浅谈抗浮锚杆受力特性及布置方式

浅谈抗浮锚杆受力特性及布置方式

刘嘉鹏

上海杰筑建筑规划设计股份有限公司 上海市杨浦区  200082

摘要：以徐州睦邻中心项目地下室底板抗浮设计为例，抗浮锚杆设计时应考虑结构形式，荷载取值，基础类型，地勘资料等因素对锚杆受力及布置的影响。通过建立整体有限元模型来进行抗浮计算及分析抗浮锚杆的受力特点和布置规律。

关键词：锚杆；地下室

引言

随着城市化的加快及生活水平的提高，项目开发普遍设置地下车库用以解决城市用地日益紧张的情况。充分开发与合理利用地下空间越来越普及，但由于地库埋深较深，地下水位较高，上部结构自重较小的项目中，抗浮设计常成为项目经济性控制的关键；其中增设抗浮锚杆就是其中有效的抗浮措施。

1.工程概括

拟建工程为徐州经济技术开发区运河祥苑，该场地位于江苏省徐州经济开发区，拟建建筑物主要为高层住宅楼、睦邻中心（多层商业）整个场地内部设置 1 层地下车库，总用地面积 53304.46m 2 ，总建筑面积约 186574.63m 2 。其中睦邻中心为多层商业，酒店及地下室组成。正负零绝对标高36.850，地下室底板顶相对标高为-6.500m，抗浮水位相对标高为 －0. 650m，无上部建筑的纯地下车库区域典型柱网尺寸为 9.0m × 9.0m，恒荷载传至柱底的典型轴力为 3100kN。

图1  建筑效果图

(1)地质资料

本工程主要划分为3 个主要土层，第一层为（1-1）新近杂填土，以杂色，松散，以黏性土及碎石、水泥块为主；第二层为（2-1）为黏土（第四纪全新世Q4一般沉积土）,土质不均匀，干强度高， 韧性高；最后一层为（4-1）中风化石灰岩；基岩物理力学性质较好，岩芯较完 整，呈柱状、短柱状，局部破碎，取芯率 80～90%，RQD=50%～85%，岩体基本质量等级为Ⅲ级，天然地基能满足设计要求。抗浮设计水位可取场地室外设计地面标高下 0.50 米。

(2)结构设计综述

睦邻中心建筑为三层商业和五层酒店，结构通过采取设置防震缝的措施将商业与酒店划分为多栋规则结构单元。结构体系为框架结构，框架结构满足结构设计各项参数指标，对建筑而言，框架结构可实现建筑功能空间效果。因商业部分考虑餐饮及超市，荷载布置较大，但抗浮设计时应考虑恒荷载最不利布置（仅考虑建筑面层做法）。睦邻中心基础采用筏板及局部加厚下柱墩形式以满足承载力及冲切要求。根据地勘资料中风化石灰岩承载力特征值为3000Kpa，基础抗压设计时采用天然地基即可满足。抗浮设计时抗浮水位相对标高为-0.650，标准柱网9.0mX9.0m水浮力为1685KN,如下表一。

