抗浮錨桿的設計及其在地下工程中的應用

劉家國

（深圳地質建設工程公司，廣東 深圳 518023）

0 引言

近年來，城市高層建筑如雨后春筍拔地而起，地下空間的開發利用相伴而生，地下車庫、人防工程日益增多，地下室的埋深也越來越深，地下水對地下結構產生的浮力不容忽視，若地下結構及上部建筑物的自重小于浮力，會引起地下結構的上浮，導致底板開裂、結構破壞等事故，將直接影響到地下結構的正常使用與安全。因此應對建筑物的抗浮設計引起足夠的重視，需采取必要的抗浮工程措施來平衡地下水對建筑物的上浮力。

1 工程實例

深圳某地下車庫及文化廣場綜合整治工程中地下室±0.00m相當于絕對標高3.00m，地下室底板面相對標高為-4.80m，底板厚度為0.35m，標準板跨為8.5m×8.1m，地上無建筑物，地下車庫完工后，地面用作文化綜合廣場。原設計采用預應力管樁進行抗浮，但因受到罕見的臺風暴雨影響，導致已施工完成并回填后的地下室周邊排水不暢，出現地下室部分上浮、開裂，柱網間底板均出現45°裂縫，裂縫寬度為2~5mm，底板出現龜背型的翹曲，最大隆起量達350mm，原有的防水層已明顯破壞，底板大量滲水，地下室根本無法使用，需對地下室進行抗浮處理。抗浮設計水位取室外地面以上300mm，即絕對標高3.3m，因大部分管樁已產生大變形，其可能發揮的抗拔作用十分有限并無法定量確定，不再考慮原有管樁的抗浮作用。

2 底板抗浮設計控制荷載計算

2.1 地下水浮力

合理、可靠、準確地確定場地的地下水位是抗浮設計是否成功的前提，一般是按建筑物在施工和使用期間可能出現的最高水位來考慮。如果結構荷載大于地下水浮力，這時僅考慮施工期間的臨時抗浮，通常可通過臨時降排水來保障其抗浮穩定，抗浮水位可考慮一個水文年的最高水位；若結構荷載小于地下水浮力，則地下水是一個永久的荷載作用，可按50年一遇水位設計，特殊的建筑物按100年一遇水位進行設計。當巖土工程勘察報告中未提供潛水的最高預測水位或提供的設防水位與實際可能有出入時，宜根據《建筑地基基礎設計規范》（DB J15-31-2016）規定，一般地區可以取室外地坪標高作為設防水位。

該工程按抗浮不利位置軸線13～16/D～J相交范圍計算，面積為1032.75m2。底板底標高為-2.15m，抗浮設計水位標高3.30m，抗浮設計水頭為5.45m。依據《建筑地基基礎設計規范》（DB J15-31-2016）第5.2.1條規定計算水浮力：

fk= 1.05×5.45×10 = 57.23kN/m2

2.2 結構自重

2.2.1 方法一（簡化計算）

地下室頂板厚0.18m，自重為0.18×25 = 4.50kN/m2；

地下室頂板梁折算板厚（以8.1m×8.5m標準板跨計）：

自重為0.118×25 = 2.95kN/m2；

頂板頂棚砂漿粉刷層厚0.012m，自重為0.012×20 = 0.24kN/m2；

地下室底板地梁折算板厚(以8.1m×8.5m 標準板跨計)：

自重為0.055×25 = 1.375kN/m2;

柱折算板厚:0.5×0.5×(4.6 - 1.0)/(8.5×8.1)=0.013m;

自重為0.013×26 = 0.338kN/m2;

