成果简介
21世纪是地下空间开发的世纪，我国地下空间开发正向大规模、大深度、立体化方向发展。由于地下水位高，深大地下结构抗浮问题愈加突显。理论上，地下结构的水浮力计算目前仍按阿基米德定律计算，但阿基米德定律源于纯水，对于多孔多相的土体是否适用？实践中，据统计地下结构抗浮造价约占建筑物造价的 20%-50%，但传统抗浮措施技术单一、能耗大且造价高。课题组依托国家优秀青年基金等多个项目，历时16年对地下结构浮力计算方法和抗浮关键技术开展了系统研究。
项目组提出了地下结构浮力计算方法。针对地下水浮力有无折减的争议，开展了地下结构位于六种环境下的模型试验及其改进试验，给出了不同土层中地下结构的浮力折减规律；针对浮力折减量随时间变化的现象，进行了增加渗流路径的U型管浮力测试试验，给出了不同土体中浮力折减的时间效应；针对深大基础地处土层深部的特点，开展了高应力固结黏土在变化水头差下的孔压测试试验，给出深层黏土中浮力的折减情况；针对浮力折减可能由测试设备精度所致的质疑，巧妙提出了不采用测试设备的二分法试验思路，并形成估算地下结构浮力的实用试验方法，证实了前述黏土中的浮力存在折减和时间效应的结论；在此基础上，进一步提出了能反映坑壁摩阻、粘附力和地下结构水浮力折减的抗浮力三参数计算方法。
项目组研发了多套主被动抗浮技术。从新材料、新技术和新方法等多维角度，研发了伞状锚、自压重法和FRP 混凝土抗拔桩等被动抗浮技术，并提出了相应计算方法，解决了常规抗浮措施承载力小、易失效、应用环境受限等难题；利用排水减压法原理，提出了地下室、油罐和游泳池等基础主动抗浮施工方法，形成了CMC静水压力释放层技术规程，从疏导的角度解决了地下结构抗浮的难题；针对实际地下水位存在一年四季上下波动和暴雨突增的特点，提出了主被动抗浮技术联合处理方法：以被动抗浮技术抵抗长期稳定浮力、以主动抗浮技术释放短期偶发浮力。
应用前景
本成果已成功应用于广西、江苏、四川、天津和台湾等地的几十项工程，取得经济效益达5亿多元；获发明专利10项，其中5项已成功转让；获国家级工法2项、省级工法6项；出版行业规范2部；发表论文42篇、出版专著1部；培养博士、硕士16名。
成熟度
1.针对地下水浮力有无折减的争议，开展了地下结构位于六种环境下的模型试验，给出了不同土层中地下结构的浮力折减规律；试验过程中，发现浮力折减量存在随时间变化的现象，进行了长渗流路径的U型管浮力测试试验，给出了不同土体中浮力折减的时间效应；另外，针对地下结构埋深加大的特点，开展了深层黏土在波动水位下的孔压传递试验，发现相对浅埋地下结构存在更大的浮力折减；针对孔压计测试的是渗入空腔水的压力而非土中水压力的质疑，巧妙提出不用孔压计的二分法试验思路，形成了估算地下结构浮力的实用试验方法，也再次证实黏土中的浮力存在折减和时间效应，并进一步提出了考虑水头折减、侧壁摩擦和基底吸力的三参数地下结构浮力计算方法。系列试验研究与计算方法发展和完善了地下结构浮力计算理论。
2.从新技术、新材料和新方法等多维度，系统研发了包括伞状锚、FRP混凝土抗拔桩和自压重等被动抗浮技术：伞状锚的抗拔力相对传统锚杆可增大数倍、FRP混凝土抗拔桩7/48可应用于腐蚀环境中、自压重抗浮实现了被动区加固和止水帷幕的结合。运用“疏导减压”原理，创立了可解决新建及既有地下结构浮力的CMC基底静水压力释放层新技术，提出地下室、油罐和游泳池等基础的主动抗浮施工方法，解决了传统抗浮技术构造复杂、厚度大、易堵塞失效等问题，具有高效稳定、使用时间长、施工周期短、材料节约和绿色环保等优点。
成果展示
知识产权情况
成果完成人
土木建筑工程学院：蒋明杰
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