抗浮锚杆在工程中的设计应用

魏 乐

(大同市二院建筑设计研究有限责任公司，山西 大同 037006)

0 引言

近些年来，随着城市人口规模和高层建筑的数量不断增大，建筑空间越来越受限制，因此建筑物不得不向地下发展。有时，为了某种功能的突出。建筑不但越长越“高”，也越长越“深”。为充分利用地下空间，当基础底板埋深较大时，在地下水位较高地区，地下室底板要承受较大的水浮力作用。当结构的自重加上上部荷载不足以抵抗地下水浮力时，就容易发生地下室底板上拱，从而导致建筑物破坏，因此需要采取竖向抗浮措施。

在所有地下结构工程中，当地下水位较高，且上部自重及活荷载不能抵消地下水对建筑物产生的浮力时，就必须采用相应措施。目前常用措施无非两种：第一种是增加重量抵抗浮力，我们姑且称之为“压”；第二种即是通过底部设置抗拔桩，抗浮锚杆通过桩体与土层的摩擦阻力抵消浮力，我们称之为“拽”。抗拔桩在工程施工中具有稳定可靠的优点，但施工难度大，因为需要带水作业，相应的工期长，造价高。而抗浮锚杆恰恰能克服这些缺点。抗浮锚杆利用岩土层与锚固体的粘结摩阻力来抵抗水的浮力。在各种抗浮措施中，抗浮锚杆具有造价低、工期短、施工便捷、节省建筑材料等优点，受到业主和设计人员的一致青睐。

1 工程概况及背景

本工程坐落于北方某城市，建筑为一公共文化建筑，建筑面积约3万m2，平面布置为矩形。处于当地文化中心，考虑使用功能与建筑造型，将使用面积全部放在地下，地上仅作大跨度屋盖。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g,地震分组第一组,基本风压0.65,基本雪压0.30,建筑物抗震设防类别为乙类，场地类别Ⅱ类，设计基准期50年，使用年限70年，建筑结构安全等级二级；地基基础安全等级二级，地基基础等级甲级。当初设计时地勘报告提供地下水位埋藏较低，设计未考虑地下水的作用。当施工进行时，开挖基坑过程中发现地下水位较高与原设计的设计条件发生较大变动，严重影响继续施工和后续使用，并存在极大安全隐患。为此甲方召集设计，地勘各部门进行了专业论证。最后结论：由于引黄入晋，建筑周边大量自来水公司自备水井关闭，引发周边地区水位回升，造成目前状况。问题原因找到后，甲方委托设计院，地质勘察各相关部门，进行抗浮设计等相关后续事宜。

2 抗浮锚杆的设计

本工程使用面积全部布置在地下,地上仅作大跨度屋盖,结构自重相对水浮力来说较小,采用压载加固不能满足抗浮要求,考虑到抗浮锚杆的优势及本工程所处场地地质情况，采用非预应力抗浮锚杆来抵抗地下水浮力的作用。

2.1 本工程场地的工程地质情况

土层大致分布状况①层、②层素填土及杂填土去除，③层～⑥层土从上而下的岩性及极限侧阻力标准值依次如下：粉质黏土，55 kPa；粗粒砂，100 kPa；粉质黏土，65 kPa；粗粒砂，120 kPa。

2.2 抗浮锚杆的布置方式

抗浮锚杆的布置方式分为:

1)集中点状布置;2)集中线状布置;3)梅花状均匀布置,其中集中布置方式集中布置在柱下或基础梁下,基础底板配筋较大,要求锚固于硬质岩体中,不适于软岩与土体。梅花状均匀布置,在地下室底板下均匀布置,基础底板配筋较小,适用于所有土体和岩体。

2.3 抗浮锚杆设计

地下水净浮力值确定。

1)根据现行GB 50009—2012建筑结构荷载规范，进行抗浮设计时，抵抗水浮力的结构自重属有利作用，其分项系数应为1.0。则作用在基础底板上的净反力设计值为:

qa=1.2qwk-qk

(1)

依据勘察报告及勘察补充报告，扣除底板自重后，地下水浮力为50 kN/m。

2)抗浮锚杆平面布置。

分析本工程地质情况，建筑造型以及结构受力特点后，本着设计合理，造价低，施工简洁的原则，我们采用在整个底板上小间距梅花状均匀布置锚杆，局部地方适当增减的梅花形布置方案。

3)设计参数。

本工程设计类型:A型锚杆:锚杆单根竖向抗拔承载力特征值约为145 kN，抗拔力设计值275 kN，锚固长度8 m。

依据《土层锚杆设计与施工规范》和《岩土锚杆(索)技术规程》，抗浮锚杆属于永久支护，锚杆破坏后的危害程度轻微，因此，其局部稳定性安全系数取K1=1.8。场地内共布置880根锚杆，总抗拔力设计值特征值215 734 kN，锚杆极限抗拔力为409 151 kN，安全系数为1.85，满足设计要求。抗浮锚杆面积和锚固长度分别由下列公式进行计算确定：

As≥K1Nt/fyk

(2)

N1≤LaR1

(3)

N1=qfab

(4)

其中，K1为抗力系数,取值1.8；N1为抗浮锚杆轴向拉力值；As与fyk分别为锚杆面积和强度；La为锚杆锚固长度；a与b分别为抗浮锚杆的横向和纵向间距。

3 抗浮锚杆抗拔试验

根据《岩土锚杆(索)技术规程》和《建筑地基基础设计规范》，抗浮锚杆完成后应对抗浮锚杆进行抗拔承载力试验，以确定该地区土层抗浮锚杆的极限承载力。锚杆试验数量不得少于总锚杆的5%,且不应少于6根。

3.1 抗浮锚杆的制作

要求锚杆每间隔2.0 m设一道定位支架，确保锚杆位于锚孔中心，底部设锥形导向帽。在水浮力作用下，混凝土底板与基础岩层界面处将形成微小的缝隙，在地下水的影响下此交界处锚杆很容易锈蚀或底板混凝土由于毛细孔道现象的发生发展而出现渗漏，本工程对抗浮锚杆在底板与基础岩层界面450 mm范围内设置30 mm厚聚苯板，同时锚杆在距孔口300 mm处设置厚20 mm的止水板，来防止锚杆锈蚀并有效阻止地下水顺锚杆进入地下室底板。

3.2 抗浮锚杆质量检查

锚杆施工前必须制定严格的操作技术规定；锚杆的偏位不得大于50 mm；锚杆垂直度的偏差不得大于L/100；锚杆成型后必须清孔；锚杆混凝土强度达到设计值后方可进行锚杆的测试。

3.3 抗浮锚杆工艺性试验

在抗浮锚杆正式施工前，需要对抗浮锚杆的工艺性进行试验。在完成抗浮锚杆工艺性试验后，试验单位需将各项施工技术参数及时反馈给业主及设计院，设计院将根据工艺性试验得到施工技术参数，对抗浮锚杆施工图进行调整，并确定施工技术参数。

4 结语

1)通过本工程的实践做法，本设计及施工受到业主及施工单位的一致好评。从甲方经营部反馈回的信息来看，工期比其他措施节约大约20 d时间，造价节约约130万元。施工单位施工期间湿作业量减少较多，工人操作安全，简单。

2)通过设计单位和施工单位现场试验数据，得到如下两点收获:a.其他类似工程抗浮锚杆在北方地区应用提供了可靠设计，施工依据;b.为甲方和设计院在类似工程地基处理方面提供比选资料，减少以后类似工程的选择难问题。

3)建筑建成使用后，效果良好，达到了设计预期效果。