曾堉

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

位于地下的建筑物（譬如地下車庫、地下室、水池等），設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮地下水對結(jié)構(gòu)的浮托作用，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時，結(jié)構(gòu)自重?zé)o法抵抗地下水的浮力作用，可能造成建筑物的底板開裂甚至整體上浮。

在當(dāng)代工程中，地下構(gòu)筑物抗浮主要有兩種方式：①依靠結(jié)構(gòu)自身的重量或者頂板上的覆土重量抵抗浮力，“壓”住構(gòu)筑物；②依靠抗拔樁或抗拔錨桿作用在結(jié)構(gòu)底板下方，“拉”住構(gòu)筑物。一般的小型構(gòu)筑物，能夠采用前一種抗浮方式，但對于大體積構(gòu)筑物，多數(shù)受限于使用功能要求和標(biāo)高要求，覆土較少，增加底板或側(cè)壁厚度又要顧及經(jīng)濟(jì)性。因此，采用抗拔錨桿或抗拔樁成為主要方式?？拱五^桿施工相對簡單且經(jīng)濟(jì)，抗拔樁既能抗拉又能抗壓，在地基承載力滿足要求的情況下，采用抗拔錨桿更經(jīng)濟(jì)合理。

1 工程概況

本工程位于廣州市白云區(qū)，隨著城市的不斷開發(fā)和建設(shè)，現(xiàn)狀供水管道壓力嚴(yán)重不足，影響了居民正常的生產(chǎn)生活，本工程的實(shí)施可解決附近供水管網(wǎng)水壓不足、水量不夠等問題。本工程其中一個單體構(gòu)筑物為埋地清水池，為剪力墻結(jié)構(gòu)，長為50.8m，寬為24.8m，室外地面標(biāo)高16.10m，清水池頂板面標(biāo)高15.70m，底板面標(biāo)高11.20m（局部為8.700m），底板厚600mm，底板飄出側(cè)壁600mm。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，場地巖土層自上而下為（標(biāo)高為絕對標(biāo)高）：①素填土，層厚1.50～3.00m，層底標(biāo)高為11.64～13.22m；②中粗砂，層厚18.60～25.80m，層底標(biāo)高為-7.26～-14.10m；③粉質(zhì)黏土，硬塑，層厚1.60～3.70m，層底標(biāo)高為-12.30～-15.70m；④微風(fēng)化灰?guī)r，層厚3.60m 以上。且根據(jù)本場地的勘探鉆孔資料，位于清水池范圍內(nèi)有2 個鉆孔揭露溶洞，為半填充。

本單體以中粗砂層作為持力層，修正后地基承載力為400kPa。由于地基承載力已滿足要求，且地基巖層有溶洞揭露，采用抗拔樁不符合實(shí)際需要，比選后采用土層抗拔錨桿作為抗浮措施。

2 抗拔錨桿設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)的抗浮力包括結(jié)構(gòu)自重、上部恒載（覆土等）和抗浮措施（抗拔錨桿等），而且在抵抗浮力的作用時需要一定的安全富余量，國內(nèi)行業(yè)關(guān)于計(jì)算抗浮的規(guī)定沒有統(tǒng)一，常用的是《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)Kw，一般情況下取1.05。實(shí)際設(shè)計(jì)需根據(jù)結(jié)構(gòu)重要性、地下結(jié)構(gòu)規(guī)模、抗浮設(shè)計(jì)水位的可靠程度等具體情況合理選用。

地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)除了滿足整體抗浮穩(wěn)定性要求外，還可能因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)自重分布不均勻?qū)е戮植康装彘_裂，該局部抗浮問題依靠水池底板自身剛度滿足裂縫控制要求。本工程抗浮設(shè)計(jì)思路為計(jì)算整體抗浮，得出錨桿抗拔承載力，再運(yùn)用盈建科軟件建立模型，分析驗(yàn)算抗拔承載力結(jié)果，通過軟件所得基底壓力和墻體分布情況合理調(diào)整錨桿布置間距。錨桿抗浮計(jì)算時采用標(biāo)準(zhǔn)值。

2.1 地下水的浮托力計(jì)算

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，地表水或地下水對結(jié)構(gòu)作用的浮托力，其標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按高水位確定[1]，構(gòu)筑物基礎(chǔ)底面上的浮托力標(biāo)準(zhǔn)值：

式中：γw-水的重度；hw-地表水或地下水的最高水位至基礎(chǔ)底面計(jì)算部位的距離；ηfw-浮托力折減系數(shù)，對非巖質(zhì)地基應(yīng)取1.0。

本單體底板均處于中粗砂層，為非巖質(zhì)地基，抗浮設(shè)計(jì)水位為室外地坪標(biāo)高，得出浮托力標(biāo)準(zhǔn)值qfw，k=55kN/m2?？偢×w，k=qfw，kAF=74360kN，此處的AF為整塊基礎(chǔ)底板的投影面積，包括基礎(chǔ)底板外飄部分。

2.2 錨桿抗浮力計(jì)算

求得清水池恒載標(biāo)準(zhǔn)值Gk=52840kN，抗拔錨桿所需承擔(dān)的抗浮力Qm=Kw·Fw，k-Gk=1.05×74630-52840=25522kN。這里計(jì)算恒載時，底板外飄部分以上覆土重量和錨桿自重不計(jì)入，作安全儲備。

