城市地下空间的开发使建筑物的基础埋深不断加大,随之而来产生大量地下水问题,其中地下水的动态变化强烈制约着地下工程的安全运营,由它产生的浮力及侧压力对地下结构的影响尤为显著。由于不同地区的土层分布差异较大,且建筑物的类型、结构和基础埋深等各不相同,地下水的赋存和渗流形态对基础工程的影响日渐突出,但目前设计人员虽已对浮力问题引起了足够的重视,却因缺乏地下结构浮力研究的理论依据及可操作的设计方法和实测依据,对于抗浮问题的设计和评估,目前尚没有很好的办法,因而不易准确确定地下结构所受浮力荷载的大小。这样致使地下结构设计不是造成安全隐患,就是引起经济浪费。鉴于此,本文依托北京地区高层建筑及大型公用设施地下结构抗浮优化问题,研究地下水-地下结构共同作用机理,为合理计算作用于地下结构底板上的浮力荷载以及正确确定抗浮设防水位提出一种新的方法,进而使基础抗浮设计可以在安全的前提下能够有效地节省工程投资。 首先,本文系统地分析了北京市区典型土层分布特征、区内水文地质及工程地质条件,研究区内地下水赋存、运移及渗流特征,分析了影响区内地下水动态变化规律,并结合北京地区典型地下结构特点,概化出反映地下水与地下结构共同作用的水文地质概念模型;其次,基于建立的地质概念模型,研制了“地下结构上的浮力研究”模型试验装置;设计了 5 种试验工况,研究了不同土层及含水层组合条件下、不同地下水补给方式下,不同土质类型中孔隙水压力传递规律及模型底板上的浮力变化规律,进而对浮力的作用机理进行了分析;再次,依托具体工程开展现场试验工作,通过对建筑场地孔隙水压力的长期监测,找出不同土层中孔隙水压力的分布规律及其与理论静水压力的对应关系,分析不同含水层间的水力联系规律,对地下结构上的浮力作用机理做了进一步的研究;最后,依据室内和现场试验的研究成果,同时结合地区气象和水文资料,通过滑动平均模型[ARMA(n,m)模型]预测现场未来的地下水水位,探讨基础底板浮力计算,直接解决实际问题,进而为建筑物的基础抗浮设计提供可靠的试验依据和理论支持。