抗浮錨桿設計優化分析

2021-12-15 07:57:34劉盈君

巖土工程技術 2021年6期

王浩劉盈君王雙

（1.中兵勘察設計研究院有限公司, 北京 100053；2.北方國際合作股份有限公司，北京 100040）

0 引言

隨著城市建設快速發展，地下空間利用程度不斷提高，很多新建建筑物具有基礎埋深大、尺寸大、一板多塔、荷載分布復雜的特點，由此帶來的基礎抗浮設計問題是當前研究的重點。在抗浮設計計算中，應重點關注建筑抗浮設防水位的確定和抗浮措施的選用。由于不同區域的工程地質和水文地質特點不同[1-2]，北京地區建筑抗浮設防水位應按不同因素的影響程度綜合確定[3-4]。抗浮錨桿為當前較為常用的抗浮措施，其設計的合理性、經濟性和可操作性，特別是優化設計也是目前結構設計的重點之一[5-6]。

近年來，因抗浮設防水位提供不準確進而引起地下室底板上浮的問題時有發生，抗浮水位能否合理確定會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，通過滲流數值分析為岸坡上建筑物抗浮水位確定提供了依據；王軍輝等[9]通過水文學、水力學和土力學等理論，對抗浮水位的既有成果進行了客觀分析；羅云海等[10]對泥巖地層中抗浮錨桿進行現場試驗，對錨桿軸力的分布做出分析；孫雁榕等[11]通過“獨基+抗水板+抗浮錨桿”體系對錨桿抗拔力的不均勻性進行了研究。前人在抗浮方面做了一定的研究，但根據抗浮水位提供合理抗浮措施的同時要滿足安全性、經濟性的要求，對抗浮設計方案通過數值計算進行優化的研究還比較欠缺。

本文分析了北京地區建筑抗浮設防水位的影響因素，特別是近年來對地下水動態影響較大的生態補水情況。根據現行規范，總結了抗浮錨桿設計的重點關注問題和優化方法，并結合工程實例，針對結構復雜的建筑物，建議根據實際建筑設計條件分區域進行抗浮錨桿設計，并采用數值分析進行優化。

1 北京地區建筑抗浮設防水位確定

建筑設防水位包括建筑防滲設防水位、建筑抗浮設防水位和地下室外墻水壓力分布曲線三方面內容。其中，抗浮設防水位是指建筑工程在施工期和使用期內滿足抗浮設防標準時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滿足抗浮設防標準最不利工況組合時地下結構底板底面上可能受到的最大浮力按靜態折算的地下水水位[12]。在抗浮設計和地下室外墻承載力驗算時，確定合理的抗浮設防水位對工程造價、施工難度和工期有巨大影響。

由于建筑施工期相對使用期時間較短，因此在工程勘察中以預測分析使用期的抗浮設防水位為主。抗浮設防水位除了滿足抗浮設防標準的評價計算要求外，還應兼顧經濟合理，根據工程區的工程地質和水文地質特點，結合地區經驗取值。北京地區目前主要采用經驗預測法+數值模擬法進行抗浮設防水位預測分析，其中重點關注影響北京市區地下水動態因素，包括地下水開采量的大小、官廳水庫放水引起的永定河滲漏對地下水的補給、南水北調水進京后地下水開采量的減少、開采布局的變化和為改善環境開展的生態補水等[13]。

目前，除生態補水外，其他因素對于北京市區地下水動態的影響已有較多監測數據，基本總結出影響規律。而生態補水從2019年開始實施，根據永定河沿線及周邊區域當年的監測數據，其影響面積約為260 km2，地下水位最大升幅6.5 m。此后的每次生態補水周期和水量均有差異，影響范圍也保持較大區域，水位抬升迅速且幅度較大，需要進一步收集監測數據，總結影響規律。

2 抗浮錨桿設計優化方式

抗浮錨桿是錨固在地基中與地下結構底板共同承擔地下水浮力的抗拔構件，是較為常用的抗浮措施。抗浮錨桿設計需要計算區域整體的抗浮穩定性系數、錨桿極限抗拔承載力標準值、錨固長度和抗拔承載力的計算、筋體截面面積計算、筋體與錨固體的錨固承載力驗算、群錨效應穩定性驗算和錨固體裂縫計算等。影響抗浮錨桿設計的主要因素有：建筑抗浮設防水位、地基巖土體的物理力學參數、建筑設計條件（包括建筑抗浮設計等級、荷載條件、底板面積等）以及錨桿的數量、長度、間距、錨固體直徑、錨桿配筋等參數。

