本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种原位测定地下结构所受水浮力的方法。
背景技术：
近年来随着地下空间(地下车站、地下道路、地下综合体等)开发规模迅速加大，地下结构的抗浮问题越来越引起工程界和学术界的重视，特别是在地下水位较高的地区，对于埋深浅而体量较大的地下结构而言，其抗浮设计是一个影响结构安全且涉及巨额造价的问题。但是目前对于置于土中的地下结构所受水浮力的计算问题，特别是在土体为粘性土层（弱透水层）的情况下，在工程界存在普遍的争议。如孙广利、高涛通过试验及工程实测，证明了粘性土中地下水对建筑物地下室产生的浮力是可以折减的，折减系数0.85；梅国雄、宋林辉等进行的试验研究，认为在粘性土中，地下水浮力存在明显折减；我国现行《岩土工程勘察规范》规定，对于粘性土的浮力折减，根据经验和实测数据确定折减系数，但在条文说明中认为这个问题缺乏必要的理论依据，很难确切度量；《高层建筑岩土工程勘察规程》8.6.5条规定，地下室在稳定地下水位作用下的浮力不应折减，对临时高水位作用下的浮力，在粘性土地区可以按地区经验适当折减；我国《地铁设计规范》规定，施工阶段置于渗透系数较小的粘性土层中的隧道，在进行抗浮稳定性分析时，可结合工程经验对浮力进行适当折减；而国内学者进行的多是室内模型试验，鉴于理论的缺乏以及工程地质土层的复杂性，将室内试验结果应用于实际工程，对很多工程师而言存在安全顾虑。因此，急需一种现场原位测定地下实际水浮力的可靠、实用的勘测方法来解决地下工程设计中地下地下结构的抗浮问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种原位测定地下结构所受水浮力的方法，用于解决地下工程设计中地下结构所受水浮力的问题，以优化工程结构抗浮设计。
本发明的技术方案是提供了一种原位测定地下结构所受水浮力的方法，包括如下步骤：
1)在拟建场地地面设置若干个等径的孔洞，包括至少一个对比孔和至少一个测定孔，并在孔洞周围设置降水井点和水位观测井点；
2)在降水井点采用井点降水控制地下水位，使得地下水位线位于测试点深度以下，在对比孔中加入加载装置通过压重分级加载卸载方式测定无水浮力情况下土层有效应力与加载装置的竖向位移的关系；
3)在测定孔中加入加载装置恒定压重，通过井点降水控制地下水位，使得地下水位线逐级上升，待地下水位线上升至抗浮设计水位，测试结束，得到水浮力作用下的水位与加载装置的竖向位移数对；
4)利用总压力=土层有效应力+水浮力，得到测定孔各级水位处所受的水浮力。
作为实施方式之一，所述孔洞为三个，呈正三角形布置，且相邻两孔洞之间的中心距不小于孔洞直径的2.5倍。
作为实施方式之一，所述水位观测井点有三个，分别位于相邻两个孔洞中心连线的中点位置，所述降水井点有六个，其中三个降水井点在三个孔洞的外侧，呈正三角形分布，另三个降水井点在该正三角形三边的中点位置。
作为实施方式之一，所述对比孔中测定无水浮力情况下土层有效应力与加载装置的竖向位移的关系的具体过程：首先，在对比孔中加入护臂装置至设计的测试点深度，持续降水至地下水位线位于测试点深度以下，并在降水影响范围外的地面上设置稳定水准点；然后，取出对比孔内的土，在对比孔底部浇筑钢纤维混凝土垫层，并在对比孔内放入加载装置，加载装置底部固定在钢纤维混凝土垫层上；最后，在加载装置顶部进行压重分级加载卸载，记录各级荷载所对应的加载装置的竖向位移，从而绘制无水浮力情况下土层有效应力-竖向位移曲线图。
进一步的，在对比孔中的测定结束后拔出对比孔内护臂装置，采用原土或砂土填满对比孔。
作为实施方式之一，所述测定孔中测定水浮力作用下的水位与加载装置的竖向位移数对的具体过程：首先，在对比孔中加入护臂装置至设计的测试点深度，取出测定孔内的土，在测定孔底部浇筑钢纤维混凝土垫层，并在测定孔内放入加载装置，加载装置底部固定在钢纤维混凝土垫层上；然后，在测定孔内加载装置顶部加载恒定压重，通过井点降水控制地下水位，使得地下水位线逐级上升，记录各级地下水位线所对应的加载装置的竖向位移，得到水浮力作用下的水位与竖向位移数对。
