抗拔锚杆在广州某加压站工程中的应用

2021-01-10曾堉

建材与装饰 2020年36期

曾堉

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010）

0 引言

位于地下的建筑物（譬如地下车库、地下室、水池等），设计时应考虑地下水对结构的浮托作用，当地下水位较高时，结构自重无法抵抗地下水的浮力作用，可能造成建筑物的底板开裂甚至整体上浮。

在当代工程中，地下构筑物抗浮主要有两种方式：①依靠结构自身的重量或者顶板上的覆土重量抵抗浮力，“压”住构筑物；②依靠抗拔桩或抗拔锚杆作用在结构底板下方，“拉”住构筑物。一般的小型构筑物，能够采用前一种抗浮方式，但对于大体积构筑物，多数受限于使用功能要求和标高要求，覆土较少，增加底板或侧壁厚度又要顾及经济性。因此，采用抗拔锚杆或抗拔桩成为主要方式。抗拔锚杆施工相对简单且经济，抗拔桩既能抗拉又能抗压，在地基承载力满足要求的情况下，采用抗拔锚杆更经济合理。

1 工程概况

本工程位于广州市白云区，随着城市的不断开发和建设，现状供水管道压力严重不足，影响了居民正常的生产生活，本工程的实施可解决附近供水管网水压不足、水量不够等问题。本工程其中一个单体构筑物为埋地清水池，为剪力墙结构，长为50.8m，宽为24.8m，室外地面标高16.10m，清水池顶板面标高15.70m，底板面标高11.20m（局部为8.700m），底板厚600mm，底板飘出侧壁600mm。

根据地质勘察报告，场地岩土层自上而下为（标高为绝对标高）：①素填土，层厚1.50～3.00m，层底标高为11.64～13.22m；②中粗砂，层厚18.60～25.80m，层底标高为-7.26～-14.10m；③粉质黏土，硬塑，层厚1.60～3.70m，层底标高为-12.30～-15.70m；④微风化灰岩，层厚3.60m 以上。且根据本场地的勘探钻孔资料，位于清水池范围内有2 个钻孔揭露溶洞，为半填充。

本单体以中粗砂层作为持力层，修正后地基承载力为400kPa。由于地基承载力已满足要求，且地基岩层有溶洞揭露，采用抗拔桩不符合实际需要，比选后采用土层抗拔锚杆作为抗浮措施。

2 抗拔锚杆设计

结构的抗浮力包括结构自重、上部恒载（覆土等）和抗浮措施（抗拔锚杆等），而且在抵抗浮力的作用时需要一定的安全富余量，国内行业关于计算抗浮的规定没有统一，常用的是《建筑地基基础设计规范》规定的抗浮稳定安全系数Kw，一般情况下取1.05。实际设计需根据结构重要性、地下结构规模、抗浮设计水位的可靠程度等具体情况合理选用。

地下结构抗浮设计除了满足整体抗浮稳定性要求外，还可能因为结构自重分布不均匀导致局部底板开裂，该局部抗浮问题依靠水池底板自身刚度满足裂缝控制要求。本工程抗浮设计思路为计算整体抗浮，得出锚杆抗拔承载力，再运用盈建科软件建立模型，分析验算抗拔承载力结果，通过软件所得基底压力和墙体分布情况合理调整锚杆布置间距。锚杆抗浮计算时采用标准值。

2.1 地下水的浮托力计算

根据相关规范要求，地表水或地下水对结构作用的浮托力，其标准值应按高水位确定[1]，构筑物基础底面上的浮托力标准值：

式中：γw-水的重度；hw-地表水或地下水的最高水位至基础底面计算部位的距离；ηfw-浮托力折减系数，对非岩质地基应取1.0。

本单体底板均处于中粗砂层，为非岩质地基，抗浮设计水位为室外地坪标高，得出浮托力标准值qfw，k=55kN/m2。总浮力Fw，k=qfw，kAF=74360kN，此处的AF为整块基础底板的投影面积，包括基础底板外飘部分。

