地下室抗浮锚杆的设计与试验验证

时间：2024-08-31

邵远扬

(福建省建筑科学研究院有限责任公司福建省绿色建筑技术重点实验室福建福州 350108)

0 引言

随着我国经济的高速发展，城市化进程迅速加快，土地资源变得日益紧张，人们对地下空间的开发利用不断增多。而埋置于岩土体中的地下结构受地下水作用会产生向上的水浮力，当结构自重荷载不足以抵抗水浮力时，必须采取有效的抗浮措施以平衡过大的水浮力，才能保证地下结构的稳定与安全，否则，轻则可能引起地下结构底板局部开裂、隆起，重则可能导致建筑物整体上浮、倾斜，造成经济财产损失，甚至危及生命安全。因此，针对地下结构的抗浮问题，本文对地下室抗浮锚杆的设计与试验进行一些必要的验证研究。

1 抗浮措施介绍

地下室抗浮措施，按受力类型大致可以分为主动抗浮和被动抗浮两种。主动抗浮主要是通过排水、泄水、隔水等措施，保证地下水位维持在一定的标高以下，主动减小地下水浮力作用效应的抗浮措施[1]。由于该措施需要长期维护才能维持其有效性，后期还需要持续投入较大的监测与维护费用，方能保证达到与建筑物设计使用年限同期的抗浮效果；而被动抗浮主要是通过增大结构自重或抗浮力等措施，提高抵抗地下水浮力作用效应的抗浮措施。目前较为常用的被动抗浮措施[2-3]主要有以下3种。

1.1 压重法

压重法是指通过增加结构自重或在结构顶部或地下结构底板上增加配重(或两者结合)以满足抗浮要求的方法[1]。当抗浮力较大时，采用该方法可能造成结构使用空间损失，荷载增大导致地基发生破坏，且大大提高工程造价；当抗浮力不大时，采用该方法则施工较为简单、方便。

1.2 抗浮桩法

抗浮桩法是指当地下结构受水浮力作用导致桩顶上拔时，依靠桩身侧壁与岩土层之间的摩阻力来提供抗浮力的方法。此时桩身处于受拉状态，对于混凝土桩易造成桩身开裂腐蚀，减少使用年限。另外，采用抗浮桩法，桩间距通常较大(导致底板跨度较大)，在水浮力作用下，地下结构底板将受到较大的剪应力和弯矩作用，导致工程造价提高、施工难度增大，为防止底板破坏必须增加底板厚度及配筋量，以提高底板抵抗刚度。

1.3 抗浮锚杆法

抗浮锚杆法是指通过锚固在地基中的抗拔构件与地下结构底板共同承担水浮力的抗浮方法。其受力机理与抗浮桩类似，即地下结构受水浮力作用导致锚杆产生上拔力，该上拔力最终依靠锚固体与岩土层之间的摩阻力得以平衡抵消，从而起到抗浮效果。与其他抗浮措施比较而言，抗浮锚杆法主要具有以下优点[2-4]：首先，地层适应性较好，能很好地适用于多种地层条件；其次，施工作业面小，施工便捷高效，工期较短；再次，均匀布置时，布置间距小，单点受力较小，底板结构受力分布均匀；第四，通过锚固体注浆施工，能提高地基土的密实度，增大地基承载力，从而减小地基沉降量。

2 抗浮锚杆设计流程

抗浮锚杆的设计流程主要分以下4步：第一步，计算水浮力及上部结构自重，比较二者大小，判定是否需要进行抗浮设计；第二步，若需要抗浮设计，多余水浮力由抗浮锚杆承担，预估锚杆布置间距，计算单根锚杆的抗拔承载力；第三步，根据单根锚杆承载力选取杆体材料并推算锚固段长度；第四步，验算通过后，将锚杆均匀布置在底板构件下。

抗浮锚杆设计大致流程如图1所示。本文结合厦门某工程实例，通过设计计算与试验验证进行地下室抗浮锚杆的应用研究。

图1 抗浮锚杆设计流程

3 工程实例

3.1 工程概况

厦门某小学项目，用地面积约1990m2，总建筑面积约26 000m2，其中，地上建筑面积18 000m2，地下建筑面积8000m2。项目主要由3栋教学楼(均为5层)、1栋综合楼(2层)及1栋门卫室(1层)组成，另外在教学楼及操场以下设有1层地下室。

设计采用筏板基础，持力层为残积砂质黏性土，天然地基承载力特征值为200kPa，基础设计等级为乙级，设计标高±0.00为1985年国家黄海高程21.00m。

3.2 地质条件

根据地勘资料，地下室筏板基础位于残积砂质黏性土层上，残积砂质黏性土以下岩土层分别为全风化花岗岩、砂砾状强风化花岗岩、中风化花岗岩及微风化花岗岩。根据地勘报告，底板以下深20m范围内各岩土层设计参数如表1所示。

