武汉某工程地下室抗浮锚杆设计

倪勇

摘要：本文结合武汉某地下室工程抗浮锚杆设计工程实例，介绍了抗浮锚杆设计方法，并采用Midas gen有限元软件对抗浮锚杆设计进行验算，对以后的地下室抗浮锚杆设计有一定指导意义。

关键词：抗浮锚杆；锚杆承载力；局部抗浮；锚杆布置方式

1引言

随城市用地日益紧张，一般高层建筑物下均设置地下室。部分地下室上部结构为裙房或无上部结构，其自重不足以抵抗地下水浮力，地下室抗浮设计为结构设计人员常需面对的问题。对地下工程抗浮问题常可用压重法、抗浮桩、抗浮锚杆来解决。压重法是通过加大结构截面尺寸来平衡水浮力，此方法简单但经济性差。抗浮桩大多采用钻孔灌注桩，但灌注桩造价较高，且一般设置于柱底，抗浮桩间距较大，底板厚度需较厚才能抵抗浮力作用，因而经济性较差。抗浮锚杆间距较小，结构底板厚度较薄，锚杆造价也较低，可使整个地下室造价大幅降低，施工工期也有一定缩短。故抗浮锚杆在地下室抗浮设计中应用越来越多。

2工程及地质概况

本工程位于武汉光谷，占地面积28677m2，总建筑面积101245 m2，地上81471 m2，地下19769 m2，地上建筑为5栋11层办公楼，地下连为一体，为单层地下室。地下室平面图见图1，阴影区域为主楼位置。

据地质资料，场地土层自上而下描述如下：

①素填土，松散，新近回填土，平均层厚3.00m。

①2素填土，粘性土混少量粗颗粒碎石组成，松散状态，平均层厚2.47m。

③粉质粘土，饱和可塑状态，平均层厚3.23m。

④1粉质粘土，强度中等，饱和可塑状态，平均层厚2.27m。

④2粉质粘土，强度高，饱和硬塑状态，平均层厚4.3m。

⑤粘土，强度高，饱和硬塑状态，平均层厚4.32m。

⑥粉质粘土，饱和硬塑状态，平均层厚1.68m。

⑦1强风化粉砂质泥岩，平均层厚2.83m。

⑦2中风化粉砂质泥岩，未揭穿，frk=11.2MPa，属软岩。

⑧1强风化泥质粉砂岩，平均层厚3.08m。

⑧2强风化泥质粉砂岩，未揭穿，frk=3.85MPa，属极软岩。

⑨1强风化砾岩，平均层厚2.27m。

⑨2砾岩，未揭穿，frk=5.08MPa，属软岩。

⑦、⑧、⑨号岩石为相互交错分布。

据岩土工程勘察报告提供的土层分布及参数，结合本工程实际，本工程主楼下采用筏板基础，主楼自重较大，无需抗浮设计；纯地下室下采用柱下独立基础+防水板，纯地下室基础需考虑抗浮设计，本工程采用抗拔锚杆抗浮。

3抗浮锚杆设计

3.1锚杆抗拔力确定：据岩土工程勘察报告，抗浮设计水位取室外地坪标高。地下室剖面示意图见下图2，板底计算水头取为6.85-0.45=6.4m，水浮力为64kPa。取○7轴交○E轴标准跨柱分析，锚杆计算区域示意见图3。柱底传来恒载标准值NK=1095kN（含首层覆土恒载及底板以上梁板柱自重），底板厚400mm，獨立基础厚700mm，则计算区域底板和独立基础的自重标准值GK=5x5x0.7x25+（8.42-52）x 0.4x25=893.1kN。计算区域的水浮力为F浮=8.4x8.4x64=4515.8kN。（NK+GK）< F浮，纯地下室结构整体抗浮验算不满足抗浮要求，需采取抗浮措施。本工程设置抗浮锚杆抗浮，设锚杆提供的抗拔力为N锚，根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）的公式5.4.3条，（NK+GK+ N锚）/ F浮≥Kw，Kw为抗浮稳定系数，一般情况下可取1.05，可得出锚杆需提供的抗拔力N锚≥2753.5kN。

3.2锚杆间距及单根锚杆承载力确定：据《岩土锚杆（索）技术规程》（CECS22：2005）7.2.2条，锚杆间距除必须满足锚杆受力要求外，尚宜大于1.5m。本次设计取锚杆间距2.0m，考虑局部抗浮（防止锚杆局部破坏）设计，在锚杆作用的锚杆应能承受2.0mx2.0m局部底板区域的水浮力作用，即单个锚杆承载力特征值应Rt≥64x2x2-25x0.4x2x2=216kN。据锚杆长度、数量及经济性等综合考虑，取单根锚杆承载力特征值Rt=350kN。单个计算区域需锚杆数量为N锚/ Rt=7.86根，取为8根。