2.2 锚杆抗浮力计算

求得清水池恒载标准值Gk=52840kN，抗拔锚杆所需承担的抗浮力Qm=Kw·Fw，k-Gk=1.05×74630-52840=25522kN。这里计算恒载时，底板外飘部分以上覆土重量和锚杆自重不计入，作安全储备。

值得一提的是，岩土锚杆通常是以群体的形式出现的，如果锚杆布置得很密，地层中受力区的重叠会引起应力叠加和锚杆位移，使锚杆极限抗拔力不能有效发挥，这就是通常说的“群锚效应”[2]。通俗来讲，就像一碗米饭里插一根筷子，当被拔出时它的抗拔能力是充分发挥的，但如果插上很多根筷子，会连带米饭一同被拔出，每根筷子的抗拔能力都没有发挥出来。为避免群锚效应，相关规范规定锚杆锚固体最小间距宜大于1.5m。此处最小间距是经验所得，国内外对群锚效应的研究还在不断深入，结合本工程实际抗拔锚杆所在土层为中粗砂层，粘聚力几乎为零，该地层性状的群锚效应影响较小，最小间距满足规范要求即可。结合清水池的内墙形状，初步布置224 根锚杆。单根抗拔锚杆所承担的抗浮力qm=Qm/n=114kN。

2.3 锚杆抗拔承载力计算

本工程选取锚杆直径为200mm，锚杆钢筋为四根20（HRB400 级）。结合实际勘察孔计算锚杆有效长度初定为13m，锚固部分全部位于中粗砂层。

本工程中锚杆为永久锚杆，根据现行《建筑桩基技术规范》，锚杆抗拔极限承载力标准值：

式中：Tuk-桩基抗拔极限承载力标准值；qsik-桩侧表面第i 层土的抗压极限侧阻力标准值；ui-桩身周长，对于等直径桩取ui=πd；λi-抗拔系数，取0.50～0.80[3]。

单根锚杆抗拔承载力特征值Ra=Tuk/K，K 为安全系数，取K=2。

由详细勘察报告，中粗砂层的土体与锚固体极限粘结强度经验值qsk=75kPa，抗拔系数取值0.5，可得Tuk=0.5×75×0.2×3.14×13=306kN，单根锚杆抗拔承载力特征值Ra=Tuk/2=153kN。锚杆自身抗拔承载力NT=AS·fy/Kb=360×1256×10-3/2=226kN。

满足单根锚杆所需抗浮力要求，锚杆抗拔承载力特征值拟定为Ra=120kN，实际极限抗拔承载力需经过基本试验后确定。

2.4 建模计算复核结果

通过盈建科软件建立计算模型，计算所得最高水位标准组合的基底压力结果如图1 所示。在清水池外壁部分位置为正压力，此区域满足抗浮要求，考虑经济性可在此区域适当减少抗拔锚杆数量。图中基底压力为零的区域为需要抗浮措施的区域，可知底板中部区域所受浮力较大，相当于承受负弯矩。软件计算单根锚杆抗拔承载力最大为82kN，满足要求。

建模计算后，根据底板变形特点，综合考虑地下水作用变化和水池内墙体分布情况，适当调整了锚杆分布数量和间距，使水池底板变形基本一致，锚杆均匀受力。

3 锚杆抗拔试验

抗拔锚杆试验包括基本试验和验收试验，检测出锚杆的抗拔承载力，为工程验收提供依据。本工程取13 根锚杆进行抗拔试验，以其中3 根试验锚杆为例。由荷载—锚头位移（Q-s）曲线可知（如图2 所示），锚杆拉力与位移基本呈直线关系，加载至260kN 时，最大位移为3.09mm，未出现陡然上升段，变形能达到相对稳定，卸荷后出现回弹。试验测得最大试验荷载为260kN，抗拔承载力特征值120kN 满足要求。