地下室底板抗浮錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

馬竹青

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院,濟(jì)南 250022)

近年來由于地下空間的大規(guī)模開發(fā),帶地下室的裙房及單建式的地下室等建筑越來越多,深度也逐漸加深。由于其上部層數(shù)少,結(jié)構(gòu)自重往往不足以抵抗地下水產(chǎn)生的浮力,基礎(chǔ)必須采取一定的抗浮措施。當(dāng)結(jié)構(gòu)自重與浮力相差不大時(shí),可采用增加地下室底板、頂板配重的辦法(如采用鋼渣混凝土或在頂板上增加覆土)；如果二者相差較大,則需要采取設(shè)置抗拔樁或抗浮錨桿等措施。關(guān)于抗拔樁,《建筑樁基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ194—2008)有明確的規(guī)定?？紤]到工期及經(jīng)濟(jì)因素,建設(shè)方往往更傾向于采用抗浮錨桿，但抗浮錨桿目前還沒有較完整的設(shè)計(jì)規(guī)范。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2002)(以下簡(jiǎn)稱《地基基礎(chǔ)規(guī)范》)中“巖石錨桿基礎(chǔ)”部分第8.6節(jié),可以驗(yàn)算錨桿的抗拔力,但缺少錨桿部分的規(guī)定,只能參照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2002)(以下簡(jiǎn)稱《邊坡規(guī)范》)及《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》 (CECS 22：2005)(以下簡(jiǎn)稱《錨桿規(guī)程》)相應(yīng)的條文執(zhí)行。特別是對(duì)于防水問題,更缺少相應(yīng)的規(guī)范及圖集可以采用?，F(xiàn)將青島站地下室抗浮錨桿代替抗拔樁的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行總結(jié),希望能給類似工程以參考。

1 問題的提出

青島客站改造工程新建站房分為東、西、南3個(gè)區(qū),南區(qū)南側(cè)地上2層、地下2層,采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),鋼筋混凝土筏基。南區(qū)北側(cè)地下候車室部分僅為1層地下室。采用2跨連續(xù)槽形箱梁,跨度分別為39.7 m及11.7 m,鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ),構(gòu)造剛性底板。±0.00相當(dāng)于絕對(duì)高程7.61 m,室內(nèi)外高差-0.15～-1.50 m?；茁裆?16.9 m,局部-17.00～-18.00 m。基底持力層大部分為中風(fēng)化或微風(fēng)化花崗巖。地下水類型為第四系壤中潛水和基巖裂隙潛水,地下水主要受大氣降水的補(bǔ)給,第四系壤中潛水還受排污管道內(nèi)水入滲的影響。雨季地下水埋深約在自然地坪下1 m,為最高地下水位。地下水對(duì)混凝土無腐蝕性。

地下室為抗浮,初設(shè)采用抗拔樁,樁徑800 mm,共1 018棵。若按抗拔樁方案施工,工程量大、工期長(zhǎng)、且基底持力層為強(qiáng)風(fēng)化或中風(fēng)化花崗巖,施工難度大。從2007年初開始動(dòng)工,預(yù)計(jì)總工期將達(dá)5個(gè)月。由于青島客站工期極為緊張,為保證2008年奧運(yùn)會(huì)前順利開通,經(jīng)過聘請(qǐng)當(dāng)?shù)刭Y深專家對(duì)基底巖性及抗浮水位出具專題報(bào)告,建設(shè)各方通過反復(fù)研究論證,最終決定將基礎(chǔ)抗拔樁優(yōu)化為抗浮錨桿。

變更后,共設(shè)抗浮錨桿4 011棵。施工單位共投入高風(fēng)壓鉆機(jī)4臺(tái),成孔133棵/d,總施工工期約1個(gè)月。較抗拔樁方案工期提前4個(gè)月,總造價(jià)節(jié)約103萬元,取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2 抗浮錨桿布置原則

為了避免出現(xiàn)群錨效應(yīng),同時(shí)由于抗浮錨桿需穿透地下室地板下的防水層錨入底板內(nèi),形成一個(gè)個(gè)防水薄弱點(diǎn),有可能給建筑防水留下隱患,所以錨桿的間距D不能太小。《地基基礎(chǔ)規(guī)范》圖8.6.1規(guī)定了錨桿間距的最小要求,即錨桿的中心距離≥6d1,d1為錨桿孔直徑?！跺^桿規(guī)程 》第7.7.2條錨桿的間距除必須滿足錨桿的受力要求外,尚宜大于1.5 m,當(dāng)所采用的間距更小時(shí),應(yīng)將錨桿段錯(cuò)開布置。另外為了使應(yīng)力分布均勻,綜合考慮錨桿鋼筋的抗拔能力,間距也不宜太大。在具體工程中可以根據(jù)結(jié)構(gòu)布置及地質(zhì)情況綜合考慮。圖1為青島站地下候車室錨桿剖面布置,圖2為青島站地下候車室錨桿布置,其中D根據(jù)不同受力部位取值為1.2～1.9 m。

