在粒徑較大石層的抗浮錨桿優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用

徐遠(yuǎn)志

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330000）

建筑施工中的建筑受浮托力問(wèn)題一直以來(lái)是很難解決的，這也影響了當(dāng)前建筑行業(yè)的發(fā)展。在國(guó)家經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的背景下，用地越來(lái)越緊張，住房、商業(yè)用地積極擴(kuò)張，人們尋找可行途徑的同時(shí)，建筑受浮托力而影響開(kāi)發(fā)與運(yùn)用限制了施工開(kāi)展。在不斷的研究中人們發(fā)現(xiàn)使用錨固技術(shù)可以很好地解決這一方面的問(wèn)題，由于抗浮錨桿的造價(jià)低廉設(shè)置靈活，在建筑施工中得到廣泛的使用。

1 研究背景

城市人口密度增加與經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度越來(lái)越快，地下空間的開(kāi)發(fā)利用受到重視，地下埋深的增加也加劇了設(shè)計(jì)難度，尤其是建筑抗浮問(wèn)題的出現(xiàn)。地下施工需要考慮地下水的問(wèn)題，因此地下抗浮設(shè)計(jì)成為影響工程、造價(jià)的重要問(wèn)題。近年來(lái)地下建筑結(jié)構(gòu)受到降雨影響和地下水，導(dǎo)致地下建筑上浮破壞事故，比如地下室上浮導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量裂縫、建筑本身構(gòu)建承載能力喪失等?？垢″^桿設(shè)計(jì)主要運(yùn)用在礫砂地層、風(fēng)化巖層等基巖場(chǎng)合和，人們很少運(yùn)用在鵝卵石地層中，因此對(duì)這個(gè)方面的研究很少，而且優(yōu)化研究也很少，可參考文件有限。在實(shí)際施工中鵝卵石地層力學(xué)強(qiáng)度高，本身作為常用承載持力層，透水性很明顯，但是也因?yàn)檫@種特征而導(dǎo)致抗浮力減少，對(duì)建筑物的浮托力增大，為此不得不采取對(duì)應(yīng)措施來(lái)處理?？垢″^桿技術(shù)可以通過(guò)固定的辦方式來(lái)提高穩(wěn)定性[1]。但是鵝卵石施工中使用抗浮錨桿的設(shè)計(jì)比較少見(jiàn)，存在鉆孔難的、提鉆塌孔的問(wèn)題，這也限制了該技術(shù)的運(yùn)用，進(jìn)而出現(xiàn)成孔質(zhì)量差、鉆進(jìn)效率低下、鉆進(jìn)成本高的問(wèn)題，最大限度限制了該技術(shù)在鵝卵石地層中的運(yùn)用。因此本文結(jié)合現(xiàn)有資料，通過(guò)分析鵝卵石地層特征，結(jié)合經(jīng)典案例分析抗浮錨桿在鵝卵石地層中的運(yùn)用，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)分析。

2 工程案例

某項(xiàng)目工程，整體建筑為三層，含有地下室、主樓、裙房，工程整體面積為12583.88m2，為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。按規(guī)范要求，抗震設(shè)計(jì)為Ⅵ度、建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。工程基坑深度為5.0m，地下室底板厚度為0.450m，地下室上部主體建筑與裙房，持力層均設(shè)置在較為堅(jiān)硬鵝卵石層。

