某五星級酒店抗浮設(shè)計中巖石錨桿的應(yīng)用

王 永

（貴州大學勘察設(shè)計研究院有限責任公司，貴州 貴陽 550025）

0 引言

近年來，因抗浮不足引起的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和安全問題越來越多，輕則地梁、底板、外墻或柱根開裂滲水，如圖1 所示，重則建筑物主要框架構(gòu)件嚴重破壞、整體傾覆破壞，危及建筑安全，如圖2 所示，已經(jīng)越來越引起建設(shè)和設(shè)計單位的重視。蔣繼寶[1]、王永[2]等人對巖溶地基抗浮及其力學性能進行了一些研究，提出了在巖溶地基中一些比較合理和可行的設(shè)計方法和處理措施。本文根據(jù)作者參與的一個實際工程，通過對水文地質(zhì)分析，選定抗浮方案，采用規(guī)范推薦算法，并進行底板、錨桿、巖土整體有限元分析，驗證規(guī)范算法的合理性，找出錨桿破壞薄弱點。通過施工完成后現(xiàn)場拉拔試驗數(shù)據(jù)，進一步驗證了設(shè)計方案合理、安全，對類似工程有一定的參考意義。

圖1 底板開裂滲水

圖2 框架節(jié)點破壞

1 項目概況

貴陽市某五星級酒店及辦公樓綜合體項目，位于貴陽市主城區(qū)，總建筑面積約10 萬m2，由一棟高度64.4m 的14 層辦公樓和一棟高度68.8m 的16 層酒店兩個單體組成，其中地下4 層。本工程±0.000 相當于絕對標高1 288.90m，底板頂面標高-17.00m（相當于絕對標高1 271.90m）。地勘報告顯示：擬建場地巖土主要由第四系覆蓋層（雜填土、紅粘土）及下伏基巖（三疊系大冶組二段（Td2）薄-厚層灰?guī)r）組成。通過鉆探巖芯及露頭觀察、鑒別，巖土特征自上而下分別為：雜填土、淤泥質(zhì)粘土、紅粘土、強風化灰?guī)r、中風化灰?guī)r，中風化灰?guī)r單軸飽和抗壓強度=38.4MPa，屬較硬巖，基坑開挖到設(shè)計標高后，基巖基本出露。

場地下伏基巖屬區(qū)域性可溶巖組，巖體中溶孔、晶洞及溶洞、溶蝕裂隙強烈發(fā)育，為地下水賦存提供了良好的空間條件。場地下伏基巖富水性強，屬裂隙——溶洞含水層，且具有不均勻性特點?？辈炱陂g對場地積水采用3 臺5.5kw 的水泵進行排水也僅能保持積水平衡，由此可見場區(qū)地下水很豐富且補給迅速，建議按標高H=1283.40m 進行抗浮設(shè)計。設(shè)計抗浮水頭11.5m（按至底板頂面計算）。

本項目地下室具有典型的埋深大、抗浮水頭高的特點?？垢≡O(shè)計是項目設(shè)計成敗的關(guān)鍵節(jié)點，直接影響到投資成本、建設(shè)工期、使用安全等，故必須仔細分析、方案比選和綜合研判，找到一條既安全又適用、可靠度高的抗浮設(shè)計方法。

2 方案選取

通常，工程上水壓力采用抗、放或抗放結(jié)合等措施來解決。優(yōu)先考慮“放”的措施，將水壓力排除，具有成本低原理簡明的特點，但其限制條件較多，必須弄清楚水壓力產(chǎn)生的原因，是地表水為主，還是地下水為主。同時建筑物絕對標高須位于相對較高地勢，才能通過排水通道將水向低處排出，或者在建筑物底板設(shè)置反濾層四周設(shè)置盲溝和降水井，當?shù)叵率宜簧邥r，進行人工排水。“抗”的方式主要有主體結(jié)構(gòu)抗浮、配重抗浮、抗拔樁和巖石錨桿等。

主體結(jié)構(gòu)抗浮法，是將水壓力直接作用在底板上，根據(jù)計算確定地梁、底板配筋和斷面，該方法簡單、直觀，常用于抗浮水頭較小，上部結(jié)構(gòu)荷載能夠抵抗水浮力的情況。

配重抗浮法分為兩種，第一種是在底板上增設(shè)一定厚度低標號混凝土或者直接加厚底板，第二種是在地下室頂板利用景觀覆土增加結(jié)構(gòu)配重，第一種方法直接抵抗，第二種方法增加上部結(jié)構(gòu)荷載，本質(zhì)上依然是主體結(jié)構(gòu)抗浮。該法常用于抗浮水頭較小，上部結(jié)構(gòu)荷載不能抵抗水浮力的情況。

