高壓旋噴擴(kuò)大頭預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿在下沉廣場(chǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

郭越洋 楊永哲

以某文化中心下沉廣場(chǎng)抗浮設(shè)計(jì)為例，通過對(duì)該位置的抗浮設(shè)計(jì)比選，提出了采用高壓旋噴擴(kuò)大頭預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿的解決方案，進(jìn)而分析了高壓旋噴擴(kuò)大頭預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿的設(shè)計(jì)與布置，錨桿初始預(yù)應(yīng)力的施加以及錨桿的施工與檢測(cè)。通過對(duì)以上內(nèi)容的探討，旨在為同類項(xiàng)目提供參考。

高壓旋噴擴(kuò)大頭預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿； 抗浮方案比選； 錨桿布置； 預(yù)應(yīng)力施加； 施工與檢測(cè)

TU323 B

［定稿日期］2023-02-15

［作者簡(jiǎn)介］郭越洋（1990—），男，碩士，工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，從事混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究工作。

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地下空間的利用越來越廣泛，對(duì)地下室抗浮設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性也提出了更高的要求。如何在較大水浮力的情況下合理地節(jié)約造價(jià)是值得研究的。常用的抗浮設(shè)計(jì)方案有壓重法、排水限壓法、錨桿法、錨樁法［1］等措施。以上措施適用條件不同。本文以某文化中心的多層地下室為例，探討分析高壓旋噴擴(kuò)大頭預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿的抗浮設(shè)計(jì)，旨在為類似工程提供參考。

1 工程概況

某文化中心位于廊坊市安次區(qū)，主要功能為圖書館、博物館等，總建筑面積4.8萬m2。地下為2層地下室，地下室中心位置設(shè)置單側(cè)下沉廣場(chǎng)，下沉廣場(chǎng)頂標(biāo)高與地下2層頂標(biāo)高相同，效果圖及下沉廣場(chǎng)位置剖面如圖1所示。

下沉廣場(chǎng)位置柱網(wǎng)尺寸為8.4 m×8.4 m，上部無結(jié)構(gòu)，筏板持力層為3層粉土層，修正前地基承載力特征值fa=110 kPa。本工程基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)。筏板基底相對(duì)標(biāo)高為-10.3 m。根據(jù)地勘報(bào)告顯示，抗浮水位為室外地坪下0.5 m，相對(duì)標(biāo)高-0.65 m，抗浮水頭為9.65 m，水浮力為96.5 kN/m2。在同類型建筑中屬于水浮力較大的項(xiàng)目。

2 地質(zhì)情況

根據(jù)地勘報(bào)告顯示，筏板下部土層由淺至深依次是：4層粉質(zhì)黏土、5層粉土、6層粉質(zhì)黏土、7層粉砂。各土層情況及標(biāo)高如圖2、表1所示。

其中各類土層描述：4層粉質(zhì)黏土：黃色，可塑，中壓縮性，切面稍有光澤，干強(qiáng)度和韌性中等；5層粉土：黃色，濕，中密，搖震反應(yīng)中等，干強(qiáng)度和韌性低；6層粉質(zhì)黏土：黃褐色，可塑，中壓縮性，切面稍有光澤，干強(qiáng)度和韌性中等，夾粉土薄層；7層粉砂：黃色，飽和，中密～密實(shí)，成份以石英、長(zhǎng)石為主，次含云母，夾粉土。

3 抗浮方案比選

板頂采用300 mm無梁樓蓋，無覆土，自重為0.3×25=7.5 kN/m2，板面裝修附加荷載為2.0 kN/m2。

筏板厚度500 mm，自重為0.5×25=12.5 kN/m2。

整體抗浮計(jì)算：

G/Nw，k=（7.5+2+12.5）/（9.65x9.8）=0.23＜1.05?？垢〔粷M足要求，且相差較多。

根據(jù)常用抗浮設(shè)計(jì)方案，擬采用壓重法、抗拔樁法以及抗拔錨桿法分別進(jìn)行比選。

3.1 壓重法抗浮

擬采用40 kN/m2鋼渣混凝土進(jìn)行壓重，經(jīng)計(jì)算，所需厚度為2.2 m。此厚度嚴(yán)重影響使用凈高，且不夠經(jīng)濟(jì)，不能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 抗拔樁抗浮

擬采用600 mm鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)20 m，通過計(jì)算單樁承載力特征值為760 kN，采用柱下布樁，單根柱下抗拔樁樁數(shù)為8根，柱下承臺(tái)尺寸為4.2 m×8.4 m。布樁如圖3所示。

