成都某工程項目抗浮錨桿計算方法探討

牛亞平

(成都市建工科學(xué)研究設(shè)計院，四川成都610059)

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，高層建筑越來越多。大多高層建筑多采用高層塔樓帶大底盤地下室的建筑形式，在地下水水位較高的場地，無上部高層結(jié)構(gòu)的純地下室部分就存在抗浮問題。成都地區(qū)卵石地層富含地下水，且地下水位較高，現(xiàn)階段抗浮錨桿為主要解決抗浮問題的途徑，近幾年來由于其造價低廉、施工方便、受力合理等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。

但目前有關(guān)抗浮錨桿的國家、行業(yè)或地方的專項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺，在抗浮錨桿的設(shè)計過程中大多參照邊坡、基坑中的抗拔錨桿等相關(guān)規(guī)范，導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果不盡相同。本文通過對抗浮錨桿的承載機(jī)理進(jìn)行簡要分析，再結(jié)合成都地區(qū)常用的三種規(guī)范分別對抗浮錨桿的錨桿截面積及錨固段長度進(jìn)行計算，對計算結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)分析，為今后成都地區(qū)抗浮錨桿設(shè)計提出些許建議。

1 抗浮錨桿的承載機(jī)理淺析

抗浮錨桿是從抗浮樁的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，如無特殊要求，一般為普通型錨桿，不施加預(yù)應(yīng)力。抗浮錨桿兩端分別與建筑物和巖土層相連接，形成一個土體加固的桿件體系系統(tǒng)。抗浮錨桿的抗拔承載機(jī)理同其它抗拔錨桿基本上是一致的，當(dāng)錨桿在地下水浮力的作用下，巖土體和水泥砂漿之間會產(chǎn)生摩擦阻力，同時在水泥砂漿與錨桿桿體鋼筋之間會產(chǎn)生握裹力，以錨桿的錨固力來平衡地下水的浮力。

2 抗浮錨桿工程項目算例

目前成都地區(qū)在進(jìn)行卵石層的抗浮錨桿設(shè)計時經(jīng)常參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為CECS 22：2005《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》、GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》、GB 50086-2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》。

2.1 工程概況

成都某項目共分為A、B及沿河地塊三個區(qū)塊，主要修建高層住宅樓及多層商業(yè)，均設(shè)置2層地下室，高層擬采用剪力墻結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)；多層商業(yè)及純地下室擬采用框架結(jié)構(gòu)，獨立基礎(chǔ)，總用地面積100余畝。其中B區(qū)三、四期項目場地地下水主要為賦存于第四系砂卵石層中，抗浮設(shè)計水位標(biāo)高可按523.50 m考慮。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)要求，去除獨立基礎(chǔ)面積外抗浮錨桿抗浮力標(biāo)準(zhǔn)值為40.7 kN/m2。

2.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.2.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地勘報告，該項目場地地層結(jié)構(gòu)主要由第四系土層主要由全新統(tǒng)人工堆填()素填土、沖洪積層()粉土、細(xì)砂、中砂及砂卵石層等組成，現(xiàn)簡述如下：

巖土層與錨固體的極限粘結(jié)強(qiáng)度見表1。

表1 巖土層與錨固體極限粘結(jié)強(qiáng)度

2.2.2 水文地質(zhì)條件

場地地下水主要為賦存于第四系砂卵石層中的孔隙型潛水，受地下徑流、大氣降水補(bǔ)給；排泄方式以地面蒸發(fā)、地下徑流為主。

2.3 不同方法的計算過程

該項目抗浮錨桿為永久性錨桿，結(jié)合成都地區(qū)眾多類似抗浮工程經(jīng)驗，錨桿鉆孔直徑采用φ150 mm；根據(jù)地勘資料，選取場地內(nèi)最不利鉆孔進(jìn)行設(shè)計，巖土層與錨固體極限粘結(jié)強(qiáng)度綜合取值200 kPa；抗浮錨桿一般在場地內(nèi)呈矩陣方格網(wǎng)格狀布置，間距多選取1.5～4.0 m之間，本次抗浮錨桿間距擬按2.3 m布置，則單根錨桿抗浮力標(biāo)準(zhǔn)值為：

單根錨桿抗浮力設(shè)計值為：1.35×單根抗浮錨桿抗浮力標(biāo)準(zhǔn)值，為290.66 kN。

2.3.1 巖土錨桿(索）技術(shù)規(guī)程

依據(jù)CECS22：2005《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》，則抗浮錨桿桿體的截面面積為：