注：中風(fēng)化l=3.5 m，微風(fēng)化l=2.8 m

圖2 錨桿平面布置

3 抗浮錨桿設(shè)計(jì)

3.1 單根錨桿抗拔承載力特征值估算

《地基基礎(chǔ)規(guī)范》第6.7.6條：巖石錨固段的抗拔承載力特征值,對(duì)于永久性錨桿的初步設(shè)計(jì)或?qū)τ谂R時(shí)性錨桿的施工設(shè)計(jì)階段,按下式計(jì)算

Rt=ξfurhr

式中f——砂漿與巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度特征值，MPa,由試驗(yàn)確定,當(dāng)缺乏試驗(yàn)資料時(shí),可按表1選用；

ur——錨桿周長(zhǎng)；

hr——錨桿錨固段嵌入巖層中的有效錨固長(zhǎng)度,按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定；

ξ——經(jīng)驗(yàn)系數(shù),對(duì)于永久性錨桿取0.8。

表1 砂漿與巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度特征值 MPa

注：本表取自《地基基礎(chǔ)規(guī)范》表6.7.6。

《地基基礎(chǔ)規(guī)范》第8.6.3條規(guī)定：對(duì)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)的建筑物,單根錨桿抗拔承載力特征值Rt應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定；對(duì)于其他建筑物可按下式計(jì)算

Rt≤0.8πd1lf

式中，l為錨桿的有效錨固長(zhǎng)度；其他符號(hào)同前。

比較以上兩式,可以看出兩個(gè)公式是一致的。

錨桿孔直徑經(jīng)驗(yàn)值一般在200 mm以內(nèi),本工程初步設(shè)定錨桿孔徑150 mm，錨固長(zhǎng)度l暫取3.2 m。根據(jù)《地基基礎(chǔ)規(guī)范》第8.6.1條的構(gòu)造要求,錨桿鋼筋采用HRB400級(jí)鋼(fy=360 MPa,fyk=400 MPa)。水泥砂漿強(qiáng)度等級(jí)M30,砂漿與巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度特征值f按較軟巖取0.30 MPa,估算出單根錨桿抗拔承載力特征值Rt為362 kN。

必須注意的是,此處的抗拔承載力特征值只是估算值,可以據(jù)此值按規(guī)范要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),確定是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本工程經(jīng)檢測(cè)單根錨桿的抗拔力均滿足試算結(jié)果要求。

3.2 錨桿鋼筋截面面積計(jì)算

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》規(guī)定抗拔樁要驗(yàn)算樁的裂縫,樁的鋼筋往往由裂縫來控制,即樁的實(shí)配鋼筋一般比按抗拉強(qiáng)度計(jì)算的要大?？垢″^桿作為抗拔構(gòu)件,確定錨桿鋼筋按理也應(yīng)該參照抗拔樁滿足錨桿體抗裂的要求。對(duì)于抗拔錨桿的鋼筋截面計(jì)算,《地基基礎(chǔ)規(guī)范》沒有明文規(guī)定,《邊坡規(guī)范》引進(jìn)了抗拉工作條件系數(shù),《錨桿規(guī)范》引進(jìn)了抗拉安全系數(shù),二者形式不同,但都相當(dāng)于對(duì)鋼筋取1.6倍的抗拉安全系數(shù),筆者認(rèn)為可以據(jù)此進(jìn)行鋼筋截面計(jì)算,并取大者作為計(jì)算結(jié)果。