作为实施方式之一，所述护臂装置采用等截面的钢护筒，该钢护筒的筒壁下端面呈单边刃口状，钢护筒的上端孔口设有起吊孔和加强环。
作为实施方式之一，所述加载机构还包括至少一组水平定位杆组，各水平定位杆组垂直连接在所述加载杆上，且各水平定位杆组由所述护臂机构的上端面处沿加载杆的轴向等间距分布；每组水平定位杆组包括至少三根水平定位杆，且各水平定位杆沿加载杆的周向等间距分布。
作为实施方式之一，所述加载装置还包括水平定位杆，该水平定位杆垂直连接在所述加载杆上，且水平定位杆位于所述护臂装置的上端面处。
作为实施方式之一，所述井点降水采用喷射井点降水或多级井点降水。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供的这种原位测定地下结构所受水浮力的方法在工程地质勘察阶段用于原位测定拟建场地位置，真实模拟地下室底板与土层接触界面情况，利用对比孔先行测定在无水浮力情况下土层有效应力—竖向位移曲线，测定孔测定不同水位时，恒定压力下水位—竖向位移曲线，通过比对对比孔位移曲线与测定孔位移曲线，得到测定孔不同水位对应土层有效应力，进而由已知的总压力减去涂层有效应力得到测定孔的孔隙水压力（即水浮力）；该测定方法可快速真实的测定细粒土质地下土层任意深度处，地下结构所受土中水浮力数值，测定方法过程简单，且所用到的测定工具方便易得，解决现有将室内试验结果用于实际工程所存在的安全隐患问题。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明中各测量要素的平面分布示意图；
图2是本发明中降水立面示意图；
图3是本发明中对比孔内插入钢护筒立面示意图；
图4是图3中i部的放大示意图；
图5是本发明中对比孔的钢护筒内取出土层后的立面示意图；
图6是本发明中对比孔内浇筑钢纤维混凝土垫层的立面示意图；
图7是本发明中对比孔内安装加载杆的立面示意图；
图8是本发明中对比孔内加载卸载加载体的立面示意图；
图9是本发明中测定孔加载完成后的立面示意图；
图10是本发明中测定孔水位逐级上升后的立面示意图。
附图标记说明：1、对比孔；2、水位观测井点；3、降水井点；4、测定孔；5、地下水位线；6、护臂装置；7、加强环；8、稳定水准点；9、钢纤维混凝土垫层；10、加载杆；11、水平定位杆；12、加载台；13、加载体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。
本实施例提供了一种原位测定地下结构所受水浮力的方法，具体包括如下步骤：
(1)在拟建场地地面设置若干个等径的孔洞，包括至少一个对比孔1和至少一个测定孔4，并在孔洞周围设置降水井点3和水位观测井点2，对比孔1用于测定无地下水时孔底土层有效应力与竖向位移曲线，测定孔4用于测定水浮力。
具体的实施方式，采用1m左右直径钻孔洞模拟地下室基坑，孔洞的数量至少是两个，即一个对比孔1，一个测定孔4，当然为了提高测定数据的可靠性，可在对比孔1附近多设几个测定孔4；如图1所示，所述孔洞为三个，呈正三角形布置，以便减小后续降水的抽水量，三个孔洞的环境条件相同，且相邻两孔洞之间的中心距不小于孔洞直径的2.5倍，以避免钻孔洞时对相邻孔洞的土体扰动。所述水位观测井点2用于观测地下土中不同的水位，本实施例中水位观测井点2有三个，分别位于相邻两个孔洞中心连线的中点位置，观测井点2均匀布置，可有效测定降水井点的代表水位；所述降水井点3用于控制地下水位，采用可调节流量水泵进行抽水降水，其个数视测定孔4的数量而定，同时对比孔1、测定孔4及观测井点2应完全在降水井点3连接形成的最大多边形内，可保证对测定范围内土体的有效降水，本实施例中降水井点3具体有六个，其中三个降水井点分别在三个孔洞的外侧，呈正三角形分布，另三个降水井点3在该正三角形三边的中点位置。