底板0.35m厚，自重為0.35×25 = 8.75kN/m2；

底板上200～500mm厚素混凝土澆筑層（1%找坡），按平均值（200+500）/2=350mm計算，自重為0.35×24 =8.40kN/m2；

頂板上廣場層（950mm厚）自重包括：

人造草皮厚0.015m，忽略其自重；

壓實砂夾石層自重為0.585m×18 = 10.53kN/m2；

C25素混凝土層自重為0.35m×24 = 8.40kN/m2；

兩樁承臺（尺寸2m×0.8m×1.5m）自重為

樁長19m的PHCΦ400×95預應力管樁自重為：

則結構自重為gk=4.50+2.95+0.24+1.375+0.338+8.75+8.40+10.53+8.40+0.67+0.75=46.903kN/m2；

2.2.2 方法二（詳細計算）

根據建筑設計提供的結構自重豎向荷載標準值，計算求得D～J/13～16軸區域總的自重為35010kN，該區域面積為1032.75m2。

2.3 抗浮設計控制荷載計算

取上述兩種方法結構自重之小值。

水浮力fk= 51.5kN/m2；

結構自重gk= 33.90kN/m2；

抗浮設計控制荷載為：51.5 - 33.9 = 17.6kN/m2。

2.4 抗浮錨桿的布置方式

2.4.1 點狀布置

一般布置在柱下。可以充分利用上部結構傳來的豎向力來平衡掉一部分水浮力；地下室底板下的外防水施工比較方便；但由于錨桿間距較大，單根錨桿要求的錨固力較高，地下水對底板產生的跨中彎矩較大，地下室底板中的梁板配筋也相應較大；一般適用于硬質基巖。

2.4.2 線狀布置

一般布置于地下室底板梁下。其受力相比點狀布置合理一些，與點狀布置的優缺點基本相同。

2.4.3 均勻布置

在地下室底板下均勻布置，適用于所有巖土體；地下室底板和梁配筋較小，但由于錨桿布置相對分散，會對地下室底板下的外防水施工帶來一定的影響。因該工程的地下室已施工完成，僅能在底板柱網間布置，因此采用均勻的方式布置抗浮錨桿。

2.5 抗浮計算

包括整體抗浮和局部抗浮，整體抗浮是指整個地下室需滿足結構自重與地下水浮力的靜力平衡；對于局部抗浮，需驗算各板跨豎向荷載與其所受到浮力的平衡。在抗浮驗算當中，一般按照安全系數法進行驗算，即：

式中：

F——地下水對地下室的浮力標準值；

G——結構自身重量及上部永久荷載標準值之和；

K——抗浮安全系數。

除對地下室進行抗浮驗算外，還應對地下室底板進行承載力驗算。

3 抗浮錨桿的設計與單根錨桿抗拔承載力特征值的計算

對于抗浮錨桿的設計，可參考《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）及《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330-2013)、《巖土錨桿（索）技術規程》（CECS 22-2018）中相關錨桿部分的條文及構造做法和規定，并對錨桿錨固長度進行估算，對于錨桿抗拔承載力特征值應通過現場基本試驗結果來確定，其主要目的是驗證錨固體與地層的黏結強度特征值，并對其進行復核。

錨桿抗拔承載力特征值現場試驗時一般為單根錨桿加載，未考慮錨桿間距影響。如果抗浮錨桿間距較密，需考慮群錨效應的影響，對其進行折減[1-5]。

抗浮錨桿的抗拔力應同時滿足材料強度和水泥漿黏結強度的要求，根據多個工程設計施工經驗，單根錨桿抗拔承載力特征值一般控制在300~350kN較為合適。錨桿成孔直徑為150mm。依據《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）第8.6.3條，單根錨桿抗拔承載力特征值Rt可按下式計算：

式中：

d1——錨桿孔直徑，取0.15m；

l——錨桿的有效錨固長度；

f——水泥漿與土體間的黏結強度特征值，可根據巖土工程勘察報告并結合類似工程經驗取值。

單根錨桿（錨桿總長25m，錨固段20m）抗拔承載力特征值Rt選取為300kN。錨桿正式大面積施工前，在現場選擇有代表性的部位進行試驗性抗浮錨桿施工，并進行抗拔力檢驗，以確定設計的參數選取是否合理，必要時需做相應的設計調整。

根據《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2013），錨桿鋼筋截面積應滿足下式要求：

式中：

r0——工程重要性系數，取1.0；

Na——錨桿軸向拉力設計值，Na= 1.3Nak=1.3×300=390kN；

ξ2——錨筋抗拉工作條件系數，永久性錨桿取0.69；

fy——錨筋抗拉強度設計值，選用1860級鋼絞線（因地下室已施工完成，選用預應力錨索便于錨桿安裝施工），取1320000kPa。

則As≥r0Na/(ξ2fy)

