劉海燕，孟偉新，王振清，田棟杰，徐向楠，劉 旭

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“二八灰土”回填地下糧倉浮力預警試驗研究

劉海燕1，孟偉新1，王振清1，田棟杰2，徐向楠1，劉 旭1

（1. 河南工業(yè)大學土木建筑學院，鄭州 450001； 2. 鄭州康橋房地產(chǎn)開發(fā)有限責任公司，鄭州 450000）

地下結(jié)構(gòu)的浮力多以阿基米德定律為基礎進行計算，未考慮周圍回填土體。該文以某地下糧倉為研究對象，考慮周圍回填二八灰土的實際工況，分別進行直徑為400（模型筒A）、500（模型筒B）、600 mm（模型筒C）的室內(nèi)縮尺模型試驗。試驗包含純水試驗和回填二八灰土試驗。純水試驗結(jié)果表明，以阿基米德定律計算的實際浮力與模型筒自重（包含模型筒上部約束反力所折算自重）的理論浮力基本一致，模型筒A、B、C的實際浮力與理論浮力的誤差分別為0.03%、1%、3%。在回填二八灰土試驗中，通過緩慢注水，利用位移計、壓力傳感器監(jiān)測模型筒位移及模型筒上部的約束反力，分析了模型筒整個上浮過程中位移和約束反力的變化情況。位移突變值滯后于約束反力突變值，壓力傳感器讀數(shù)發(fā)生明顯變化而位移計讀數(shù)未發(fā)生明顯變化所測量的水位為警戒水位，壓力傳感器與位移計讀數(shù)均發(fā)生明顯變化所測量的水位為實際起浮水位。以警戒水位和實際起浮水位作為理論計算依據(jù)，得出警戒水位和實際起浮水位時模型筒自重（包含模型筒上部約束反力所折算自重）作用下理論抵抗浮力及計算所得的實際抵抗浮力。警戒水位時模型筒A、B、C實際抵抗浮力為理論抵抗浮力的1.93、2.43、1.66倍。實際起浮水位時模型筒A、B、C實際抵抗浮力為理論抵抗浮力的2.15、3.36、2.96倍。從安全儲備方面綜合考慮，回填工況地下糧倉在預警水位時實際抵抗浮力為理論抵抗浮力的1.5倍，實際起浮水位時抵抗浮力為理論抵抗浮力的2倍，研究結(jié)果為今后地下糧倉及其他地下結(jié)構(gòu)的抗浮設計提供參考。

浮力；水位；試驗；二八灰土；回填工況；地下糧倉；注水試驗

0 引 言

中國各地糧倉中糧食儲藏總量達2億噸，保障糧食安全是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要任務[1]。糧食倉儲設施是保障糧食安全、關系國計民生的重要基礎設施[2]。但目前中國在建的糧倉仍以高大平房倉，大直徑淺圓倉為主，占用大量的土地資源，儲糧環(huán)境并不理想[3]。利用地下倉儲糧，是一種利用天然地下自然低溫、低濕和密閉缺氧環(huán)境，達到抑制蟲霉危害、延緩糧食陳化目的，實現(xiàn)綠色、低溫和生態(tài)儲糧的好方法[4]。且中國地下貯糧有著悠久的歷史，遠在五六千年前中國原始社會的仰韶文化時期，人們就用口小底大的袋狀窖穴貯糧[5]。隋朝時期隋煬帝楊廣在洛陽興建了含嘉倉、興洛倉、回洛倉。20世紀70年代國家建造了窯洞倉、喇叭倉、管形倉等一批地下倉型，以地下土圓倉（喇叭倉）倉型為最好[6]。為了適應新形式下糧食儲存的需求，更好的發(fā)揮地下糧倉恒溫、節(jié)能、節(jié)地、綠色、環(huán)保的優(yōu)點[7-8]目前中國建造了新型的地下鋼筋混凝土散裝糧食圓形筒倉。

