抗浮錨桿在高水位地基中的應用

張偉

（中鐵十六局集團城市建設發(fā)展有限公司，北京 100018）

0 引言

在深基坑施工中，抗浮錨桿的應用越來越多，抗浮錨桿在地基中的使用取決于抗浮設計水位，抗浮設計水位是根據(jù)滲流計算得出的。滲流計算模型的建立取決于場區(qū)地層分布條件和地下水分布特征，抗浮錨桿承受的是拉力，也稱為抗拔樁。通過設置抗浮錨桿主要是為了抵消水浮力產(chǎn)生的不利影響，保證地下室的安全[1]。

抗浮樁在國內采用的初期樁型與普通工程樁相同，但該種樁型效果不好，抗浮樁的抗拔能力和樁身強度得不到充分發(fā)揮，且在基礎上的布置間距大，導致樁抗拔力大，與之匹配的是加厚底板以抵抗水壓力產(chǎn)生的彎矩，經(jīng)濟性不好。抗浮錨桿的布置靈活且抗拔力能充分發(fā)揮，這樣基礎底板的厚度可以減少，且底板所受到的附加應力較均勻[2]。

1 工程概況

擬建工程場區(qū)位于鎮(zhèn)遠縣中心人民醫(yī)院西側，基坑面積約為1800m2，地下二層，主摟內設核心筒結構，采用筏板基礎，基坑內地下水埋深為12.5m，地下二層的底板底標高分別為-11.90m、-12.0m、-11.40m不等。本工程底板區(qū)域設置直徑200mm的抗浮錨桿106根。

2 抗浮錨桿設計依據(jù)

2.1 水位分析

根據(jù)貴州省勘察設計研究院有限公司提供的《鎮(zhèn)遠縣中心人民醫(yī)院內科病房樓項目巖土工程勘察報告》，該項目的基礎位于相對隔水層中，隔水層位于兩層層間含水層之間，兩層層間水遠期最高水位影響建筑抗浮設計水位[3]。各層地下水之間存在滲流聯(lián)系，根據(jù)滲流理論，場區(qū)內的臺地潛水和承壓水有升高的可能[4]。

本工程建筑抗浮設計水位的建議值是通過滲流計算、分析得出的，底板產(chǎn)生較大內力是在水浮力較大時產(chǎn)生的，理論上，上部結構的不均勻變形不是水浮力能引起的，上浮過大的情況下仍然會對結構造成一定的影響于結構適用性方面。

2.2 錨桿設計

常用的錨桿設計方法中可變荷載是地下水浮力，永久荷載是地下室自重及地面回填土壓力，最不利荷載組合的確定是根據(jù)荷載效應組合的設計值，既抗浮錨桿承受的荷載qf為：

式中：f 為水浮力；G 為上部結構自重；γQ為可變荷載分項系數(shù)；γG為永久荷載分項系數(shù)。

所需錨桿數(shù)量的計算是錨桿承擔的力除以單根錨桿的承載力，錨桿承擔的力可以理解為水浮力減去一定的荷載，錨桿受力均勻。

2.3 整體模型的構成

減小底板的變形和內力，是通過合理的布置錨桿，一部分水浮力被錨桿承擔了。上部結構重量、結構剛度與錨桿的受力有關。用有限元模型計算分析既可以體現(xiàn)底板變形的特點，也可以體現(xiàn)錨桿受力的不均勻性。上部結構、樁、底板、錨桿組成整體計算模型，上部結構模型應與設計上部結構時的模型一致。即整體計算方法是一種可為工程設計方便采用的結構抗浮計算方法。

樁頂或柱底按照現(xiàn)在常用的底板抗浮計算簡化為固定支座，認為錨桿受力均勻且充分發(fā)揮了自身的抗浮能力。

整體計算模型中錨桿線剛度是需確定的主要參數(shù)之一。拉力作用到錨桿頂部，通過摩擦作用逐漸傳遞到周圍土體，沿著錨桿的深度方向土的摩擦作用越大，逐漸減小的是錨桿的軸力。土的摩擦作用下需合理設置錨桿的剛度。5.30m是場區(qū)內臺地潛水的遠期最高水位，地基土層中的豎向水壓力分布地見圖1，為了計算本工程的抗浮設計水位標高，在場區(qū)內選擇三個基底標高作為計算的依據(jù)，從而得出基底處最大水壓力，相應的等效水位標高為17.10m、18.40m、17.69m，綜上數(shù)據(jù)分析再結合地下水位動態(tài)變化規(guī)律、動態(tài)變化因素可得抗浮設計水位為18.20m。

圖1 場區(qū)豎向水壓力分布預測曲線圖

2.4 錨桿長度的確定

設計院根據(jù)地勘單位提供的抗浮設計水位、地勘報告和現(xiàn)場實際情況，得出抗浮錨桿的參數(shù)為錨桿孔徑200mm、錨桿桿體采用3根?25的HRB400鋼筋、注漿材料使用強度M30的水泥素漿、錨桿的抗拔承載力270KN。

