
μ F w 2 = G 2 + f ' 　 。
式中:μ为折减系数;Fw1、Fw2为不同水位下的理论浮力值;G1、G2为不同水位的内箱重。
图7 试验装置示意图

注:图中的h'2、h'3、h'4分别为不同时期的土层高度,均以h'1为标高起点。h'2=20 cm、h'3=24 cm、h'4=40 cm

Fig.7 Schematic diagram of experimental setup

综上,试验结果受装置、步骤、监测系统的影响较大。对此,张乾等[25]设计了一套不依靠任何测试仪器的试验方案,得到综合折减系数的范围为0.41~0.58。虽然该水浮力模型试验方法直观易懂,但鉴于试验唯一观测手段仅是每10 min拍摄一次照片,故试验结果具有偶然性。由此可见,目前国内的地下结构抗浮模型试验取得了较多的成果,但是如何更真实地反映出地下结构的水浮力状态,需要进一步结合数值模拟、相似试验与实测数据进行分析,综合多种措施,建立更可靠的模型试验。

3 地下结构抗浮措施

在工程实践中,地下结构抗浮措施依据作用机制可分为被动抗浮式和主动抗浮式。被动抗浮式通过增加结构自重或采取支撑措施有效防止浮升现象的发生,主要包括抗浮梁压顶法、配重法、抗浮(拔)桩法及抗浮锚杆(索)法。而主动抗浮式则通过改变地下水位高度降低基底土体水压力从而达到削减浮力的目的,典型方法如截排减压抗浮法。

3.1 抗浮梁压顶法

压顶梁原理是通过在地下结构顶部设置压顶梁,使其产生重力反作用,增加地下结构的重量,从而使地下构件更加稳定,并提高整个结构的承载能力。张景花[26]将压顶梁及围护结构自重作为抗浮压重措施,并在薄弱部位采取加强抗浮和抗裂措施,满足了地铁车站的使用要求。压顶梁作为一种常用的抗浮措施,虽具有施工方便、造价较低特点,但需在设计和施工中结合实际情况综合考虑,以确保结构的稳定性和安全性。

3.2 配重法

顶板压重适用于纯地下结构,在施工中工程量比较少。底板压重则需要在结构下方增加一些钢筋混凝土构件,该方式虽可有效抗浮,但结构的浮力也会随基础埋深的增加而增加,使用该措施时需仔细核算回填层厚度是否满足工程场地实况,是否会引发抗浮二次失效。而挑边增重是在基础底板挑边两端回填土,以土的重量抵抗浮力。配重法受地质条件、施工环境的影响相对较小,操作上简单易行,适用范围广,造价成本较低,但随着重量的增加,配重部分需要较大的埋深,间接性增大了浮力。

3.3 抗浮(拔)桩法

抗浮(拔)桩法是借助自身重量和侧摩阻力起到抗浮作用的。当地下水浮力超过一定限值时,此时的抗浮桩能够很好地起到抗浮效果,当水浮力不断减小时,抗浮桩又可以起到提高基础承载力的作用。因抗浮桩一般布置在柱、墙下,导致各个抗浮桩的间隔过大,需要增设较厚的底板,才能满足附加应力和剪应力的要求,故采用抗浮桩抗浮造价成本增加。陈锦剑等[27]指出,由大面积大深度基坑开挖引起的土体卸荷回弹会对坑底桩基尤其是对抗拔桩产生一定的预拉力,对此,在设计中要充分考虑抗拔桩初始轴力的存在。地基为桩基时,可以优先选用,但其受施工条件影响较大,造价相对较高。

3.4 抗浮锚杆(索)法

抗浮锚杆是一种受拉杆件,可以利用材料自身的抗拉性及锚杆产生的侧摩阻力抵抗浮力,其锚固力的大小主要取决于地层受锚杆(索)拉力时所能提供的抗力,这种抗力只有在大于锚杆(索)锚固力时才能保持稳定。抗浮锚杆具有施工方便、造价低、工期短等优点。王超等[28]以城市基坑工程抗浮设计为例,综合经济因素与安全因素,建议预应力锚杆优先的抗浮措施,既能提升锚固效果又能兼顾经济性。锚杆可与岩土体形成整体,布置灵活,造价较低,但锚杆在承受拉力后可能会造成地下结构周边的开裂,进而影响结构的使用寿命,此外,还需深入研究锚杆和底板连接处的防水措施。

3.5 截排减压抗浮法

截排减压抗浮法主要通过截水、排水降低地下水位从而减小基底的浮力,其中不同方法的应用场景存在较大的差异,截水法适用于具备一定节水功能的维护结构。进一步细分可将排水法分为外置式排水和内外结合排水两种途径。所谓的外置式排水是将各类排水设施放置在地下底板结构以外,所有的工作均需在室外进行,该方法对工程系统的自动控制降排结构有一定的要求。相比之下,内外结合式的排水方法是将室外和室内的排水系统直接连接所有的排水和疏导工作均需两个系统的相互配合才能有效完成,该方法一般应用在透水性较差的底板结构中。杨博进等[29]总结了泄水减压法施工中的各因素作用规律,发现填土夯实度的影响效果最显著。该措施见效快,在水利枢纽与堤防工程中得到广泛使用,截排减压需要做好反滤层与防淤堵措施,在设计反滤层时,应先确定反滤层的类型,再确定反滤层的级配并选择合适的土工织物,最后确定反滤层的厚度和层数。
事实证明,与上述传统的被动抗浮措施相比,以截水、排水为主的截排减压抗浮法适用性更强。然而,该方法也存在不足。其一,超过一定幅度的排水可能会对周边的生态水体造成不良影响;其二,该方法适用于具有一定透水性的土层;其三,排水后会带走部分细小砂石,可能造成周边建筑物沉降及开裂等事故;因此,如何综合考虑主动与被动措施,以保障抗浮设计的最优还需进一步研究。

4 结论

本文主要从水浮力计算方法、浮力试验模型与地下结构抗浮措施三个方面出发,总结地下结构抗浮性能研究进展,得到以下结论:
(1)地下结构的设防水位、土层条件与渗流作用均对抗浮力有影响,在工程设计中需综合考虑水文条件、地质条件与监测数据等,以保障结构物的安全。
(2)国内外学者基于理论分析、数值模拟和模型箱试验等手段分别得出了特定条件下的水浮力折减系数,砂性土体中的水浮力无需折减,黏性土体中的水浮力折减系数为0.41~0.85。
(3)总结了5种常见的抗浮措施及适用条件,并探讨其工作原理和优缺点。主动抗浮措施见效快,可优先考虑,但实际工程抗浮措施应根据现场环境和地质条件制定,并充分考虑工程造价等因素。

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