地下室抗浮錨桿的設計與試驗驗證

邵遠揚

(福建省建筑科學研究院有限責任公司 福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350108)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市化進程迅速加快，土地資源變得日益緊張，人們對地下空間的開發(fā)利用不斷增多。而埋置于巖土體中的地下結構受地下水作用會產(chǎn)生向上的水浮力，當結構自重荷載不足以抵抗水浮力時，必須采取有效的抗浮措施以平衡過大的水浮力，才能保證地下結構的穩(wěn)定與安全，否則，輕則可能引起地下結構底板局部開裂、隆起，重則可能導致建筑物整體上浮、傾斜，造成經(jīng)濟財產(chǎn)損失，甚至危及生命安全。因此，針對地下結構的抗浮問題，本文對地下室抗浮錨桿的設計與試驗進行一些必要的驗證研究。

1 抗浮措施介紹

地下室抗浮措施，按受力類型大致可以分為主動抗浮和被動抗浮兩種。主動抗浮主要是通過排水、泄水、隔水等措施，保證地下水位維持在一定的標高以下，主動減小地下水浮力作用效應的抗浮措施[1]。由于該措施需要長期維護才能維持其有效性，后期還需要持續(xù)投入較大的監(jiān)測與維護費用，方能保證達到與建筑物設計使用年限同期的抗浮效果；而被動抗浮主要是通過增大結構自重或抗浮力等措施，提高抵抗地下水浮力作用效應的抗浮措施。目前較為常用的被動抗浮措施[2-3]主要有以下3種。

1.1 壓重法

壓重法是指通過增加結構自重或在結構頂部或地下結構底板上增加配重(或兩者結合)以滿足抗浮要求的方法[1]。當抗浮力較大時，采用該方法可能造成結構使用空間損失，荷載增大導致地基發(fā)生破壞，且大大提高工程造價；當抗浮力不大時，采用該方法則施工較為簡單、方便。

1.2 抗浮樁法

抗浮樁法是指當?shù)叵陆Y構受水浮力作用導致樁頂上拔時，依靠樁身側壁與巖土層之間的摩阻力來提供抗浮力的方法。此時樁身處于受拉狀態(tài)，對于混凝土樁易造成樁身開裂腐蝕，減少使用年限。另外，采用抗浮樁法，樁間距通常較大(導致底板跨度較大)，在水浮力作用下，地下結構底板將受到較大的剪應力和彎矩作用，導致工程造價提高、施工難度增大，為防止底板破壞必須增加底板厚度及配筋量，以提高底板抵抗剛度。

1.3 抗浮錨桿法

抗浮錨桿法是指通過錨固在地基中的抗拔構件與地下結構底板共同承擔水浮力的抗浮方法。其受力機理與抗浮樁類似，即地下結構受水浮力作用導致錨桿產(chǎn)生上拔力，該上拔力最終依靠錨固體與巖土層之間的摩阻力得以平衡抵消，從而起到抗浮效果。與其他抗浮措施比較而言，抗浮錨桿法主要具有以下優(yōu)點[2-4]：首先，地層適應性較好，能很好地適用于多種地層條件；其次，施工作業(yè)面小，施工便捷高效，工期較短；再次，均勻布置時，布置間距小，單點受力較小，底板結構受力分布均勻；第四，通過錨固體注漿施工，能提高地基土的密實度，增大地基承載力，從而減小地基沉降量。

2 抗浮錨桿設計流程

抗浮錨桿的設計流程主要分以下4步：第一步，計算水浮力及上部結構自重，比較二者大小，判定是否需要進行抗浮設計；第二步，若需要抗浮設計，多余水浮力由抗浮錨桿承擔，預估錨桿布置間距，計算單根錨桿的抗拔承載力；第三步，根據(jù)單根錨桿承載力選取桿體材料并推算錨固段長度；第四步，驗算通過后，將錨桿均勻布置在底板構件下。