3.2.1 根據(jù)《邊坡規(guī)范 》7.2.2條

As≥γ0Na/ξ2fy

Na=γQNak

式中γ0——邊坡工程重要性系數(shù)；本工程取1.1。

Na——錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值；

γQ——荷載分項(xiàng)系數(shù),可取1.30；

Nak——錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值；

ξ2——錨筋抗拉工作條件系數(shù),永久性錨桿取0.69；

fy——錨筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa。

根據(jù)上式計(jì)算得出As≥2 084 mm2。

3.2.2 根據(jù)《錨桿規(guī)程 》7.4.1條

As≥KtNt/fyk

式中Kt——錨筋桿體的抗拉安全系數(shù),永久性錨桿取1.60；

Nt——錨筋的軸向拉力設(shè)計(jì)值；

fyk——鋼筋的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa。

結(jié)構(gòu)安全等級(jí)同樣取一級(jí),則As≥2 071 mm2。

可見兩本規(guī)范計(jì)算結(jié)果基本一致。錨桿鋼筋選用3φ32 mm,As=2 418 mm2。

錨桿鋼筋換算直徑69 mm,經(jīng)檢驗(yàn)之前假定的錨桿孔直徑150 mm可以符合《地基基礎(chǔ)規(guī)范》8.6.1條的要求。

3.3 錨桿錨固體入巖長(zhǎng)度

除要驗(yàn)算錨桿錨固體與地層的錨固及錨桿鋼筋與錨固砂漿間的錨固長(zhǎng)度外,還要滿足構(gòu)造要求。下面僅列以《邊坡規(guī)范》計(jì)算的上述兩部分計(jì)算內(nèi)容,《錨桿規(guī)程》可以按式7.5.1-1及7.5.1-2計(jì)算。因本工程的計(jì)算結(jié)果基本接近,按《錨桿規(guī)程》計(jì)算過程略。

3.3.1錨桿錨固體與地層的錨固長(zhǎng)度la

la>Nak/ξ1πDfrb(《邊坡規(guī)范 》第7.2.3條)

式中ξ1——錨固體與地層粘結(jié)工作條件系數(shù),永久性錨桿取1.00；

D——錨固體直徑(即圖1中錨桿孔直徑d1)，m；

frb——地層與錨固體粘結(jié)強(qiáng)度特征值，kPa,應(yīng)通過試驗(yàn)確定,當(dāng)無試驗(yàn)資料時(shí)可按表2取值。

表2 地層與錨固體粘結(jié)強(qiáng)度特征值

注：本表取自《邊坡規(guī)范》7.2.3條。

按frb取值450 kPa計(jì)算,la>1.71 m。

3.3.2 錨桿鋼筋與錨固砂漿間的錨固長(zhǎng)度

la≥γ0Na/ξ3nπdfb(《邊坡規(guī)范 》7.2.4條)

式中l(wèi)a——錨桿鋼筋與砂漿間的錨固長(zhǎng)度，m；

d——錨桿鋼筋直徑，m；

n——鋼筋根數(shù)，根；

γ0——邊坡工程重要性系數(shù)；

ξ3——鋼筋與砂漿粘結(jié)強(qiáng)度工作條件系數(shù),對(duì)永久性錨桿取0.6；

fb——鋼筋與錨固砂漿間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，kPa,應(yīng)由試驗(yàn)確定,當(dāng)缺乏試驗(yàn)資料時(shí)可按表3取值。

表3 鋼筋與錨固砂漿間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 kPa

注：1.本表取自《邊坡規(guī)范》7.2.4條；2.當(dāng)采用2根鋼筋點(diǎn)焊成束的作法時(shí),粘結(jié)強(qiáng)度應(yīng)乘0.85折減系數(shù)；3.當(dāng)采用3根鋼筋點(diǎn)焊成束的作法時(shí),粘結(jié)強(qiáng)度應(yīng)乘0.7折減系數(shù)；4.成束鋼筋的根數(shù)不應(yīng)超過3根,鋼筋截面總面積不應(yīng)超過錨孔面積的20%。當(dāng)錨固段和注漿材料采取特殊設(shè)計(jì),并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證錨固效果良好時(shí),可適當(dāng)增加錨桿鋼筋用量。

經(jīng)計(jì)算，la≥1.70 m。

3.3.3 構(gòu)造要求

《地基基礎(chǔ)規(guī)范》僅規(guī)定了錨固長(zhǎng)度的最小值(如圖8.6.1示l>40d,d為錨桿直徑)?！哆吰乱?guī)范》及《錨桿規(guī)程》規(guī)定錨桿錨固段長(zhǎng)度需要針對(duì)錨桿錨固體與地層的錨固長(zhǎng)度以及錨桿鋼筋與錨固砂漿間的錨固長(zhǎng)度兩方面進(jìn)行計(jì)算,取其中大值,并以構(gòu)造要求規(guī)定了錨固段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的上下限值,僅數(shù)值略有區(qū)別?！哆吰乱?guī)范》7.4.1.2條規(guī)定巖石錨桿的錨固段長(zhǎng)度不應(yīng)小于3 m,且不宜大于45D和6.5 m；《錨桿規(guī)程》7.5.3條規(guī)定：巖石錨桿的錨固長(zhǎng)度宜采用3～8 m。其原因是當(dāng)錨桿錨固長(zhǎng)度超過一定值后,錨桿抗拔力的提高極為有限,甚至可以忽略不計(jì)。反之,錨固段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)過短時(shí),由于實(shí)際施工期錨固區(qū)地層局部強(qiáng)度可能降低,或巖體中存在不利組合結(jié)構(gòu)面時(shí),錨固段被拔出的危險(xiǎn)性增加,故規(guī)定了最小長(zhǎng)度。具體設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)工程實(shí)際情況酌情選用。例如采用爆破開挖的基坑,基巖面往往破裂且不平整,一般錨桿長(zhǎng)度要適當(dāng)增加。