伴隨新型地下糧倉向高水位等復雜地質(zhì)條件地區(qū)的推廣，倉體將受到較大的地下水的作用[9]。對于地下結(jié)構(gòu)浮力問題一直爭議至今，目前地下結(jié)構(gòu)浮力計算多以經(jīng)典的阿基米德定律為基礎，忽略土體對結(jié)構(gòu)抵抗浮力的有利因素。對此，諸多學者進行了討論：李廣信等[10-11]認為地下結(jié)構(gòu)浮力的實質(zhì)是有效應力原理在弱透水層中的適用性，并提出凡是地下水位以下的結(jié)構(gòu)物均按其排除的體積計算浮力是不合適的；方玉樹[12]針對這個問題提出了水壓率的概念,在此基礎上修正了孔隙水壓力、浮力、浮重度、滲透力、固結(jié)系數(shù)和貯水率的計算方法；饒清等[13-14]根據(jù)不同地區(qū)地下水的埋藏條件對抗浮設計水位取值與浮力折減現(xiàn)象進行了分析；也有國外學者[15-18]從微觀土顆粒與水相互作用的角度開展研究；王洪新[19]從水土壓力的角度提出一個新的可以應用于地下結(jié)構(gòu)水土壓力分算與合算統(tǒng)一算法的強度理論；白曉宇等[20]對地下支護結(jié)構(gòu)的抗浮錨桿進行了原位試驗研究；也有學者們從地下水的滲流[21]，地下土體中孔隙水壓力與浮力的關系[22]，浮力的實質(zhì)[23]等方面展開研究；除上述理論研究外，另有一些學者設計了一系列的抗浮模型試驗：如唐春華等[24]通過模型試驗的方法對砂土地基中地下水浮力的力學效應進行分析，得出砂土地基中地下結(jié)構(gòu)所受浮力按靜水壓力計算是合理的；而梅國雄等[25-27]對黏土地基開展浮力模型試驗，得出黏土地基中浮力由于土體的吸附作用存在少量的折減；周明[28]、張第軒[29]則對不同的土層進行浮力模型試驗，由于試驗思路的不同，導致試驗的結(jié)果離散性較大。

該文以周圍回填二八灰土的地下糧倉為模型，進行了直徑為400、500、600 mm的模型筒試驗，測試并分析模型筒位移及約束反力變化情況，研究分析模型筒在回填工況下的浮力變化以及模型筒實際抵抗浮力大小與理論抵抗浮力的差異。通過試驗分析提出該工況下地下糧倉自重抗浮設計的安全儲備量，避免浮力過大造成的地下糧倉浮起、外包防水材料拉裂等問題，為地下糧倉抗浮設計修正抗浮設防水位、采用配重法、抗浮錨桿、抗浮樁等方法提供理論指導。

1 回填工況地下糧倉的力學模型

圖1 地下糧倉浮力力學模型

僅考慮地下糧倉自重及地下水的作用，地下糧倉在自重作用下理論抵抗浮力為

考慮其他抗浮有利因素，地下糧倉實際抵抗浮力為

2 試驗方案

2.1 試驗裝置

試驗裝置由模型池，地下糧倉模型筒，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成，試驗裝置如圖2所示。

1.水位標尺 2.水位管 3.模型池 4.模型筒 5.粗砂 6.型鋼 7.壓力傳感器 8.高度調(diào)節(jié)裝置 9.約束橫梁 10.位移計 11.200 mm厚二八灰土

1.Water level gauge 2.Water level tube 3.Model pool 4.Model cylinder 5.Coarse sand 6.Profile steel 7.Pressure sensor 8.Height adjustment device 9.Constraint beam 10.Displacement gauge 11.200 mm thick 2:8 lime soil

圖2 試驗裝置圖

Fig.2 Test device diagram

模型池用鋼化玻璃拼裝而成，尺寸為2 000 mm× 2 000 mm×1 000 mm，模型池上端設置一根約束橫梁，在上面打2個孔用螺栓焊接一塊鐵板，用于調(diào)節(jié)模型筒的高度以及固定壓力傳感器，在模型池底部開設一個排水口，便于排水，沿模型池對角線方向設置兩根水位管和標尺，便于觀察和測量水位，模型池四周用型鋼來支撐提高整個裝置的承載力。