常用的抗浮錨桿設計優化方法包括復核建筑抗浮設防水位，根據勘察報告或補充勘察手段，復核巖土體的物理力學參數以及根據工程實際情況，綜合考慮建筑設計條件、場地工程地質和水文地質條件、工程造價、施工周期等因素，配合其他抗浮措施，調整錨桿設計參數。由于抗浮措施主要針對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或多個塔樓，荷載較大，裙房或純地下部分基礎可有限擴散塔樓荷載[14-15]，引起作用在基礎上的荷載分布不均。

常規的通過調整錨桿參數來實現抗浮錨桿優化的設計方法受到工程造價、施工難度和周期等多種條件制約，實現難度較大。因此，抗浮錨桿優化設計需要根據建筑實際條件，綜合考慮多種因素實施。且目前的大型建筑結構復雜，作用在基礎上的荷載分布不均，抗浮錨桿需要根據建筑條件和荷載分布情況分區域設計，且在優化驗證時，還需輔以數值計算。

3 北京地區抗浮錨桿設計優化分析實例

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

工程場區自然地面下40.00 m 范圍內揭露的地層為人工填土層、一般第四紀沉積層，主要為粉土、黏性土和細砂（見圖1）。各地基土層物理力學參數見表1。

圖1 場區工程地質剖面圖

抗浮錨桿采用了全黏結拉力型錨桿。在復核了建筑抗浮設防水位和地基巖土體的物理力學參數后，認為勘察報告中上述參數合理，不作調整，應將抗浮錨桿設計優化重點放在調整塔樓荷載擴散區的抗浮錨桿布置上。

大尺寸筏板基礎在受到上部荷載的作用時，地基反力和變形呈中間大邊緣小的分布趨勢。本項目根據這一條件，結合實際荷載分布情況以及裙房或純地下部分地基承擔的塔樓擴散荷載，完成初始的抗浮錨桿設計方案。再采用數值計算得到在浮力作用下塔樓荷載擴散區域內抗浮錨軒的受力發揮，調整此區域的抗浮錨桿布置，優化裙房和純地下部分抗浮錨桿設計，并輔以其他抗浮措施，最終滿足抗浮設計要求。

抗浮錨桿數值計算采用FLAC3D 軟件（V 5.0），具體計算思路是：（1）建設階段：設置地下水位為常水位，在此條件下模擬建筑物的基坑開挖、圍護及筏板施工以及分步加載過程，計算正常水位條件下的地基沉降變形。（2）抗浮試算階段：在建設階段地基上，待沉降穩定后，設置地下水位為抗浮設防水位，計算抗浮設防水位條件下的地基受力變形，對底板受力情況做分區，為抗浮錨桿的布置提供依據。（3）抗浮分析階段：在建設階段地基上，設置計算水位為抗浮設防水位，根據試算階段的底板受力分區布置抗浮錨桿，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）根據抗浮分析階段的錨桿受力發揮情況，調整塔樓荷載擴散區的錨桿布置。結合底板差異沉降計算、底板受力分析，錨桿拉拔試驗和沉降觀測成果對優化方案進行驗證。

圖2為塔樓、裙房和純地下部分分布。根據塔樓、裙房和純地下部分的荷載差異，在模型中設置了相應的荷載分區，如圖3所示。圖4為建設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，均出現在塔樓區域。

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圖

圖4 建設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，底板需要重點關注采取抗浮措施的區域，以便分區布置抗浮錨桿。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。在滿足總體抗浮驗算前提下，初始方案中設計了兩種類型錨桿。分別為①抗拔承載力標準值為210 kPa，長度11 m，間距2 m 和②抗拔承載力標準值為260 kPa，長度13 m，間距1.5 m，分別布置在底板的不同區域。錨桿長度根據場區地層分布以及錨桿和土體的黏結強度確定，間距為北京地區常用參數。數量分別為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，各分區中心區域抗浮錨桿受力較大，受力發揮為50%～95%，各分區邊緣以及與塔樓臨近區域抗浮錨桿受力較小，受力發揮比為20%～40%。此時，對錨桿的布置位置進行了優化調整，減去了受力發揮比值較低的錨桿。經多輪調整后的計算結果如圖11 和圖12 所示，在布置抗浮錨桿的裙房和純地下部分中，各分區中心區域抗浮錨桿受力發揮為70%～140%，分區邊緣以及與塔樓臨近區域抗浮錨桿受力發揮為30%～70%。