值得一提的是，巖土錨桿通常是以群體的形式出現(xiàn)的，如果錨桿布置得很密，地層中受力區(qū)的重疊會引起應(yīng)力疊加和錨桿位移，使錨桿極限抗拔力不能有效發(fā)揮，這就是通常說的“群錨效應(yīng)”[2]。通俗來講，就像一碗米飯里插一根筷子，當(dāng)被拔出時它的抗拔能力是充分發(fā)揮的，但如果插上很多根筷子，會連帶米飯一同被拔出，每根筷子的抗拔能力都沒有發(fā)揮出來。為避免群錨效應(yīng)，相關(guān)規(guī)范規(guī)定錨桿錨固體最小間距宜大于1.5m。此處最小間距是經(jīng)驗(yàn)所得，國內(nèi)外對群錨效應(yīng)的研究還在不斷深入，結(jié)合本工程實(shí)際抗拔錨桿所在土層為中粗砂層，粘聚力幾乎為零，該地層性狀的群錨效應(yīng)影響較小，最小間距滿足規(guī)范要求即可。結(jié)合清水池的內(nèi)墻形狀，初步布置224 根錨桿。單根抗拔錨桿所承擔(dān)的抗浮力qm=Qm/n=114kN。

2.3 錨桿抗拔承載力計(jì)算

本工程選取錨桿直徑為200mm，錨桿鋼筋為四根20（HRB400 級）。結(jié)合實(shí)際勘察孔計(jì)算錨桿有效長度初定為13m，錨固部分全部位于中粗砂層。

本工程中錨桿為永久錨桿，根據(jù)現(xiàn)行《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，錨桿抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值：

式中：Tuk-樁基抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；qsik-樁側(cè)表面第i 層土的抗壓極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；ui-樁身周長，對于等直徑樁取ui=πd；λi-抗拔系數(shù)，取0.50～0.80[3]。

單根錨桿抗拔承載力特征值Ra=Tuk/K，K 為安全系數(shù)，取K=2。

由詳細(xì)勘察報(bào)告，中粗砂層的土體與錨固體極限粘結(jié)強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)值qsk=75kPa，抗拔系數(shù)取值0.5，可得Tuk=0.5×75×0.2×3.14×13=306kN，單根錨桿抗拔承載力特征值Ra=Tuk/2=153kN。錨桿自身抗拔承載力NT=AS·fy/Kb=360×1256×10-3/2=226kN。

滿足單根錨桿所需抗浮力要求，錨桿抗拔承載力特征值擬定為Ra=120kN，實(shí)際極限抗拔承載力需經(jīng)過基本試驗(yàn)后確定。

2.4 建模計(jì)算復(fù)核結(jié)果

通過盈建科軟件建立計(jì)算模型，計(jì)算所得最高水位標(biāo)準(zhǔn)組合的基底壓力結(jié)果如圖1 所示。在清水池外壁部分位置為正壓力，此區(qū)域滿足抗浮要求，考慮經(jīng)濟(jì)性可在此區(qū)域適當(dāng)減少抗拔錨桿數(shù)量。圖中基底壓力為零的區(qū)域?yàn)樾枰垢〈胧┑膮^(qū)域，可知底板中部區(qū)域所受浮力較大，相當(dāng)于承受負(fù)彎矩。軟件計(jì)算單根錨桿抗拔承載力最大為82kN，滿足要求。

建模計(jì)算后，根據(jù)底板變形特點(diǎn)，綜合考慮地下水作用變化和水池內(nèi)墻體分布情況，適當(dāng)調(diào)整了錨桿分布數(shù)量和間距，使水池底板變形基本一致，錨桿均勻受力。

3 錨桿抗拔試驗(yàn)

抗拔錨桿試驗(yàn)包括基本試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)，檢測出錨桿的抗拔承載力，為工程驗(yàn)收提供依據(jù)。本工程取13 根錨桿進(jìn)行抗拔試驗(yàn)，以其中3 根試驗(yàn)錨桿為例。由荷載—錨頭位移（Q-s）曲線可知（如圖2 所示），錨桿拉力與位移基本呈直線關(guān)系，加載至260kN 時，最大位移為3.09mm，未出現(xiàn)陡然上升段，變形能達(dá)到相對穩(wěn)定，卸荷后出現(xiàn)回彈。試驗(yàn)測得最大試驗(yàn)荷載為260kN，抗拔承載力特征值120kN 滿足要求。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)組合基底壓力

圖2 抗拔錨桿驗(yàn)收試驗(yàn)Q-s 曲線

4 結(jié)語

（1）本文通過介紹抗拔錨桿在廣州市某加壓站工程中的設(shè)計(jì)和計(jì)算過程，由抗拔試驗(yàn)結(jié)果可知本工程中抗拔錨桿的安全性滿足抗浮設(shè)計(jì)要求，可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

（2）合理選用抗拔錨桿能減少投資，能在一定程度上提高施工效率。

（3）群錨效應(yīng)會使錨桿極限抗拔力不能有效發(fā)揮，群錨效應(yīng)與錨桿間距、場地巖土條件等因素有關(guān)，群錨效應(yīng)的具體量化過程有待進(jìn)一步研究。

（4）由建模計(jì)算可知，水浮力作用下，地下室底板受力最大的位置位于底板中部，在設(shè)計(jì)時可合理調(diào)整抗拔錨桿數(shù)量和間距，使底板和錨桿變形基本一致，錨桿均勻受力。