地下室抗浮錨桿的設(shè)計(jì)分析

周昱哲

（長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410000）

1 引言

近年來，城市建設(shè)中地下空間成為了一大重要發(fā)展方向，在提高土地利用率等方面發(fā)揮著重要作用。然而，從地下室實(shí)際建設(shè)情況來看，一些工程質(zhì)量事故頻繁發(fā)生，其中，地下室上浮最為常見。近些年，抗浮錨桿的應(yīng)用在地下室抗浮工程中已經(jīng)成為一種必然趨勢，其具有工藝簡單、施工方便、節(jié)約成本等優(yōu)勢。

2 地下室抗浮設(shè)計(jì)概述

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，帶有地下室的高層建筑、地下商場和地下車庫等地下建筑物大量涌現(xiàn)。地下室在施工過程中容易由于設(shè)計(jì)疏失或施工大意而出現(xiàn)上浮、傾斜等事故。地下室上浮會影響結(jié)構(gòu)的正常使用及安全，如圖1所示，為地下室突然上浮后底板隆起、地下室頂板梁柱結(jié)合部位變形、隔墻拉裂變形嚴(yán)重。因此，做好抗浮設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。

圖1 地下室頂板梁柱結(jié)合部位開裂

在進(jìn)行地下室抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要扎實(shí)的專業(yè)知識，還需要豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從整體抗浮和局部抗浮兩方面入手，保證抗浮的有效性。尤其是地下水位對浮力影響較大，設(shè)計(jì)過程中需要結(jié)合實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整抗浮設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)抗浮設(shè)計(jì)作用的最大化。根據(jù)地下室抗浮設(shè)計(jì)實(shí)踐情況來看，大部分地下工程的抗浮問題通過建筑物自身重力法、抗浮灌注樁或抗浮錨桿技術(shù)解決。建筑物自身重力法主要是通過加大鋼筋混凝土內(nèi)部底板層厚度平衡地下水的內(nèi)部浮力，但在經(jīng)濟(jì)上不太合理。抗浮灌注樁大多數(shù)是采用一種人工自動挖掘鉆孔灌注樁或采用機(jī)械自動鉆孔灌注樁。灌注樁的缺點(diǎn)主要是材料造價(jià)高，需要的建筑物底板較厚?？垢″^桿在地下室的應(yīng)用，主要是將錨桿嵌入巖土體，錨桿與巖土層成為一體，達(dá)到提高結(jié)構(gòu)抗浮力的目的。由于抗浮錨桿結(jié)構(gòu)的水平間距小，地下室錨桿底板結(jié)構(gòu)可做得較薄，錨桿的結(jié)構(gòu)造價(jià)相對較低，因此，可有效節(jié)省整個(gè)抗浮錨桿結(jié)構(gòu)工程造價(jià)。近年來，抗浮錨桿憑借結(jié)構(gòu)受力合理、施工簡單及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在抗浮設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。

3 地下室抗浮錨桿工作原理與類型分析

3.1 工作原理

抗浮錨桿基本工作原理如圖2所示。

圖2 抗浮錨桿工作原理

根據(jù)阿基米德原理，建筑物基底處地下水水頭壓力超過基底荷載，將發(fā)生上浮事故。地下室設(shè)計(jì)時(shí)采用抗浮錨桿，錨固體可通過錨桿桿體與基礎(chǔ)底板牢固連接，若結(jié)構(gòu)自重?zé)o法抵抗地下水浮力，則基礎(chǔ)底板、錨固與桿體均將出現(xiàn)上移趨勢。此時(shí)，通過周圍巖土體可對錨固體進(jìn)行約束，錨桿無法有效上移，達(dá)到抗浮的效果?？垢″^桿主要有三種布置形式。

（1）建筑結(jié)構(gòu)自重與浮力差距較小時(shí)，可設(shè)計(jì)為集中點(diǎn)狀布置形式，以柱、墻下為主，底板區(qū)域布置時(shí)，需計(jì)算防水板配筋、強(qiáng)度參數(shù)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行抗浮錨桿布置。

（2）建筑結(jié)構(gòu)中梁板結(jié)構(gòu)體系自重與浮力差距較小時(shí)，可設(shè)計(jì)為集中線狀布置形式，與集中點(diǎn)狀布置相比錨桿更為集中，可有效增強(qiáng)地下室抗浮特性。

（3）建筑結(jié)構(gòu)自重與浮力差距較大時(shí)，可設(shè)計(jì)為面狀均勻布置形式，將抗浮錨桿集中布置在地下室底板以下區(qū)域。

3.2 抗浮錨桿類型

抗浮錨桿已在我國應(yīng)用30多年，在地下室、地下車庫、地下商業(yè)綜合體抗浮設(shè)計(jì)中均有抗浮錨桿的成功使用經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)不同劃分依據(jù)，可將抗浮錨桿分為多種類型。