表1 岩土设计参数

3.3 抗浮验算

本文以操场以下纯地下室的抗浮计算为例。操场以下设有1层地下室，室内外高差-0.30m，± 0.00 相当于绝对标高 21.00m；地下室层高4.60m，顶板厚200mm，底板厚400mm，顶板上覆土厚400mm；根据地勘资料，地下室抗浮设计水位取绝对高程19.00m；地下室剖面如图 2 所示。

图2 地下室局部剖面图

(1)地下室自重计算

地下室自重计算公式如式(1)。

ΣG=24.70kN/m2

(1)

其中，ΣG为地下室单位面积自重(kN/m2)；

覆土厚400mm，自重G1=7.2kN/m2；

顶板厚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)地下室单位面积水浮力计算

地下室单位面积水浮力计算公式如式(2)。

F浮=γWh=41kN/m2

(2)

其中，F浮为地下室单位面积水浮力(kN/m2)；γW=10kN/m2；h为底板底计算水头高度，取4.1m。

因F浮>ΣG，故，该地下室应进行抗浮设计。

3.4 设计计算

综合考虑工程地质条件、水文条件及工期要求等实际情况，结合该地区类似工程抗浮经验，建议采用抗浮锚杆法进行抗浮设计。

本文涉及的抗浮锚杆设计计算及参数取值，主要依据《岩土锚杆(索)技术规程》(CECS22-2005)(以下简称《规程》)。根据表1可知，该工程基底以下土层性质良好，故，锚杆按全长粘结拉力型设计。

3.4.1锚杆间距

由于地下室柱网间距多为 8.4m，取其1/3为锚杆间距，即2.8m。锚杆采用正方形网格形式，均匀布置在底板上，如图 3 所示。

3.4.2杆体截面积

(1)单根锚杆抗拔承载力标准值

Ntk=A×(F浮-0.9∑G)=147.2kN

(取Ntk=150kN)

(3)

式(3)中：

Ntk为锚杆轴向拉力标准值(kN)；

A为单根锚杆承担的地下室抗浮面积(m2)；

A=2.8×2.8=7.48m2；故，该工程永久荷载影响系数取0.9。

(2)单根锚杆抗拔承载力设计值

Nt=γqNtk=195kN

(4)

式(4)中：

Nt为锚杆轴向拉力设计值(kN)；γq为荷载分项系数，取1.3。

(3)锚杆杆体截面面积计算

(5)

式(5)中：

As为锚杆杆体截面面积(mm2)；

Kt为锚杆杆体的抗拉安全系数，按《规程》[6]表7.3.2取2.2；fyk为钢筋的抗拉强度标准值，三级钢取360N/mm2。

3.4.3锚固段长度

根据锚杆杆体的配筋情况，结合地层条件及以往设计经验，取锚杆锚固段钻孔直径D=150mm。锚固段长度按式(6)(7)估算，并按二者的较大值取值。

(6)

(7)

综上，取La=10m。

式中：

K为锚杆锚固体的抗拔安全系数，按《规程》[6]表7.3.1选取，为2.2；Nt为195kN；D为锚杆锚固段的钻孔直径(mm)，取150mm；

d为钢筋直径(mm)，为28mm；

ξ为多钢筋界面的粘结强度降低系数，取0.80；

fmg为锚固段注浆体与地层间的粘结强度标准值(kPa)，取65×1.5=97.5kPa；

fms为锚固段注浆体与筋体间的粘结强度标准值(kPa)，按《规程》[6]表7.5.1-3 取值，取2000kPa；

φ为锚固长度对粘结强度的影响系数，按《规程》[6]表7.5.2加权平均后取1.3；

n为钢筋根数，n=2。

3.4.4注浆设计

注浆采用水泥标号为R42.5的普通硅酸盐水泥。第一次注浆采用灰砂比为1∶0.5～1∶1的水泥砂浆，砂浆强度为M30，掺入微膨胀剂，注浆压力应≥1.0MPa；第二次注浆采用水灰比为0.45～0.50纯水泥浆，注浆压力≥2.5MPa，并在第一次注浆形成的水泥注浆体强度达到5.0MPa后进行，稳压注浆时间不少于2min，直到注不进浆液为止。