表1  抗浮验算

注：水浮10KN/m3，覆土容重16KN/m3，混凝土25KN/m3

2.地下室抗浮方式

1）压重法

通过覆土，建筑底板面层做法，或者地下室顶板和底板厚度，增加建筑自重，抵抗地下水浮力。主要适用于抗浮水位较低的项目。

2）抗拔桩：

    通过桩身与土层之间的摩擦力来抵抗轴向拉力，桩身插入土层深度越深，土体侧阻力越大，桩抗拔力能力越强。主要适用于水浮力较大的项目。

3）抗浮锚杆

利用和周围岩土的摩擦力抵抗水浮力，但尺寸较小，抗压计算时往往忽略其刚度影响，抗浮锚杆造价较低。主要适用于岩土基础。

3.本项目抗浮方法分析

由表一可知本项目需解决地库抗浮问题，通过利用已有的建筑覆土厚度1.5m，可以为结构提供240KN/m2恒载抗浮；但仍然无法满足抗浮稳定设计，需采用结构建材抗浮；由于项目位于岩石地基，首先排除常用的预制桩抗浮，岩石地基预制桩沉桩困难，预制桩沉桩增加桩靴增加施工技术难点；灌注桩因本身施工工艺，施工周期较长，增加基坑排水周期，增加维护成本；且桩基受力为桩身与土层之间的摩擦力来抵抗轴向力，即提供抗压承载力和抗拔承载力；本项目筏板基础底位于中风化岩层，中风化岩提供3000KPa承载力，天然地基满足抗压承载力；抗浮锚杆造价较低，沉孔施工较快，适用于本项目。

4.抗浮锚杆设计

（1）锚杆的锚固原理

锚杆的承载力由四个方面决定，一是锚杆杆体的材料强度；二是锚杆杆体与灌浆体之间的握裹力；三是灌浆体与岩土体之间的粘结力和摩擦力；四是地层岩土的结构，强度，应力状态和含水情况。

同时这四个方面又是锚杆失效的重要方面，锚杆体的断裂，锚杆体与灌浆体接触面的滑移脱落，灌浆体的劈裂；灌浆体与岩土界面的滑移破坏。所以，锚杆的锚固力由锚固杆体，灌浆体和岩体共同作用抵抗水浮力作用。

（2）抗浮锚杆选型：

按是否施加预应力分为预应力锚杆和非预应力锚杆，为了使无初始变形的锚杆在结构容许位移的范围内发挥最大的承载力，选择预应力锚杆有效减少在受力时的变形；按灌浆体受力状态分为受压锚杆和受拉锚杆，区别在于锚杆受荷由钢筋或钢绞线传递给锚固段灌浆体的方式不同，压力型锚杆在锚固段末端设置一个承载体，钢绞线将拉力传递给承载体,再由承载体将荷载传递给固定在基础上的锚具，压力型将灌浆体在拉力型锚杆中的受拉状态改变为受压状态，有效解决灌浆体因拉裂导致的锚固段后移，锚杆体与灌浆体滑移，裂缝的产生，增加锚杆的耐久性。注浆体始终受压，可作为一道物理防腐屏障。

（3）锚杆的设计

依据《抗浮锚杆技术规程》YB/T-2018抗浮5.2.2条

=

-单根岩体锚杆极限抗拔承载力标准值

D-锚杆锚固体直径

-锚固体与i层地层间的界面粘结强度（kpa）

-锚固体在第i层地层中的长度

由地勘资料可得中4-1风化石灰岩锚杆粘结强度标准值400(KPa)，根据项目经验，锚杆总长度取5.0m,锚杆直径D=200mm。

=3.14X0.2X300X4=753.6KN

===376.8KN，此为岩体与灌浆体的摩擦力由于设计抗浮锚杆缺少经验，及时与当地审图机构沟通，听取审图意见，并根据当地其他项目经验参考，采取标准值为550KN，特征值为250KN；进行抗浮设计。

杆体设计采用PSB1080预应力螺纹钢筋

==0.649mm2;选取直径32mm

/2=1.5X26.8X3.14[(2-（）2]/2=335KN；

承载体直径满足设计要求。

（4）锚杆的布置方式

水浮力沿地下室底板均匀分布，在水浮力作用下，筏板的跨中区域发生最大位移变形，产生最大的板面弯矩，如图2图3所示，从有限元模型分析发现，水浮力的大小不会发生改变，合理的布置锚杆，将锚杆提供的锚固力作为跨中集中荷载参与计算，抵消部分水浮力作用，可以极大程度上降低底板跨中区域的配筋。

图2  水浮力弯矩云图

图3  水浮力位移云图

由于筏板与锚杆共同承担水浮力作用，在变形协调的作用下，锚杆提供的拉力取决于锚杆与底板的相对刚度，锚杆产生拉力的前提是地下室筏板产生变形。由表一水浮力1680KN及锚杆单根抗拔承载力特征值250KN可知标准柱网范围内需设置至少7根锚杆才能满足静力平衡，由最不利柱网区域进行局部抗浮稳定性验算发现在水浮力作用下，由于基础底板构件变形及各锚杆竖向位移的不一致，实际上各锚杆所受的拉力是不均匀的。

