地下室抗浮錨桿的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

邵遠(yuǎn)揚(yáng)

(福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建福州 350108)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化進(jìn)程迅速加快，土地資源變得日益緊張，人們對(duì)地下空間的開(kāi)發(fā)利用不斷增多。而埋置于巖土體中的地下結(jié)構(gòu)受地下水作用會(huì)產(chǎn)生向上的水浮力，當(dāng)結(jié)構(gòu)自重荷載不足以抵抗水浮力時(shí)，必須采取有效的抗浮措施以平衡過(guò)大的水浮力，才能保證地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全，否則，輕則可能引起地下結(jié)構(gòu)底板局部開(kāi)裂、隆起，重則可能導(dǎo)致建筑物整體上浮、傾斜，造成經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，甚至危及生命安全。因此，針對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗浮問(wèn)題，本文對(duì)地下室抗浮錨桿的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)進(jìn)行一些必要的驗(yàn)證研究。

1 抗浮措施介紹

地下室抗浮措施，按受力類型大致可以分為主動(dòng)抗浮和被動(dòng)抗浮兩種。主動(dòng)抗浮主要是通過(guò)排水、泄水、隔水等措施，保證地下水位維持在一定的標(biāo)高以下，主動(dòng)減小地下水浮力作用效應(yīng)的抗浮措施[1]。由于該措施需要長(zhǎng)期維護(hù)才能維持其有效性，后期還需要持續(xù)投入較大的監(jiān)測(cè)與維護(hù)費(fèi)用，方能保證達(dá)到與建筑物設(shè)計(jì)使用年限同期的抗浮效果；而被動(dòng)抗浮主要是通過(guò)增大結(jié)構(gòu)自重或抗浮力等措施，提高抵抗地下水浮力作用效應(yīng)的抗浮措施。目前較為常用的被動(dòng)抗浮措施[2-3]主要有以下3種。

1.1 壓重法

壓重法是指通過(guò)增加結(jié)構(gòu)自重或在結(jié)構(gòu)頂部或地下結(jié)構(gòu)底板上增加配重(或兩者結(jié)合)以滿足抗浮要求的方法[1]。當(dāng)抗浮力較大時(shí)，采用該方法可能造成結(jié)構(gòu)使用空間損失，荷載增大導(dǎo)致地基發(fā)生破壞，且大大提高工程造價(jià)；當(dāng)抗浮力不大時(shí)，采用該方法則施工較為簡(jiǎn)單、方便。

1.2 抗浮樁法

抗浮樁法是指當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)受水浮力作用導(dǎo)致樁頂上拔時(shí)，依靠樁身側(cè)壁與巖土層之間的摩阻力來(lái)提供抗浮力的方法。此時(shí)樁身處于受拉狀態(tài)，對(duì)于混凝土樁易造成樁身開(kāi)裂腐蝕，減少使用年限。另外，采用抗浮樁法，樁間距通常較大(導(dǎo)致底板跨度較大)，在水浮力作用下，地下結(jié)構(gòu)底板將受到較大的剪應(yīng)力和彎矩作用，導(dǎo)致工程造價(jià)提高、施工難度增大，為防止底板破壞必須增加底板厚度及配筋量，以提高底板抵抗剛度。

1.3 抗浮錨桿法

抗浮錨桿法是指通過(guò)錨固在地基中的抗拔構(gòu)件與地下結(jié)構(gòu)底板共同承擔(dān)水浮力的抗浮方法。其受力機(jī)理與抗浮樁類似，即地下結(jié)構(gòu)受水浮力作用導(dǎo)致錨桿產(chǎn)生上拔力，該上拔力最終依靠錨固體與巖土層之間的摩阻力得以平衡抵消，從而起到抗浮效果。與其他抗浮措施比較而言，抗浮錨桿法主要具有以下優(yōu)點(diǎn)[2-4]：首先，地層適應(yīng)性較好，能很好地適用于多種地層條件；其次，施工作業(yè)面小，施工便捷高效，工期較短；再次，均勻布置時(shí)，布置間距小，單點(diǎn)受力較小，底板結(jié)構(gòu)受力分布均勻；第四，通過(guò)錨固體注漿施工，能提高地基土的密實(shí)度，增大地基承載力，從而減小地基沉降量。

2 抗浮錨桿設(shè)計(jì)流程

抗浮錨桿的設(shè)計(jì)流程主要分以下4步：第一步，計(jì)算水浮力及上部結(jié)構(gòu)自重，比較二者大小，判定是否需要進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)；第二步，若需要抗浮設(shè)計(jì)，多余水浮力由抗浮錨桿承擔(dān)，預(yù)估錨桿布置間距，計(jì)算單根錨桿的抗拔承載力；第三步，根據(jù)單根錨桿承載力選取桿體材料并推算錨固段長(zhǎng)度；第四步，驗(yàn)算通過(guò)后，將錨桿均勻布置在底板構(gòu)件下。

