某地下室抗浮锚杆设计_胡柳明

收稿日期:2011-04-18

作者简介:胡柳明(1978-),男,一级注册结构工程师。

文章编号:1673-93(2011)03-0027-04

某地下室抗浮锚杆设计

胡柳明

(中冶长天国际工程有限责任公司建筑公司,湖南长沙410007)

　　摘　要:目前规范中抗浮锚杆设计尚无统一的规定和计算方法,如何保证抗浮锚杆设计的安全可靠性、经济合理性就显得尤其重要。本文拟通过某地下室的抗浮锚杆设计对其进行探讨,以供同行参考。

关键词:地下室;抗浮;锚杆;设计中图分类号:T U 93　　　　文献标识码:A

Design of the anti -floating anchor bolt in basement

Hu Liuming

Abstract :There is no unified rule and calculation method for design of anti -floating anchor bolt in present specification ,thus how to ensure the safety reliability and economic reasonableness of anti -floating anchor bolt desig n is of particularly im -po rtance .The desig n of anti -floating anchor bolt in a basement w as discussed in this paper ,w hich can be of reference for persons of the same trade .

Key words :basement ;anti -floating ;anchor bolt ;design

1　引　言

随着城市用地的日益紧张,建筑物地下室的埋深亦愈来愈大,部分地下室上部结构为裙房,其自重不足以抵抗地下水浮力,地下室抗浮设计成为结构设计人员经常需要面对的问题。目前,常用的抗浮措施有增加结构配重抗浮、抗拔桩抗浮、锚杆抗浮等。其中抗浮锚杆以其经济性、施工周期短等优点,在地下室抗浮设计中应用越来越多。但抗浮锚杆设计目前尚无统一的规定和计算方法,如何保证抗浮锚杆设计的安全可靠性、经济合理性就显得尤其

重要。本文拟通过某地下室抗浮锚杆设计的比对分析,提出一些看法,希望能对抗浮锚杆设计有所裨益。

2　工程概况

某工程地下室共3层,上部结构主塔楼26层,裙房层数为3层。主塔楼基底面积为2000m 2,裙房基底面积为3000m 2。地下室底板底标高为-15.90m ,抗浮设计水位为-4.80m ,立面见图1。

基础型式采用大直径人工挖孔灌注桩,底板厚500mm 。底板下岩土层为中风化泥质粉砂岩,局部夹有强风化泥质粉砂岩夹层。根据上述基本情况,整体抗浮验算如下:

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第43卷　第3期2011年6月

工程建设

Engineering construction

D OI :10.13402/j .gcjs .2011.03.003

(1)主塔楼地下室承受的水浮力标准值为:

F浮=(15.9-4.8)×10×2000=222000 kN

主塔楼结构自重标准值F抗(地上部分楼层梁板折算厚度220mm,地下部分楼层梁板折算厚度260mm,底板厚度为500m m): F抗=26×0.22×25×2000+3×0.26×25×2000+0.5×25×2000=350000kN

F抗>F浮

(2)裙房地下室承受的水浮力标准值为:

F浮=(15.9-4.8)×10×3000=333000 kN

主塔楼结构自重标准值F抗(地上部分楼层梁板折算厚度220mm,地下部分楼层梁板折算厚度260mm,底板厚度为500m m): F抗=3×0.22×25×3000+3×0.26×25×3000+0.5×25×3000=145500kN

F抗由以上验算结果可知,裙房部分结构整体抗浮验算不满足要求,需采取抗浮措施。经多方案比较,抗浮锚杆具有经济性较好、施工周期短等优点,该工程采用抗浮锚杆抗浮。

3　抗浮锚杆设计

目前,抗浮锚杆设计尚无统一的规定和计算方法,本文拟根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)[1]、《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002)[2]及《岩土锚杆(索)技术规程》(CECS22:2005)[3]相关条文进行对比分析。

