变直径钢筋笼扩大头抗浮锚杆的设计与应用

2020-08-05张学治安徽安德建筑设计有限公司安徽合肥230071

安徽建筑 2020年7期

张学治（安徽安德建筑设计有限公司，安徽合肥 230071）

在地下工程设计中，结构竖向自重荷载小于地下水的浮力时，常用的抗浮措施有增加结构的自重、设计抗浮锚杆或抗浮桩等。增加结构自重是通过增加基础厚度或结构顶板厚度来抵抗地下水浮力，简单直接，一般在竖向自重荷载与水浮力差距不大时采用。地下室埋置较深或水头较大时，通常采用抗浮锚杆或抗浮桩来满足抗浮设计要求。在各种抗浮措施中，抗浮锚杆具有造价低[1-2]、施工方便、节约建筑材料等优点，成为结构设计人员经常采用的一种抗浮方案。扩大头锚杆是一种摩擦-端压型锚杆[3]，较普通抗浮锚杆能提供更大的抗拔承载力，抗拔效率更高，近年来在建筑工程的抗浮设计中也逐渐开始应用。变直径钢筋笼扩大头锚杆是扩大头锚杆中的一种新型锚杆，技术属于一种实用新型专利，其特点是在扩大头部位采用直径可变的钢筋笼。锚杆杆体钢筋一般用单根大直径高强度的精轧螺纹钢筋，扩大头端若干竖筋环绕杆体钢筋，竖筋外周设有环状箍筋作为外周的纬线，环状箍筋且与竖筋设有固定点，环状箍筋收紧是未使用状态，环状箍筋是螺旋弹簧或柔性钢线，螺旋弹簧环状箍筋的端部设有释放装置，用柔性钢线时在圈状固定器上设有撑开筋条竖筋的释放装置，通过这种方式使钢筋笼直径在一定范围内变化。是对传统高压喷射扩大头锚杆在扩大头部位的一种改进与创新，通过在扩大头段加入变直径钢筋笼后，形成了钢筋混凝土扩大头，使其在整体受力、锚固段稳定性以及抗拔承载力性能等方面都有较大的提高。本文结合工程实例详细阐述变直径钢筋笼扩大头抗浮锚杆的相关计算方法，并与普通抗浮锚杆进行经济成本和时间成本的对比。

1 工程概况

合肥市某项目地上为商业办公综合体，地下一层为超市和停车库，地下一层层高4.9m，顶板上覆土厚度1.2m。场地土层自上而下依次为：①层素填土，黄褐、灰褐色，主要以粘性土为主，稍湿，稍密，局部位置夹杂建筑垃圾，含大量植物根系，层厚度0.30～4.50m。②层粘土，黄褐色，硬塑，局部呈可塑状，含少量铁锰结核及高岭土条带，断面光滑有光泽，干强度高，韧性高，层厚度1.60～6.20m，地基承载力特征值240kPa。③层粘土，褐黄色，硬塑，局部偏坚硬，含大量铁锰结核及高岭土，断面光滑有光泽，干强度高，韧性高。最大揭露35.40m，该层未揭穿，地基承载力特征值280kPa。基础结构形式为筏板基础，筏板厚度400mm，设计基础底板面绝对标高15.80m，抗浮水头绝对标高21.30m。纯地下室部分单位面积结构及上覆土重总计42.6kN，单位面积水浮力59kN，自重抗浮不足，需采取抗浮措施。

项目设计采用承压型变直径钢筋笼扩大头锚杆作为永久抗浮构件，变直径钢筋笼收缩时，高度1280mm，直径180mm。钢筋笼打开状态时，高度为1280mm，直径为450mm。锚杆普通锚固段孔径为250mm，长度对应为4.5m。旋喷或机械扩体段直径为800mm，扩大头长度对应为2.5m，有效长度7.0m，以③层粘土层作为扩大头锚固段，且进入该层不少于2.5m。

2 变直径钢筋笼扩大头抗浮锚杆的承载力计算

单根变直径钢筋笼扩大头锚杆的抗拔力极限值和特征值计算，与传统高压喷射扩大头锚杆一致，按文献4式4.6.3-1和式4.6.4进行计算，对竖直锚杆先按文献4式4.6.3-2计算扩大头前端面土体对扩大头的抗力强度值pD：