抗浮錨桿設(shè)計(jì)大致流程如圖1所示。本文結(jié)合廈門某工程實(shí)例，通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行地下室抗浮錨桿的應(yīng)用研究。

圖1 抗浮錨桿設(shè)計(jì)流程

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

廈門某小學(xué)項(xiàng)目，用地面積約1990m2，總建筑面積約26 000m2，其中，地上建筑面積18 000m2，地下建筑面積8000m2。項(xiàng)目主要由3棟教學(xué)樓(均為5層)、1棟綜合樓(2層)及1棟門衛(wèi)室(1層)組成，另外在教學(xué)樓及操場(chǎng)以下設(shè)有1層地下室。

設(shè)計(jì)采用筏板基礎(chǔ)，持力層為殘積砂質(zhì)黏性土，天然地基承載力特征值為200kPa，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)，設(shè)計(jì)標(biāo)高±0.00為1985年國(guó)家黃海高程21.00m。

3.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地勘資料，地下室筏板基礎(chǔ)位于殘積砂質(zhì)黏性土層上，殘積砂質(zhì)黏性土以下巖土層分別為全風(fēng)化花崗巖、砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖及微風(fēng)化花崗巖。根據(jù)地勘報(bào)告，底板以下深20m范圍內(nèi)各巖土層設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3 抗浮驗(yàn)算

本文以操場(chǎng)以下純地下室的抗浮計(jì)算為例。操場(chǎng)以下設(shè)有1層地下室，室內(nèi)外高差-0.30m，± 0.00 相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高 21.00m；地下室層高4.60m，頂板厚200mm，底板厚400mm，頂板上覆土厚400mm；根據(jù)地勘資料，地下室抗浮設(shè)計(jì)水位取絕對(duì)高程19.00m；地下室剖面如圖 2 所示。

圖2 地下室局部剖面圖

(1)地下室自重計(jì)算

地下室自重計(jì)算公式如式(1)。

ΣG=24.70kN/m2

(1)

其中，ΣG為地下室單位面積自重(kN/m2)；

覆土厚400mm，自重G1=7.2kN/m2；

頂板厚200mm，自重G2=5.0kN/m2；

梁柱折算成板厚100mm，自重G3=2.5kN/m2；

底板厚400mm，自重G4=10.0kN/m2。

(2)地下室單位面積水浮力計(jì)算

地下室單位面積水浮力計(jì)算公式如式(2)。

F浮=γWh=41kN/m2

(2)

其中，F(xiàn)浮為地下室單位面積水浮力(kN/m2)；γW=10kN/m2；h為底板底計(jì)算水頭高度，取4.1m。

因F浮>ΣG，故，該地下室應(yīng)進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。

3.4 設(shè)計(jì)計(jì)算

綜合考慮工程地質(zhì)條件、水文條件及工期要求等實(shí)際情況，結(jié)合該地區(qū)類似工程抗浮經(jīng)驗(yàn)，建議采用抗浮錨桿法進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。

本文涉及的抗浮錨桿設(shè)計(jì)計(jì)算及參數(shù)取值，主要依據(jù)《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》(CECS22-2005)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)。根據(jù)表1可知，該工程基底以下土層性質(zhì)良好，故，錨桿按全長(zhǎng)粘結(jié)拉力型設(shè)計(jì)。

3.4.1錨桿間距

由于地下室柱網(wǎng)間距多為 8.4m，取其1/3為錨桿間距，即2.8m。錨桿采用正方形網(wǎng)格形式，均勻布置在底板上，如圖 3 所示。

3.4.2桿體截面積

(1)單根錨桿抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值

Ntk=A×(F浮-0.9∑G)=147.2kN

(取Ntk=150kN)

(3)

式(3)中：

Ntk為錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；

A為單根錨桿承擔(dān)的地下室抗浮面積(m2)；

A=2.8×2.8=7.48m2；故，該工程永久荷載影響系數(shù)取0.9。

(2)單根錨桿抗拔承載力設(shè)計(jì)值

Nt=γqNtk=195kN

(4)

式(4)中：

Nt為錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值(kN)；γq為荷載分項(xiàng)系數(shù)，取1.3。

(3)錨桿桿體截面面積計(jì)算

(5)

式(5)中：

As為錨桿桿體截面面積(mm2)；

Kt為錨桿桿體的抗拉安全系數(shù)，按《規(guī)程》[6]表7.3.2取2.2；fyk為鋼筋的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，三級(jí)鋼取360N/mm2。

