在粒徑較大石層的抗浮錨桿優化設計及應用

徐遠志

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330000）

建筑施工中的建筑受浮托力問題一直以來是很難解決的，這也影響了當前建筑行業的發展。在國家經濟不斷發展的背景下，用地越來越緊張，住房、商業用地積極擴張，人們尋找可行途徑的同時，建筑受浮托力而影響開發與運用限制了施工開展。在不斷的研究中人們發現使用錨固技術可以很好地解決這一方面的問題，由于抗浮錨桿的造價低廉設置靈活，在建筑施工中得到廣泛的使用。

1 研究背景

城市人口密度增加與經濟發展速度越來越快，地下空間的開發利用受到重視，地下埋深的增加也加劇了設計難度，尤其是建筑抗浮問題的出現。地下施工需要考慮地下水的問題，因此地下抗浮設計成為影響工程、造價的重要問題。近年來地下建筑結構受到降雨影響和地下水，導致地下建筑上浮破壞事故，比如地下室上浮導致建筑結構出現大量裂縫、建筑本身構建承載能力喪失等。抗浮錨桿設計主要運用在礫砂地層、風化巖層等基巖場合和，人們很少運用在鵝卵石地層中，因此對這個方面的研究很少，而且優化研究也很少，可參考文件有限。在實際施工中鵝卵石地層力學強度高，本身作為常用承載持力層，透水性很明顯，但是也因為這種特征而導致抗浮力減少，對建筑物的浮托力增大，為此不得不采取對應措施來處理。抗浮錨桿技術可以通過固定的辦方式來提高穩定性[1]。但是鵝卵石施工中使用抗浮錨桿的設計比較少見，存在鉆孔難的、提鉆塌孔的問題，這也限制了該技術的運用，進而出現成孔質量差、鉆進效率低下、鉆進成本高的問題，最大限度限制了該技術在鵝卵石地層中的運用。因此本文結合現有資料，通過分析鵝卵石地層特征，結合經典案例分析抗浮錨桿在鵝卵石地層中的運用，開展實驗分析。

2 工程案例

某項目工程，整體建筑為三層，含有地下室、主樓、裙房，工程整體面積為12583.88m2，為鋼筋混凝土框架結構。按規范要求，抗震設計為Ⅵ度、建筑結構安全等級為二級。工程基坑深度為5.0m，地下室底板厚度為0.450m，地下室上部主體建筑與裙房，持力層均設置在較為堅硬鵝卵石層。

2.1 地質資料

根據勘察資料分析，地層主要為近代人工填筑層、沖洪積層、下浮砂巖等風化層，巖土層的分布為素填土層、粉土層、細砂粉土層、鵝卵石層、強風化砂層。地層中鵝卵石層分布粒徑超過200mm，揭示層厚度約有3.6m，頂層埋深厚度為7m，整體均勻性比較差、滲透性系數也比較大[1]。根據當地水文調查情況來看，場地標高為191.3m，而現在的地下水位高度為183.0m，近十年之內最高水位達到189.0m，地下室底板標高為186.3m，永久抗浮水位的設計應該與近十年內水位達到的最高點相結合，地下水位常年最高達到189.3m。根據建筑抗浮驗算結果來看，非建筑區域內整體抗浮能力不足，尤其裙房和主樓部分的抗浮能力不足，因此在地下室底板的設計中，使用抗浮錨桿來加強地下室的安全，抵抗地下水浮托力。根據調查資料，巖土層物理學參數如表1 所示。

表1 巖土層力學參數

2.2 設計原理

抗浮水位及浮力計算按照單位面積地下水浮力來計算，計算公式為：

其中：F浮單位為kN/m2；μ 為計算的安全系數，本次計算可取1.05；γ 為水容重；h0為高度，是歷史最高數位和地下室底板之間的高差。其次需要計算基坑底部所承受的整體浮力：

其中：F浮單位為kN；A 為地下室底板總面積。另外，根據《高層建筑巖土工程勘察規程》（JGJ 72—2004）計算出錨桿抗拉強度數據，首先計算出單根錨桿強度：

其中：Nak為錨桿抗拉強度數值；Na為單根錨桿軸向拉力數值，kN；q 為地層與抗浮錨桿固體之間產生摩阻力，kPa；uili為地層與抵抗錨桿固體之間的接觸面積；ui為錨桿固體周長；rQ 為荷載系數，結合本次項目工程選取1.35。