2.1 地質(zhì)資料

根據(jù)勘察資料分析，地層主要為近代人工填筑層、沖洪積層、下浮砂巖等風(fēng)化層，巖土層的分布為素填土層、粉土層、細(xì)砂粉土層、鵝卵石層、強(qiáng)風(fēng)化砂層。地層中鵝卵石層分布粒徑超過(guò)200mm，揭示層厚度約有3.6m，頂層埋深厚度為7m，整體均勻性比較差、滲透性系數(shù)也比較大[1]。根據(jù)當(dāng)?shù)厮恼{(diào)查情況來(lái)看，場(chǎng)地標(biāo)高為191.3m，而現(xiàn)在的地下水位高度為183.0m，近十年之內(nèi)最高水位達(dá)到189.0m，地下室底板標(biāo)高為186.3m，永久抗浮水位的設(shè)計(jì)應(yīng)該與近十年內(nèi)水位達(dá)到的最高點(diǎn)相結(jié)合，地下水位常年最高達(dá)到189.3m。根據(jù)建筑抗浮驗(yàn)算結(jié)果來(lái)看，非建筑區(qū)域內(nèi)整體抗浮能力不足，尤其裙房和主樓部分的抗浮能力不足，因此在地下室底板的設(shè)計(jì)中，使用抗浮錨桿來(lái)加強(qiáng)地下室的安全，抵抗地下水浮托力。根據(jù)調(diào)查資料，巖土層物理學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 巖土層力學(xué)參數(shù)

2.2 設(shè)計(jì)原理

抗浮水位及浮力計(jì)算按照單位面積地下水浮力來(lái)計(jì)算，計(jì)算公式為：

其中：F浮單位為kN/m2；μ 為計(jì)算的安全系數(shù)，本次計(jì)算可取1.05；γ 為水容重；h0為高度，是歷史最高數(shù)位和地下室底板之間的高差。其次需要計(jì)算基坑底部所承受的整體浮力：

其中：F浮單位為kN；A 為地下室底板總面積。另外，根據(jù)《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》（JGJ 72—2004）計(jì)算出錨桿抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)，首先計(jì)算出單根錨桿強(qiáng)度：

其中：Nak為錨桿抗拉強(qiáng)度數(shù)值；Na為單根錨桿軸向拉力數(shù)值，kN；q 為地層與抗浮錨桿固體之間產(chǎn)生摩阻力，kPa；uili為地層與抵抗錨桿固體之間的接觸面積；ui為錨桿固體周長(zhǎng)；rQ 為荷載系數(shù)，結(jié)合本次項(xiàng)目工程選取1.35。

結(jié)合本次工作需要，需要確定錨桿數(shù)量、間距，通過(guò)計(jì)算，按照標(biāo)準(zhǔn)需求充分考慮抗浮荷載基礎(chǔ)面積A，組合分析計(jì)算，得到抗浮錨桿的數(shù)量n，計(jì)算見(jiàn)式（5）：

其中：γ0為結(jié)構(gòu)的系數(shù)，極為重要，本次項(xiàng)目選取系數(shù)1.0；Sk為正常使用極限下的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合，就是所計(jì)算的上浮力標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，kPa。根據(jù)抗浮錨桿計(jì)算總數(shù)，得到單根錨桿需要承擔(dān)的抗浮面積 A′，計(jì)算見(jiàn)式（6）：

如果將整個(gè)錨桿形狀布置成矩形，那么A′=S1S2，其中S1、S2 分別表示錨桿布設(shè)橫向間距、豎向間距來(lái)確定錨桿的布設(shè)形式，如果要想布設(shè)方式滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的需要，則計(jì)算應(yīng)滿(mǎn)足式（7）：

結(jié)合工程需要，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置及錨桿技術(shù)規(guī)范來(lái)計(jì)算最終配筋量。

2.3 初始方案

按照設(shè)計(jì)標(biāo)高為189.2m 的設(shè)計(jì)，地下室基坑底部的標(biāo)高為186.3m，結(jié)合上述內(nèi)容，本次工程需要設(shè)置錨桿數(shù)量為689 根，有四根作為實(shí)驗(yàn)錨桿。本次工程中單根錨桿抗拉極限承載力為110kN，孔徑為150mm，錨桿直徑為28mm，抗拔，錨桿水泥砂漿為M30。

3 抗浮錨桿在鵝卵石地層的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 原始方案的設(shè)計(jì)問(wèn)題