取Kt=1.6，Nt=290.66kN，fyk=500MPa，計算得：

As=930.1mm2，則取3根HRB500直徑20 mm的鋼筋，實配筋面積942 mm2。

式中：As為鋼錨桿桿體的截面積，Kt為錨桿桿體的抗拉安全系數(shù)，Nt為錨桿軸向拉力設(shè)計值，fyk為鋼筋的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

抗浮錨桿錨固段長度按下式估算，并取其中較大值：

取K=2.2，Nt=290.66kN，D=0.15m，fmg=200kPa，Ψ=1.3，n=3，d=0.2，ξ=0.6，fms=2400kPa，計算得：La1=5.22m，La2=0.18m，因La1＞La2，則抗浮錨桿的錨固段為5.22 m。

式中：K為錨桿錨固體的抗拔安全系數(shù)；Nt為錨桿軸向拉力設(shè)計值；La為錨桿錨固段長度；fmg為錨固段與地層間的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；fms為錨固段注漿體與筋體的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；D為錨桿錨固段的鉆孔直徑；d為鋼筋的直徑；ξ為界面的粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)；Ψ為錨固長度對粘結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)；n為鋼筋根數(shù)。

2.3.2 建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范

依據(jù)GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，則抗浮錨桿桿體的截面面積為：

取Kb=2.2，Nak=215.3kN，fy=435MPa，計算得：As=1088.9mm2，則取3根HRB500直徑22 mm的鋼筋，實配筋面積1 140 mm2。

式中：As為錨桿鋼筋截面面積；Nak為標(biāo)準(zhǔn)組合時錨桿所受軸向拉力；fy為普通鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值；Kb為錨桿桿體的抗拉安全系數(shù)。

抗浮錨桿錨固段長度按下式進(jìn)行計算，并取其中較大值：

取K=2.6，Nak=215.30kN，D=0.15m，frbk=200kPa，n=3，d=0.22，fb=2400kPa，計算得：

la1=5.94m，la2=0.11m，因la1＞la2，則抗浮錨桿的錨固段5.94 m。

式中：K為錨桿錨固體抗拔安全系數(shù)；la為錨桿錨固段長度；frbk為巖土層與錨固體極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；fb為鋼筋與錨固砂漿間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值；D為錨桿錨固段鉆孔直徑；d為錨筋直徑；n為桿體(鋼筋)根數(shù)。

2.3.3 巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范

依據(jù)GB 50086-2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》，則單根錨桿的拉力設(shè)計值：

Nd=1.35γwNk，γw=1.1，Nk=215.30kN，計算得：

Nd=319.72kN

式中：Nd為錨桿拉力設(shè)計值；Nk為錨桿拉力標(biāo)準(zhǔn)值；γw為工作條件系數(shù)。

則抗浮錨桿錨筋截面積為：

As≥Nd/fy，Nd=319.72kN，fy=435MPa，計算得：

As=735.0mm2，則取3根HRB500直徑18 mm的鋼筋，實際配筋面積763 mm2。

式中：As為錨筋截面積；fy為普通鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。

抗浮錨桿錨固段長度按下式計算，應(yīng)取其中的較大值：

K=2.2，Nd=319.72kN，D=0.15m，fmg=200kPa，n=3，d=0.18，f′ms=900kPa， Ψ =1.3， ξ=0.7，計算得：

La1=5.74m，La2=0.30m，因La1＞La2，則抗浮錨桿的錨固段為5.74 m。

式中：Nd為錨桿拉力設(shè)計值；La為錨固段長度；fmg為錨固段注漿體與地層間極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；f′ms為錨固段注漿體與筋體間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值；D為錨桿錨固段鉆孔直徑；d為錨桿鋼筋直徑；K為錨桿段注漿體與地層間的粘結(jié)抗拔安全系數(shù)；ξ為界面粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)；ψ為錨固段長度對極限粘結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)；n為鋼筋根數(shù)。

3 計算結(jié)果比較分析

3.1 計算結(jié)果整理

在成都地區(qū)抗浮錨桿驗收試驗一般依據(jù)《四川省建筑地基基礎(chǔ)檢測技術(shù)規(guī)程》相關(guān)條文進(jìn)行，抗浮錨桿驗收試驗最大試驗荷載取錨桿軸向拉力設(shè)計值的1.5倍。在實際設(shè)計過程中，一些方案會考慮該條時計算所得的錨桿截面積。