(2)如图2和图3所示，根据工程初步设计文件资料及工程地质钻孔揭露地层情况，选取测试点深度，先在降水井点3采用井点降水控制地下水位，使得地下水位线5位于测试点深度以下，这样在测试点深度范围内地下土层处于无水浮力状态，一般井点降水采用喷射井点降水，当地下室深度很大时，可采用多级井点降水；在此过程中，对比孔1中加入护臂装置6至设计的测试点深度，该护臂装置6可采用等截面的钢护筒，如图3和图4所示，该钢护筒的筒壁下端面削尖呈单边刃口状以降低下沉阻力，采用钢管桩沉桩方法沉入对比孔1的土层内，钢护筒的上端孔口设有起吊孔和加强环7，便于起吊反复使用，而为便于使用，可采用多段内法兰连接，钢护筒侧壁全长不允许渗漏水；然后，如图5所示，采用长螺旋钻机快速取出对比孔1的钢护筒内的土，工人下入对比孔1底部进行清土、整平，在对比孔1底部浇筑钢纤维混凝土垫层9，如图6所示，用以真实模拟地下室底板与土层接界面情况，进一步的，可在钢护筒的筒壁内侧与钢纤维混凝土垫层9四周边接触界面涂抹黄油的润滑油脂以减小二者间摩擦力至可忽略的程度；如图7和图8所示，在对比孔1内放入加载装置，该加载装置包括加载杆10和加载平台12，所述加载杆10下端在钢纤维混凝土垫层9尚未凝固前固定在对比孔1的钢纤维混凝土垫层9上，以保证二者紧密相连，加载杆10上端伸出钢护筒通过螺栓连接加载平台12；进一步优化的，为了保证加载杆10安装的垂直度，该加载机构还包括至少一组水平定位杆组，各水平定位杆组垂直连接在所述加载杆10上，每组水平定位杆组包括至少三根水平定位杆11，且各水平定位杆11沿加载杆10的周向等间距分布，而加载杆10过长时，通过设置多组水平定位杆组对加载杆10定位，此时各水平定位杆组由所述护臂机构6的上端面处沿加载杆10的轴向等间距分布；最后，在加载平台12上添加加载体13进行压重分级加载，记录各级荷载所对应的竖向位移，加载及记录等按国标《建筑地基基础设计规范》中深层地基平板载荷试验的规定进行，加载至最大荷载后，应按上述规范的规定进行卸载情况的记录，这样得到全过程中土层有效应力与竖向位移数对，通过这些数对绘制出无水浮力情况下土层有效应力-竖向位移曲线图；其中，在对比孔降水影响半径范围外设置稳定水准点8作为竖向位移测量的基准点。
而当对比孔1与测定孔4相距很近时（即对比孔1与测定孔4的中心距在6倍孔径范围内），对比孔1应先行施工并测定需要的无水浮力情况下土层有效应力-竖向位移曲线，对比孔1内测定试验完成后，待对比孔1采用原土或砂土回填后，再进行测定孔4的成孔施工及测定，其它情况，为节约工期，所有对比孔1和测定孔4可同时进行施工与测定。
(3)如图9和图10所示，在测定孔4位置，重复与对比孔1相同的成孔施工及加载步骤直至加载台12上加载至最大荷载完成加载记录之后，然后通过逐渐减小降水井点3的抽水速度控制地下水位，使得地下水位线5逐级上升，待地下水位线5上升至抗浮设计水位，测试结束，此过程相当于采用水浮力给土层卸载，记录此过程中各级水位下测定孔底层(即钢纤维混凝土垫层9)的竖向位移，从而得到水浮力作用下的水位与竖向位移数对，而记录此卸载过程的位移时亦可参照《建筑地基基础设计规范》的规定进行。
(4)由于对比孔1和测定孔4处土层具有相同土力学参数，因此二者具有相同的土层有效应力-竖向位移曲线，故通过测定孔1测定的水位与竖向位移数对，对应对比孔1的土层有效应力-竖向位移曲线，求得测定孔1不同水位下的土层有效应力，再利用“总压力=土层有效应力+水浮力”关系，由于总压力恒定且已知，进而可求得测定孔4各级水位处所受的水浮力。
综上所述，本发明提供的这种原位测定地下结构所受水浮力的方法在工程地质勘察阶段用于原位测定拟建场地位置，真实模拟地下室底板与土层接触界面情况，利用对比孔测定在无水浮力情况下土层有效应力—竖向位移曲线，测定孔测定恒定压力下水位—竖向位移曲线，通过比对无水孔位移曲线与测定孔位移曲线，得到测定孔不同水位对应土层有效应力，进而由已知的总压力减去涂层有效应力得到测定孔的水浮力；该测定方法可快速真实的测定细粒土质地下土层任意深度处，地下结构所受土中水浮力数值，测定方法过程简单，且所用到的测定工具方便易得，解决现有将室内试验结果用于实际工程所存在的安全隐患问题。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。