抗浮錨桿設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

王 浩 劉盈君 王 雙

（1.中兵勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 北京 100053；2.北方國(guó)際合作股份有限公司，北京 100040）

0 引言

隨著城市建設(shè)快速發(fā)展，地下空間利用程度不斷提高，很多新建建筑物具有基礎(chǔ)埋深大、尺寸大、一板多塔、荷載分布復(fù)雜的特點(diǎn)，由此帶來的基礎(chǔ)抗浮設(shè)計(jì)問題是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。在抗浮設(shè)計(jì)計(jì)算中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注建筑抗浮設(shè)防水位的確定和抗浮措施的選用。由于不同區(qū)域的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特點(diǎn)不同[1-2]，北京地區(qū)建筑抗浮設(shè)防水位應(yīng)按不同因素的影響程度綜合確定[3-4]?？垢″^桿為當(dāng)前較為常用的抗浮措施，其設(shè)計(jì)的合理性、經(jīng)濟(jì)性和可操作性，特別是優(yōu)化設(shè)計(jì)也是目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一[5-6]。

近年來，因抗浮設(shè)防水位提供不準(zhǔn)確進(jìn)而引起地下室底板上浮的問題時(shí)有發(fā)生，抗浮水位能否合理確定會(huì)直接影響工程的安全性和成本[7]，唐秋元等[8]采用GeoStudio 有限元軟件，通過滲流數(shù)值分析為岸坡上建筑物抗浮水位確定提供了依據(jù)；王軍輝等[9]通過水文學(xué)、水力學(xué)和土力學(xué)等理論，對(duì)抗浮水位的既有成果進(jìn)行了客觀分析；羅云海等[10]對(duì)泥巖地層中抗浮錨桿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)錨桿軸力的分布做出分析；孫雁榕等[11]通過“獨(dú)基+抗水板+抗浮錨桿”體系對(duì)錨桿抗拔力的不均勻性進(jìn)行了研究。前人在抗浮方面做了一定的研究，但根據(jù)抗浮水位提供合理抗浮措施的同時(shí)要滿足安全性、經(jīng)濟(jì)性的要求，對(duì)抗浮設(shè)計(jì)方案通過數(shù)值計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化的研究還比較欠缺。

本文分析了北京地區(qū)建筑抗浮設(shè)防水位的影響因素，特別是近年來對(duì)地下水動(dòng)態(tài)影響較大的生態(tài)補(bǔ)水情況。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，總結(jié)了抗浮錨桿設(shè)計(jì)的重點(diǎn)關(guān)注問題和優(yōu)化方法，并結(jié)合工程實(shí)例，針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物，建議根據(jù)實(shí)際建筑設(shè)計(jì)條件分區(qū)域進(jìn)行抗浮錨桿設(shè)計(jì)，并采用數(shù)值分析進(jìn)行優(yōu)化。

1 北京地區(qū)建筑抗浮設(shè)防水位確定

建筑設(shè)防水位包括建筑防滲設(shè)防水位、建筑抗浮設(shè)防水位和地下室外墻水壓力分布曲線三方面內(nèi)容。其中，抗浮設(shè)防水位是指建筑工程在施工期和使用期內(nèi)滿足抗浮設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可能遭遇的地下水最高水位，或建筑工程在施工期和使用期內(nèi)滿足抗浮設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)最不利工況組合時(shí)地下結(jié)構(gòu)底板底面上可能受到的最大浮力按靜態(tài)折算的地下水水位[12]。在抗浮設(shè)計(jì)和地下室外墻承載力驗(yàn)算時(shí)，確定合理的抗浮設(shè)防水位對(duì)工程造價(jià)、施工難度和工期有巨大影響。

由于建筑施工期相對(duì)使用期時(shí)間較短，因此在工程勘察中以預(yù)測(cè)分析使用期的抗浮設(shè)防水位為主?？垢≡O(shè)防水位除了滿足抗浮設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)計(jì)算要求外，還應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)合理，根據(jù)工程區(qū)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值。北京地區(qū)目前主要采用經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)法+數(shù)值模擬法進(jìn)行抗浮設(shè)防水位預(yù)測(cè)分析，其中重點(diǎn)關(guān)注影響北京市區(qū)地下水動(dòng)態(tài)因素，包括地下水開采量的大小、官?gòu)d水庫放水引起的永定河滲漏對(duì)地下水的補(bǔ)給、南水北調(diào)水進(jìn)京后地下水開采量的減少、開采布局的變化和為改善環(huán)境開展的生態(tài)補(bǔ)水等[13]。