地下糧倉模型筒用聚丙烯塑料板制作，直徑分別為400、500、600 mm。為了模擬地下糧倉材質(zhì)，在模型筒表面涂刷一層水泥砂漿，模型筒參數(shù)見表1。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由壓力傳感器、位移計、DH3821靜態(tài)應變測試儀、計算機組成。壓力傳感器固定于模型筒和約束橫梁之間，用來測量模型筒上浮時約束反力，量程為200 kg，靈敏度系數(shù)為2.0；位移計通過磁性底座固定在約束橫梁上，用來測量地下圓形糧倉模型筒的豎向位移，量程為±100 mm，靈敏度系數(shù)為2.0；DH3821靜態(tài)應變測試儀能連續(xù)準確穩(wěn)定的采集試驗時壓力傳感器及位移計讀數(shù)。

表1 模型筒參數(shù)一覽表

2.2 試驗材料

試驗用的土體材料為二八灰土和粗砂。二八灰土按照石灰與普通粘土體積比為2:8進行攪拌，用于地下模型筒筒壁外200 mm范圍內(nèi)回填。模型池內(nèi)其他位置均用透水性較好的粗砂回填，試驗時對二八灰土做土工試驗[32]，測得的參數(shù)見表2，其干密度和含水率均符合回填土要求。

表2 二八灰土土樣物理參數(shù)測定表

2.3 試驗內(nèi)容

分別完成直徑400、500、600 mm的純水試驗與二八灰土回填試驗，共計6組。純水試驗的目的是對試驗儀器進行調(diào)試與校準，并驗證試驗裝置的可行性。在調(diào)試與校準試驗儀器后，進行二八灰土回填試驗。

2.3.1 試驗裝置力學模型

在試驗過程中，緩緩注水控制水流速度與大小，假定模型池內(nèi)水為靜止狀態(tài)，近似假定模型筒處于平衡狀態(tài)，結(jié)合試驗裝置，模型筒狀態(tài)有2種：狀態(tài)1為模型筒靜止未起??；狀態(tài)2為模型筒起浮至平衡；模型筒豎向受力分析如圖3所示。

圖3 地下糧倉模型筒受力示意圖

狀態(tài)1時模型筒靜止未起浮，表達式見式（3）

狀態(tài)2時為模型筒起浮至平衡，表達式見式（4）

2.3.2 純水試驗

將模型筒A、B、C分別置于模型池底部，安裝壓力傳感器和位移計，緩緩注水，至模型筒浮起一定高度。

2.3.3 二八灰土回填試驗

注水管呈環(huán)狀置于模型池底部，注水管每隔5 cm開一個出水孔；模型池底預鋪粗砂，放置模型筒于模型池中間；回填粗砂及二八灰土，距模型筒倉壁周圍200 mm范圍內(nèi)回填二八灰土，其余位置均回填粗砂，每10 cm壓實一次，至模型池底約60 cm高。安裝壓力傳感器、位移計，靜置一周；壓力傳感器、位移計調(diào)零；注水試驗至模型筒浮起（見圖4），控制注水速度和流量；記錄水位，監(jiān)測壓力傳感器和位移計讀數(shù)，待模型筒浮起后拆除試驗裝置，試驗結(jié)束。

圖4　回填二八灰土試驗

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 純水試驗分析

據(jù)測試水位，繪制實際浮力曲線與（+）曲線，見圖5。其中實際浮力曲線根據(jù)觀測到的水位按阿基米德定律計算繪制；按測量的模型筒自重和采集的約束反力（將約束反力也折算為自重）繪制（+）曲線。（注：模型池底對模型筒有向上的支承力，試驗時未測量，當模型筒開始上浮后模型池池底對模型筒支承力為0。模型筒上浮后（+）即為理論浮力曲線）

圖5 模型筒A、B、C理論浮力曲線與（W+F）曲線圖

由圖5模型筒A、B、C自起浮水位25.5、21.5、19.9 cm之后，實測浮力與理論浮力（+）基本一致，誤差分別在0.03%、1%、3%之內(nèi)，該裝置滿足試驗要求。并將3個模型筒的純水起浮水位作為理論起浮水位。

3.2 二八灰土回填試驗分析

3.2.1 位移計讀數(shù)與水位關系分析

根據(jù)觀察水位與所采集的位移計讀數(shù)，繪制模型筒A、B、C的水位-位移曲線，見圖6。所以在模型筒A底部鋪設3.4 cm粗砂、模型筒B底部鋪設7 cm粗砂、模型筒C底部鋪設70 cm粗砂，所測量實際水位均用觀測到的水位值減去所鋪設粗砂層厚度。位移計讀數(shù)為2個位移計測量值的平均值。