抗浮錨桿設計大致流程如圖1所示。本文結合廈門某工程實例，通過設計計算與試驗驗證進行地下室抗浮錨桿的應用研究。

圖1 抗浮錨桿設計流程

3 工程實例

3.1 工程概況

廈門某小學項目，用地面積約1990m2，總建筑面積約26 000m2，其中，地上建筑面積18 000m2，地下建筑面積8000m2。項目主要由3棟教學樓(均為5層)、1棟綜合樓(2層)及1棟門衛(wèi)室(1層)組成，另外在教學樓及操場以下設有1層地下室。

設計采用筏板基礎，持力層為殘積砂質黏性土，天然地基承載力特征值為200kPa，基礎設計等級為乙級，設計標高±0.00為1985年國家黃海高程21.00m。

3.2 地質條件

根據(jù)地勘資料，地下室筏板基礎位于殘積砂質黏性土層上，殘積砂質黏性土以下巖土層分別為全風化花崗巖、砂礫狀強風化花崗巖、中風化花崗巖及微風化花崗巖。根據(jù)地勘報告，底板以下深20m范圍內各巖土層設計參數(shù)如表1所示。

表1 巖土設計參數(shù)

3.3 抗浮驗算

本文以操場以下純地下室的抗浮計算為例。操場以下設有1層地下室，室內外高差-0.30m，± 0.00 相當于絕對標高 21.00m；地下室層高4.60m，頂板厚200mm，底板厚400mm，頂板上覆土厚400mm；根據(jù)地勘資料，地下室抗浮設計水位取絕對高程19.00m；地下室剖面如圖 2 所示。

圖2 地下室局部剖面圖

(1)地下室自重計算

地下室自重計算公式如式(1)。

ΣG=24.70kN/m2

(1)

其中，ΣG為地下室單位面積自重(kN/m2)；

覆土厚400mm，自重G1=7.2kN/m2；

頂板厚200mm，自重G2=5.0kN/m2；

梁柱折算成板厚100mm，自重G3=2.5kN/m2；

底板厚400mm，自重G4=10.0kN/m2。

(2)地下室單位面積水浮力計算

地下室單位面積水浮力計算公式如式(2)。

F浮=γWh=41kN/m2

(2)

其中，F(xiàn)浮為地下室單位面積水浮力(kN/m2)；γW=10kN/m2；h為底板底計算水頭高度，取4.1m。

因F浮>ΣG，故，該地下室應進行抗浮設計。

3.4 設計計算

綜合考慮工程地質條件、水文條件及工期要求等實際情況，結合該地區(qū)類似工程抗浮經(jīng)驗，建議采用抗浮錨桿法進行抗浮設計。

本文涉及的抗浮錨桿設計計算及參數(shù)取值，主要依據(jù)《巖土錨桿(索)技術規(guī)程》(CECS22-2005)(以下簡稱《規(guī)程》)。根據(jù)表1可知，該工程基底以下土層性質良好，故，錨桿按全長粘結拉力型設計。

3.4.1錨桿間距

由于地下室柱網(wǎng)間距多為 8.4m，取其1/3為錨桿間距，即2.8m。錨桿采用正方形網(wǎng)格形式，均勻布置在底板上，如圖 3 所示。

3.4.2桿體截面積

(1)單根錨桿抗拔承載力標準值

Ntk=A×(F浮-0.9∑G)=147.2kN

(取Ntk=150kN)

(3)

式(3)中：

Ntk為錨桿軸向拉力標準值(kN)；

A為單根錨桿承擔的地下室抗浮面積(m2)；

A=2.8×2.8=7.48m2；故，該工程永久荷載影響系數(shù)取0.9。

(2)單根錨桿抗拔承載力設計值

Nt=γqNtk=195kN

(4)

式(4)中：

Nt為錨桿軸向拉力設計值(kN)；γq為荷載分項系數(shù)，取1.3。

(3)錨桿桿體截面面積計算

(5)

式(5)中：

As為錨桿桿體截面面積(mm2)；

Kt為錨桿桿體的抗拉安全系數(shù)，按《規(guī)程》[6]表7.3.2取2.2；fyk為鋼筋的抗拉強度標準值，三級鋼取360N/mm2。

3.4.3錨固段長度

根據(jù)錨桿桿體的配筋情況，結合地層條件及以往設計經(jīng)驗，取錨桿錨固段鉆孔直徑D=150mm。錨固段長度按式(6)(7)估算，并按二者的較大值取值。

