抗浮錨桿基礎設計的研究

■ 羅治國 LUO Zhiguo

1 概述

隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，城市建筑日新月異，高樓大廈越來越多。生活小區和公共建筑停車位日益緊張，開始更多地考慮向地下發展，地下室設計越來越多。

一般情況下，地下室設計需要進行抗浮設計。常見的抗浮設計用的是錨桿或錨樁，也有的用自重進行抗浮，以錨桿居多。錨桿施工工藝簡單、便捷，施工成本相對較低，運用比較普遍。錨桿一般分為土層錨桿和巖層錨桿。土層錨桿是一種埋入土層深處的受拉構件，一端與地下室底板進行可靠連接，另一端錨固在土層中。它把由底板傳來的水浮力產生的拉力傳遞到錨固體中，再由錨固體將荷載分配到周邊穩定的土體中。錨桿施工工藝簡單，常應用于地下室抗浮設計及邊坡支護設計。

2 錨桿承載力特征值的計算

2.1 錨桿鋼筋的屈服應力計算[1]

式中，n—鋼筋、鋼絞線的根數；

AS—錨桿鋼筋截面面積；

ξ2—錨筋抗拉工作條件系數，永久性錨桿取0.69，臨時性錨桿取0.92；

fy—錨筋抗拉強度設計值或標準值。

2.2 孔道灌漿料（砂漿錨固體）與土體（巖體）間粘結力計算[1]

式中，D—錨固體的直徑，可取為孔道的內徑；

ξ1—工作條件系數，永久性錨桿取1.00，臨時性錨桿取1.33；

Lg—錨桿砂漿錨固體與地層間的錨固長度；

frb—砂漿錨固體與地層間的粘結強度特征值。

3 案例分析

3.1 工程概況

某工程地下室面積約30 000m2，地下1層局部地下2層，單層地下室層高5m，抗浮水位取地下室頂板至底板下，底板厚0.5m，抗浮水位5.5m，上部結構荷載包括底板自重及地上一層自重），柱網尺寸為8.1m×8.1m，地下室建筑回填厚度約為250mm，荷載為4kN/m2，該工程設計錨桿抗拔承載力特征值RS=340kN,桿端部應錨入第4層黏土層5m以上，且錨桿長度不小于9m?，F對一層地下室局部錨桿布置進行分析。

3.2 錨桿布置在柱下

對地下室一層局部進行分析，中柱在恒載標準值作用下的軸力為F1=1 200kN，中柱在水浮力作用下的上托力F2=（5.5×10-0.5×25-4）×8.1×8.1=2 526kN。設計在每根柱下布置4根錨桿（圖1），則錨桿提供的承載力為RS=331kN，滿足承載力要求。

3.2.1 錨桿間距

錨桿間距的設置應考慮到錨固體的自重問題，且錨桿間距不宜過密。本工程中，錨桿承載力特征值為340kN，長度為9.0m，假設錨桿不被拔起，則所需的錨固體范圍為：D=2×[340/(18×3.14×9×1.05)]1/2=1.6m。根據上述推導，則錨桿間距至少要達到1.6m，錨桿才不會失效。本工程布置的錨桿間距為1.8m，滿足安全性要求。

3.2.2 受力分析

根據現場實測錨桿承載力特征值，選取6根試驗錨桿，試驗結果如表1所示。經分析，若使錨桿達到承載力特征值RS=340kN，則錨桿向上的位移應為10mm 左右才能發揮其作用，否則就不能發揮相應承載力；而在水浮力的作用下，柱的位移一般為10mm，將底板看作是剛體位移，那么其上升量至少在10mm 以上，才能達到力的平衡。基于上述分析，若要使錨桿真正發揮作用，布置在柱下是一種很合理的方式。