根據(jù)實(shí)際分析，原本工程錨桿布設(shè)使用鉆進(jìn)下套管的設(shè)計(jì)方式，本次工程鵝卵石地層距離基坑底2m，在施工現(xiàn)場(chǎng)全場(chǎng)分布，厚度達(dá)到3.6m。結(jié)合上述計(jì)算資料，抗浮錨桿的套管設(shè)計(jì)深度至少為5m。鵝卵石地層厚度大而硬度高，導(dǎo)致鉆進(jìn)的過(guò)程中經(jīng)過(guò)鵝卵石地層的時(shí)候出現(xiàn)進(jìn)尺困難現(xiàn)象，提鉆塌孔的情況，施工成孔極為困難，在施工現(xiàn)場(chǎng)更換多個(gè)孔位仍舊無(wú)法得到實(shí)際效果。雖然按照之前的設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，但是施工進(jìn)展緩慢，在上部荷載較大區(qū)域的錨桿布設(shè)比較密集，從而導(dǎo)致工程進(jìn)度緩慢，施工的成本大大增加。在這種情況下只有采取調(diào)整方案。

3.2 方案優(yōu)化

在本次的巖土工程中，使用計(jì)算機(jī)來(lái)開(kāi)展數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)分析，這也是當(dāng)前建筑施工領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用的手段之一。在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，可運(yùn)用FLAC 建立計(jì)算模型，模擬地下室底板、錨桿、巖土體等在上部荷載、地下水浮力共同作用下產(chǎn)生的受力情況，為設(shè)計(jì)方案提供合理依據(jù)[3]。

結(jié)合工程實(shí)際狀況，建立基坑模型，通過(guò)模擬巖土層、地下室底板，選擇 Mohr-Coulomb 模型，建立起 16250 個(gè)單元，18564 個(gè)節(jié)點(diǎn)模擬地下水位。根據(jù)巖土層模擬計(jì)算參數(shù)，參考之前所獲取場(chǎng)地勘察資料，模擬基坑開(kāi)挖、鋪設(shè)地下室底板。地下室底板模擬力學(xué)參數(shù)，按照混凝土的標(biāo)準(zhǔn)，參考C30 的取值。錨桿支護(hù)單元可以通過(guò)cable 模擬，cable 單元由幾何參數(shù)、材料參數(shù)、水泥漿參數(shù)，可以反映出錨桿在巖土中的力學(xué)特征。在計(jì)算機(jī)中使用fish 語(yǔ)言編程布設(shè)錨桿，一共有680 根，全部設(shè)置為全長(zhǎng)粘結(jié)錨固，模擬頂端固定在地下室底板，長(zhǎng)度為4.5m 的方案，參考原始設(shè)計(jì)情況，得到地下室底板與抗浮錨桿的優(yōu)化方案，如圖1 所示。

圖1 抗浮錨桿數(shù)值模型（部分）

在本次方案設(shè)計(jì)中，不同位置錨桿受力狀態(tài)與地下室底板變形量之間存在差異，原始方案設(shè)計(jì)施工困難而造價(jià)高，因此結(jié)合模擬軟件，在原始基礎(chǔ)上優(yōu)化抗浮錨桿，在裙房、主樓部分，集中在裙房西側(cè)、裙房和主樓連接部分、主樓東側(cè)加強(qiáng)錨桿數(shù)量，加強(qiáng)長(zhǎng)度不變，為4.5m。裙房與主樓部分位置可以減少錨桿布設(shè)數(shù)量，錨桿長(zhǎng)度仍舊不變，為4.5m。優(yōu)化后錨桿數(shù)量一共減少112根，進(jìn)尺長(zhǎng)度減少330m。根據(jù)優(yōu)化后的方案來(lái)施工，提高施工效率，施工工期如期完成。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，建筑物上浮量不足2cm。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合現(xiàn)階段的研究資料來(lái)看，鵝卵石地層的抗浮錨桿施工研究比較少，因此可借鑒內(nèi)容有限。在現(xiàn)代的研究中應(yīng)重視對(duì)計(jì)算機(jī)模擬分析的運(yùn)用，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)方式分析，能夠還原施工場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化計(jì)算，對(duì)抗浮錨桿施工技術(shù)的運(yùn)用有保障優(yōu)勢(shì)。