變直徑鋼筋籠擴(kuò)大頭抗浮錨桿的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張學(xué)治 （安徽安德建筑設(shè)計(jì)有限公司，安徽 合肥 230071）

在地下工程設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)豎向自重荷載小于地下水的浮力時(shí)，常用的抗浮措施有增加結(jié)構(gòu)的自重、設(shè)計(jì)抗浮錨桿或抗浮樁等。增加結(jié)構(gòu)自重是通過增加基礎(chǔ)厚度或結(jié)構(gòu)頂板厚度來抵抗地下水浮力，簡單直接，一般在豎向自重荷載與水浮力差距不大時(shí)采用。地下室埋置較深或水頭較大時(shí)，通常采用抗浮錨桿或抗浮樁來滿足抗浮設(shè)計(jì)要求。在各種抗浮措施中，抗浮錨桿具有造價(jià)低[1-2]、施工方便、節(jié)約建筑材料等優(yōu)點(diǎn)，成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員經(jīng)常采用的一種抗浮方案。擴(kuò)大頭錨桿是一種摩擦-端壓型錨桿[3]，較普通抗浮錨桿能提供更大的抗拔承載力，抗拔效率更高，近年來在建筑工程的抗浮設(shè)計(jì)中也逐漸開始應(yīng)用。變直徑鋼筋籠擴(kuò)大頭錨桿是擴(kuò)大頭錨桿中的一種新型錨桿，技術(shù)屬于一種實(shí)用新型專利，其特點(diǎn)是在擴(kuò)大頭部位采用直徑可變的鋼筋籠。錨桿桿體鋼筋一般用單根大直徑高強(qiáng)度的精軋螺紋鋼筋，擴(kuò)大頭端若干豎筋環(huán)繞桿體鋼筋，豎筋外周設(shè)有環(huán)狀箍筋作為外周的緯線，環(huán)狀箍筋且與豎筋設(shè)有固定點(diǎn)，環(huán)狀箍筋收緊是未使用狀態(tài)，環(huán)狀箍筋是螺旋彈簧或柔性鋼線，螺旋彈簧環(huán)狀箍筋的端部設(shè)有釋放裝置，用柔性鋼線時(shí)在圈狀固定器上設(shè)有撐開筋條豎筋的釋放裝置，通過這種方式使鋼筋籠直徑在一定范圍內(nèi)變化。是對傳統(tǒng)高壓噴射擴(kuò)大頭錨桿在擴(kuò)大頭部位的一種改進(jìn)與創(chuàng)新，通過在擴(kuò)大頭段加入變直徑鋼筋籠后，形成了鋼筋混凝土擴(kuò)大頭，使其在整體受力、錨固段穩(wěn)定性以及抗拔承載力性能等方面都有較大的提高。本文結(jié)合工程實(shí)例詳細(xì)闡述變直徑鋼筋籠擴(kuò)大頭抗浮錨桿的相關(guān)計(jì)算方法，并與普通抗浮錨桿進(jìn)行經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本的對比。

1 工程概況

合肥市某項(xiàng)目地上為商業(yè)辦公綜合體，地下一層為超市和停車庫，地下一層層高4.9m，頂板上覆土厚度1.2m。場地土層自上而下依次為：①層素填土，黃褐、灰褐色，主要以粘性土為主，稍濕，稍密，局部位置夾雜建筑垃圾，含大量植物根系，層厚度0.30～4.50m。②層粘土，黃褐色，硬塑，局部呈可塑狀，含少量鐵錳結(jié)核及高嶺土條帶，斷面光滑有光澤，干強(qiáng)度高，韌性高，層厚度1.60～6.20m，地基承載力特征值240kPa。③層粘土，褐黃色，硬塑，局部偏堅(jiān)硬，含大量鐵錳結(jié)核及高嶺土，斷面光滑有光澤，干強(qiáng)度高，韌性高。最大揭露35.40m，該層未揭穿，地基承載力特征值280kPa?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)形式為筏板基礎(chǔ)，筏板厚度400mm，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)底板面絕對標(biāo)高15.80m，抗浮水頭絕對標(biāo)高21.30m。純地下室部分單位面積結(jié)構(gòu)及上覆土重總計(jì)42.6kN，單位面積水浮力59kN，自重抗浮不足，需采取抗浮措施。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用承壓型變直徑鋼筋籠擴(kuò)大頭錨桿作為永久抗浮構(gòu)件，變直徑鋼筋籠收縮時(shí)，高度1280mm，直徑180mm。鋼筋籠打開狀態(tài)時(shí)，高度為1280mm，直徑為450mm。錨桿普通錨固段孔徑為250mm，長度對應(yīng)為4.5m。旋噴或機(jī)械擴(kuò)體段直徑為800mm，擴(kuò)大頭長度對應(yīng)為2.5m，有效長度7.0m，以③層粘土層作為擴(kuò)大頭錨固段，且進(jìn)入該層不少于2.5m。