3.3 錨桿布置在底板中部

若將錨桿布置在底板中部（圖2），錨桿承載力條件同3.2.1，承載力為320kN，因錨桿不能作為底板支座，故只能作為荷載考慮。4根錨桿按照4個集中力考慮，根據荷載等效原則：qe=35kN/m2，則底板所受水浮力（扣除底板自重及建筑面層做法）為qs=38.5kN/m2，錨桿等效荷載方向向下，水浮力方向向上，荷載差值為3.5kN/m2。根據此推導，按照荷載為3.5kN/m2進行計算，底板配筋為構造配筋，滿足最小配筋率（配筋計算應采用基本組合，其水浮力分項系數為1.4，底板自重有利荷載為1.0）。若按計算模式，也符合該計算模型，板中位移基本可以忽略不計，但按3.2.2中推論，錨桿根本提供不了抗拔力，則板的配筋應按照柱網進行計算，若按本條進行配筋，底板會存在很大的安全隱患。只有當板位移達到10mm左右時，錨桿承載力才能達到320kN。下面就不同工況對底板配筋進行分析。

圖1 錨桿平面布置圖（柱下）

表1 巖土錨桿抗拔試驗結果匯總表

圖2 錨桿平面布置圖（底板中部）

3.3.1 工況一：地下水位位于底板以下

此工況下，底板沒有水浮力，一般做法是底板和基礎（基礎梁等）通過混凝土整體澆筑。在沒有水浮力的作用下，底板受力與筏板同，相當于柱下筏板基礎，筏板受到土體的作用力，方向與水浮力相同。根據PKPM基礎計算，可按筏板計算，條件同本文3.2.2時，底板下土體對筏板的反力在50～25kN/m2，此時底板計算應考慮土體作用，配筋不再是構造配筋，且靠近柱范圍內配筋較大。此種工況控制的反力計算在實際工程中應引起足夠重視，特別是對于上部荷載較大、地下室較深的情況，僅考慮底板按照布置錨桿后配筋是遠遠不夠的。

3.3.2 工況二：地下水位位于頂板處

此工況下，底板水浮力為地下室層高+底板厚度，底板發生向上的位移。此時，錨桿充分發揮作用，底板下的土體與底板脫開，或者地基反力根本就不存在。該工況下底板的受力及配筋分析同本文3.3。

3.3.3 工況三：地下水位位于底板以上

此工況下，當水浮力與上部產生的自重荷載相當，或者與上部荷載準永久組合的荷載相當時，地下室底板受力剛好處于平衡狀態，不發生向上位移，此時的水浮力完全靠底板本身傳遞。本工況計算模型同本文3.2.2，因處于臨界狀態，此時推算水浮力產生的荷載為：qs=1 200/（8.1×8.1）=18.3kN/m2，水 頭 為H=(18.3+12.5+4)/10=3.5m，錨桿此時的位移同底板在水浮力作用下底板的變形。通過計算可知，板的最大變形位于板中心處，約為2mm，而布置錨桿處的板位移約為0.6mm，此時錨桿位移量為0.6mm，故錨桿基本上沒有受力，荷載應按照18.3kN/m2進行計算。此時，按工況一計算底板配筋已無法滿足設計要求，若是2層地下室或者地下更深的情況，更是遠遠不夠。若地下室底板標高是-10m，上部2層，地下室2層，柱 網8.1m×8.1m，底 板600mm厚，粗略估算，上部恒載作用下，中柱的軸力約為N=4 000kN，若錨桿布置在板中，地下室底板處于自重與水浮力相當的臨界狀態時，qs=4000/(8.1×8.1)=61N/m2，水頭為H=(61+0.6x25+4)/10=8.0m。此時，底板配筋大部分都超過了1.0%的配筋率，若按照本文3.3布置錨桿的方式來計算底板，是相當不安全的。

4 結語

綜上所述，錨桿布置應充分理解錨桿的工作原理，結合實際情況，選擇不同的布置方式，并對不同工況進行綜合比較。相比較而言，選擇柱下錨桿時，底板配筋相對較大，但更安全；若選擇在板中布置錨桿，筆者認為至少應另按上述3種工況進行綜合驗算、包絡設計，充分考慮各種不利因素的影響。另外，若錨桿布置在柱下，土層錨桿靠錨固體的作用提供豎向向上承載力，能否考慮錨桿提供向下的承載力呢？畢竟錨桿在混凝土構件中屬于柔性構件，但是提供豎向承載力的作用是存在的；至于提供多少合適，需要進一步的驗算及實驗。