目前，除生態(tài)補(bǔ)水外，其他因素對(duì)于北京市區(qū)地下水動(dòng)態(tài)的影響已有較多監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，基本總結(jié)出影響規(guī)律。而生態(tài)補(bǔ)水從2019年開始實(shí)施，根據(jù)永定河沿線及周邊區(qū)域當(dāng)年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其影響面積約為260 km2，地下水位最大升幅6.5 m。此后的每次生態(tài)補(bǔ)水周期和水量均有差異，影響范圍也保持較大區(qū)域，水位抬升迅速且幅度較大，需要進(jìn)一步收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)影響規(guī)律。

2 抗浮錨桿設(shè)計(jì)優(yōu)化方式

抗浮錨桿是錨固在地基中與地下結(jié)構(gòu)底板共同承擔(dān)地下水浮力的抗拔構(gòu)件，是較為常用的抗浮措施?？垢″^桿設(shè)計(jì)需要計(jì)算區(qū)域整體的抗浮穩(wěn)定性系數(shù)、錨桿極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值、錨固長(zhǎng)度和抗拔承載力的計(jì)算、筋體截面面積計(jì)算、筋體與錨固體的錨固承載力驗(yàn)算、群錨效應(yīng)穩(wěn)定性驗(yàn)算和錨固體裂縫計(jì)算等。影響抗浮錨桿設(shè)計(jì)的主要因素有：建筑抗浮設(shè)防水位、地基巖土體的物理力學(xué)參數(shù)、建筑設(shè)計(jì)條件（包括建筑抗浮設(shè)計(jì)等級(jí)、荷載條件、底板面積等）以及錨桿的數(shù)量、長(zhǎng)度、間距、錨固體直徑、錨桿配筋等參數(shù)。

常用的抗浮錨桿設(shè)計(jì)優(yōu)化方法包括復(fù)核建筑抗浮設(shè)防水位，根據(jù)勘察報(bào)告或補(bǔ)充勘察手段，復(fù)核巖土體的物理力學(xué)參數(shù)以及根據(jù)工程實(shí)際情況，綜合考慮建筑設(shè)計(jì)條件、場(chǎng)地工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、工程造價(jià)、施工周期等因素，配合其他抗浮措施，調(diào)整錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)。由于抗浮措施主要針對(duì)抵抗浮力不足的裙房或純地下部分，而此類建筑一般均有一個(gè)或多個(gè)塔樓，荷載較大，裙房或純地下部分基礎(chǔ)可有限擴(kuò)散塔樓荷載[14-15]，引起作用在基礎(chǔ)上的荷載分布不均。

常規(guī)的通過調(diào)整錨桿參數(shù)來實(shí)現(xiàn)抗浮錨桿優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法受到工程造價(jià)、施工難度和周期等多種條件制約，實(shí)現(xiàn)難度較大。因此，抗浮錨桿優(yōu)化設(shè)計(jì)需要根據(jù)建筑實(shí)際條件，綜合考慮多種因素實(shí)施。且目前的大型建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作用在基礎(chǔ)上的荷載分布不均，抗浮錨桿需要根據(jù)建筑條件和荷載分布情況分區(qū)域設(shè)計(jì)，且在優(yōu)化驗(yàn)證時(shí)，還需輔以數(shù)值計(jì)算。

3 北京地區(qū)抗浮錨桿設(shè)計(jì)優(yōu)化分析實(shí)例

擬建項(xiàng)目位于北京市朝陽區(qū)來廣營(yíng)，為高科技研發(fā)綜合體。建筑類型為多個(gè)塔樓+裙房+純地下部分。塔樓地上層數(shù)7～8 層，建筑高度為38～44 m，為框架核心筒結(jié)構(gòu)，裙房地上層數(shù)2 層，建筑高度17 m，為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，整體采用筏板基礎(chǔ)，地下3 層，基底埋深約15 m。本項(xiàng)目計(jì)劃采用天然地基，裙房和純地下部分采用抗浮錨桿。

工程場(chǎng)區(qū)自然地面下40.00 m 范圍內(nèi)揭露的地層為人工填土層、一般第四紀(jì)沉積層，主要為粉土、黏性土和細(xì)砂（見圖1）。各地基土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)剖面圖