= 390/(0.69×1320000)=0.0004282m2=428.2mm2

選用4×7Φ5鋼絞線，As= 3×615.3 = 549.5mm2，滿足設計要求。

3.1 抗浮錨桿根數計算

單跨底板設計控制荷載為1.3×8.5×8.1×17.6 =1575.3kN；單跨底板抗浮錨桿根數為1575.3÷300 = 5.25根（取6 根）；該地下室總共有46 跨需處理，錨桿總根數276根。

3.2 錨桿與底板的連接構造措施

由于錨桿鋼絞線需穿過底板外防水，應有防水措施；注漿體中應加入適當的微膨脹劑，防止形成地下水的滲透通道；鋼絞線的錨固及與底板的連接需滿足現行相關規范的要求[6]。

4 預應力錨索施工

4.1 施工方法及技術措施

4.1.1 成孔

錨索成孔：鉆機就位后，按設計角度和孔徑鉆至超過設計深度0.5m，遇淤泥層及砂層等易塌孔土層，跟管鉆進施工。

4.1.2 錨索制作與安裝

錨索自由段刷瀝青船底漆兩道、涂鈣基潤滑脂后裹塑料布兩層，然后套波紋塑料管，套管兩端200mm范圍充填黃油，并用工程膠布將兩端扎緊，使之與錨索注漿體分離。

4.1.3 清孔

連接注漿管，用注漿泵通過向孔內泵送大量的清水，將孔內的泥漿及沉渣沖出孔外，直至孔口返出清水。

4.1.4 注漿

錨索采用二次高壓注漿工藝，注漿體強度等級為M30。第一次錨索注漿材料為水泥漿，水泥選用42.5R普通硅酸鹽水泥，為提高漿體早期強度，在漿液中摻入水泥重量0.3‰的三乙醇胺作早強劑，注漿壓力為0.4～0.6MPa。

一次注漿結束后3～5h，進行二次高壓注漿，注漿壓力為2.5～3MPa。

4.1.5 預應力錨索張拉鎖定

待錨索錨固體達到100%設計強度（約20d）后方可進行張拉鎖定。張拉設備采用YCJ-100穿心式液壓千斤頂，施工前應進行測試標定后方可使用。張拉至設計荷載1.1倍后觀察15min，穩定后卸荷，卸下工作錨具、夾片，安裝鎖定錨夾，重新張拉至鎖定值。張拉結束后，用紅油漆涂抹鎖定錨夾與錨桿交接處，若發現油漆錯裂較大，即需進行預應力補償張拉。

4.2 質量控制

（1）在土質較差的土層中，施工中采用套管跟進護壁成孔。

（2）嚴格按設計的水泥漿配合比制備水泥漿，不能存在小團粒，且必須用篩網過濾以防堵塞漿泵。

（3）加強注漿設備的維修保養，專人負責，每次注漿完畢后，必須全部清洗檢修一次，確保設備完好，保證施工順利進行。

（4）錨索灌漿前，必須保證洗孔質量，孔內要流出清水方為合格，以免孔中泥漿過多影響水泥漿的強度。

4.3 預應力錨索檢測

抗浮錨桿檢測依據《建筑地基基礎檢測規范》（DB/T J15-60-2019）[7]進行，最大試驗荷載不小于設計要求的抗拔承載力特征值的2.0 倍，抽檢數量不少于錨桿總數的5%。對14根錨索進行檢測，結果均達到了設計的抗拔承載力特征值，表明設計參數的選取合理且施工工藝滿足設計及規范的要求。

5 地下室豎向位移監測

在抗浮錨桿施工期間及完成后的兩年內對地下室進行了豎向位移監測，監測數據表明：錨桿施工期間，雖然錨孔有釋放地下水和降低地下水位的作用，但并未完全消散地下水頭，地下室仍有約1.5mm的上浮；錨桿全部張拉鎖定并封堵錨頭后，地下室停止了上浮，尤其是經歷了臺風造成的集中降雨，也未對地下室造成任何影響。監測數據表明，抗浮錨桿的作用是有效和安全的。

6 結束語

在已施工完成、出現上浮破壞的地下室中，增加抗浮錨桿，并施加適當的預應力，對地下室底板錨桿開孔周圍做好防水處理及錨頭防銹措施，使地下室底板的上浮得到了很好地控制。經過連續多年的監測資料反饋，抗浮錨桿施工完成后，地下結構不再有上浮，表明抗浮錨桿發揮了十分關鍵和作用。