圖6 模型筒A、B、C的水位-位移曲線圖

由圖6可知，模型筒A自水位11.1 cm開始監(jiān)測位移計讀數(shù)，此時位移計讀數(shù)為4.98 cm，當水位上升至40.6 cm時，位移計讀數(shù)為5.01 cm，當水位由40.6 cm上升至67.2 cm時，位移計讀數(shù)由5.01 cm迅速增加至6.17 cm。模型筒B自水位11 cm開始監(jiān)位移計讀數(shù)，此時位移計讀數(shù)為?0.575 mm，隨著水位上升至39 cm，位移計讀數(shù)增加至?0.23 cm，當水位由39 cm上升至57 cm時，位移計讀數(shù)由?0.23 cm迅速增加至2.39 cm。模型筒C自水位7 cm開始監(jiān)測位移計讀數(shù)，此時位移計讀數(shù)為0，隨著水位上升至33.1 cm位移計讀數(shù)增加至0.125 cm，當水位由33.1 cm上升至56.5 cm時，位移計讀數(shù)由0.125 mm迅速增加至8.82 cm。

由位移數(shù)據(jù)分析，隨著水位上升，位移計讀數(shù)先緩慢減小再緩慢增加，原因是在地下水作用下，模型筒底部粗砂和周邊二八灰土沉降導致模型筒位移減小，隨著水位上升模型筒受浮力的作用位移緩慢增加。模型筒A、B、C初期位移變化幅度在2 mm之內(nèi)，認為模型筒處于靜止狀態(tài)。結(jié)合純水試驗，當水位分別超過模型筒A、B、C純水試驗起浮水位15.1、17.5、13.2 cm后即模型筒A、B、C實際水位為40.6、39、33.1 cm時位移計讀數(shù)迅速增大，說明模型筒開始起浮。

3.2.2 壓力傳感器讀數(shù)與水位的關系分析

根據(jù)觀察水位與所采集的壓力傳感器讀數(shù)，繪制模型筒A、B、C的水位-約束反力曲線，見圖7。

圖7 模型筒A、B、C的水位-約束反力曲線圖

由圖7可知，模型筒A自水位11.1 cm開始監(jiān)測約束反力，此時為101.84 N，隨著水位上升至37.1 cm，下降至94.37 N，當水位由37.1 cm上升至67.2 cm時，由94.37 N迅速增加至131.14 N。模型筒B自水位110 mm開始監(jiān)測約束反力，此時為30.21 N，隨著水位上升至30.5 cm，下降至29.47 N，當水位由30.5 cm上升至57 cm時，由29.47 N迅速增加至169.37 N。模型筒C自水位7 cm開始監(jiān)測約束反力，此時為47.67 N，隨著水位上升至24 cm，下降至46.23 N，當水位由24 cm上升至56.5 mm時，由46.23 N迅速增加至231.69 N。

由約束反力數(shù)據(jù)分析，水位至模型筒底部時，開始采集壓力傳感器讀數(shù)，隨著水位上升，約束反力先緩慢減小，原因是在地下水作用下，模型筒底部粗砂與周邊回填的二八灰土沉降，隨著水位上升模型筒受浮力的作用約束反力緩慢增加。當水位分別超過模型筒A、B、C純水試驗起浮水位11.6、9、4.1 cm后即模型筒A、B、C實際水位為37.1、30.5、24 cm時約束反力迅速增大，說明模型筒開始起浮。

3.2.3 約束反力與位移對比分析

對比位移計讀數(shù)與約束反力，模型筒的約束反力與位移變化大體上一致。但位移對應的水位拐點與約束反力對應的水位拐點存在一定的滯后性，模型筒A、B、C位移迅速增大的水位要比約束反力迅速增大的水位分別滯后3.5、8.5、9.1 cm。分析是由于其他抗浮綜合力（模型筒周側(cè)摩阻力、模型筒底粘滯力、負孔壓等即式（2）中F）綜合作用所致。實際工程中我們可以以約束反力對應的水位拐點為警戒水位，以位移對應的水位拐點作為實際起浮水位，以保證工程的相對安全，防止因浮力過大造成地下糧倉失穩(wěn)傾覆。