(6)

(7)

綜上，取La=10m。

式中：

K為錨桿錨固體的抗拔安全系數(shù)，按《規(guī)程》[6]表7.3.1選取，為2.2；Nt為195kN；D為錨桿錨固段的鉆孔直徑(mm)，取150mm；

d為鋼筋直徑(mm)，為28mm；

ξ為多鋼筋界面的粘結強度降低系數(shù)，取0.80；

fmg為錨固段注漿體與地層間的粘結強度標準值(kPa)，取65×1.5=97.5kPa；

fms為錨固段注漿體與筋體間的粘結強度標準值(kPa)，按《規(guī)程》[6]表7.5.1-3 取值，取2000kPa；

φ為錨固長度對粘結強度的影響系數(shù)，按《規(guī)程》[6]表7.5.2加權平均后取1.3；

n為鋼筋根數(shù)，n=2。

3.4.4注漿設計

注漿采用水泥標號為R42.5的普通硅酸鹽水泥。第一次注漿采用灰砂比為1∶0.5～1∶1的水泥砂漿，砂漿強度為M30，摻入微膨脹劑，注漿壓力應≥1.0MPa；第二次注漿采用水灰比為0.45～0.50純水泥漿，注漿壓力≥2.5MPa，并在第一次注漿形成的水泥注漿體強度達到5.0MPa后進行，穩(wěn)壓注漿時間不少于2min，直到注不進漿液為止。

綜上，該工程抗浮錨桿主要設計參數(shù)分別為：

①錨桿間距為2.8m×2.8m；

③錨桿錨固段的鉆孔直徑為150mm；

④抗拔承載力標準值為150kN；

⑤錨固段長度為10.0m。

4 抗浮錨桿基本試驗

4.1 試驗目的

由于巖土參數(shù)的不確定性及復雜性，在錨桿大面積施工前，試打3根錨桿進行基本試驗，以此確定錨固體與巖土體的實際摩阻強度，并驗證設計參數(shù)的合理性及施工工藝的可靠性，為大面積施工提供依據(jù)[1]。

4.2 試驗方法

4.2.1試驗荷載

錨桿基本試驗最大試驗荷載不超過錨桿桿體極限承載力的0.8倍，即0.8Asfstk=0.8×1230.9mm2×540N/mm2=531.7kN，故，取最大試驗荷載N=530kN。

4.2.2儀器設備

(1)加載裝置：100T穿心式千斤頂1個，電動加壓油泵1臺，油管2條。

(2)反力裝置：工字鋼梁2條，反力鋼板1塊。

(3)測量裝置：百分表2只，壓力表1個，測量支架1副。

4.2.3加載方式

基本試驗采用多循環(huán)加載法[6]，加載分級和錨頭位移觀測時間如表2所示。

表2 多循環(huán)加載試驗的加載分級與觀測時間

4.3 試驗結果

編號分別為MG-1#、MG-2#的2根錨桿，在試驗過程中均未出現(xiàn)后一級荷載產(chǎn)生的位移增量達到或超過前一級荷載產(chǎn)生的位移增量2 倍的現(xiàn)象，在最大試驗荷載(530kN)作用下，錨頭位移均能收斂，試驗進展順利，未出現(xiàn)異常現(xiàn)象，表明這2根錨桿均未達到極限承載狀態(tài)，故，取最大試驗荷載為錨桿極限抗拔承載力。其中，MG-1#的荷載-彈性(塑性)位移曲線及荷載-位移曲線分別如圖4～圖5所示。

編號為MG-3#的這根錨桿在最大試驗荷載(530kN)作用下，錨頭位移迅速陡增，該級產(chǎn)生的位移增量15.68*mm(非穩(wěn)定位移增量)超過前一級荷載產(chǎn)生的位移增量1.52mm的2倍，且荷載無法維持，錨桿拔出破壞。故，錨桿極限抗拔承載力取破壞荷載的前一級荷載，即398kN；MG-3#的荷載-彈性(塑性)位移曲線及荷載-位移曲線，分別如圖6～圖7所示。