（1）以錨固長度為劃分依據(jù)，可將抗浮錨桿分為兩種：一是集中錨固類。錨固裝置或桿體僅有一部分與錨孔壁接觸。二是全長錨固類。此類錨桿則是錨固裝置或桿體全部與錨孔壁接觸。

（2）以是否施加預(yù)應(yīng)力為劃分依據(jù)，非預(yù)應(yīng)力錨桿雖然控制變形能力較多，但是，施工更為簡單，且整體造價(jià)較低。

（3）以桿體材料為劃分依據(jù)，如鋼筋材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）。

4 實(shí)例探析地下室抗浮錨桿的設(shè)計(jì)

4.1 工程概況

本項(xiàng)目為某住宅小區(qū)工程，場地地形高差較大，共計(jì)10棟高層住宅，地上21～25層；地下2層，層高3.6m、3.5m。本工程室外場地、基底的絕對高程分別為88.60m、79.70m，抗浮設(shè)防水位85.55m，水頭高度為5.85m。此次抗浮設(shè)計(jì)等級為甲級，抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為1.1。

4.2 抗浮錨桿設(shè)計(jì)

本工程抗浮錨桿設(shè)計(jì)主要參考《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 476-2019），具體設(shè)計(jì)計(jì)算情況如下。

4.2.1 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 476-2019）中第3.0.3條對地下室整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 抗浮力匯總表

本工程的水頭高度為5.85m，浮力設(shè)計(jì)值為58.5kN/m2，而由上表可得抗力設(shè)計(jì)值為50.37kN/m2，抗浮穩(wěn)定性明顯不足，必須設(shè)置抗浮構(gòu)件。

結(jié)合上述數(shù)據(jù)，對抗浮構(gòu)件單位面積需提供的抗拔力特征值進(jìn)行計(jì)算：R=58.5×1.1-50.37=13.98kPa。同時(shí)，本工程標(biāo)準(zhǔn)柱網(wǎng)為7.8×6.25m，決定采取單個(gè)柱墩下設(shè)置2根錨桿的方案，錨桿承載力特征值為350kN。

4.2.2 地質(zhì)情況

查閱勘察報(bào)告可得，底板土層分布如下：③層粉質(zhì)黏土，硬塑，厚度3.5～4.0m；④層全風(fēng)化花崗巖；⑤層強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。分別采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、重型動力觸探試驗(yàn)，擊數(shù)為21～29擊、32～50擊。

4.2.3 抗拔承載力計(jì)算

結(jié)合本地施工經(jīng)驗(yàn)，確定錨桿直徑為180mm，經(jīng)計(jì)算確定錨桿長度10m，其中，自由段、錨固段分別為4m、6m。

4.2.4 桿體強(qiáng)度驗(yàn)算

本工程選用的是PSB1200預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋φT32，預(yù)應(yīng)力鋼筋截面面積為804mm2，屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為1 200MPa、1 000MPa，經(jīng)由計(jì)算顯示，張拉階段錨桿筋體受拉承載力為783N/mm2，處于1 000N/mm2范圍內(nèi)。

4.2.5 錨桿頂部開裂驗(yàn)算

本工程錨桿頂部開裂控制值為435N/mm2，當(dāng)預(yù)應(yīng)力錨桿張拉控制荷載取1.5倍錨桿抗拔力特征值時(shí)，需將鋼絞線的張拉控制應(yīng)力值控制在653N/mm2，以此保證錨桿安全施工與使用。

4.2.6 承載體局壓區(qū)承載力驗(yàn)算

本工程中，桿體、承載體、筋體的直徑分別為180mm、120mm、32mm，經(jīng)計(jì)算，漿體受壓凈面積為12 462mm2。參考相關(guān)規(guī)范與工程經(jīng)驗(yàn)，有側(cè)限錨固體抗壓強(qiáng)度增大系數(shù)取2.0，桿體軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為30N/mm2，經(jīng)計(jì)算可得，承載體局壓區(qū)承載力為373kN，超過單根錨桿的承載力特征值350kN。

5 結(jié)語

綜上所述，地下室抗浮設(shè)計(jì)中，抗浮錨桿是一種有效的方法，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，抗浮錨桿施工便利、進(jìn)度快、造價(jià)低廉，可有效防止地下室上浮、變形等問題出現(xiàn)。在抗浮錨桿設(shè)計(jì)中，需要對工程地質(zhì)條件、地下水分布情況等進(jìn)行綜合分析，保證抗浮錨桿方案安全適用、經(jīng)濟(jì)合理，確保建筑物整體可靠運(yùn)行。