4 浮力分析

4.1 理論水位、警戒水位、起浮水位浮力計算

根據(jù)試驗結(jié)果，繪制模型筒水位、位移、約束反力讀數(shù)表。

表3 模型筒水位、位移、約束反力讀數(shù)

以3個模型筒約束反力對應的水位拐點，即約束反力發(fā)生突變時的水位作為警戒水位，此時約束反力不再減小。位移對應的水位拐點，即位移發(fā)生突變時來確定模型筒的實際起浮水位，此時約束反力與位移都不再減小。確定模型筒A、B、C的警戒水位分別為37.1、30.5、24 cm，確定模型筒A、B、C的起浮水位分別為40.6、39、33.1 cm。

通過試驗各個階段測量的水位來計算浮力，由于上部約束橫梁對模型筒產(chǎn)生的約束反力，將其折算成模型筒自重，計算3個模筒在警戒水位和實際起浮水位時的理論抵抗浮力和實際抵抗浮力，見表4。

表4 模型筒水位浮力表

4.2 浮力調(diào)整

由式（2）、（4）結(jié)合表3、表4模型筒的水位浮力計算，在警戒水位時，模型筒A、B、C實際抵抗浮力為理論抵抗浮力的1.93、2.43、1.66倍。在實際起浮水位時，模型筒A、B、C實際抵抗浮力為理論抵抗浮力的2.15、3.36、2.96倍。根據(jù)工程結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)在1.05～1.1之間[33]，以試驗計算得到的下限值對地下糧倉抵抗浮力進行調(diào)整，建議在回填二八灰土工況下地下糧倉在預警水位時實際抵抗浮力為理論抵抗浮力的1.5倍，實際起浮水位時實際抵抗浮力為理論抵抗浮力的2倍。

5 結(jié) 論

通過對地下糧倉模型筒進行純水試驗與回填二八灰土試驗，分析模型筒整個上浮過程中豎向位移與約束反力的變化，以直徑為400（模型筒A）、500（模型筒B）、600 mm（模型筒C）為例，計算出模型筒各個狀態(tài)時的理論抵抗浮力與實際抵抗浮力，得出以下結(jié)論：

1）位移變化滯后于約束反力變化，以約束反力的突變值對應的水位作為警戒水位，以位移的突變值對應的水位作為實際起浮水位。

2）在警戒水位時，模型筒A、B、C實際抵抗浮力為理論抵抗浮力的1.93、2.43、1.66倍。

3）在實際起浮水位時，模型筒A、B、C實際抵抗浮力為理論抵抗浮力的2.15、3.36、2.96倍。

4）根據(jù)工程結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)保守的對浮力調(diào)整，在回填二八灰土工況下地下糧倉在預警水位時實際抵抗浮力為理論抵抗浮力的1.5倍，實際起浮水位時實際抵抗浮力為理論抵抗浮力的2倍。

[1] 蔣敏敏，陳桂香. 基于應力路徑試驗的小麥糧堆力學特性和應力應變關系模型[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(7)：280－287.

Jiang Minmin, Chen Guixiang. Mechanical properties and stress strain model for bulk wheat based on stress path test[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 280－287. (in Chinese with English abstract)

[2] 蔣敏敏，郭祝輝. 豎向壓力和剪切速率對小麥直剪強度及剪脹特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(6)：275－280.

Jiang Minmin, Guo Zhuhui. Effects of vertical pressure and shear velocity on direct shear strength and dilatancy properties of wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(6): 275－280.(in Chinese with English abstract)

[3] 王振清. 糧倉建筑基本理論與設計[M]. 鄭州：河南科學技術(shù)出版社，2015.

[4] 劉海燕，王振清，陳雁. 綠色生態(tài)儲糧倉型：地下糧倉[J].農(nóng)業(yè)機械，2012，5(24)：114－118.

Liu Haiyan, Wang Zhenqing, Chen Yan. Green ecological storage granary type: Underground granary[J]. Agricultural Machinery, 2012, 5(24):114－118. (in Chinese with English abstract)

[5] 袁世民. 地下糧倉[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1979.