圖4 錨桿荷載-彈性(塑性)位移曲線

圖5 錨桿荷載-位移曲線

圖6 錨桿荷載-彈性(塑性)位移曲線

圖7 錨桿荷載-位移曲線

經(jīng)試驗而知，試打的3根錨桿極限抗拔承載力均大于1.5倍錨桿軸向拉力設計值(軸向拉力設計值為195kN)，且在極限抗拔承載力作用下，錨桿的彈塑性位移均相對較小，滿足設計要求。故，采用以上設計參數(shù)及施工工藝可進行大面積施工。基本試驗結果如表3所示。

表3 基本試驗結果匯總表

4.4 試驗技術要點

4.4.1齡期

從前文錨桿錨固段長度計算分析可知，土層錨桿承載力實際上主要取決于錨固體與巖土體之間的摩阻力，而非注漿體與桿體之間的握裹力。因此試驗時為保證錨固體強度達到規(guī)范要求，避免試驗時出現(xiàn)注漿體與桿體之間的脫離破壞先于錨固體與巖土體之間的剪切破壞的情況，導致無法達到試驗目的，本試驗按照文獻[7]規(guī)范要求將錨桿在錨固體強度達到15MPa或達到設計強度75%后進行試驗。

4.4.2預張拉要求

根據(jù)以往試驗經(jīng)驗，錨桿在施工過程或試驗設備安裝過程往往會導致地面以上部分的錨桿發(fā)生局部彎曲變形，試驗時，該變形對錨頭位移的準確測讀造成嚴重干擾，因此，為了排除干擾，確保錨頭位移測量的準確性，本試驗在正式試驗前，先對錨桿預張拉1～2次，張拉荷載取最大試驗荷載的10%～20%，使之恢復順直。

4.4.3千斤頂安裝要求

①調整并穩(wěn)固好千斤頂反力鋼板，使之垂直于錨桿的桿體方向，保證拉拔方向與錨桿的桿體方向一致，避免二者形成夾角，造成千斤頂施加的荷載不能全部作用在錨桿上；

②針對全長粘結型的抗浮錨桿拉拔試驗時，千斤頂?shù)撞坎恢苯幼饔迷阱^固體上，必須通過架設工字鋼梁或枕木預留錨固體被拔出的所需位移空間，防止千斤頂直接作用在錨固體上，導致試驗結果無效，因為實測的是桿體與注漿體之間的握裹力。

4.4.4位移計安裝要求

①將基準梁(測量支架)的架設獨立于錨桿拉拔的影響區(qū)域以外，確保測得的位移數(shù)據(jù)能真實反映錨桿位移；

②位移計安裝前，先在錨頭附近固定(常用焊接)一片與其錨桿軸線垂直的小鐵片，然后將位移計針桿垂直于鐵片安裝，保證位移計的測讀量即為錨桿拉拔的伸縮量。

5 結論

(1)抗浮錨桿具有地層適應性好，施工速度快，能提高地基土密實度，增大地基承載力等優(yōu)點，是解決地下結構抗浮問題的有效措施之一。

(2)由于巖土參數(shù)的不確定性及復雜性，有必要通過錨桿基本試驗驗證設計參數(shù)的合理性及施工工藝的可靠性，為大面積施工提供依據(jù)。

(3)土層錨桿桿體與注漿體之間的握裹力一般高于錨固體與巖土體之間的摩阻力，即錨固段長度通常由錨固體與巖土體之間的摩阻力大小決定。

(4)錨桿彈性位移，主要由錨桿桿體自身材料變形產(chǎn)生，是可恢復的；塑性位移，主要由錨固體與巖土體之間的剪切位移產(chǎn)生，是不可恢復的。

(5)錨桿基本試驗應關注錨固體齡期問題、桿體彎曲問題及儀器設備安裝問題等試驗技術關鍵要點，確保試驗結果有效。