抗浮锚杆在高水位地基中的应用

张伟

（中铁十六局集团城市建设发展有限公司，北京 100018）

0 引言

在深基坑施工中，抗浮锚杆的应用越来越多，抗浮锚杆在地基中的使用取决于抗浮设计水位，抗浮设计水位是根据渗流计算得出的。渗流计算模型的建立取决于场区地层分布条件和地下水分布特征，抗浮锚杆承受的是拉力，也称为抗拔桩。通过设置抗浮锚杆主要是为了抵消水浮力产生的不利影响，保证地下室的安全[1]。

抗浮桩在国内采用的初期桩型与普通工程桩相同，但该种桩型效果不好，抗浮桩的抗拔能力和桩身强度得不到充分发挥，且在基础上的布置间距大，导致桩抗拔力大，与之匹配的是加厚底板以抵抗水压力产生的弯矩，经济性不好。抗浮锚杆的布置灵活且抗拔力能充分发挥，这样基础底板的厚度可以减少，且底板所受到的附加应力较均匀[2]。

1 工程概况

拟建工程场区位于镇远县中心人民医院西侧，基坑面积约为1800m2，地下二层，主搂内设核心筒结构，采用筏板基础，基坑内地下水埋深为12.5m，地下二层的底板底标高分别为-11.90m、-12.0m、-11.40m不等。本工程底板区域设置直径200mm的抗浮锚杆106根。

2 抗浮锚杆设计依据

2.1 水位分析

根据贵州省勘察设计研究院有限公司提供的《镇远县中心人民医院内科病房楼项目岩土工程勘察报告》，该项目的基础位于相对隔水层中，隔水层位于两层层间含水层之间，两层层间水远期最高水位影响建筑抗浮设计水位[3]。各层地下水之间存在渗流联系，根据渗流理论，场区内的台地潜水和承压水有升高的可能[4]。

本工程建筑抗浮设计水位的建议值是通过渗流计算、分析得出的，底板产生较大内力是在水浮力较大时产生的，理论上，上部结构的不均匀变形不是水浮力能引起的，上浮过大的情况下仍然会对结构造成一定的影响于结构适用性方面。

2.2 锚杆设计

常用的锚杆设计方法中可变荷载是地下水浮力，永久荷载是地下室自重及地面回填土压力，最不利荷载组合的确定是根据荷载效应组合的设计值，既抗浮锚杆承受的荷载qf为：

式中：f 为水浮力；G 为上部结构自重；γQ为可变荷载分项系数；γG为永久荷载分项系数。

所需锚杆数量的计算是锚杆承担的力除以单根锚杆的承载力，锚杆承担的力可以理解为水浮力减去一定的荷载，锚杆受力均匀。

2.3 整体模型的构成

减小底板的变形和内力，是通过合理的布置锚杆，一部分水浮力被锚杆承担了。上部结构重量、结构刚度与锚杆的受力有关。用有限元模型计算分析既可以体现底板变形的特点，也可以体现锚杆受力的不均匀性。上部结构、桩、底板、锚杆组成整体计算模型，上部结构模型应与设计上部结构时的模型一致。即整体计算方法是一种可为工程设计方便采用的结构抗浮计算方法。

桩顶或柱底按照现在常用的底板抗浮计算简化为固定支座，认为锚杆受力均匀且充分发挥了自身的抗浮能力。

整体计算模型中锚杆线刚度是需确定的主要参数之一。拉力作用到锚杆顶部，通过摩擦作用逐渐传递到周围土体，沿着锚杆的深度方向土的摩擦作用越大，逐渐减小的是锚杆的轴力。土的摩擦作用下需合理设置锚杆的刚度。5.30m是场区内台地潜水的远期最高水位，地基土层中的竖向水压力分布地见图1，为了计算本工程的抗浮设计水位标高，在场区内选择三个基底标高作为计算的依据，从而得出基底处最大水压力，相应的等效水位标高为17.10m、18.40m、17.69m，综上数据分析再结合地下水位动态变化规律、动态变化因素可得抗浮设计水位为18.20m。

