變直徑鋼筋籠擴大頭抗浮錨桿的設計與應用

張學治 （安徽安德建筑設計有限公司，安徽 合肥 230071）

在地下工程設計中，結構豎向自重荷載小于地下水的浮力時，常用的抗浮措施有增加結構的自重、設計抗浮錨桿或抗浮樁等。增加結構自重是通過增加基礎厚度或結構頂板厚度來抵抗地下水浮力，簡單直接，一般在豎向自重荷載與水浮力差距不大時采用。地下室埋置較深或水頭較大時，通常采用抗浮錨桿或抗浮樁來滿足抗浮設計要求。在各種抗浮措施中，抗浮錨桿具有造價低[1-2]、施工方便、節約建筑材料等優點，成為結構設計人員經常采用的一種抗浮方案。擴大頭錨桿是一種摩擦-端壓型錨桿[3]，較普通抗浮錨桿能提供更大的抗拔承載力，抗拔效率更高，近年來在建筑工程的抗浮設計中也逐漸開始應用。變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿是擴大頭錨桿中的一種新型錨桿，技術屬于一種實用新型專利，其特點是在擴大頭部位采用直徑可變的鋼筋籠。錨桿桿體鋼筋一般用單根大直徑高強度的精軋螺紋鋼筋，擴大頭端若干豎筋環繞桿體鋼筋，豎筋外周設有環狀箍筋作為外周的緯線，環狀箍筋且與豎筋設有固定點，環狀箍筋收緊是未使用狀態，環狀箍筋是螺旋彈簧或柔性鋼線，螺旋彈簧環狀箍筋的端部設有釋放裝置，用柔性鋼線時在圈狀固定器上設有撐開筋條豎筋的釋放裝置，通過這種方式使鋼筋籠直徑在一定范圍內變化。是對傳統高壓噴射擴大頭錨桿在擴大頭部位的一種改進與創新，通過在擴大頭段加入變直徑鋼筋籠后，形成了鋼筋混凝土擴大頭，使其在整體受力、錨固段穩定性以及抗拔承載力性能等方面都有較大的提高。本文結合工程實例詳細闡述變直徑鋼筋籠擴大頭抗浮錨桿的相關計算方法，并與普通抗浮錨桿進行經濟成本和時間成本的對比。

1 工程概況

合肥市某項目地上為商業辦公綜合體，地下一層為超市和停車庫，地下一層層高4.9m，頂板上覆土厚度1.2m。場地土層自上而下依次為：①層素填土，黃褐、灰褐色，主要以粘性土為主，稍濕，稍密，局部位置夾雜建筑垃圾，含大量植物根系，層厚度0.30～4.50m。②層粘土，黃褐色，硬塑，局部呈可塑狀，含少量鐵錳結核及高嶺土條帶，斷面光滑有光澤，干強度高，韌性高，層厚度1.60～6.20m，地基承載力特征值240kPa。③層粘土，褐黃色，硬塑，局部偏堅硬，含大量鐵錳結核及高嶺土，斷面光滑有光澤，干強度高，韌性高。最大揭露35.40m，該層未揭穿，地基承載力特征值280kPa。基礎結構形式為筏板基礎，筏板厚度400mm，設計基礎底板面絕對標高15.80m，抗浮水頭絕對標高21.30m。純地下室部分單位面積結構及上覆土重總計42.6kN，單位面積水浮力59kN，自重抗浮不足，需采取抗浮措施。

項目設計采用承壓型變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿作為永久抗浮構件，變直徑鋼筋籠收縮時，高度1280mm，直徑180mm。鋼筋籠打開狀態時，高度為1280mm，直徑為450mm。錨桿普通錨固段孔徑為250mm，長度對應為4.5m。旋噴或機械擴體段直徑為800mm，擴大頭長度對應為2.5m，有效長度7.0m，以③層粘土層作為擴大頭錨固段，且進入該層不少于2.5m。

2 變直徑鋼筋籠擴大頭抗浮錨桿的承載力計算

單根變直徑鋼筋籠擴大頭錨桿的抗拔力極限值和特征值計算，與傳統高壓噴射擴大頭錨桿一致，按文獻4式4.6.3-1和式4.6.4進行計算，對豎直錨桿先按文獻4式4.6.3-2計算擴大頭前端面土體對擴大頭的抗力強度值pD：

由Tuk的計算公式可知，擴大頭錨桿抗拔力極限值由三部分組成，第一部分為非擴大頭錨固段側壁與土層的摩阻力，第二部分為擴大頭側壁與土層的摩阻力，第三部分為土體對擴大頭端面的正壓力所提供的抗拔力。與普通錨桿相比，擴大頭錨桿的抗拔力得以提高主要是因為多了擴大頭前端面土體的貢獻。由pD的計算公式可以看出，擴大頭前端面土體貢獻的大小只與擴大頭的埋深和土的性質有關。擴大頭錨桿設計時，要想獲得足夠大的抗拔力，只能通過調整錨桿非擴大頭段直徑D1、擴大頭直徑D2以及擴大頭的埋深h來實現。國內對相關參數對抗拔力影響的研究成果表明，擴大頭直徑的影響最大。但在實際工程中D1和D2往往受限于成孔工藝只能在一定范圍內選擇，故在實際工程的錨桿設計時，主要通過增加擴大頭的埋深h來增大擴大頭錨桿的抗拔力。