3.3锚杆钢筋及锚杆入岩深度：本工程采用普通锚杆，锚杆钢筋采用HRB400钢筋。据《岩土锚杆（索）技术规程》（CECS22：2005）的式7.4.1，安全系数Kt取为1.6，Nt轴向拉力设计值取为1.3Rt，As≥KtNt/fyk=1.6x（1.3x350）x1000/400=1820mm2，采用3φ28（HRB400）。锚杆采用直径d1=190mm杆体，据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）的公式8.6.3条，入岩深度l≥Rt/（0.8πd1f），f为砂浆与岩石间的粘结强度特征值（kPa），据规范取f=0.2MPa，可得l≥3.7m。

为保证锚杆设计安全性，单根锚杆抗拔承载力特征值应通过现场试验确定。

3.4锚杆布置方式：布置方式一见图4，将锚杆均匀集中布置于独立基础下，通过防水底板将水浮力传至柱下与锚杆平衡。布置方式二见图5，将锚杆布置于防水板中，直接平衡板底水浮力，独立基础下水浮力由柱底力平衡。

方式一和二优缺点分析：（1）方式一锚杆位于柱下独立基础底，施工锚杆时对地基土有一定挠动，对柱下独立基础有一定影响。方式二位于防水底板区域，可较好避开柱下独立基础。（2）按方式一布置，在水浮力作用下的地下室底板弯矩较大，且当跨度越大时弯矩增加更为明显。按方式二布置时，在水浮力作用下因锚杆形成支座将底板分成较多跨度较小的板，整个底板弯矩较均匀且较小。（3）按方式二布置时锚杆均为于跨中，应考虑锚杆局部抗浮问题，若锚杆布置间距不合理，易出现个别锚杆局部破坏而引起周围锚杆拉力剧增，产生链条式破坏。

综上分析，当底板为较厚板或筏板等，可采用方式一和二布置锚杆，当板跨较大或为一般防水板时，建议采用经济性较好的方式二，此时锚杆布置时应充分考虑局部抗浮，防止局部锚杆破坏引起链条式破坏。综合各因素，本次设计采用方式二布置。

4锚杆有限元分析

当水浮力作用时，底板出现向上变形，锚杆才开始产生向下拉力，因此锚杆计算时应考虑锚杆与底板协调变形和共同作用。本文采用Midas Gen（ver.800）建入锚杆进行有限元分析，取○7轴交○E轴区域结构进行分析，并向外延伸二跨。各构件截面与实际相同，锚杆弹簧刚度暂取为40kN/mm。对锚杆底约束Ux，Uy和Uz，对底板底面采用Uz的只受压弹簧模拟地基，刚度取为10000kN/m3。柱下加恒载集中力标准值，板底施加向上水浮力64kN/m2。有限元模型示意图见图6。

方式一中锚杆集中于柱底，靠近柱子的四根锚杆轴力为291.2kN，离柱子远的4根锚杆轴力为304kN，见图7，锚杆顶点位移接近7.8mm。布置方式二锚杆内力基本相同，锚杆内力在290kN左右变化，见图8，位移均接近7.6mm，轴力较均匀。两种布置方式锚杆轴力最大值均小于锚杆承载力特征值350kN，均可满足设计要求。

防水底板弯矩，按方式一布置时见图9，柱底弯矩较大，达到260kN.m，受力及变形为典型的无梁楼盖受力形式。按方式二布置时见图10，最大弯矩出现在跨中板，最大弯矩为100kN.m左右，柱底板弯矩较小，整个板弯矩较均匀。

本次设计采用方式二布置锚杆，底板配筋均为构造配筋，且满足裂缝要求。

5結论

（1）采用锚杆抗浮，施工进度快、工期短，能经济有效的解决地下室抗浮问题；（2）锚杆可采用本文的方式一和方式二布置，当底板为较厚板或筏板等，可采用方式一和方式二布置锚杆，当板跨较大或仅为一般防水板时，建议采用方式二的布置方式；（3）锚杆布置时应考虑局部抗浮，防止锚杆出现链条式破坏；（4）锚杆受力分析应采用考虑与底板的协同作用的计算方法。

参考文献

[1]建筑地基基础设计规范（GB50007—2011）.北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2]岩土锚杆（索）技术规程（CECS 22：2005）.北京：中国计划出版社，2005.

[3]建筑边坡工程技术规范（GB50330-2013）.北京：中国建筑工业出版社，2013.

[4]胡柳明.某地下室抗浮锚杆设计[J].工程建设，2011年第43卷第3期：27-30.

[5]郑震东.谈地下室抗浮锚杆设计[J].中外建筑，2004年第4期：85-86.