抗浮錨桿在高水位地基中的應用

張偉

（中鐵十六局集團城市建設發展有限公司，北京 100018）

0 引言

在深基坑施工中，抗浮錨桿的應用越來越多，抗浮錨桿在地基中的使用取決于抗浮設計水位，抗浮設計水位是根據滲流計算得出的。滲流計算模型的建立取決于場區地層分布條件和地下水分布特征，抗浮錨桿承受的是拉力，也稱為抗拔樁。通過設置抗浮錨桿主要是為了抵消水浮力產生的不利影響，保證地下室的安全[1]。

抗浮樁在國內采用的初期樁型與普通工程樁相同，但該種樁型效果不好，抗浮樁的抗拔能力和樁身強度得不到充分發揮，且在基礎上的布置間距大，導致樁抗拔力大，與之匹配的是加厚底板以抵抗水壓力產生的彎矩，經濟性不好。抗浮錨桿的布置靈活且抗拔力能充分發揮，這樣基礎底板的厚度可以減少，且底板所受到的附加應力較均勻[2]。

1 工程概況

擬建工程場區位于鎮遠縣中心人民醫院西側，基坑面積約為1800m2，地下二層，主摟內設核心筒結構，采用筏板基礎，基坑內地下水埋深為12.5m，地下二層的底板底標高分別為-11.90m、-12.0m、-11.40m不等。本工程底板區域設置直徑200mm的抗浮錨桿106根。

2 抗浮錨桿設計依據

2.1 水位分析

根據貴州省勘察設計研究院有限公司提供的《鎮遠縣中心人民醫院內科病房樓項目巖土工程勘察報告》，該項目的基礎位于相對隔水層中，隔水層位于兩層層間含水層之間，兩層層間水遠期最高水位影響建筑抗浮設計水位[3]。各層地下水之間存在滲流聯系，根據滲流理論，場區內的臺地潛水和承壓水有升高的可能[4]。

本工程建筑抗浮設計水位的建議值是通過滲流計算、分析得出的，底板產生較大內力是在水浮力較大時產生的，理論上，上部結構的不均勻變形不是水浮力能引起的，上浮過大的情況下仍然會對結構造成一定的影響于結構適用性方面。

2.2 錨桿設計

常用的錨桿設計方法中可變荷載是地下水浮力，永久荷載是地下室自重及地面回填土壓力，最不利荷載組合的確定是根據荷載效應組合的設計值，既抗浮錨桿承受的荷載qf為：

式中：f 為水浮力；G 為上部結構自重；γQ為可變荷載分項系數；γG為永久荷載分項系數。

所需錨桿數量的計算是錨桿承擔的力除以單根錨桿的承載力，錨桿承擔的力可以理解為水浮力減去一定的荷載，錨桿受力均勻。

2.3 整體模型的構成

減小底板的變形和內力，是通過合理的布置錨桿，一部分水浮力被錨桿承擔了。上部結構重量、結構剛度與錨桿的受力有關。用有限元模型計算分析既可以體現底板變形的特點，也可以體現錨桿受力的不均勻性。上部結構、樁、底板、錨桿組成整體計算模型，上部結構模型應與設計上部結構時的模型一致。即整體計算方法是一種可為工程設計方便采用的結構抗浮計算方法。

樁頂或柱底按照現在常用的底板抗浮計算簡化為固定支座，認為錨桿受力均勻且充分發揮了自身的抗浮能力。

整體計算模型中錨桿線剛度是需確定的主要參數之一。拉力作用到錨桿頂部，通過摩擦作用逐漸傳遞到周圍土體，沿著錨桿的深度方向土的摩擦作用越大，逐漸減小的是錨桿的軸力。土的摩擦作用下需合理設置錨桿的剛度。5.30m是場區內臺地潛水的遠期最高水位，地基土層中的豎向水壓力分布地見圖1，為了計算本工程的抗浮設計水位標高，在場區內選擇三個基底標高作為計算的依據，從而得出基底處最大水壓力，相應的等效水位標高為17.10m、18.40m、17.69m，綜上數據分析再結合地下水位動態變化規律、動態變化因素可得抗浮設計水位為18.20m。