3.4.3錨固段長(zhǎng)度

根據(jù)錨桿桿體的配筋情況，結(jié)合地層條件及以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取錨桿錨固段鉆孔直徑D=150mm。錨固段長(zhǎng)度按式(6)(7)估算，并按二者的較大值取值。

(6)

(7)

綜上，取La=10m。

式中：

K為錨桿錨固體的抗拔安全系數(shù)，按《規(guī)程》[6]表7.3.1選取，為2.2；Nt為195kN；D為錨桿錨固段的鉆孔直徑(mm)，取150mm；

d為鋼筋直徑(mm)，為28mm；

ξ為多鋼筋界面的粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)，取0.80；

fmg為錨固段注漿體與地層間的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)，取65×1.5=97.5kPa；

fms為錨固段注漿體與筋體間的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)，按《規(guī)程》[6]表7.5.1-3 取值，取2000kPa；

φ為錨固長(zhǎng)度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)，按《規(guī)程》[6]表7.5.2加權(quán)平均后取1.3；

n為鋼筋根數(shù)，n=2。

3.4.4注漿設(shè)計(jì)

注漿采用水泥標(biāo)號(hào)為R42.5的普通硅酸鹽水泥。第一次注漿采用灰砂比為1∶0.5～1∶1的水泥砂漿，砂漿強(qiáng)度為M30，摻入微膨脹劑，注漿壓力應(yīng)≥1.0MPa；第二次注漿采用水灰比為0.45～0.50純水泥漿，注漿壓力≥2.5MPa，并在第一次注漿形成的水泥注漿體強(qiáng)度達(dá)到5.0MPa后進(jìn)行，穩(wěn)壓注漿時(shí)間不少于2min，直到注不進(jìn)漿液為止。

綜上，該工程抗浮錨桿主要設(shè)計(jì)參數(shù)分別為：

①錨桿間距為2.8m×2.8m；

③錨桿錨固段的鉆孔直徑為150mm；

④抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值為150kN；

⑤錨固段長(zhǎng)度為10.0m。

4 抗浮錨桿基本試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

由于巖土參數(shù)的不確定性及復(fù)雜性，在錨桿大面積施工前，試打3根錨桿進(jìn)行基本試驗(yàn)，以此確定錨固體與巖土體的實(shí)際摩阻強(qiáng)度，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性及施工工藝的可靠性，為大面積施工提供依據(jù)[1]。

4.2 試驗(yàn)方法

4.2.1試驗(yàn)荷載

錨桿基本試驗(yàn)最大試驗(yàn)荷載不超過(guò)錨桿桿體極限承載力的0.8倍，即0.8Asfstk=0.8×1230.9mm2×540N/mm2=531.7kN，故，取最大試驗(yàn)荷載N=530kN。

4.2.2儀器設(shè)備

(1)加載裝置：100T穿心式千斤頂1個(gè)，電動(dòng)加壓油泵1臺(tái)，油管2條。

(2)反力裝置：工字鋼梁2條，反力鋼板1塊。

(3)測(cè)量裝置：百分表2只，壓力表1個(gè)，測(cè)量支架1副。

4.2.3加載方式

基本試驗(yàn)采用多循環(huán)加載法[6]，加載分級(jí)和錨頭位移觀測(cè)時(shí)間如表2所示。

表2 多循環(huán)加載試驗(yàn)的加載分級(jí)與觀測(cè)時(shí)間

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

編號(hào)分別為MG-1#、MG-2#的2根錨桿，在試驗(yàn)過(guò)程中均未出現(xiàn)后一級(jí)荷載產(chǎn)生的位移增量達(dá)到或超過(guò)前一級(jí)荷載產(chǎn)生的位移增量2 倍的現(xiàn)象，在最大試驗(yàn)荷載(530kN)作用下，錨頭位移均能收斂，試驗(yàn)進(jìn)展順利，未出現(xiàn)異常現(xiàn)象，表明這2根錨桿均未達(dá)到極限承載狀態(tài)，故，取最大試驗(yàn)荷載為錨桿極限抗拔承載力。其中，MG-1#的荷載-彈性(塑性)位移曲線及荷載-位移曲線分別如圖4～圖5所示。

編號(hào)為MG-3#的這根錨桿在最大試驗(yàn)荷載(530kN)作用下，錨頭位移迅速陡增，該級(jí)產(chǎn)生的位移增量15.68*mm(非穩(wěn)定位移增量)超過(guò)前一級(jí)荷載產(chǎn)生的位移增量1.52mm的2倍，且荷載無(wú)法維持，錨桿拔出破壞。故，錨桿極限抗拔承載力取破壞荷載的前一級(jí)荷載，即398kN；MG-3#的荷載-彈性(塑性)位移曲線及荷載-位移曲線，分別如圖6～圖7所示。