將《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》、《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》、《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》三種規(guī)范計算所得錨桿截面積和錨固段長度，同時考慮《四川省建筑地基基礎(chǔ)檢測技術(shù)規(guī)程》中驗收試驗相關(guān)規(guī)定計算所得錨桿桿體截面積和錨固段長度如表2所示。

從表2中可以看出，建筑邊坡規(guī)范計算所得的錨桿截面積最大，錨桿(索)規(guī)程次之，噴射混凝土技術(shù)規(guī)范最??；當(dāng)考慮四川省地基檢測規(guī)程程中驗收試驗中最大加載量為1.5倍的錨桿抗拔承載力設(shè)計值這一條對抗浮錨桿桿體截面進(jìn)行計算時，與未考慮該條配筋面積相差50%；建筑邊坡規(guī)范計算所得的錨固段長度最大，噴射混凝土技術(shù)規(guī)范次之，錨桿(索)規(guī)程最小。

表2 抗浮錨桿桿體配筋截面積和錨固段長度計算結(jié)果

3.2 計算結(jié)果分析

結(jié)合同一工程項目，對抗浮錨桿三種計算方法所得不同的錨桿截面積和錨固段長度的原因進(jìn)行分析：

(1)在抗浮錨桿桿體截面積的計算過程中，錨桿軸向拉力建筑邊坡技術(shù)規(guī)范采用標(biāo)準(zhǔn)值，其余規(guī)范均采用設(shè)計值，但噴射混凝土技術(shù)規(guī)范采用的設(shè)計值為基本組合設(shè)計值(荷載分項系數(shù)1.35×標(biāo)準(zhǔn)值)再乘以一工作條件系數(shù)(1.1)，較錨桿(索)規(guī)程偏大；鋼筋的抗拉強(qiáng)度錨桿(索)規(guī)程采用標(biāo)準(zhǔn)值，其余規(guī)范均采用設(shè)計值；錨桿桿體的抗拉安全系數(shù)建筑邊坡規(guī)范采用值最大，錨桿(索)規(guī)程次之，噴射混凝土技術(shù)規(guī)范計算式未包含安全系數(shù)。

(2)在抗浮錨桿錨固段長度的計算過程中，三種規(guī)范錨固段長度均取錨固體與巖土體之間錨固長度和錨桿桿體與砂漿錨固長度二者之中的大值；錨桿軸向拉力取值同計算錨桿截面積；錨固段的抗拔安全系數(shù)建筑邊坡技術(shù)規(guī)范采用值最大，其余規(guī)范相同；建筑邊坡技術(shù)規(guī)范未考慮界面粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)及錨固段長度對極限粘結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)；計算所得錨桿截面積導(dǎo)致錨桿配筋不同，鋼筋直徑隨之不同；錨桿(索)規(guī)程界面粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)取值較噴射混凝土技術(shù)規(guī)范偏小，錨桿(索)規(guī)程錨固段注漿體與筋體間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計值取值較噴射混凝土技術(shù)規(guī)范偏大。

4 抗浮錨桿抗拔效果分析

該項目抗浮錨桿實際參照《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》相關(guān)條文進(jìn)行設(shè)計，在計算錨桿截面積時未考慮四川省地基檢測規(guī)程中驗收試驗中最大加載量為1.5倍的錨桿抗拔承載力設(shè)計值這一條(圖1)。

圖1 抗浮錨桿桿體結(jié)構(gòu)圖大樣示意

對該項目部分區(qū)域的抗浮錨桿工程進(jìn)行了驗收試驗，在最大試驗荷載443 kN(1.5倍抗拔力設(shè)計值)的作用下，錨桿桿體位移量僅為2.65～4.43 mm，變形極小，抗拔力設(shè)計值均滿足設(shè)計值290.66 kN的要求。

5 結(jié)束語

(1)該工程項目選擇錨索規(guī)程計算得出的錨桿截面面積、錨固長度，應(yīng)用工程后錨桿抗拔效果較為理想，較其他兩種規(guī)范更為經(jīng)濟(jì)合理，再若考慮1.5倍設(shè)計值進(jìn)行配筋顯得過于保守了。

(2)設(shè)計階段應(yīng)錨桿的基本試驗，確定錨桿的極限承載力和錨桿參數(shù)合理性，提供設(shè)計依據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。

(3)針對不同工程項目特點，選擇相適宜的設(shè)計規(guī)范，提出安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計方案。