[6] 鄭培，王振清，余漢華. 我國地下倉的簡史及特點[J]. 糧油加工，2009(1)：90－94.

Zheng Pei, Wang Zhenqing, Yu Hanhua. A brief history and characteristics of underground granaries in China[J]. Cereals and Oils Processing, 2009(1): 90－94. (in Chinese with English abstract)

[7] 余漢華，王錄民，王振清，等. 我國地下糧倉應用的現(xiàn)狀及前瞻[J]. 河南工業(yè)大學學報，2008，29(6)：79－81.

Yu Hanhua, Wang Lumin, Wang Zhenqing, et al. Present condion and outlook for underground silos[J]. Journal of Henan University of Technology 2008, 29(6): 79－81. (in Chinese with English abstract)

[8] 李偉，狄育慧. 地下糧倉的發(fā)展與節(jié)能優(yōu)勢[J]. 糧食科技與經(jīng)濟，2015，40(1)：45－47.

Li Wei, Di Yuhui. Development and energy saving advantages of underground granary[J]. Grain Science and Technology and Economy, 2015, 40(1): 45－47. (in Chinese with English abstract)

[9] 張會軍，劉海燕，張慶章. 砂土中地下糧食圓形筒倉抗浮模擬實驗研究[J]. 糧油食品科技，2017，25(2)：99－104.

Zhang Huijun, Liu Haiyan, Zhang Qingzhang. Simulation experiment of anti-floating of Underground grain silos in sandy soil[J]. Science and Technology of Cereals, Oils and Foods, 2017, 25(2): 99－104. (in Chinese with English abstract)

[10] 李廣信. 關于有效應力原理的幾個問題[J]. 巖土工程學報，2011，33(2)：315－320.

Li Guangxin. Some problems about principle of effective stress[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(2): 315－320. (in Chinese with English abstract)

[11] 李廣信，吳劍敏. 關于地下結(jié)構(gòu)浮力計算的若干問題[J].土工基礎，2003，17(3)：39－41.

Li Guangxin, Wu Jianmin. Some problems about the calculation of uplift force on underground structures [J].Soil Eng. and Foundation 2003, 17(3): 39－41. (in Chinese with English abstract)

[12] 方玉樹. 基于水壓率討論土中孔隙水壓力及有關問題[J].巖土工程界，2007，10(5)：21－26.

Fang Yushu. Based on the water pressure ratio, the pore water pressure and related problems in soil are discussed[J].Geotechnical Engineering World, 2007, 10(5): 21－26. (in Chinese with English abstract)

[13] 饒清. 武漢地區(qū)地下建筑抗浮設計水位取值與浮力折減分析[J]. 武漢勘察設計，2012，16(2)：36－38.

Rao Qing. Analysis on the value of anti-floating design water level and buoyancy reduction ofunderground buildings in Wuhan area[J]. Wuhan Investigation &Design, 2012, 16(2): 36－38. (in Chinese with English abstract)

[14] 張欣海. 深圳地區(qū)地下建筑抗浮設計水位取值與浮力折減分析[J]. 勘察科學技術(shù)，2004，8(2)：12－17.

Zhang Xinhai. Analysis of defence water level and reduction factorof buoyancy for underground buildings in Shenzhen area[J]. Site Investigation Science and Technology, 2004, 8(2): 12－17. (in Chinese with English abstract)

[15] Achari G, Joshi R C, Bentley L R, et al. Prediction of the hydraulic conductivity of clays using the electric double layer theory[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1999, 36(5): 783－792.

[16] Singhp N, Wallender W. Effects of adsorbed water layer in predicting saturated hydraulic conductivity for clays with Kozeny-Carman equation[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2008, 134(6): 829－836.

[17] Murat Bik?e, Murat ?rnek, ?mer Faruk Cans?z. The effect of buoyancy force on structural damage: A case study[J]. Engineering Failure Analysis,2018.

[18] Forbes M, Vogwill R. A geochemical investigation of hydrologically derived threats to rare biota: The Drummond Nature Reserve, Western Australia[J]. Hydrogeology Journal, 2012, 20(1): 167－183.

[19] 王洪新. 水土壓力統(tǒng)一計算理論的證明及水土共同作用下的壓力計算[J]. 巖石力學與工程學，2012，31(2)：392－398.