本工程錨桿體入巖長(zhǎng)度l根據(jù)以上要求綜合考慮,入中風(fēng)化巖層：l=3.5 m,入微風(fēng)化巖層：l=2.8 m。

3.4 抗浮錨桿的間距

上述計(jì)算過程完成后,A≤Nak/(F浮-F抗),A為每根錨桿所承擔(dān)的抗浮面積。再根據(jù)錨桿的布置情況,求出抗浮錨桿的間距。如果錨桿間距不理想,可以調(diào)整錨桿抗拔承載力特征值,重新驗(yàn)算,直到滿足要求為止。

3.5 錨桿和底板間的沖切問題

如果錨桿的抗拔承載力較大,而底板較薄,還要進(jìn)行錨桿和底板間的抗沖切驗(yàn)算,這里不再贅述。

4 防水措施

結(jié)構(gòu)防水是地下室防水設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。由于錨桿鋼筋會(huì)穿過底板外防水,錨桿鋼筋應(yīng)有防水措施。但對(duì)于抗浮錨桿,目前尚沒有比較明確的規(guī)定及統(tǒng)一的做法。根據(jù)防水設(shè)計(jì)原則,借鑒了樁基防水構(gòu)造作法并參照當(dāng)?shù)氐墓こ探?jīng)驗(yàn),采取以下措施：在墊層上打眼,作12 mm厚的聚合物防水砂漿,在錨桿根部涂一層水泥基滲透結(jié)晶型防水材料作為附加防水層；外包4 mm厚自粘式防水卷材。3根鋼筋呈喇叭口狀錨入底板內(nèi),在錨桿上部灌瀝青型灌漿料。用該方法施工防水效果還不錯(cuò)。文獻(xiàn)[6]詳細(xì)介紹了錨桿的防水做法,可供參考。

5 錨桿防腐

首先在地質(zhì)勘察報(bào)告中應(yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性作評(píng)

價(jià),如地下水對(duì)鋼筋有腐蝕必須對(duì)錨桿采取相應(yīng)的防腐措施?！哆吰乱?guī)范》7.4.5條規(guī)定了永久性錨桿的防腐蝕處理要求,其中對(duì)位于無腐蝕性巖土層內(nèi)的錨固段應(yīng)除銹,砂漿保護(hù)層厚度應(yīng)不小于25 mm;這與《地基基礎(chǔ)規(guī)范》8.6.1.1條錨桿孔直徑,宜取錨桿直徑的3倍,但不應(yīng)小于1倍錨桿直徑加50 mm的規(guī)定一致?！跺^桿規(guī)程》第6章對(duì)防腐規(guī)定的更具體,其中對(duì)處于非腐蝕環(huán)境的永久性錨桿錨固段,水泥砂漿保護(hù)層厚度不應(yīng)小于20 mm。

6 規(guī)范選用建議

由于抗浮錨桿無專門的規(guī)范條文,筆者建議可以利用《地基基礎(chǔ)規(guī)范》中的“巖石錨桿基礎(chǔ)”部分對(duì)單根錨桿抗拔承載力特征值進(jìn)行估算,驗(yàn)算錨桿鋼筋、錨桿錨固長(zhǎng)度及抗腐蝕措施、材料、防腐及施工檢驗(yàn)要求等可參照《邊坡規(guī)范》及《錨桿規(guī)程》兩本規(guī)范,設(shè)計(jì)者可根據(jù)工程具體情況合理選用。

7 結(jié)語

用抗浮錨桿來解決建筑物或構(gòu)筑物抗浮問題,因其具有造價(jià)低、施工方便等優(yōu)點(diǎn),已越來越多地應(yīng)用于實(shí)際工程中。但抗浮錨桿畢竟是近幾年的新工藝,特別是其防水、耐久性目前國(guó)家還沒有制定系統(tǒng)、全面的規(guī)范以及相應(yīng)的國(guó)標(biāo)圖集。要確?？垢″^桿的安全,除要求施工單位有較高的技術(shù)素質(zhì),嚴(yán)格按各工序要求進(jìn)行施工外,還需要設(shè)計(jì)、建設(shè)、監(jiān)理三方共同努力,另外借鑒當(dāng)?shù)氐某晒?jīng)驗(yàn)也是十分必要的。

[1]GB50007—2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB50330—2002，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].

[3]CECS 22：2005，巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程[S].

[4]JGJ94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[5]GB50108—2008，地下工程防水技術(shù)規(guī)范[S].

[6]姜明強(qiáng).抗浮錨桿防水設(shè)計(jì)探討[J].建筑科技與經(jīng)濟(jì)，2009(1).