抗浮錨桿在工程中的設計應用

魏 樂

(大同市二院建筑設計研究有限責任公司，山西 大同 037006)

0 引言

近些年來，隨著城市人口規模和高層建筑的數量不斷增大，建筑空間越來越受限制，因此建筑物不得不向地下發展。有時，為了某種功能的突出。建筑不但越長越“高”，也越長越“深”。為充分利用地下空間，當基礎底板埋深較大時，在地下水位較高地區，地下室底板要承受較大的水浮力作用。當結構的自重加上上部荷載不足以抵抗地下水浮力時，就容易發生地下室底板上拱，從而導致建筑物破壞，因此需要采取豎向抗浮措施。

在所有地下結構工程中，當地下水位較高，且上部自重及活荷載不能抵消地下水對建筑物產生的浮力時，就必須采用相應措施。目前常用措施無非兩種：第一種是增加重量抵抗浮力，我們姑且稱之為“壓”；第二種即是通過底部設置抗拔樁，抗浮錨桿通過樁體與土層的摩擦阻力抵消浮力，我們稱之為“拽”。抗拔樁在工程施工中具有穩定可靠的優點，但施工難度大，因為需要帶水作業，相應的工期長，造價高。而抗浮錨桿恰恰能克服這些缺點。抗浮錨桿利用巖土層與錨固體的粘結摩阻力來抵抗水的浮力。在各種抗浮措施中，抗浮錨桿具有造價低、工期短、施工便捷、節省建筑材料等優點，受到業主和設計人員的一致青睞。

1 工程概況及背景

本工程坐落于北方某城市，建筑為一公共文化建筑，建筑面積約3萬m2，平面布置為矩形。處于當地文化中心，考慮使用功能與建筑造型，將使用面積全部放在地下，地上僅作大跨度屋蓋。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g,地震分組第一組,基本風壓0.65,基本雪壓0.30,建筑物抗震設防類別為乙類，場地類別Ⅱ類，設計基準期50年，使用年限70年，建筑結構安全等級二級；地基基礎安全等級二級，地基基礎等級甲級。當初設計時地勘報告提供地下水位埋藏較低，設計未考慮地下水的作用。當施工進行時，開挖基坑過程中發現地下水位較高與原設計的設計條件發生較大變動，嚴重影響繼續施工和后續使用，并存在極大安全隱患。為此甲方召集設計，地勘各部門進行了專業論證。最后結論：由于引黃入晉，建筑周邊大量自來水公司自備水井關閉，引發周邊地區水位回升，造成目前狀況。問題原因找到后，甲方委托設計院，地質勘察各相關部門，進行抗浮設計等相關后續事宜。

2 抗浮錨桿的設計

本工程使用面積全部布置在地下,地上僅作大跨度屋蓋,結構自重相對水浮力來說較小,采用壓載加固不能滿足抗浮要求,考慮到抗浮錨桿的優勢及本工程所處場地地質情況，采用非預應力抗浮錨桿來抵抗地下水浮力的作用。

2.1 本工程場地的工程地質情況

土層大致分布狀況①層、②層素填土及雜填土去除，③層～⑥層土從上而下的巖性及極限側阻力標準值依次如下：粉質黏土，55 kPa；粗粒砂，100 kPa；粉質黏土，65 kPa；粗粒砂，120 kPa。

2.2 抗浮錨桿的布置方式

抗浮錨桿的布置方式分為:

1)集中點狀布置;2)集中線狀布置;3)梅花狀均勻布置,其中集中布置方式集中布置在柱下或基礎梁下,基礎底板配筋較大,要求錨固于硬質巖體中,不適于軟巖與土體。梅花狀均勻布置,在地下室底板下均勻布置,基礎底板配筋較小,適用于所有土體和巖體。

