地下室抗浮錨桿布置方式設(shè)計(jì)探討

魏坤 戴西行 楊勇

0 引言

近年來,大量帶有地下室的高層建筑物、地下車庫、下沉式廣場(chǎng)以及地鐵、地下商場(chǎng)等地下建(構(gòu))筑物的興建,由于地下水的浮托力,使埋置于巖土體之中或之上的地下結(jié)構(gòu)或低洼式結(jié)構(gòu)的抗浮問題非常突出[1],目前國內(nèi)外的抗浮設(shè)計(jì)主要采用四種方法:自重平衡法,抗力平衡法(設(shè)置抗浮錨桿或抗拔樁),浮力消除法,綜合設(shè)計(jì)方法[2],抗浮錨桿法又分為預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿法和非預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿法。非預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿由于造價(jià)低、工期短、施工方便等因素得到越來越廣泛的應(yīng)用[3]。但在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)人員往往側(cè)重于考慮錨桿的承載力問題,而對(duì)錨桿的布置方式討論較少。因此,本文將結(jié)合工程實(shí)例,從降低工程造價(jià)角度對(duì)地下室底板抗浮錨桿布置方式進(jìn)行設(shè)計(jì)探討,進(jìn)而為其他類似工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

某地下車庫,地下 3層,地下室頂板部分為覆土 1 500mm的綠化用地,地下室軸網(wǎng)采用8.1m×7.5m,其柱網(wǎng)平面布置圖如圖 1所示。

地基持力層為中風(fēng)化花崗巖,地基承載力為 2 500 kPa,基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板較為經(jīng)濟(jì),防水板厚 400 mm,其上覆土500mm。抗浮設(shè)計(jì)水頭為 12m,地下室自重及地面回填土重量不能平衡地下水浮力,采用抗浮錨桿作為永久性抗浮結(jié)構(gòu)。抗浮錨桿桿體為螺紋鋼筋,不施加預(yù)應(yīng)力,抗浮錨桿錨固于基礎(chǔ)底板下的中風(fēng)化花崗巖上,錨桿頂部預(yù)留部分錨固于混凝土底板內(nèi)。

2 抗浮錨桿設(shè)計(jì)分析

2.1 抗浮錨桿布置方式及基礎(chǔ)底板受力特點(diǎn)

在獨(dú)立基礎(chǔ)加防水板基礎(chǔ)中,防水板一般只用來抵抗水浮力,不考慮防水板的地基承載能力,獨(dú)基承擔(dān)全部結(jié)構(gòu)重量并考慮水浮力的影響[2]。目前,抗浮設(shè)計(jì)中常用的錨桿布置方式有兩種:1)均勻布置于地下室底板下(后面稱為面狀均勻布置);2)布置于獨(dú)立基礎(chǔ)下(后面稱為集中點(diǎn)狀布置)。上述兩種布置方式如圖 2所示,相應(yīng)的基礎(chǔ)底板受力圖如圖 3所示,相應(yīng)的基礎(chǔ)底板內(nèi)力圖如圖 4所示。

當(dāng)錨桿為集中點(diǎn)狀布置時(shí),如圖 3b)所示,錨桿提供的下拉力、上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載、底板自重及其上部覆土的自重共同抵抗水浮力;當(dāng)錨桿為面狀均勻布置時(shí),如圖 3a)所示,上部結(jié)構(gòu)荷載絕大部分通過獨(dú)立基礎(chǔ)傳給地基,這部分荷載足以抵消相應(yīng)范圍的水浮力,獨(dú)立基礎(chǔ)下無需布置錨桿。而對(duì)于防水板區(qū)域,擴(kuò)散至本區(qū)域的上部結(jié)構(gòu)荷載甚微,計(jì)算錨桿時(shí)不宜再考慮上部結(jié)構(gòu)荷載的有利影響,那么,水浮力只能由抗浮錨桿提供的下拉力、防水板及其上部覆土的自重共同抵抗。