由Tuk的计算公式可知，扩大头锚杆抗拔力极限值由三部分组成，第一部分为非扩大头锚固段侧壁与土层的摩阻力，第二部分为扩大头侧壁与土层的摩阻力，第三部分为土体对扩大头端面的正压力所提供的抗拔力。与普通锚杆相比，扩大头锚杆的抗拔力得以提高主要是因为多了扩大头前端面土体的贡献。由pD的计算公式可以看出，扩大头前端面土体贡献的大小只与扩大头的埋深和土的性质有关。扩大头锚杆设计时，要想获得足够大的抗拔力，只能通过调整锚杆非扩大头段直径D1、扩大头直径D2以及扩大头的埋深h来实现。国内对相关参数对抗拔力影响的研究成果表明，扩大头直径的影响最大。但在实际工程中D1和D2往往受限于成孔工艺只能在一定范围内选择，故在实际工程的锚杆设计时，主要通过增加扩大头的埋深h来增大扩大头锚杆的抗拔力。

3 变直径钢筋笼扩大头抗浮锚杆杆体强度验算

扩大头抗浮锚杆杆体的截面面积按文献4式4.6.8-1验算，Kt按一级防腐取1.6。

计算时应注意fy的取值，根据文献4附录A.0.4，采用预应力混凝土用螺纹钢筋时，其抗拉强度设计值的取值应取屈服强度除以1.2。

1根直径32的PSB1080级预应力混凝土用螺纹钢筋制作的单根锚杆的抗拔力特征值为：

完整的扩大头抗浮锚杆是在基础底板内形成锚孔孔径250mm，总长为7m的带有多重防腐的扩大头锚杆，锚杆杆体采用1根直径为32mm的PSB1080级预应力混凝土用螺纹钢筋。单根变直径钢筋笼扩大头抗浮锚杆抗拔承载力特征值取420kN。

4 扩大头抗浮锚杆在基础底板锚固端的抗冲切验算

扩大头抗浮锚杆杆体采用单根大直径钢筋时，其在基础底板内的锚固方法一般采用钢筋配套法兰螺母锚固，或采用钢筋配套高强螺母+钢垫板锚固。本项目采用高强法兰螺母将抗浮锚杆锚固到底板上，抗冲切验算根据文献5第6.5.1条的相关公式计算。

扩大头抗浮锚杆与普通抗浮锚杆的经济对比表1

扩大头抗浮锚杆与普通抗浮锚杆的工期对比表2

因为变直径钢筋笼扩大头抗浮锚杆的抗拔力特征值Tak=420kN，即抗浮锚杆对底板的冲切力为Fl=420kN≤471kN，满足底板的抗冲切验算。

锚杆在基础底板内的抗冲切验算是很多工程设计人员容易忽略的环节，实际上抗浮锚杆的承载力取值上限往往由锚杆在基础底板内的抗冲切验算决定，底板越厚、混凝土等级越高，则冲切承载力越高。当基础底板较厚，冲切承载力高时，可以设计抗拔力特征值更高的锚杆，抗拔力用的越高，则经济性越好。

5 扩大头抗浮锚杆与普通抗浮锚杆的经济和工期对比

本项目在上述计算的基础上，扩大头锚杆采用正方形均匀布置，总计布置了282根扩大头锚杆。为了了解清楚扩大头抗浮锚杆在经济成本和工期成本上的优势，在相同的条件下，设计布置了普通抗浮锚杆进行对比，设计普通抗浮锚杆主筋采用3根直径18的HRB400级钢筋并筋，锚杆普通段直径180mm，锚杆总长9.5m，抗拔力特征值取130kN，采用正方形均匀布置，总计布置了778根普通抗浮锚杆。

①从表1可知，与普通抗浮锚杆相比，采用扩大头抗浮锚杆时设计锚杆数量减少496根，锚杆总延长米数减少5417m。节约造价约17.628万元，约19.88%。

②抗浮锚杆施工按投入1台设备计算，每天施工10根，水泥锚体强度试验龄期20天，可达到设计强度的80%。净工期分析如表2。

与普通抗浮锚杆相比，采用扩大头抗浮锚杆时节约工期约49.6天，约63.75%，同时节省因缩短工期而产生的人工降低地下水位及其它费用。