由于布樁樁數(shù)較多、承臺(tái)較大，基本占據(jù)大部分筏板，且樁間距較大。在枯水期，豎向荷載作用下采用筏板基礎(chǔ)，采用樁基礎(chǔ)不經(jīng)濟(jì)。

3.3 全長(zhǎng)粘結(jié)拉力型抗拔錨桿抗浮

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，錨桿宜均布且布置間距不小于2 m，綜合考慮柱網(wǎng)等要求，初步預(yù)估錨桿布置間距為2.8 m，即每根柱跨內(nèi)布置3根。根據(jù)抗浮要求初步估算單根錨桿抗拔特征值為：

［（1.05×9.65×9.8）-（12.5+2）］×（2.8×2.8）=665 kN

根據(jù)建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，非預(yù)應(yīng)力錨桿最大拉力設(shè)計(jì)值為350 kN，與本項(xiàng)目需求相差較多，且不能滿足乙類抗浮設(shè)計(jì)等級(jí)錨桿不出現(xiàn)裂縫的要求［2］

3.4 高壓噴射擴(kuò)大頭預(yù)應(yīng)力錨桿

根據(jù)規(guī)程［3］錨桿受力模型如圖4所示。

抗拔力極限值計(jì)算如式（1）所示。

Tuk=πD1Ldfmg1+D2LDfmg2+（D22-D21）pD4

pD=（K0-ξ）Kpγh+2cKp1-ξKp（1）

采用高壓旋噴擴(kuò)大頭預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿，總長(zhǎng)15 m，其中擴(kuò)體段長(zhǎng)度為5 m；其等直徑段直徑為200 mm，擴(kuò)底直徑為850 mm，擴(kuò)大頭位置置于7層粉砂層。桿體結(jié)構(gòu)如圖5所示。經(jīng)過計(jì)算，單根桿抗拔承載力特征值為640 kN。每根錨桿中設(shè)置一根40 mm PSB1080級(jí)預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼，滿足設(shè)計(jì)要求。通過上述對(duì)比，本項(xiàng)目采用高壓噴射擴(kuò)大頭錨桿。

4 錨桿布置方法

錨桿采用分散布置方法，計(jì)算采用手算初步布置，然后將初步布置結(jié)果導(dǎo)入YJK軟件進(jìn)行計(jì)算并復(fù)核調(diào)整。下沉廣場(chǎng)位置手算初步布置過程：①計(jì)算單個(gè)柱網(wǎng)內(nèi)凈水浮力;②估算單根錨桿可以負(fù)擔(dān)水浮力的面積;③均勻布置錨桿于圖中;④根據(jù)柱下反力刪除柱下局部位置錨桿;⑤導(dǎo)入整體模型中，考慮水浮力的非線性作用調(diào)整錨桿布置。

最終結(jié)果為間距2.8 m×2.8 m的等間距矩形布置，最終錨桿布置方法如圖6所示。

5 初始預(yù)應(yīng)力施加與沉降差調(diào)整

預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿初始預(yù)應(yīng)力施加與3方面原因有關(guān)：

（1）保證抗浮錨桿在使用過程中不出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

（2）控制水浮力工況下的底板變形。

（3）控制下沉廣場(chǎng)位置與周邊樓座內(nèi)的沉降差。考慮實(shí)際情況，沉降控制采用常水位進(jìn)行計(jì)算。

本項(xiàng)目根據(jù)地勘報(bào)告，常水位為室外地坪下4 m，相對(duì)標(biāo)高為-4.150，常水位工況下抗浮水頭為6.15。在保證使用過程中不出現(xiàn)拉應(yīng)力且常水位工況下錨桿不發(fā)生上拔變形，初始預(yù)應(yīng)力施加值計(jì)算：

［（6.15×9.8）-（12.5+2）］×（2.8×2.8）=358 kN

初始預(yù)應(yīng)力施加值為360 kN。

6 高壓噴射擴(kuò)大頭預(yù)應(yīng)力錨桿的施工與檢測(cè)

施工步驟為：場(chǎng)地放線與平整、平直段成孔、高壓擴(kuò)孔、錨桿下錨、擴(kuò)大頭內(nèi)部注漿、擴(kuò)大頭外部注漿、錨桿張拉鎖定。其中預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)在混凝土底板澆筑及養(yǎng)護(hù)完成后，錨具錨固于混凝土底板之上。錨頭做法如圖7所示。