圖1 場區豎向水壓力分布預測曲線圖

2.4 錨桿長度的確定

設計院根據地勘單位提供的抗浮設計水位、地勘報告和現場實際情況，得出抗浮錨桿的參數為錨桿孔徑200mm、錨桿桿體采用3根?25的HRB400鋼筋、注漿材料使用強度M30的水泥素漿、錨桿的抗拔承載力270KN。

錨桿錨固長度計算依據《巖土錨桿（索）技術規程》中的公式進行，該公式如下：

公式中的La表示的是錨桿錨固段長度；K表示的是錨桿錨固體的抗拔安全系數，取2.0；Nt表示的是錨桿或單元錨桿的軸向拉力設計值，取值為270KN；D 表示的是錨桿錨固段的鉆孔直徑，取值200mm；fmg錨固段注漿體與地層間的粘結強度標準值（kPa），根據各層土取值。

根據勘察報告1#孔的鉆孔資料，基礎底板-12m（絕對標高17.5m）標高下8.0m抗浮錨桿錨固范圍內[5]，地層情況見表1。

經過加權平均，fmg取值58.94kPa；

ψ—影響系數，取1.15；

計算得Nt=170.3KN。

表1 地層分布情況表

該值小于抗浮錨桿設計值270KN，由此反推，La=11m。

2.5 抗浮錨桿布置方式

集中點狀布置和面狀均勻布置是傳統的抗浮錨桿布置方式，面狀均勻布置方式基礎底板所受力較均勻，節約鋼筋，其缺陷是對上部傳來的豎向力不能有效地考慮[6]。

抗浮錨桿采用集中點狀布置方式其受力特點與抗拔樁類似，一部分水壓力被豎向集中力平衡了，地下室底板跨度大、底板厚度厚、配筋大采用這種抗浮錨桿布置[7]。

岫巖縣中心人民醫院內科病房樓項目的抗浮錨桿采用空心型均勻布置方式，豎向集中力影響范圍內的水浮力被豎向集中力平衡了，抗浮錨桿承擔的是豎向集中力影響外的水浮力，這樣的布置形式經濟、合理。

3 抗浮錨桿的優化

在抗浮錨桿鋼筋加工過程中，原來的設計是三根直徑25mm的鋼筋緊密的焊接在一起，現優化為在三根鋼筋之間設置內徑為20mm焊接鋼管，沿鋼筋方向每隔2m設置一道30mm長的支架。如圖2所示，其優點如下[8]：

1）三根鋼筋之間設置內徑為20mm焊接鋼管，這樣鋼筋與混凝土的接觸面積變大，增強了鋼筋的握裹力。

焊接鋼管上有注漿眼，這樣注漿液通過注漿眼呈放射狀與周圍土體融為一體。

2）通過焊接鋼管注漿，這樣注漿變的更加便捷[9]。

3）基礎筏板的厚度700mm，設計要求錨桿鋼筋需要錨入基礎筏板中850mm，因此鋼筋要適度彎折，彎折后與混凝土的錨固效果更好。

4）優化后的設計提高了施工效率更加便于施工。

5）優化后，錨桿的數量減少了10%既加強了結構的安全性又節約了投資。

圖2 錨桿鋼筋綁扎優化對比圖

4 抗浮錨桿基本試驗

抗浮錨桿在施工完成養護齡期不少于28天后，檢測抗浮錨桿的參數。根據設計要求并結合現場實際情況，在抗浮錨桿施工區域做抗浮錨桿的基本試驗檢測選取3根抗浮錨桿。采用的檢測方法是多循環基本試驗法，依據《巖土錨桿（索）技術規程》基本試驗結果見表2。

表2 基本試驗結果匯總表

試驗加載至第五循環560KN時三根試驗錨桿完后未出現被破壞的特征，2#錨桿繼續加載至630KN時達到第六循環，加載至630KN時錨頭位移增量達到了34.67mm，是上一級錨頭變形值的1.2倍，達到了破壞狀態。

基本試驗結果確定抗浮錨桿的長度為12m，依據試驗最大加載至560KN時錨頭未破壞，滿足《巖土錨桿（索）技術規程》要求[9]。

5 結語

場區地層分布條件和地下水分布特征這兩個數據，在地下水滲流理論的計算下得出基礎底板處的最大水壓力并根據這些數據來設計抗浮錨桿的基本長度，計算抗浮錨桿長度的準確數據是根據技術規范，并通過基本試驗進行復合數據的準確性，為確保結構安全提供了參考數據[10]。