综上，该工程抗浮锚杆主要设计参数分别为：

①锚杆间距为2.8m×2.8m；

③锚杆锚固段的钻孔直径为150mm；

④抗拔承载力标准值为150kN；

⑤锚固段长度为10.0m。

4 抗浮锚杆基本试验

4.1 试验目的

由于岩土参数的不确定性及复杂性，在锚杆大面积施工前，试打3根锚杆进行基本试验，以此确定锚固体与岩土体的实际摩阻强度，并验证设计参数的合理性及施工工艺的可靠性，为大面积施工提供依据[1]。

4.2 试验方法

4.2.1试验荷载

锚杆基本试验最大试验荷载不超过锚杆杆体极限承载力的0.8倍，即0.8Asfstk=0.8×1230.9mm2×540N/mm2=531.7kN，故，取最大试验荷载N=530kN。

4.2.2仪器设备

(1)加载装置：100T穿心式千斤顶1个，电动加压油泵1台，油管2条。

(2)反力装置：工字钢梁2条，反力钢板1块。

(3)测量装置：百分表2只，压力表1个，测量支架1副。

4.2.3加载方式

基本试验采用多循环加载法[6]，加载分级和锚头位移观测时间如表2所示。

表2 多循环加载试验的加载分级与观测时间

4.3 试验结果

编号分别为MG-1#、MG-2#的2根锚杆，在试验过程中均未出现后一级荷载产生的位移增量达到或超过前一级荷载产生的位移增量2 倍的现象，在最大试验荷载(530kN)作用下，锚头位移均能收敛，试验进展顺利，未出现异常现象，表明这2根锚杆均未达到极限承载状态，故，取最大试验荷载为锚杆极限抗拔承载力。其中，MG-1#的荷载-弹性(塑性)位移曲线及荷载-位移曲线分别如图4～图5所示。

编号为MG-3#的这根锚杆在最大试验荷载(530kN)作用下，锚头位移迅速陡增，该级产生的位移增量15.68*mm(非稳定位移增量)超过前一级荷载产生的位移增量1.52mm的2倍，且荷载无法维持，锚杆拔出破坏。故，锚杆极限抗拔承载力取破坏荷载的前一级荷载，即398kN；MG-3#的荷载-弹性(塑性)位移曲线及荷载-位移曲线，分别如图6～图7所示。

图4 锚杆荷载-弹性(塑性)位移曲线

图5 锚杆荷载-位移曲线

图6 锚杆荷载-弹性(塑性)位移曲线

图7 锚杆荷载-位移曲线

经试验而知，试打的3根锚杆极限抗拔承载力均大于1.5倍锚杆轴向拉力设计值(轴向拉力设计值为195kN)，且在极限抗拔承载力作用下，锚杆的弹塑性位移均相对较小，满足设计要求。故，采用以上设计参数及施工工艺可进行大面积施工。基本试验结果如表3所示。

表3 基本试验结果汇总表

4.4 试验技术要点

4.4.1龄期

从前文锚杆锚固段长度计算分析可知，土层锚杆承载力实际上主要取决于锚固体与岩土体之间的摩阻力，而非注浆体与杆体之间的握裹力。因此试验时为保证锚固体强度达到规范要求，避免试验时出现注浆体与杆体之间的脱离破坏先于锚固体与岩土体之间的剪切破坏的情况，导致无法达到试验目的，本试验按照文献[7]规范要求将锚杆在锚固体强度达到15MPa或达到设计强度75%后进行试验。

4.4.2预张拉要求

根据以往试验经验，锚杆在施工过程或试验设备安装过程往往会导致地面以上部分的锚杆发生局部弯曲变形，试验时，该变形对锚头位移的准确测读造成严重干扰，因此，为了排除干扰，确保锚头位移测量的准确性，本试验在正式试验前，先对锚杆预张拉1～2次，张拉荷载取最大试验荷载的10%～20%，使之恢复顺直。

4.4.3千斤顶安装要求

①调整并稳固好千斤顶反力钢板，使之垂直于锚杆的杆体方向，保证拉拔方向与锚杆的杆体方向一致，避免二者形成夹角，造成千斤顶施加的荷载不能全部作用在锚杆上；

②针对全长粘结型的抗浮锚杆拉拔试验时，千斤顶底部不直接作用在锚固体上，必须通过架设工字钢梁或枕木预留锚固体被拔出的所需位移空间，防止千斤顶直接作用在锚固体上，导致试验结果无效，因为实测的是杆体与注浆体之间的握裹力。

4.4.4位移计安装要求

①将基准梁(测量支架)的架设独立于锚杆拉拔的影响区域以外，确保测得的位移数据能真实反映锚杆位移；

②位移计安装前，先在锚头附近固定(常用焊接)一片与其锚杆轴线垂直的小铁片，然后将位移计针杆垂直于铁片安装，保证位移计的测读量即为锚杆拉拔的伸缩量。