相對(duì)于集中點(diǎn)狀布置方式,抗浮錨桿為面狀均勻布置時(shí)不能充分利用上部結(jié)構(gòu)傳來荷載,需要較多錨桿來平衡水浮力,但均勻布置下的抗浮錨桿減小了基礎(chǔ)底板的計(jì)算跨度,從而大大減小基礎(chǔ)底板上的彎矩和剪力(如圖 4所示),防水板配筋大大降低。那么,兩種布置方式下,從降低工程造價(jià)的角度考慮哪種具有更好的優(yōu)勢(shì),就是本文所要討論的問題,下面就對(duì)這兩種布置方式下基礎(chǔ)底板配筋情況及錨桿數(shù)量進(jìn)行計(jì)算比較。

2.2 抗浮錨桿抗浮設(shè)計(jì)計(jì)算

2.2.1 抗浮錨桿面狀均勻布置時(shí)抗浮設(shè)計(jì)計(jì)算

1)錨桿布置間距。根據(jù)軸網(wǎng)尺寸初步確定每根錨桿分擔(dān)的面積為:a×b=2.7m×2.5m。

分布在底板上單位面積凈浮力:

單根錨桿抗拔承載力特征值為:

以 8.1m×7.5m為一個(gè)計(jì)算單元,每個(gè)計(jì)算單元需要 8根錨桿。

2)錨桿鋼筋截面積計(jì)算。根據(jù)CECS 22∶2005巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程,單根錨桿鋼筋截面積為:

則單根錨桿配筋采用3C36,As=3 054mm2。

3)錨固長度計(jì)算。錨桿孔直徑取200mm;根據(jù)CECS 22∶2005巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程,錨桿錨固長度為:

考慮開挖對(duì)表面巖石的擾動(dòng)及孔底沉渣的影響,錨桿長度增加0.4m。綜上,錨桿錨固長度取La=4m。

2.2.2 抗浮錨桿集中點(diǎn)狀布置時(shí)抗浮設(shè)計(jì)計(jì)算

為便于分析對(duì)比,抗浮錨桿集中點(diǎn)狀布置下取與面狀均勻布置下相同的錨桿。

單根錨桿抗拔承載力特征值為:Nt=681.75 kN。以獨(dú)立基礎(chǔ)為中心,取8.1m×7.5m范圍為一個(gè)計(jì)算單元。每個(gè)計(jì)算單元凈水浮力:F凈=(12×10-18×0.5-25×0.4-18×1.5-25×0.2×3)×8.1×7.5=3 584 kN。

3 對(duì)比分析

現(xiàn)將錨桿集中點(diǎn)狀布置、面狀均勻布置兩種布置方式下,每個(gè)計(jì)算單元錨桿數(shù)量、底板配筋及工程造價(jià)進(jìn)行對(duì)比,如表 1所示(表1中單根錨桿抗拔承載力特征值為Nt=681.75 kN)。本工程各項(xiàng)單價(jià)(已包含取費(fèi)及人工費(fèi)等)如下:

鋼材6 000元/t;混凝土600元/m3;錨桿250元/m。

表1 錨桿不同布置方式下每個(gè)計(jì)算單元錨桿數(shù)量、底板配筋及工程造價(jià)

從表 1可以看出,錨桿集中點(diǎn)狀布置時(shí),錨桿數(shù)量較少,但底板配筋較大;錨桿面狀均勻布置時(shí),錨桿數(shù)量較大,但底板僅需構(gòu)造配筋。綜合比較其工程造價(jià),抗浮錨桿面狀均布布置時(shí),其工程造價(jià)相對(duì)較低,每個(gè)計(jì)算單元僅基礎(chǔ)底板及錨桿方面就節(jié)約1.7萬元。

4 結(jié)語

通過對(duì)地下室底板抗浮錨桿布置方式的對(duì)比分析,得出本工程相對(duì)于集中點(diǎn)狀布置,采用錨桿面狀均勻布置方式可以降低工程造價(jià)。因此,本文中的地下室底板非預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿設(shè)計(jì)中,從降低工程造價(jià)的角度對(duì)錨桿布置方式進(jìn)行優(yōu)選的方法可以為其他類似工程提供參考依據(jù)。

[1] 曾國機(jī),王賢能,胡岱文.抗浮技術(shù)措施應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].地下空間,2009,24(1):105-109.

[2] 朱炳寅.對(duì)獨(dú)基加防水板基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)?技術(shù)通訊,2007(7):4-7.

[3] 賈金青,宋二祥.濱海大型地下工程抗浮錨桿的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2002,24(6):769-771.

[4] CECS 22∶2005,巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程[S].

[5] GB 50330-2002,建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].