抗拔樁抗浮法通過抗拔樁與巖土的側(cè)阻力，給主體結(jié)構(gòu)提供向下的拉力，地梁底板設(shè)計考慮水壓力，該法需控制抗拔樁間距，太大會增加底板厚度及配筋，過小會導致抗拔樁施工困難或間距不滿足規(guī)范要求。該法常用于抗浮水頭較大，上部結(jié)構(gòu)荷載不能抵抗水浮力的情況，或者上部結(jié)構(gòu)荷載能夠抵抗水浮力但底板投資太大的情況。

巖石錨桿抗浮法，采用密布錨桿，抵抗水浮力，因錨桿間距?。?～3m），底板厚度相應(yīng)可以降低，配筋基本為構(gòu)造配筋，不再設(shè)置地梁。該法施工工期快，特別適用于抗浮水頭大，巖石基本出露的情況。

綜合以上方法的優(yōu)缺點，經(jīng)計算分析，并和建設(shè)單位溝通，本工程由于抗浮水頭特別大，純地下室范圍上部結(jié)構(gòu)荷載不足以抵抗水浮力（純地下室范圍面積較大），基坑開挖到位后巖石完全出露，故最終選用永久性巖石錨桿抗浮法進行抗浮設(shè)計?？紤]到項目場地來水情況復雜，為提高主體結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)，在建筑物四周設(shè)置盲溝和降水井，以防止短期地下室水位超過設(shè)計抗浮水位時，及時進行人工排水降壓。

3 規(guī)范依據(jù)

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB5007-2011）[3]第3.0.2-6條強制性規(guī)定：建筑地下室或地下構(gòu)筑物存在上浮問題時，尚應(yīng)進行抗浮驗算?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB5007-2011）第3.0.5—3 條強制性規(guī)定：計算擋土墻、地基或滑坡穩(wěn)定以及基礎(chǔ)抗浮穩(wěn)定時，作用效應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)下作用的基本組合，但其分項系數(shù)均為1.0?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB5007-2011）第5.4.3-1 條規(guī)定：對于簡單的浮力作用情況，基礎(chǔ)抗浮穩(wěn)定性應(yīng)符合：

式中：Gk—建筑物自重及壓重之和（KN）；

4 巖石錨桿設(shè)計

4.1 基本情況

底板厚度采用800mm，抗浮水頭為11.5m+0.8m=12.3m，經(jīng)分析，底板抗彎剛度大，能夠和錨桿共同同步承擔水浮力，設(shè)計錨桿時，扣除上部結(jié)構(gòu)自重以及底板自重共計53KN/m2，錨桿抗浮設(shè)計實際按70KN/m2考慮，錨桿直徑統(tǒng)一采用150mm，錨桿采用方形布置，水平和豎直間距統(tǒng)一按2.15m，如圖3 所示，錨桿大樣見圖4。錨桿鋼筋采用HRB400，規(guī)格3?28。

圖3 錨桿布置平面示意圖

圖4 錨桿大樣

考慮抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)后，單根錨桿抗拔承載力特征值不應(yīng)低于1.05×2.15m2×70KN/m2=339.8KN。

4.2 錨桿與巖體粘結(jié)強度

由于構(gòu)造規(guī)定[4]，巖石錨桿的錨固段長度不應(yīng)小于3.0m，故錨固長度暫按3.0m 復核。

式中：Rt—錨桿豎向抗拔承載力特征值；

D—錨桿錨固段注漿體直徑，D=150mm；

Rt=678.24KN＞339.8，滿足要求。

4.3 錨桿桿體橫截面積A

式中：A—抗拔錨桿鋼筋橫截面面積；

fy—鋼筋抗拉強度設(shè)計值；

A ≥1 847mm2，實取3?28，滿足要求。

4.4 鋼筋與砂漿粘結(jié)強度

D-單根鋼筋直徑;

fb鋼筋與錨固注漿體的粘結(jié)強度設(shè)計值，取1.68MPa;

5 有限元分析

為進一步驗證設(shè)計計算結(jié)果的可靠性，采用ANSYS 軟件建立有限元模型進行精細化分析，如圖5 所示。ANSYS 軟件是國際通用的大型有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于機械、建筑等領(lǐng)域，實用性強，分析結(jié)果精準，行業(yè)認可度高，是復雜建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要補充分析手段。

圖5 有限元模型示意圖

在滿足計算精度要求的前提下，模型建立時做了一定的簡化，忽略錨桿錨固段的相對滑移，采用Beam188 單元進行建模，同時適當簡化防水板有限元邊界，考慮到巖層深度及質(zhì)量均大于建筑物自重，巖石深度也僅考慮有限范圍的影響。由于時間效應(yīng)對荷載作用不明顯，采用靜力分析模塊進行加載分析。

構(gòu)件豎向變形云圖如圖6所示，構(gòu)件主應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖6 構(gòu)件豎向變形云圖

圖7 構(gòu)件主應(yīng)力云圖

錨桿軸向應(yīng)力云圖如圖8 所示。分析結(jié)果顯示，水壓力作用下，錨桿產(chǎn)生豎向變形，并帶動相鄰巖體產(chǎn)生豎向變形，錨桿軸力沿全長整體呈彈性變化，承載力滿足設(shè)計要求。