图1 场区竖向水压力分布预测曲线图

2.4 锚杆长度的确定

设计院根据地勘单位提供的抗浮设计水位、地勘报告和现场实际情况，得出抗浮锚杆的参数为锚杆孔径200mm、锚杆杆体采用3根ø25的HRB400钢筋、注浆材料使用强度M30的水泥素浆、锚杆的抗拔承载力270KN。

锚杆锚固长度计算依据《岩土锚杆（索）技术规程》中的公式进行，该公式如下：

公式中的La表示的是锚杆锚固段长度；K表示的是锚杆锚固体的抗拔安全系数，取2.0；Nt表示的是锚杆或单元锚杆的轴向拉力设计值，取值为270KN；D 表示的是锚杆锚固段的钻孔直径，取值200mm；fmg锚固段注浆体与地层间的粘结强度标准值（kPa），根据各层土取值。

根据勘察报告1#孔的钻孔资料，基础底板-12m（绝对标高17.5m）标高下8.0m抗浮锚杆锚固范围内[5]，地层情况见表1。

经过加权平均，fmg取值58.94kPa；

ψ—影响系数，取1.15；

计算得Nt=170.3KN。

表1 地层分布情况表

该值小于抗浮锚杆设计值270KN，由此反推，La=11m。

2.5 抗浮锚杆布置方式

集中点状布置和面状均匀布置是传统的抗浮锚杆布置方式，面状均匀布置方式基础底板所受力较均匀，节约钢筋，其缺陷是对上部传来的竖向力不能有效地考虑[6]。

抗浮锚杆采用集中点状布置方式其受力特点与抗拔桩类似，一部分水压力被竖向集中力平衡了，地下室底板跨度大、底板厚度厚、配筋大采用这种抗浮锚杆布置[7]。

岫岩县中心人民医院内科病房楼项目的抗浮锚杆采用空心型均匀布置方式，竖向集中力影响范围内的水浮力被竖向集中力平衡了，抗浮锚杆承担的是竖向集中力影响外的水浮力，这样的布置形式经济、合理。

3 抗浮锚杆的优化

在抗浮锚杆钢筋加工过程中，原来的设计是三根直径25mm的钢筋紧密的焊接在一起，现优化为在三根钢筋之间设置内径为20mm焊接钢管，沿钢筋方向每隔2m设置一道30mm长的支架。如图2所示，其优点如下[8]：

1）三根钢筋之间设置内径为20mm焊接钢管，这样钢筋与混凝土的接触面积变大，增强了钢筋的握裹力。

焊接钢管上有注浆眼，这样注浆液通过注浆眼呈放射状与周围土体融为一体。

2）通过焊接钢管注浆，这样注浆变的更加便捷[9]。

3）基础筏板的厚度700mm，设计要求锚杆钢筋需要锚入基础筏板中850mm，因此钢筋要适度弯折，弯折后与混凝土的锚固效果更好。

4）优化后的设计提高了施工效率更加便于施工。

5）优化后，锚杆的数量减少了10%既加强了结构的安全性又节约了投资。

图2 锚杆钢筋绑扎优化对比图

4 抗浮锚杆基本试验

抗浮锚杆在施工完成养护龄期不少于28天后，检测抗浮锚杆的参数。根据设计要求并结合现场实际情况，在抗浮锚杆施工区域做抗浮锚杆的基本试验检测选取3根抗浮锚杆。采用的检测方法是多循环基本试验法，依据《岩土锚杆（索）技术规程》基本试验结果见表2。

表2 基本试验结果汇总表

试验加载至第五循环560KN时三根试验锚杆完后未出现被破坏的特征，2#锚杆继续加载至630KN时达到第六循环，加载至630KN时锚头位移增量达到了34.67mm，是上一级锚头变形值的1.2倍，达到了破坏状态。

基本试验结果确定抗浮锚杆的长度为12m，依据试验最大加载至560KN时锚头未破坏，满足《岩土锚杆（索）技术规程》要求[9]。

5 结语

场区地层分布条件和地下水分布特征这两个数据，在地下水渗流理论的计算下得出基础底板处的最大水压力并根据这些数据来设计抗浮锚杆的基本长度，计算抗浮锚杆长度的准确数据是根据技术规范，并通过基本试验进行复合数据的准确性，为确保结构安全提供了参考数据[10]。