2 變直徑鋼筋籠擴(kuò)大頭抗浮錨桿的承載力計(jì)算

單根變直徑鋼筋籠擴(kuò)大頭錨桿的抗拔力極限值和特征值計(jì)算，與傳統(tǒng)高壓噴射擴(kuò)大頭錨桿一致，按文獻(xiàn)4式4.6.3-1和式4.6.4進(jìn)行計(jì)算，對豎直錨桿先按文獻(xiàn)4式4.6.3-2計(jì)算擴(kuò)大頭前端面土體對擴(kuò)大頭的抗力強(qiáng)度值pD：

由Tuk的計(jì)算公式可知，擴(kuò)大頭錨桿抗拔力極限值由三部分組成，第一部分為非擴(kuò)大頭錨固段側(cè)壁與土層的摩阻力，第二部分為擴(kuò)大頭側(cè)壁與土層的摩阻力，第三部分為土體對擴(kuò)大頭端面的正壓力所提供的抗拔力。與普通錨桿相比，擴(kuò)大頭錨桿的抗拔力得以提高主要是因?yàn)槎嗔藬U(kuò)大頭前端面土體的貢獻(xiàn)。由pD的計(jì)算公式可以看出，擴(kuò)大頭前端面土體貢獻(xiàn)的大小只與擴(kuò)大頭的埋深和土的性質(zhì)有關(guān)。擴(kuò)大頭錨桿設(shè)計(jì)時(shí)，要想獲得足夠大的抗拔力，只能通過調(diào)整錨桿非擴(kuò)大頭段直徑D1、擴(kuò)大頭直徑D2以及擴(kuò)大頭的埋深h來實(shí)現(xiàn)。國內(nèi)對相關(guān)參數(shù)對抗拔力影響的研究成果表明，擴(kuò)大頭直徑的影響最大。但在實(shí)際工程中D1和D2往往受限于成孔工藝只能在一定范圍內(nèi)選擇，故在實(shí)際工程的錨桿設(shè)計(jì)時(shí)，主要通過增加擴(kuò)大頭的埋深h來增大擴(kuò)大頭錨桿的抗拔力。

3 變直徑鋼筋籠擴(kuò)大頭抗浮錨桿桿體強(qiáng)度驗(yàn)算

擴(kuò)大頭抗浮錨桿桿體的截面面積按文獻(xiàn)4式4.6.8-1驗(yàn)算，Kt按一級防腐取1.6。

計(jì)算時(shí)應(yīng)注意fy的取值，根據(jù)文獻(xiàn)4附錄A.0.4，采用預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋時(shí)，其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的取值應(yīng)取屈服強(qiáng)度除以1.2。

1根直徑32的PSB1080級預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋制作的單根錨桿的抗拔力特征值為：

完整的擴(kuò)大頭抗浮錨桿是在基礎(chǔ)底板內(nèi)形成錨孔孔徑250mm，總長為7m的帶有多重防腐的擴(kuò)大頭錨桿，錨桿桿體采用1根直徑為32mm的PSB1080級預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋。單根變直徑鋼筋籠擴(kuò)大頭抗浮錨桿抗拔承載力特征值取420kN。

4 擴(kuò)大頭抗浮錨桿在基礎(chǔ)底板錨固端的抗沖切驗(yàn)算

擴(kuò)大頭抗浮錨桿桿體采用單根大直徑鋼筋時(shí)，其在基礎(chǔ)底板內(nèi)的錨固方法一般采用鋼筋配套法蘭螺母錨固，或采用鋼筋配套高強(qiáng)螺母+鋼墊板錨固。本項(xiàng)目采用高強(qiáng)法蘭螺母將抗浮錨桿錨固到底板上，抗沖切驗(yàn)算根據(jù)文獻(xiàn)5第6.5.1條的相關(guān)公式計(jì)算。