圖8 錨桿軸向應(yīng)力云圖

結(jié)果顯示有限元分析方法在巖石錨桿設(shè)計中合理可靠，是對常規(guī)分析手段的重要補充，幫助工作人員精準找到應(yīng)力集中和突變明顯的部位，為后面針對性設(shè)計提供理論支持。

6 巖石錨桿檢驗

6.1 規(guī)范要求

（1）《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB5007-2011）第10.2.14 條規(guī)定：巖石錨桿完成后，應(yīng)進行抗拔承載力檢驗，檢驗數(shù)量不得少于錨桿總數(shù)的5%，且不得少于6 根。本工程錨桿總數(shù)約2 200 根，施工單位委托檢測單位，采用JY-2 拉拔儀設(shè)備，現(xiàn)場實際檢驗了115 根，滿足規(guī)范要求。

（2）《巖土錨桿技術(shù)規(guī)程》CECS 22：2005 第9.1.1 條規(guī)定：錨桿的最大試驗荷載不宜超過錨桿桿體極限承載力的0.8 倍。

（3）《巖土錨桿技術(shù)規(guī)程》CECS 22：2005 第9.4.2 條規(guī)定：永久性錨桿的最大試驗荷載應(yīng)取錨桿軸向拉力設(shè)計值的1.5倍。

6.2 試驗要點

（1）試驗分五級進行分級加載，分別取錨桿軸線拉力設(shè)計值的0.50、0.75、1.00、1.33、1.50 倍。

（2）每級荷載加載完畢后，立即測讀位移量。以后每間隔5min 測讀一次，連續(xù)4 次測讀出的錨桿拔伸值均小于0.01min時，認為在該級荷載下的位移已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，可繼續(xù)施加下一級上拔荷載。

（3）當出現(xiàn)下列情況之一時，即可終止錨桿的上拔試驗：a 錨桿拔伸值持續(xù)增長，且在1h 內(nèi)未出現(xiàn)穩(wěn)定的跡象；b 新增加的上拔力無法施加，或者施加后無法使上拔力保持穩(wěn)定。c錨桿的鋼筋已被拔斷，或者錨桿錨筋被拔出。

（4）符合上述第（3）條終止條件的前一級上拔荷載，即為錨桿的極限抗拔力。

（5）將錨桿的極限承載力除以安全系數(shù)2，即為錨桿抗拔承載力特征值。

（6）錨桿鉆孔時，應(yīng)利用鉆孔取出的巖芯加工成標準試件，進行巖石單軸抗壓試驗。

6.3 試驗結(jié)果

按照規(guī)范要求和試驗要點，逐一對受檢的115 根錨桿進行了拉拔檢驗試驗，試驗結(jié)果均滿足規(guī)范和設(shè)計要求，且在1.5 倍錨桿拉力設(shè)計值作用下，均沒有出現(xiàn)終止試驗的條件。檢驗部分結(jié)果見表1。

表1 錨桿抗拔檢測結(jié)果（局部）

7 結(jié)論與建議

（1）巖石錨桿在高抗浮水頭作用下，抗力表現(xiàn)優(yōu)異，具有施工簡便、快速，造價低等優(yōu)點，特別適用于巖溶發(fā)育、巖體埋藏較淺的地區(qū)。

（2）當抗浮水頭小于5m 時，可完全采用“抗”的方式進行抗浮設(shè)計；抗浮水頭大于5m 時，應(yīng)綜合采用“抗”“放”結(jié)合的方式進行抗浮設(shè)計；謹慎采取完全“放”的抗浮設(shè)計方法。

（3）當采用巖石錨桿進行抗浮設(shè)計時，底板厚度建議不小于400mm，以保證錨桿錨筋在底板內(nèi)可靠錨固，防止錨桿和底板接觸范圍沖切開裂。

（4）當將上部結(jié)構(gòu)自重作為有利荷載部分抵消抗浮水頭時，應(yīng)注意底板抗彎剛度是否足夠保證底板和錨桿能夠共同同步承擔水壓力，應(yīng)采取增設(shè)地梁降低底板跨度或加大底板厚（不小于600mm）等措施，提高底板的抗彎剛度。

（5）當上部結(jié)構(gòu)自重遠大于水壓力（如塔樓范圍）、且底板厚度不小于600mm 時，可以考慮底板本身承擔水壓力能力，錨桿間距可根據(jù)計算放大1.1～1.3 倍。達到充分利用底板自身的承載力、降低抗浮造價費用的目的。

（6）設(shè)計應(yīng)采用錨桿+底板的整體模型進行有限元分析，充分考慮底板變形對錨桿實際內(nèi)力的影響。防止因個別錨桿承載力不足發(fā)生破壞后，對周圍錨桿逐個擊破。

（7）有條件時，抗浮設(shè)計還應(yīng)同時考慮通過調(diào)整上部結(jié)構(gòu)局部剛度等措施進行設(shè)計。