圖4 錨桿荷載-彈性(塑性)位移曲線

圖5 錨桿荷載-位移曲線

圖6 錨桿荷載-彈性(塑性)位移曲線

圖7 錨桿荷載-位移曲線

經(jīng)試驗(yàn)而知，試打的3根錨桿極限抗拔承載力均大于1.5倍錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值(軸向拉力設(shè)計(jì)值為195kN)，且在極限抗拔承載力作用下，錨桿的彈塑性位移均相對(duì)較小，滿足設(shè)計(jì)要求。故，采用以上設(shè)計(jì)參數(shù)及施工工藝可進(jìn)行大面積施工。基本試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 基本試驗(yàn)結(jié)果匯總表

4.4 試驗(yàn)技術(shù)要點(diǎn)

4.4.1齡期

從前文錨桿錨固段長(zhǎng)度計(jì)算分析可知，土層錨桿承載力實(shí)際上主要取決于錨固體與巖土體之間的摩阻力，而非注漿體與桿體之間的握裹力。因此試驗(yàn)時(shí)為保證錨固體強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范要求，避免試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)注漿體與桿體之間的脫離破壞先于錨固體與巖土體之間的剪切破壞的情況，導(dǎo)致無(wú)法達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康模驹囼?yàn)按照文獻(xiàn)[7]規(guī)范要求將錨桿在錨固體強(qiáng)度達(dá)到15MPa或達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%后進(jìn)行試驗(yàn)。

4.4.2預(yù)張拉要求

根據(jù)以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，錨桿在施工過(guò)程或試驗(yàn)設(shè)備安裝過(guò)程往往會(huì)導(dǎo)致地面以上部分的錨桿發(fā)生局部彎曲變形，試驗(yàn)時(shí)，該變形對(duì)錨頭位移的準(zhǔn)確測(cè)讀造成嚴(yán)重干擾，因此，為了排除干擾，確保錨頭位移測(cè)量的準(zhǔn)確性，本試驗(yàn)在正式試驗(yàn)前，先對(duì)錨桿預(yù)張拉1～2次，張拉荷載取最大試驗(yàn)荷載的10%～20%，使之恢復(fù)順直。

4.4.3千斤頂安裝要求

①調(diào)整并穩(wěn)固好千斤頂反力鋼板，使之垂直于錨桿的桿體方向，保證拉拔方向與錨桿的桿體方向一致，避免二者形成夾角，造成千斤頂施加的荷載不能全部作用在錨桿上；

②針對(duì)全長(zhǎng)粘結(jié)型的抗浮錨桿拉拔試驗(yàn)時(shí)，千斤頂?shù)撞坎恢苯幼饔迷阱^固體上，必須通過(guò)架設(shè)工字鋼梁或枕木預(yù)留錨固體被拔出的所需位移空間，防止千斤頂直接作用在錨固體上，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效，因?yàn)閷?shí)測(cè)的是桿體與注漿體之間的握裹力。

4.4.4位移計(jì)安裝要求

①將基準(zhǔn)梁(測(cè)量支架)的架設(shè)獨(dú)立于錨桿拉拔的影響區(qū)域以外，確保測(cè)得的位移數(shù)據(jù)能真實(shí)反映錨桿位移；

②位移計(jì)安裝前，先在錨頭附近固定(常用焊接)一片與其錨桿軸線垂直的小鐵片，然后將位移計(jì)針桿垂直于鐵片安裝，保證位移計(jì)的測(cè)讀量即為錨桿拉拔的伸縮量。

5 結(jié)論

(1)抗浮錨桿具有地層適應(yīng)性好，施工速度快，能提高地基土密實(shí)度，增大地基承載力等優(yōu)點(diǎn)，是解決地下結(jié)構(gòu)抗浮問(wèn)題的有效措施之一。

(2)由于巖土參數(shù)的不確定性及復(fù)雜性，有必要通過(guò)錨桿基本試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性及施工工藝的可靠性，為大面積施工提供依據(jù)。

(3)土層錨桿桿體與注漿體之間的握裹力一般高于錨固體與巖土體之間的摩阻力，即錨固段長(zhǎng)度通常由錨固體與巖土體之間的摩阻力大小決定。

(4)錨桿彈性位移，主要由錨桿桿體自身材料變形產(chǎn)生，是可恢復(fù)的；塑性位移，主要由錨固體與巖土體之間的剪切位移產(chǎn)生，是不可恢復(fù)的。

(5)錨桿基本試驗(yàn)應(yīng)關(guān)注錨固體齡期問(wèn)題、桿體彎曲問(wèn)題及儀器設(shè)備安裝問(wèn)題等試驗(yàn)技術(shù)關(guān)鍵要點(diǎn)，確保試驗(yàn)結(jié)果有效。