抗浮錨桿采用了全黏結(jié)拉力型錨桿。在復(fù)核了建筑抗浮設(shè)防水位和地基巖土體的物理力學(xué)參數(shù)后，認(rèn)為勘察報(bào)告中上述參數(shù)合理，不作調(diào)整，應(yīng)將抗浮錨桿設(shè)計(jì)優(yōu)化重點(diǎn)放在調(diào)整塔樓荷載擴(kuò)散區(qū)的抗浮錨桿布置上。

大尺寸筏板基礎(chǔ)在受到上部荷載的作用時(shí)，地基反力和變形呈中間大邊緣小的分布趨勢(shì)。本項(xiàng)目根據(jù)這一條件，結(jié)合實(shí)際荷載分布情況以及裙房或純地下部分地基承擔(dān)的塔樓擴(kuò)散荷載，完成初始的抗浮錨桿設(shè)計(jì)方案。再采用數(shù)值計(jì)算得到在浮力作用下塔樓荷載擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)抗浮錨軒的受力發(fā)揮，調(diào)整此區(qū)域的抗浮錨桿布置，優(yōu)化裙房和純地下部分抗浮錨桿設(shè)計(jì)，并輔以其他抗浮措施，最終滿足抗浮設(shè)計(jì)要求。

抗浮錨桿數(shù)值計(jì)算采用FLAC3D 軟件（V 5.0），具體計(jì)算思路是：（1）建設(shè)階段：設(shè)置地下水位為常水位，在此條件下模擬建筑物的基坑開挖、圍護(hù)及筏板施工以及分步加載過程，計(jì)算正常水位條件下的地基沉降變形。（2）抗浮試算階段：在建設(shè)階段地基上，待沉降穩(wěn)定后，設(shè)置地下水位為抗浮設(shè)防水位，計(jì)算抗浮設(shè)防水位條件下的地基受力變形，對(duì)底板受力情況做分區(qū)，為抗浮錨桿的布置提供依據(jù)。（3）抗浮分析階段：在建設(shè)階段地基上，設(shè)置計(jì)算水位為抗浮設(shè)防水位，根據(jù)試算階段的底板受力分區(qū)布置抗浮錨桿，分析在抗浮水位+抗浮錨桿條件下的地基受力變形，得到錨桿受力情況。（4）根據(jù)抗浮分析階段的錨桿受力發(fā)揮情況，調(diào)整塔樓荷載擴(kuò)散區(qū)的錨桿布置。結(jié)合底板差異沉降計(jì)算、底板受力分析，錨桿拉拔試驗(yàn)和沉降觀測(cè)成果對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證。

圖2為塔樓、裙房和純地下部分分布。根據(jù)塔樓、裙房和純地下部分的荷載差異，在模型中設(shè)置了相應(yīng)的荷載分區(qū)，如圖3所示。圖4為建設(shè)階段的底板沉降云圖和等值線圖，沉降最大值為47.23～52.59 mm，均出現(xiàn)在塔樓區(qū)域。

圖2 同一筏板上的塔樓+裙房+純地下部分分布示意圖

圖3 作用在筏板上的荷載分區(qū)圖

圖4 建設(shè)階段的底板沉降云圖和等值線圖（單位：m）

圖5為抗浮試算階段的底板變形云圖，可以看出在上部荷載和浮力的作用下，底板需要重點(diǎn)關(guān)注采取抗浮措施的區(qū)域，以便分區(qū)布置抗浮錨桿。圖6為抗浮分析階段的底板變形云圖，從中可以看出在采用抗浮錨桿后，底板變形明顯減小。在滿足總體抗浮驗(yàn)算前提下，初始方案中設(shè)計(jì)了兩種類型錨桿。分別為①抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值為210 kPa，長(zhǎng)度11 m，間距2 m 和②抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值為260 kPa，長(zhǎng)度13 m，間距1.5 m，分別布置在底板的不同區(qū)域。錨桿長(zhǎng)度根據(jù)場(chǎng)區(qū)地層分布以及錨桿和土體的黏結(jié)強(qiáng)度確定，間距為北京地區(qū)常用參數(shù)。數(shù)量分別為3045 根和3127 根，初始方案的抗浮錨桿布置如圖7所示，多輪優(yōu)化后的抗浮錨桿布置見圖8。