2.3 抗浮錨桿設計

地下水凈浮力值確定。

1)根據現行GB 50009—2012建筑結構荷載規范，進行抗浮設計時，抵抗水浮力的結構自重屬有利作用，其分項系數應為1.0。則作用在基礎底板上的凈反力設計值為:

qa=1.2qwk-qk

(1)

依據勘察報告及勘察補充報告，扣除底板自重后，地下水浮力為50 kN/m。

2)抗浮錨桿平面布置。

分析本工程地質情況，建筑造型以及結構受力特點后，本著設計合理，造價低，施工簡潔的原則，我們采用在整個底板上小間距梅花狀均勻布置錨桿，局部地方適當增減的梅花形布置方案。

3)設計參數。

本工程設計類型:A型錨桿:錨桿單根豎向抗拔承載力特征值約為145 kN，抗拔力設計值275 kN，錨固長度8 m。

依據《土層錨桿設計與施工規范》和《巖土錨桿(索)技術規程》，抗浮錨桿屬于永久支護，錨桿破壞后的危害程度輕微，因此，其局部穩定性安全系數取K1=1.8。場地內共布置880根錨桿，總抗拔力設計值特征值215 734 kN，錨桿極限抗拔力為409 151 kN，安全系數為1.85，滿足設計要求。抗浮錨桿面積和錨固長度分別由下列公式進行計算確定：

As≥K1Nt/fyk

(2)

N1≤LaR1

(3)

N1=qfab

(4)

其中，K1為抗力系數,取值1.8；N1為抗浮錨桿軸向拉力值；As與fyk分別為錨桿面積和強度；La為錨桿錨固長度；a與b分別為抗浮錨桿的橫向和縱向間距。

3 抗浮錨桿抗拔試驗

根據《巖土錨桿(索)技術規程》和《建筑地基基礎設計規范》，抗浮錨桿完成后應對抗浮錨桿進行抗拔承載力試驗，以確定該地區土層抗浮錨桿的極限承載力。錨桿試驗數量不得少于總錨桿的5%,且不應少于6根。

3.1 抗浮錨桿的制作

要求錨桿每間隔2.0 m設一道定位支架，確保錨桿位于錨孔中心，底部設錐形導向帽。在水浮力作用下，混凝土底板與基礎巖層界面處將形成微小的縫隙，在地下水的影響下此交界處錨桿很容易銹蝕或底板混凝土由于毛細孔道現象的發生發展而出現滲漏，本工程對抗浮錨桿在底板與基礎巖層界面450 mm范圍內設置30 mm厚聚苯板，同時錨桿在距孔口300 mm處設置厚20 mm的止水板，來防止錨桿銹蝕并有效阻止地下水順錨桿進入地下室底板。

3.2 抗浮錨桿質量檢查

錨桿施工前必須制定嚴格的操作技術規定；錨桿的偏位不得大于50 mm；錨桿垂直度的偏差不得大于L/100；錨桿成型后必須清孔；錨桿混凝土強度達到設計值后方可進行錨桿的測試。

3.3 抗浮錨桿工藝性試驗

在抗浮錨桿正式施工前，需要對抗浮錨桿的工藝性進行試驗。在完成抗浮錨桿工藝性試驗后，試驗單位需將各項施工技術參數及時反饋給業主及設計院，設計院將根據工藝性試驗得到施工技術參數，對抗浮錨桿施工圖進行調整，并確定施工技術參數。

4 結語

1)通過本工程的實踐做法，本設計及施工受到業主及施工單位的一致好評。從甲方經營部反饋回的信息來看，工期比其他措施節約大約20 d時間，造價節約約130萬元。施工單位施工期間濕作業量減少較多，工人操作安全，簡單。

2)通過設計單位和施工單位現場試驗數據，得到如下兩點收獲:a.其他類似工程抗浮錨桿在北方地區應用提供了可靠設計，施工依據;b.為甲方和設計院在類似工程地基處理方面提供比選資料，減少以后類似工程的選擇難問題。

3)建筑建成使用后，效果良好，達到了設計預期效果。