擴(kuò)大頭抗浮錨桿與普通抗浮錨桿的經(jīng)濟(jì)對比 表1

擴(kuò)大頭抗浮錨桿與普通抗浮錨桿的工期對比 表2

因?yàn)樽冎睆戒摻罨\擴(kuò)大頭抗浮錨桿的抗拔力特征值Tak=420kN，即抗浮錨桿對底板的沖切力為Fl=420kN≤471kN，滿足底板的抗沖切驗(yàn)算。

錨桿在基礎(chǔ)底板內(nèi)的抗沖切驗(yàn)算是很多工程設(shè)計(jì)人員容易忽略的環(huán)節(jié)，實(shí)際上抗浮錨桿的承載力取值上限往往由錨桿在基礎(chǔ)底板內(nèi)的抗沖切驗(yàn)算決定，底板越厚、混凝土等級越高，則沖切承載力越高。當(dāng)基礎(chǔ)底板較厚，沖切承載力高時(shí)，可以設(shè)計(jì)抗拔力特征值更高的錨桿，抗拔力用的越高，則經(jīng)濟(jì)性越好。

5 擴(kuò)大頭抗浮錨桿與普通抗浮錨桿的經(jīng)濟(jì)和工期對比

本項(xiàng)目在上述計(jì)算的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大頭錨桿采用正方形均勻布置，總計(jì)布置了282根擴(kuò)大頭錨桿。為了了解清楚擴(kuò)大頭抗浮錨桿在經(jīng)濟(jì)成本和工期成本上的優(yōu)勢，在相同的條件下，設(shè)計(jì)布置了普通抗浮錨桿進(jìn)行對比，設(shè)計(jì)普通抗浮錨桿主筋采用3根直徑18的HRB400級鋼筋并筋，錨桿普通段直徑180mm，錨桿總長9.5m，抗拔力特征值取130kN，采用正方形均勻布置，總計(jì)布置了778根普通抗浮錨桿。

①從表1可知，與普通抗浮錨桿相比，采用擴(kuò)大頭抗浮錨桿時(shí)設(shè)計(jì)錨桿數(shù)量減少496根，錨桿總延長米數(shù)減少5417m。節(jié)約造價(jià)約17.628萬元，約19.88%。

②抗浮錨桿施工按投入1臺設(shè)備計(jì)算，每天施工10根，水泥錨體強(qiáng)度試驗(yàn)齡期20天，可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%。凈工期分析如表2。

與普通抗浮錨桿相比，采用擴(kuò)大頭抗浮錨桿時(shí)節(jié)約工期約49.6天，約63.75%，同時(shí)節(jié)省因縮短工期而產(chǎn)生的人工降低地下水位及其它費(fèi)用。

6 結(jié)論

①變直徑鋼筋籠擴(kuò)大頭抗浮錨桿因其在土層深處擴(kuò)孔，充分利用擴(kuò)大頭前端面土體來提高抗拔承載力，抗拔效率較普通錨桿有顯著提高。

②根據(jù)同一項(xiàng)目兩種抗浮錨桿設(shè)計(jì)的結(jié)果對比，可知擴(kuò)大頭抗浮錨桿的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本都具有明顯優(yōu)勢，采用擴(kuò)大頭抗浮錨桿節(jié)約造價(jià)約19.88%，節(jié)省工期約63.75%。

③單根變直徑鋼筋籠擴(kuò)大頭抗浮錨桿的抗拔力特征值取值往往受限于錨桿在基礎(chǔ)底板內(nèi)的抗沖切驗(yàn)算，在滿足抗沖切驗(yàn)算的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)要盡量使錨桿的抗拔力特征值接近沖切承載力，錨桿抗拔承載力用的越足越經(jīng)濟(jì)。

④變直徑鋼筋籠擴(kuò)大頭抗浮錨桿是對傳統(tǒng)高壓噴射擴(kuò)大頭錨桿在擴(kuò)大頭部位的一種改進(jìn)與創(chuàng)新，通過在擴(kuò)大頭段加入變直徑鋼筋籠后，形成了類似樁體的鋼筋混凝土擴(kuò)大頭，其整體受力合理，抗拔承載力高且錨固段穩(wěn)定可靠，施工便捷，適合在建筑工程的地下室抗浮設(shè)計(jì)中采用。