圖5 抗浮試算階段底板變形云圖

圖6 抗浮分析階段底板變形云圖

圖7 初始方案抗浮錨桿布置圖

圖8 多輪優(yōu)化后的抗浮錨桿布置圖

圖9和圖10 分別是初始方案兩種抗浮錨桿的受力等值線圖和受力發(fā)揮比等值線圖。由圖可見，在布置抗浮錨桿的裙房和純地下部分中，各分區(qū)中心區(qū)域抗浮錨桿受力較大，受力發(fā)揮為50%～95%，各分區(qū)邊緣以及與塔樓臨近區(qū)域抗浮錨桿受力較小，受力發(fā)揮比為20%～40%。此時(shí)，對(duì)錨桿的布置位置進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，減去了受力發(fā)揮比值較低的錨桿。經(jīng)多輪調(diào)整后的計(jì)算結(jié)果如圖11 和圖12 所示，在布置抗浮錨桿的裙房和純地下部分中，各分區(qū)中心區(qū)域抗浮錨桿受力發(fā)揮為70%～140%，分區(qū)邊緣以及與塔樓臨近區(qū)域抗浮錨桿受力發(fā)揮為30%～70%。

圖9 初始方案11 m 長(zhǎng)錨桿受力等值線圖（設(shè)計(jì)值kN）和受力發(fā)揮比等值線圖

圖10 初始方案13 m 長(zhǎng)錨桿受力等值線圖（設(shè)計(jì)值kN）和受力發(fā)揮比等值線圖

圖11 優(yōu)化方案11 m 長(zhǎng)錨桿受力等值線圖（設(shè)計(jì)值kN）和受力發(fā)揮比等值線圖

圖12 優(yōu)化方案13 m 長(zhǎng)錨桿受力等值線圖（設(shè)計(jì)值kN）和受力發(fā)揮比等值線圖

經(jīng)過優(yōu)化，最終減少抗浮錨桿數(shù)量占原設(shè)計(jì)方案的10%。局部抗浮錨桿受力發(fā)揮比大于100%的區(qū)域，設(shè)計(jì)采用增加覆土或增加結(jié)構(gòu)配重的方式保證建筑的抗浮穩(wěn)定性。

最終優(yōu)化后的抗浮錨桿布置如圖13 所示。

針對(duì)優(yōu)化后的地基基礎(chǔ)方案進(jìn)行了重點(diǎn)區(qū)域的差異沉降驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果均小于千分之2，滿足規(guī)范要求，如圖13 所示。

圖13 優(yōu)化后錨桿配置及差異沉降計(jì)算結(jié)果

4 案例分析結(jié)果評(píng)價(jià)

（1）由于模型對(duì)建筑物和地層的簡(jiǎn)化，數(shù)值計(jì)算的分析結(jié)果具有一定的局限性，本次計(jì)算屬理論預(yù)測(cè)分析，需要考慮到實(shí)際施工方案的影響，以及與建筑變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、試樁數(shù)據(jù)等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作成果的對(duì)比分析和驗(yàn)證。

（2）此案例分析結(jié)果對(duì)錨桿選擇優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)作用，下一步可通過對(duì)模型進(jìn)行長(zhǎng)期加荷計(jì)算，并與建筑物和鄰近建筑物、地下設(shè)施和地面沉降等周邊環(huán)境的長(zhǎng)期變形監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，對(duì)類似工程建筑物的長(zhǎng)期變形研究做出預(yù)測(cè)分析指導(dǎo)。

5 結(jié)論和建議

（1）北京地區(qū)建筑抗浮設(shè)防水位影響因素較多，特別是近年來生態(tài)補(bǔ)水對(duì)建筑抗浮設(shè)防水位影響較大，應(yīng)結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步總結(jié)規(guī)律。

（2）抗浮錨桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)以工程實(shí)際情況為依據(jù)，綜合考慮建筑設(shè)計(jì)條件、場(chǎng)地工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、工程造價(jià)、施工周期等因素。

（3）當(dāng)采用數(shù)值分析方法進(jìn)行抗浮錨桿優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況細(xì)化荷載分區(qū)，模擬實(shí)際的施工和加載情況。還應(yīng)結(jié)合錨桿受力發(fā)揮和底板受力情況調(diào)整錨桿布置，局部抗浮錨桿受力較大的區(qū)域還應(yīng)采取其他抗浮措施。

（4）優(yōu)化后的地基基礎(chǔ)方案還應(yīng)進(jìn)行地基差異沉降和底板受力驗(yàn)算，并結(jié)合抗浮錨桿測(cè)試和建筑沉降變形監(jiān)測(cè)情況加以總結(jié)驗(yàn)證。