3.1　单根锚杆抗拔承载力特征值的确定

3.1.1　岩土力学参数

根据《工程地质勘查报告》[4],地下室底板下土层为中风化泥质粉砂岩,局部有强风化泥质粉砂岩夹层,夹层厚度不均匀,厚度范围为0.5～6.5m。锚杆锚固体与中风化泥质粉砂岩粘结强度特征值为140kPa;锚杆锚固体与强风化泥质粉砂岩粘结强度特征值为120kPa。因强风化泥质粉砂岩夹层厚度不均匀,计算时锚杆锚固体与岩土层粘结强度特征值取f=120 kPa。

3.1.2　单根锚杆抗拔承载力特征值计算

锚杆孔直径一般取200mm以内,该工程锚杆孔直径取150mm,锚杆锚入中风化泥质粉砂岩(或强风化泥质粉砂岩)内的锚固长度取6.5m。对于锚杆锚固长度的要求,文献[1]规定了最小的的锚固长度要求,即要求锚固长度大于40d(d为锚杆孔直径),文献[2]、文献[3]均规定了锚固长度的上下限值,文献[2]规定岩石锚杆锚固长度不应小于3m,不宜大于45d和6.5m,文献[3]规定岩石锚杆锚固长度宜采用3～8m,工程锚固长度为6.5m,满足上述要求。

文献[1]6.7.6条、文献[2]7.2.3条给出了锚杆抗拔承载力特征值计算公式、文献[3]7.4.1条给出了锚杆抗拔承载力设计值计算公式。该工程按文献[1]、[2]、[3]要求均进行了计算,计算结果见表1。

表1　锚杆抗拔承载力特征值计算

规范名称计算公式计算结果

文献[1]R t=ξfu r h r316

文献[2]R t=ξ1πdf rb l a366

文献[3]N t=πdf mgψl a/K336(折算成特征值为240kN)　　表1中,文献[1]计算公式中ξ为经验系数,对永久性锚杆取0.8;f为岩土体与锚固体粘结强度特征值,计算时取120kPa;u r 为锚杆周长;h r为锚杆锚固段锚入岩层中的有效长度。文献[2]计算公式中ξ1为锚固体与地层粘结工作条件系数,对永久性锚杆取1.0;

28工程建设第43卷　第3期

f rb 为岩土体与锚固体粘结强度特征值,计算时取120kPa ;l a 为锚杆锚固段长度。文献[3]计算公式中K 为锚固体抗拔安全系数,对永久性锚杆取2.0;f m

g 为岩土体与锚固体粘结强度标准值,按文献[3]表7.5.1-1取用,f m g =220kPa ;ψ为锚固长度对粘结强度的影响系数,按表7.5.2取用,ψ=0.97;l a 为锚杆锚固段长度。

文献[1]、[2]、[3]对锚固体抗拔提供了形式不一的安全系数,文献[1]安全系数为1.25,文献[2]安全系数为1.0,文献[3]安全系数为2.0。表1的计算结果亦有相应的反应,文献[3]的计算结果偏于安全,在目前缺乏抗浮锚杆的系统规范的情况下,建议按文献[3]确定锚杆抗拔承载力特征值。该工程单根锚杆抗拔承载力特征值取240kN 。3.1.3　基本试验

在目前抗浮锚杆设计缺乏统一明确规定的情况下,为保证锚杆设计的安全性,施工前必须进行抗拔基本试验。文献[1]6.7.6条、文献[2]附录C .2、文献[3]9.2节均规定了应在施工前进行现场抗拔试验,本工程按文献[3]的要求提出了抗拔试验要求,且检测结果与按文献[3]的计算结果吻合。3.3　抗浮锚杆水浮力计算及布置

抗浮锚杆的布置应根据锚杆承担的地下水浮力大小及单根锚杆抗拔承载力特征值确定。3.3.1　抗浮锚杆承担的水浮力计算

目前抗浮锚杆承担的水浮力主要有以下三种计算方法:

(1)考虑上部结构自重,锚杆承担的水浮力为水浮力减掉上部结构自重;

(2)不考虑上部结构自重(底板自重亦不扣除),锚杆承担全部水浮力;