結合本次工作需要，需要確定錨桿數量、間距，通過計算，按照標準需求充分考慮抗浮荷載基礎面積A，組合分析計算，得到抗浮錨桿的數量n，計算見式（5）：

其中：γ0為結構的系數，極為重要，本次項目選取系數1.0；Sk為正常使用極限下的荷載標準組合，就是所計算的上浮力標準數值，kPa。根據抗浮錨桿計算總數，得到單根錨桿需要承擔的抗浮面積 A′，計算見式（6）：

如果將整個錨桿形狀布置成矩形，那么A′=S1S2，其中S1、S2 分別表示錨桿布設橫向間距、豎向間距來確定錨桿的布設形式，如果要想布設方式滿足設計的需要，則計算應滿足式（7）：

結合工程需要，根據行業標準設置及錨桿技術規范來計算最終配筋量。

2.3 初始方案

按照設計標高為189.2m 的設計，地下室基坑底部的標高為186.3m，結合上述內容，本次工程需要設置錨桿數量為689 根，有四根作為實驗錨桿。本次工程中單根錨桿抗拉極限承載力為110kN，孔徑為150mm，錨桿直徑為28mm，抗拔，錨桿水泥砂漿為M30。

3 抗浮錨桿在鵝卵石地層的優化設計

3.1 原始方案的設計問題

根據實際分析，原本工程錨桿布設使用鉆進下套管的設計方式，本次工程鵝卵石地層距離基坑底2m，在施工現場全場分布，厚度達到3.6m。結合上述計算資料，抗浮錨桿的套管設計深度至少為5m。鵝卵石地層厚度大而硬度高，導致鉆進的過程中經過鵝卵石地層的時候出現進尺困難現象，提鉆塌孔的情況，施工成孔極為困難，在施工現場更換多個孔位仍舊無法得到實際效果。雖然按照之前的設計進行施工，但是施工進展緩慢，在上部荷載較大區域的錨桿布設比較密集，從而導致工程進度緩慢，施工的成本大大增加。在這種情況下只有采取調整方案。

3.2 方案優化

在本次的巖土工程中，使用計算機來開展數值模擬實驗分析，這也是當前建筑施工領域內廣泛使用的手段之一。在方案設計過程中，可運用FLAC 建立計算模型，模擬地下室底板、錨桿、巖土體等在上部荷載、地下水浮力共同作用下產生的受力情況，為設計方案提供合理依據[3]。

結合工程實際狀況，建立基坑模型，通過模擬巖土層、地下室底板，選擇 Mohr-Coulomb 模型，建立起 16250 個單元，18564 個節點模擬地下水位。根據巖土層模擬計算參數，參考之前所獲取場地勘察資料，模擬基坑開挖、鋪設地下室底板。地下室底板模擬力學參數，按照混凝土的標準，參考C30 的取值。錨桿支護單元可以通過cable 模擬，cable 單元由幾何參數、材料參數、水泥漿參數，可以反映出錨桿在巖土中的力學特征。在計算機中使用fish 語言編程布設錨桿，一共有680 根，全部設置為全長粘結錨固，模擬頂端固定在地下室底板，長度為4.5m 的方案，參考原始設計情況，得到地下室底板與抗浮錨桿的優化方案，如圖1 所示。

圖1 抗浮錨桿數值模型（部分）

在本次方案設計中，不同位置錨桿受力狀態與地下室底板變形量之間存在差異，原始方案設計施工困難而造價高，因此結合模擬軟件，在原始基礎上優化抗浮錨桿，在裙房、主樓部分，集中在裙房西側、裙房和主樓連接部分、主樓東側加強錨桿數量，加強長度不變，為4.5m。裙房與主樓部分位置可以減少錨桿布設數量，錨桿長度仍舊不變，為4.5m。優化后錨桿數量一共減少112根，進尺長度減少330m。根據優化后的方案來施工，提高施工效率，施工工期如期完成。根據監測結果，建筑物上浮量不足2cm。

4 結語

結合現階段的研究資料來看，鵝卵石地層的抗浮錨桿施工研究比較少，因此可借鑒內容有限。在現代的研究中應重視對計算機模擬分析的運用，通過虛擬實驗方式分析，能夠還原施工場景，實現精細化計算，對抗浮錨桿施工技術的運用有保障優勢。