Wang Hongxin. Verification of unified calculationtheory of water and earth pressures and calculation of pressure under interaction of water and earth[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(2): 392－398. (in Chinese with English abstract)

[20] 白曉宇，張明義，寇海磊. 基于裸光纖光柵傳感技術(shù)GFRP抗浮錨桿荷載傳遞機制的原位試驗研究[J]. 工程力學，2015，32(8)：172－181.

Bai Xiaoyu, Zhang Mingyi, Kou Hailei. Field experimental study of load transfer mechanism of GFRP anti-floating anchoes based on embedded bare fiber bragg grating sensing technology[J]. Engineering Mechanics, 2015, 32(8): 172－181. (in Chinese with English abstract)

[21] Yang Jianwen, Feng Zuohai, Luo Xianrong, et al. Numerically quantifying the relative importance of topography and buoyancy in driving groundwater flow[J]. Sci China Earth Sci, 2010, 53(1): 64－71.

[22] Chen Liaojiang，Wang Xiao , Hou Shuli . Anti-floating anchor rods and waterproof construction technology for deep pits[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013(353/354/355/356): 952－956.

[23] 趙繼紅. 浮力的實質(zhì)[J]. 雁北師范學院學報，2002(2)：89－90.

Zhao Jihong. Talking about substance of buoyancy[J]. Journal of Yanbei Normal University, 2002(2): 89－90. (in Chinese with English abstract)

[24] 唐春華，向偉明，宋肖冰，等. 砂類土層中地下結(jié)構(gòu)浮力的模型試驗[J]. 廣州大學學報，2013，12(3)：34－37.

Tang Chunhua, Xiang Weiming, Song Xiaobing, et al. Model test of buoyancy for underground structure in sandy- soilstratum[J]. Journal of Guangzhou University, 2013, 12(3): 34－37. (in Chinese with English abstract)

[25] 梅國雄，宋林輝，宰金珉. 地下水浮力折減試驗研究[J].巖土工程學報，2009，31(9)：1476－1480.

Mei Guoxiong, Song Linhui, Zai Jinmin. Experimental study on reduction of groundwater buoyancy[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31(9): 1476－1480. (in Chinese with English abstract)

[26] 張乾，宋林輝，梅國雄. 黏土地基中的基礎浮力模型試驗[J]. 工程勘察，2011，39(9)：37－41.

Zhang Qian, Song Linhui, Mei Guoxiong. Model experiment on foundation buoyancy in clay[J]. Geotechnical Investigation & Surveying, 2011, 39(9): 37－41. (in Chinese with English abstract)

[27] 宋林輝，王宇豪，付磊，等. 軟黏土中地下結(jié)構(gòu)浮力測試試驗與分析[J].巖土力學，2018，39(2)：753－758.

Song Linhui, Wang Yuhao, Fu Lei, et al. Test and analysis on buoyancy of underground structure in soft clay[J]. Rock and Soil Mechanics, 2018, 39(2): 753－758, 2013. (in Chinese with English abstract)

[28] 周明. 不同土層中地下結(jié)構(gòu)抗浮作用的試驗研究[D]. 廣州：廣州大學，2013.

Zhou Ming. Analysis of Test to the Structure Anti-floating in Different Soil[D]. Guangzhou: Guangzhou University. (in Chinese with English abstract)

[29] 張第軒. 地下結(jié)構(gòu)抗浮模型試驗研究[D]. 上海：上海交通大學，2007.

Zhang Dixuan. Experimental Study on Anti-floating of Underground Structures[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2007. (in Chinese with English abstract)

[30] 李沖. 單一土質(zhì)中地下鋼筋砼糧食圓形筒倉抗浮模擬試驗研究[D]. 鄭州：河南工業(yè)大學，2016.

Li Chong. Model Test Study On Anti-floating of Underground Reinforced Concrete Circular Grain Silos in a Single Soil[D]. Zhengzhou: Henan University of Technology, 2016. (in Chinese with English abstract)

[31] 田棟杰. 二八灰土中圓形地下鋼筋混凝土糧倉浮力試驗研究[D]. 鄭州：河南工業(yè)大學，2018.