錨桿錨固長度計算依據(jù)《巖土錨桿（索）技術規(guī)程》中的公式進行，該公式如下：

公式中的La表示的是錨桿錨固段長度；K表示的是錨桿錨固體的抗拔安全系數(shù)，取2.0；Nt表示的是錨桿或單元錨桿的軸向拉力設計值，取值為270KN；D 表示的是錨桿錨固段的鉆孔直徑，取值200mm；fmg錨固段注漿體與地層間的粘結強度標準值（kPa），根據(jù)各層土取值。

根據(jù)勘察報告1#孔的鉆孔資料，基礎底板-12m（絕對標高17.5m）標高下8.0m抗浮錨桿錨固范圍內[5]，地層情況見表1。

經(jīng)過加權平均，fmg取值58.94kPa；

ψ—影響系數(shù)，取1.15；

計算得Nt=170.3KN。

表1 地層分布情況表

該值小于抗浮錨桿設計值270KN，由此反推，La=11m。

2.5 抗浮錨桿布置方式

集中點狀布置和面狀均勻布置是傳統(tǒng)的抗浮錨桿布置方式，面狀均勻布置方式基礎底板所受力較均勻，節(jié)約鋼筋，其缺陷是對上部傳來的豎向力不能有效地考慮[6]。

抗浮錨桿采用集中點狀布置方式其受力特點與抗拔樁類似，一部分水壓力被豎向集中力平衡了，地下室底板跨度大、底板厚度厚、配筋大采用這種抗浮錨桿布置[7]。

岫巖縣中心人民醫(yī)院內科病房樓項目的抗浮錨桿采用空心型均勻布置方式，豎向集中力影響范圍內的水浮力被豎向集中力平衡了，抗浮錨桿承擔的是豎向集中力影響外的水浮力，這樣的布置形式經(jīng)濟、合理。

3 抗浮錨桿的優(yōu)化

在抗浮錨桿鋼筋加工過程中，原來的設計是三根直徑25mm的鋼筋緊密的焊接在一起，現(xiàn)優(yōu)化為在三根鋼筋之間設置內徑為20mm焊接鋼管，沿鋼筋方向每隔2m設置一道30mm長的支架。如圖2所示，其優(yōu)點如下[8]：

1）三根鋼筋之間設置內徑為20mm焊接鋼管，這樣鋼筋與混凝土的接觸面積變大，增強了鋼筋的握裹力。

焊接鋼管上有注漿眼，這樣注漿液通過注漿眼呈放射狀與周圍土體融為一體。

2）通過焊接鋼管注漿，這樣注漿變的更加便捷[9]。

3）基礎筏板的厚度700mm，設計要求錨桿鋼筋需要錨入基礎筏板中850mm，因此鋼筋要適度彎折，彎折后與混凝土的錨固效果更好。

4）優(yōu)化后的設計提高了施工效率更加便于施工。

5）優(yōu)化后，錨桿的數(shù)量減少了10%既加強了結構的安全性又節(jié)約了投資。

圖2 錨桿鋼筋綁扎優(yōu)化對比圖

4 抗浮錨桿基本試驗

抗浮錨桿在施工完成養(yǎng)護齡期不少于28天后，檢測抗浮錨桿的參數(shù)。根據(jù)設計要求并結合現(xiàn)場實際情況，在抗浮錨桿施工區(qū)域做抗浮錨桿的基本試驗檢測選取3根抗浮錨桿。采用的檢測方法是多循環(huán)基本試驗法，依據(jù)《巖土錨桿（索）技術規(guī)程》基本試驗結果見表2。

表2 基本試驗結果匯總表

試驗加載至第五循環(huán)560KN時三根試驗錨桿完后未出現(xiàn)被破壞的特征，2#錨桿繼續(xù)加載至630KN時達到第六循環(huán)，加載至630KN時錨頭位移增量達到了34.67mm，是上一級錨頭變形值的1.2倍，達到了破壞狀態(tài)。

基本試驗結果確定抗浮錨桿的長度為12m，依據(jù)試驗最大加載至560KN時錨頭未破壞，滿足《巖土錨桿（索）技術規(guī)程》要求[9]。

5 結語

場區(qū)地層分布條件和地下水分布特征這兩個數(shù)據(jù)，在地下水滲流理論的計算下得出基礎底板處的最大水壓力并根據(jù)這些數(shù)據(jù)來設計抗浮錨桿的基本長度，計算抗浮錨桿長度的準確數(shù)據(jù)是根據(jù)技術規(guī)范，并通過基本試驗進行復合數(shù)據(jù)的準確性，為確保結構安全提供了參考數(shù)據(jù)[10]。