(3)锚杆承担的水浮力分两个区域计算:柱、墙、梁影响区域扣除上结构自重;非柱、墙、梁影响区域仅扣除底板自重。

上述第(1)种算法对于该工程存在安全

隐患,上部结构自重是集中在柱(点)或墙

(线)上,采用这种算法,底板必须具有很大的刚度,才有可能将自重均匀分布在底板上。否则将引起柱墙区域外的锚杆破坏,进而造成所有锚杆破坏。

第(2)种算法过于保守,底板自重是均匀的,是完全可以扣除的。

第(3)种算法考虑柱、墙下锚杆承担的水浮力可扣除上部结构自重是合理的,但考虑与柱、墙相连的梁两侧一定范围内水浮力扣除上部结构自重,柱、墙荷载分配在梁上的大小及范围的存在不确定性,可能引起安全隐患。

该工程在计算柱、墙荷载扩散范围外锚杆承担的水浮力时,扣除了底板自重,柱、墙下荷载扩散范围内锚杆承担的水浮力扣除了墙、柱传递的上部结构自重(图2)。柱墙荷载扩散范围按下式计算,并取两者的小值,笔者认为这样是安全且合理的。

B ≤∑G /F 浮

2

(1)B ≤4h

(2)

式中　B ———柱墙荷载扩散范围;

∑G ——

—柱墙传下的上部结构自重;F 浮———水浮力面荷载;h ———底板厚度。

图2　柱墙荷载扩散范围

3.3.2　锚杆布置

单根锚杆抗浮面积为:　A =R t /(F 浮-F 抗)

=240/(11.1×10-0.5×25)=2.436m 2

式中　A ———单根锚杆承受的水浮力面积;

R t ———锚杆抗拔承载力特征值;

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2011年6月胡柳明　某地下室抗浮锚杆设计

F 浮———水浮力面荷载;F 抗———底板自重面荷载。

抗浮锚杆间距采用1.5m ×1.5m ,均匀分布于底板下。

3.4　锚杆钢筋截面面积计算

文献[2]、7.7.2条、文献[3]7.4.1条均给出了锚杆钢筋截面面积计算公式。文献[2]提出了锚筋抗拉工作条件系数,钢筋强度按受拉强度设计值进行计算;文献[3]提出了锚杆杆体抗拉安全系数,钢筋强度按受拉强度标准值进行计算。两者的计算公式存在差异,但均相当于为锚杆杆体设置了1.6倍的安全系数。该工程锚杆杆体采用H RB400钢筋,按文献[2]、[3]要求均进行了计算,见表2。

表2　锚杆杆体强度计算

规范名称计算公式计算结果文献[2]A S ≥γ0N a /(ξ2f y )1243mm 2文献[3]

A S ≥K t N t /f y k

1237m m 2

　　表2中,文献[2]计算公式中ξ2为锚筋抗拉工作条件系数,对永久性锚杆取0.69;γ0为边坡重要性系数,该工程取1.0;N a 为锚杆轴向拉力设计值,f y 为锚筋抗拉强度设计值。文献[3]计算公式中K t 为锚杆杆体抗拉安全系数,对永久性锚杆取1.6;N t 为锚杆轴向拉力设计值;f y k 为锚筋抗拉强度标准值。

由以上结果可知,按文献[2]、[3]计算的结果基本接近。鉴于抗浮锚杆与轴心受拉构件受力特性相似,也可参考文献[5]7.4.1条进行计算,但应按裂缝要求配筋。该工程锚杆钢筋采用3

25。

3.5　锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度计算

文献[2]7.2.4条、文献[3]7.5.1条均给出了锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度计算公式,文献[2]提出了钢筋与砂浆粘结强度工作条件系数,粘结强度按粘结强度设计值进行计算。文献[3]提出了锚杆锚固体的抗拔安全系数,粘结强度按粘结强度标准值进行计算。两者的计算公式存在差异,文献[2]相当于设置了约1.7倍的安全系数;文献[3]

相当于设置了约2.0倍的安全系数。

该工程按两个公式均进行了计算,锚固长度6.5m 均满足要求。此处不再列出计算过程。图3为该工程锚杆大样。

图3　锚杆大样

3.6　注浆设计

该工程锚杆注浆设计采用二次注浆,要求如下:

(1)第一次注浆时,采用M30水泥砂浆,内掺抗裂膨胀剂6%,水灰比小于0.45,采用0.6～0.4M Pa 低压注浆。

(2)第二次注浆时,采用M30纯水泥浆,内掺抗裂膨胀剂6%,水灰比小于0.45,注浆压力大于2MPa 。第二次注浆应在第一次注浆形成的水泥结石体强度达到5MPa 后进行。3.7　锚杆验收试验

该工程按文献[3]提出了验收试验要求,验收数量为锚杆总数的5%,加载方式采用循环加载,与水浮力作用的特性相似。验收试验加载的最大荷载为2倍锚杆抗拔承载力特征值,与文献[3]规定的1.5倍锚杆轴向受拉力设计值基本一致。试验结果显示,全部验收锚杆未出现破环现象,均满足设计要求。

4　结　语

(1)锚杆抗拔承载力特征值(设计值)确定可按文献[3]进行计算;

(下转第38页)

(3)对1200m m钻孔灌注桩,工程暴露出某些值得注意的问题,分述如下:

1)对钻孔灌注桩,目前施工单位尚无简单有效的检测手段控制桩端入岩深度,基本上是凭经验估计入岩情况。该工程仅对有疑问的桩进行四点钻孔检查,就发现有2根桩没有完整地嵌入基岩,某些桩底面甚至有相当大部分处于悬空状态。就是说在岩溶发育地区只要求用中心点检查基岩情况,还不足以保证桩端全部嵌入基岩的要求,也不能完全确定桩端持力层有效范围内是否有溶洞、溶沟、溶槽等隐患。因此,有必要进行多点检测。

2)不能单纯以动测单桩承载力实测值高于设计值作为判定桩合格的标准,否则,就有可能造成误判。如单从单桩承载力设计值来看,PI2可以说基本满足设计要求,但进一步检查表明,该根桩处于不容忽视的悬空状态,需进行处理。因此,不仅不能把检测的单桩承载力略高于设计值的桩贸然定为合格桩,就是对那些高出甚多而处于不利位置的桩,也应引起足够重视慎重判断。

3)检查过程中。要把钻孔施工记录作为重要的原始数据,对那些钻孔时入岩深度较大而成桩实测承载力偏低的桩,要注意做进一步的检查。

4)众所周知,在岩溶地区采用灌注桩受到种种客观条件的,在选择桩径、桩型等时应根据地质条件和现场实际情况,因地制宜。我们认为有条件时应尽量采用较大的桩径减少桩数,且以采用人工挖孔桩为宜。挖孔桩的最大优点是能直接检查基岩情况,使桩底全部坐落在基岩上。

4　结　语

在岩溶地区特别是在岩溶发育地区采用桩基时,关键是采用有效手段排查隐患,确保基岩承载的安全可靠。实践证明,对大直径灌注桩只用中心钻孔检查不能控制桩端全部落在基岩内,也不能确保桩端持力层有效范围内没有不良溶洞、溶槽等隐患情况,故建议采用多点控制钻孔检查法。即桩径大于等于1200mm 者,用四点(或三点)检查;对桩径为600～1000mm者,用三点(或两点)检查。

该工程现已建成投入使用8a多,未发现任何由桩基引起的质量问题,取得了较好的效果。

参考文献:

[1]　J GJ94-94,建筑桩基技术规范[S].

(上接第30页)

(2)锚杆钢筋截面面积可按文献[3]进行计算;

(3)签于抗浮锚杆尚无统一的规定,锚杆施工前的基本抗拔试验就显得尤为重要,为确保抗浮锚杆设计的安全性,设计者应提出基本抗拔试验要求。参考文献:

[1]　GB50007-2002,建筑地基基础设计规范[S].

[2]　GB50330-2002,建筑边坡工程技术规范[S].

[3]　C ECS22:2005,岩土锚杆(索)技术规程[S].

[4]　向林等.永州市滨江广场工程地质勘查报告[R].永州:

永州工程地质勘察院,2006.

[5]　GB50010-2002,混凝土结构设计规范[S].