Tian Dongjie. Experimental Study on Buoyancy of Circular Underground Reinforced Concrete Granary in Lime Soil[D]. Zhengzhou: Henan University of Technology, 2018. (in Chinese with English abstract)

[32] 中華人民共和國國家標準.土工試驗方法標準GB/T50123-1999[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[33] 李慧梅，陸景慧，田韶英，等. 不同規(guī)范結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)的比較[J].特種結(jié)構(gòu)，2007，24(2)：40－41.

Li Huimei, Lu Jinghui, Tian Shaoying, et al. Comparision about safety factor of anti-buoyancy of structure for different codes[J]. Special Structures, 2007, 24(2): 40－41. (in Chinese with English abstract)

Buoyancy early warning of underground granary with “2:8 lime soil” backfilling

Liu Haiyan1, Meng Weixin1, Wang Zhenqing1, Tian Dongjie2, Xu Xiangnan1, Liu Xu1

(1.,450001,; 2..,450000,)

The buoyancy of the underground structure is generally calculated on the basis of Archimedes law. However, the influence of surrounding backfilling soil was not taken into account in previous work. This article takes an underground granary that has been constructed as a research object. In this study, the 2:8 lime soil backfilling condition was considered in the indoor scale model tests. The diameters of the underground granary model cylinders were taken as 400 (Model cylinder A), 500 (Model cylinder B) and 600 mm (Model cylinder C), respectively. The whole scale model test consisted of two parts, the pure water test and the 2:8 lime soil backfilling tests. The results of the pure water test indicated that the actual buoyancy calculated based on Archimedes law and the theoretical buoyancy under the self-weight of the model cylinder (including the constrain force of the upper part of the model cylinder, which is also converted into its own weight) were basically consistent. The errors between the actual buoyancy and the theoretical buoyancy for the three models cylinder were 0.03%, 1%, 3%, respectively. In the 2:8 lime soil backfilling test, the water was injected slowly, the displacement was monitored by the displacement meter and the reaction force at the upper surface was measured by the pressure sensor. The numerical variation of displacement and constraint force during the whole process of the model cylinder floating was analyzed. The displacement mutation value lags behind the constraint force mutation value. When the pressure sensor reading changed significantly but the displacement meter reading did not, the actual water level served as the warning water level of the model cylinder. When the pressure sensor and the displacement meter reading changed significantly together, the actual water level was used as the actual floats water level of the model cylinder. Taking the warning water level and the actual floating water level as the theoretical basis for calculation, obtained the theoretical resistance to buoyancy under the self-weight of the model cylinder and the actual resistance to buoyancy. When reaching the warning water level, the actual resistance to buoyancy of model cylinder A, B, C were 1.93, 2.43, 1.66 times respectively as the theoretical resistance to buoyancy. When reaching the actual floating water level , the actual resistance to buoyancy of model cylinder A, B, C were 2.15, 3.36, 2.96 times respectively as the theoretical resistance to buoyancy. When backfilling 2:8 lime soil around an underground granary, calculating the buoyancy using Archimedes' law is safe. Considering the safety reserve comprehensively, the 2:8 lime-soil backfilling condition of underground granary, when reaching the warning water level, the actual resistance to buoyancy is 1.5 times of the theoretical resistance to buoyancy,and when reaching the actual floating water level, the actual resistance to buoyancy is 2 times of the theoretical resistance to buoyancy. The research results are able to provide a reference for the anti-buoyancy design of underground granaries and other underground structures in the future.

buoyancy; water levels; tests; 2:8 lime soil; backfilling conditions; underground granary; water injection test

2019-04-29

2019-05-31

糧食公益性行業(yè)科研專項（201413007-01）

劉海燕，副教授，主要從事糧油倉儲結(jié)構(gòu)教學、科研工作。Email：hyliu0708@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.034

TU923

A

1002-6819(2019)-11-0299-07

劉海燕，孟偉新，王振清，田棟杰，徐向楠，劉 旭. “二八灰土”回填地下糧倉浮力預警試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(11)：299－305. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.034 http://www.tcsae.org

Liu Haiyan, Meng Weixin, Wang Zhenqing, Tian Dongjie, Xu Xiangnan, Liu Xu. Buoyancy early warning of underground granary with “2:8 lime soil” backfilling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 299－305. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.034 http://www.tcsae.org