施工完成后取其中5根錨桿作為基本試驗(yàn)錨桿進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，拉拔極限值為1 300 kN，加載值為162.5～1 300 kN，每級(jí)荷載增加值為1300÷8=162.5 kN。5根錨桿均未發(fā)生土體破壞或鋼筋斷裂。

其中某根抗拔試驗(yàn)錨桿荷載-位移曲線（Q-S曲線）、錨桿荷載-彈性位移（Q-Se曲線）與錨桿荷載-塑性位移（Q-Sp曲線），如圖8所示。

通過圖8可以看出，在同一級(jí)的荷載作用下，下一循環(huán)比上一循環(huán)的曲線斜率大，由于上一循環(huán)擴(kuò)大頭的被動(dòng)土壓力作用對(duì)其上部端頭土體產(chǎn)生壓密效應(yīng)［4］，使得下一循環(huán)達(dá)到該級(jí)荷載時(shí)該部分土體位移減小。從圖8中擴(kuò)大頭錨桿的彈塑性位移曲線可以看出，錨桿后一級(jí)的加載循環(huán)的位移增加量均大于前一級(jí)的加載循環(huán)，在接近加載極限值的時(shí)候增大較為迅速。

根據(jù)鋼筋彈性模量和截面積，計(jì)算出桿體鋼筋在 162.5 kN 下的彈性變形為9.7 mm。在第一循環(huán)荷載從162.5 kN增加到487.5 kN時(shí)，鋼筋軸向變形量計(jì)算值為19.4 mm，錨桿增加試驗(yàn)值為6.21 mm，遠(yuǎn)小于該級(jí)荷載下桿體鋼筋變形量，說明此時(shí)錨桿主要靠擴(kuò)大頭位置的側(cè)摩阻力提供抗拔力。在第二循環(huán)荷載從487.5 kN 增加到 650 kN 時(shí)，錨桿位移增量為7.88 mm，也小于該級(jí)荷載下鋼筋軸向變形值9.7 mm，在第三循環(huán)荷載從650 kN 增加到812.5 kN 時(shí)，錨桿位移增量為10.65 mm，基本等于鋼筋軸向變形值9.7 mm，說明此時(shí)擴(kuò)大頭的被動(dòng)土壓力已經(jīng)開始發(fā)揮作用。隨著荷載的增加，在最后一循環(huán)從 1 137.5 kN 增加到 1 300 kN 時(shí)，錨桿位移增量也為 11.21 mm，依然鋼筋軸向變形值9.7 mm近似接近，說明此時(shí)荷載的增加主要靠擴(kuò)大頭的被動(dòng)土壓力發(fā)揮作用。

通過5根錨桿的基本試驗(yàn)，滿足設(shè)計(jì)要求，錨桿工作狀況與設(shè)計(jì)要求一致。在施加360 kN的初始應(yīng)力后，水浮力作用下的錨桿變形將進(jìn)一步減小。

7 結(jié)論

本文為筆者2022年初完成的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，該項(xiàng)目局部下沉廣場(chǎng)位置具有水浮力較大的特點(diǎn)，前期通過方案比選選取了擴(kuò)大頭抗浮錨桿的抗浮方案。后面又介紹了手算的初步布置與電算調(diào)整，初始預(yù)應(yīng)力施加的計(jì)算方法，使錨桿受力相對(duì)平衡，底板受力與變形合理。后面又介紹了本項(xiàng)目抗浮錨桿的施工過程與錨桿試驗(yàn)結(jié)果和分析，旨在為類似項(xiàng)目提供參考。

參考文獻(xiàn)

［1］ 張震， 張東剛， 李帥， 等. 《地下結(jié)構(gòu)抗浮方案的選擇及優(yōu)化》［C］. //中國(guó)建筑學(xué)會(huì)地基基礎(chǔ)分會(huì)2014年學(xué)術(shù)會(huì)議， 中國(guó)建筑學(xué)會(huì)地基基礎(chǔ)分會(huì)， 2014.

［2］ 建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)： JGJ 476-2019［S］.2019.

［3］ 高壓噴射擴(kuò)大頭錨術(shù)規(guī)程桿技： JGJ/T 282-2012［S］.2012.

［4］ 張世軒.《囊式擴(kuò)體錨桿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析及承載力計(jì)算模式研究》［D］. 鄭州： 鄭州大學(xué)，2017.