通过结构整体抗浮稳定性验算，采用盈建科整体有限元模型计算进行对比基础底板非加厚区厚度采用 400mm 和600mm抗浮锚杆受力时，由于600mm筏板平面外刚度较大，更易协调调差异变形；在水浮力作用下的变形较少，锚杆受力较为均匀。筏板厚度增加自重有利于抗浮。

根据锚杆节点设计及施工顺序，压力型预应力锚杆需混凝土筏板达到足够强度，浇筑底板完成后（20天）施加预应力，并且锚头做法建筑面层无法全部消化，所以此时筏板相应部分受到削弱，有效厚度较少，见图4；600mm的筏板可以保证削弱后仍有足够强度。同时锚杆张拉时，巨大的张拉力易使底板混凝土与钢筋发生扰动，容易渗水。600mm可以提供足够的刚度

图4  抗浮锚杆节点详图

综上分析，将锚杆均匀设置筏板中部，柱下不设置锚杆，在水浮力作用下，筏板中部向上的变形及弯矩减少，筏板配筋相应减少；由于锚杆在本工程中心距为 2. 2m，满足《岩土锚杆( 索) 技术规程》最小间距要求，不考虑群锚效应对锚杆承载力削弱的影响，有效发挥单根锚杆承载力。锚杆布置详见图5。

图5  抗浮锚杆布置图

由于本项目设置人防地下室，锚杆布置不应在墙柱下，墙柱插筋将严重阻碍锚杆张拉，预应力锚杆将无法张拉锁定，为保证锚杆施加预应力，需要保证一定的操作施工界面，锚杆布置与人防墙留有至少800mm操作空间。结构后浇带，建筑集水坑和生活水泵房基础等诸多因素在布置锚杆时都需要考虑，与各专业需要保持紧密沟通，来保证锚杆的合理布置。

5. 结论：

目前，徐州睦邻中心项目的地下室已施工完成，地下室底板所受水浮力处于正常状态，底板变形等各项指标均正常。

本文结合实际工程；对地下车库采用预应力压力型锚杆的抗浮措施，通过分析水浮力对筏板的影响和抗浮锚杆的构件受力特点及构造要求，合理的布置锚杆进行阐述。结果表明，所进行的锚杆抗浮设计安全、有效、经济、便于施工，可以为其他类似工程提供参考依据。

同时，本文所述的抗浮锚杆布置方式主要针对柱网均匀布置的情况，而对于非均匀布置的柱网，锚杆抗浮设计需根据实际水浮力大小合理布置，掌握锚杆受力特点及构造要求选择合适区域设置，使锚杆便于现场施工成孔预应力施加，从而使锚杆质量得以保证，发挥锚杆承载力。

抗浮锚杆最为作为一种高性能的建材，在解决地库抗浮问题上有显著的效果，其市场需求会不断增加，前景广阔，随着抗浮锚杆的技术不断进步，生产工艺不断完善，产品质量不断提高，新材料的广泛应用；也为抗浮锚杆市场的进一步发展提供了更好的支持。

参考文献

[1]《抗浮锚杆技术规程》YB/T-2018

[2]《建筑与市政地基基础通用规范》GB 55003-2 021

[3]《建筑工程抗浮技术标准》JGJ 476 - 2019

[4]地下室底板抗浮锚杆合理布置与工程应用 作者：吴铮 等；《建筑结构》2015-01-01

[5]抗浮锚杆力学特性研究与工程应用 作者：蒋继宝

[6]地下室车库底板抗浮不足分析与处理方法 作者：梁鲜

[7]西藏公路滑坡防治中锚固结构的耐久性及修复技术 作者：张正波 何思明 等 《地质通报》2013-12-15