当前阶段我国迫切需要增强粮食储备能力，逐步建立起粮食储备体系，做到手中有粮，心中不慌，切实保证国家粮食安全。我国的粮食自给率为82.3%，仍有17.7%的粮食缺口，自2014年起我国已成为第一大粮食进口国。近年来，美国大搞经济胁迫，将粮食作为武器威胁我国粮食安全，扰乱我国粮食经济发展。新冠疫情（2020-2022）和乌克兰危机（2022-）使得全球粮食供应链严重混乱，供应能力下降，联合国粮食计划署宣布“全球可能面临二战后最大的粮食危机”，联合国粮食及农业组织（FAO）文件报道世界各主要粮食进口国（中国、日本和欧洲多数国家）近年在不断增加粮食进口总量。因此，需要加强粮食储备调控，打造现代粮食仓储物流体系，推进全链条节约减损，健全常态化、长效化工作机制。综上所述，将粮食进行长期、安全、是、绿色储藏对国家安全、经济民生和国际局势均尤为重要。保证粮食在储藏过程中的安全和品质的常规做法是进行低温储粮，使用空调系统和机械（或自然）通风降低堆粮温度，将仓内温度严格控制在15℃～20℃的范围内，使粮食不受虫霉和微生物的损害^[1]。其次，需要提高粮仓气密性并改变仓内气体成分比例或化学熏蒸等方式来控制虫霉生长^[1]。地下/半地下粮仓具有储量大、隐蔽、密闭、低温等优点，是绿色储粮的理想仓型之一，近年来更多专家学者开始关注地下粮仓发展^[2-5]。

根据阿基米德定律，结构受到的浮力与其处于水位以下的深度有关。很多案例显示，工程降水措施停止或突降暴雨诱发水位抬升和结构上浮，最终诱发构件开裂，因此在饱和土层中埋入式地下粮仓的抗浮问题十分严峻^[6]。刘海燕等^[7-8]发现抗浮设计中，静摩擦力现阶段无法直接计算，而采用动摩擦力计算方法是安全可靠的。金立兵等指出地下结构的全仓和空仓为最不利工况，且目前的抗浮措施偏于保守，造成一定的资源浪费^[9-10]。李冲和梅国熊等通过试验证明实际的水浮力比理论值小，并提出水浮力的大小受到水位回升的高度和时间的影响^[11-12]。熊欢等指出地下结构的抗浮设防水位应该取基础埋置范围内起主导作用的含水层的最高水位^[13]。Chang研究发现岩土防护材料可用于深基础的抗浮，而抗浮效果取决于材料的物理参数，其可可以降低基础的水压力^[14]。Xu等研究发现随着地下水浮力的增加，承受被动的水土压力，从而形成向上隆起的趋势^[15]。然而，现有阶段粮仓抗浮研究较少考虑到粮仓上部周边堆载问题。实际工况中，埋入式粮仓周边需要考虑上覆堆载问题，堆载来源于厂房、机房、车库等附属结构物，考虑仓周上覆堆载影响进行浮力分析更能代表工程实际。

本文以半入地式钢筋混凝土筒仓为对象，考虑浮力、仓重、摩阻力和上覆荷载等作用进行浮力分析计算。首先，设置两种不同堆载，进行粮仓不同埋置深度下仓体起浮起浮试验；其次，通过力学平衡分析建立考虑浮力折减系数的筒仓浮力计算公式^[16]。最后，比较分析理论计算与模型试验结果，验证浮力计算公式的有效性并反演分析浮力折减系数，为其他学者在涉及半地下结构尤其是半入地粮仓抗浮设计时提供一定的借鉴与思考。

试验装置主要由一个模型箱、一个模型筒仓、水位观测管和位移计构成。模型箱采用厚度为8 mm的亚克力板拼装而成，尺寸为500×500×500 cm³，连接处做加固和密封处理，最后做闭水试验。在模型箱一侧距底部1 cm处打设直径2 cm排水孔和阀门，在另外一侧打设直径1 cm小孔并连接带有刻度的水位观测管，利用连通器原理测量土体内实时水位。

模型筒仓高35 cm，内径25 cm，外径27 cm，容积3600 ml；采用细钢筋骨架并浇筑混凝土而成，骨架布置如图1。混凝土浇筑模具选择亚克力材料，内涂有脱模剂，将骨架放入其中进行浇筑，混凝土使用固定配比的细石混凝土，自重12.27 kg；按要求静置养护，养护后抗压强度达40 MPa。模型筒仓脱模成功后，在正式试验前将模型仓内外壁均匀涂抹防水材料。

图1 混凝土模型筒仓示意图Fig.1 Schematic diagram of concrete model silo

图2 模型试验装置示意图Fig.2 Model test device

试验分为3组进行，第一组将模型筒仓放置于箱体中间，通过加水不断调整水位并监测仓体上浮位移情况，称为浮力试验。第一组试验的目的是检查试验系统的可靠性以及筒体的密封性。第二组试验，在模型箱中放入3 cm厚的砂土，用水浸没砂土并保持48小时；将模型筒仓放置于箱体中间，并逐层铺设砂土至不同高度，即筒体埋深；通过方形砝码施加荷载1.05 kN/m²模拟上覆堆载，试验时通过加水不断调整水位并监测仓体上浮位移情况，称为覆载试验。在第二组覆载试验中，共进行4个试验，混凝土筒仓埋深分别设置为13 cm、16 cm、19 cm、22 cm。第三组试验与第二组试验完全相同，但是上部堆载调整至2.11 kN/m²。需要特别指出，每两次加水间隔不小于5分钟，位移计采用精度为0.01 mm的拉杆式位移传感器，通过电子表读出示数。

本文采用理论模型及室内模型试验分析了半地下筒仓抗浮力学特征，记录了在不同埋深分别施加不同上部荷载的仓体起浮情况。初步得到以下结论：

（1）空载筒仓随着埋深增加，仓壁受土体侧摩阻力逐渐增加，则需要的上浮力也就愈大。因此，埋深的增加有利于筒仓的抗浮。但在大埋深工况下，沿筒体高度侧摩阻力分布不均，筒壁的抗拉问题凸显，还需要进一步研究。

（2）随着筒仓周边施加的均布荷载不断增加，仓壁受土体侧摩阻力也逐渐增加，抑制仓体上浮。因此，仓体周边施加一定的堆载有利于筒仓的抗浮。

（3）浮力在土体中存在着一定的折减。在饱和粗砂土质中，浮力折减系数估算为0.945。为其它学者对半地下仓的抗浮研究提供一定的借鉴与思考。