3 變直徑鋼筋籠擴大頭抗浮錨桿桿體強度驗算

擴大頭抗浮錨桿桿體的截面面積按文獻4式4.6.8-1驗算，Kt按一級防腐取1.6。

計算時應注意fy的取值，根據文獻4附錄A.0.4，采用預應力混凝土用螺紋鋼筋時，其抗拉強度設計值的取值應取屈服強度除以1.2。

1根直徑32的PSB1080級預應力混凝土用螺紋鋼筋制作的單根錨桿的抗拔力特征值為：

完整的擴大頭抗浮錨桿是在基礎底板內形成錨孔孔徑250mm，總長為7m的帶有多重防腐的擴大頭錨桿，錨桿桿體采用1根直徑為32mm的PSB1080級預應力混凝土用螺紋鋼筋。單根變直徑鋼筋籠擴大頭抗浮錨桿抗拔承載力特征值取420kN。

4 擴大頭抗浮錨桿在基礎底板錨固端的抗沖切驗算

擴大頭抗浮錨桿桿體采用單根大直徑鋼筋時，其在基礎底板內的錨固方法一般采用鋼筋配套法蘭螺母錨固，或采用鋼筋配套高強螺母+鋼墊板錨固。本項目采用高強法蘭螺母將抗浮錨桿錨固到底板上，抗沖切驗算根據文獻5第6.5.1條的相關公式計算。

擴大頭抗浮錨桿與普通抗浮錨桿的經濟對比 表1

擴大頭抗浮錨桿與普通抗浮錨桿的工期對比 表2

因為變直徑鋼筋籠擴大頭抗浮錨桿的抗拔力特征值Tak=420kN，即抗浮錨桿對底板的沖切力為Fl=420kN≤471kN，滿足底板的抗沖切驗算。

錨桿在基礎底板內的抗沖切驗算是很多工程設計人員容易忽略的環節，實際上抗浮錨桿的承載力取值上限往往由錨桿在基礎底板內的抗沖切驗算決定，底板越厚、混凝土等級越高，則沖切承載力越高。當基礎底板較厚，沖切承載力高時，可以設計抗拔力特征值更高的錨桿，抗拔力用的越高，則經濟性越好。

5 擴大頭抗浮錨桿與普通抗浮錨桿的經濟和工期對比

本項目在上述計算的基礎上，擴大頭錨桿采用正方形均勻布置，總計布置了282根擴大頭錨桿。為了了解清楚擴大頭抗浮錨桿在經濟成本和工期成本上的優勢，在相同的條件下，設計布置了普通抗浮錨桿進行對比，設計普通抗浮錨桿主筋采用3根直徑18的HRB400級鋼筋并筋，錨桿普通段直徑180mm，錨桿總長9.5m，抗拔力特征值取130kN，采用正方形均勻布置，總計布置了778根普通抗浮錨桿。

①從表1可知，與普通抗浮錨桿相比，采用擴大頭抗浮錨桿時設計錨桿數量減少496根，錨桿總延長米數減少5417m。節約造價約17.628萬元，約19.88%。

②抗浮錨桿施工按投入1臺設備計算，每天施工10根，水泥錨體強度試驗齡期20天，可達到設計強度的80%。凈工期分析如表2。

與普通抗浮錨桿相比，采用擴大頭抗浮錨桿時節約工期約49.6天，約63.75%，同時節省因縮短工期而產生的人工降低地下水位及其它費用。

6 結論

①變直徑鋼筋籠擴大頭抗浮錨桿因其在土層深處擴孔，充分利用擴大頭前端面土體來提高抗拔承載力，抗拔效率較普通錨桿有顯著提高。

②根據同一項目兩種抗浮錨桿設計的結果對比，可知擴大頭抗浮錨桿的經濟成本和時間成本都具有明顯優勢，采用擴大頭抗浮錨桿節約造價約19.88%，節省工期約63.75%。

③單根變直徑鋼筋籠擴大頭抗浮錨桿的抗拔力特征值取值往往受限于錨桿在基礎底板內的抗沖切驗算，在滿足抗沖切驗算的前提下，設計時要盡量使錨桿的抗拔力特征值接近沖切承載力，錨桿抗拔承載力用的越足越經濟。

④變直徑鋼筋籠擴大頭抗浮錨桿是對傳統高壓噴射擴大頭錨桿在擴大頭部位的一種改進與創新，通過在擴大頭段加入變直徑鋼筋籠后，形成了類似樁體的鋼筋混凝土擴大頭，其整體受力合理，抗拔承載力高且錨固段穩定可靠，施工便捷，適合在建筑工程的地下室抗浮設計中采用。