地下室底板抗浮锚杆结构设计

马竹青

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院,济南 250022)

近年来由于地下空间的大规模开发,带地下室的裙房及单建式的地下室等建筑越来越多,深度也逐渐加深。由于其上部层数少,结构自重往往不足以抵抗地下水产生的浮力,基础必须采取一定的抗浮措施。当结构自重与浮力相差不大时,可采用增加地下室底板、顶板配重的办法(如采用钢渣混凝土或在顶板上增加覆土)；如果二者相差较大,则需要采取设置抗拔桩或抗浮锚杆等措施。关于抗拔桩,《建筑桩基设计规范》(JGJ194—2008)有明确的规定。考虑到工期及经济因素,建设方往往更倾向于采用抗浮锚杆，但抗浮锚杆目前还没有较完整的设计规范。根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)(以下简称《地基基础规范》)中“岩石锚杆基础”部分第8.6节,可以验算锚杆的抗拔力,但缺少锚杆部分的规定,只能参照《建筑边坡工程技术规范》(GB50330—2002)(以下简称《边坡规范》)及《岩土锚杆(索)技术规程》 (CECS 22：2005)(以下简称《锚杆规程》)相应的条文执行。特别是对于防水问题,更缺少相应的规范及图集可以采用。现将青岛站地下室抗浮锚杆代替抗拔桩的设计过程进行总结,希望能给类似工程以参考。

1 问题的提出

青岛客站改造工程新建站房分为东、西、南3个区,南区南侧地上2层、地下2层,采用钢筋混凝土框架结构,钢筋混凝土筏基。南区北侧地下候车室部分仅为1层地下室。采用2跨连续槽形箱梁,跨度分别为39.7 m及11.7 m,钢筋混凝土独立基础,构造刚性底板。±0.00相当于绝对高程7.61 m,室内外高差-0.15～-1.50 m。基底埋深-16.9 m,局部-17.00～-18.00 m。基底持力层大部分为中风化或微风化花岗岩。地下水类型为第四系壤中潜水和基岩裂隙潜水,地下水主要受大气降水的补给,第四系壤中潜水还受排污管道内水入渗的影响。雨季地下水埋深约在自然地坪下1 m,为最高地下水位。地下水对混凝土无腐蚀性。

地下室为抗浮,初设采用抗拔桩,桩径800 mm,共1 018棵。若按抗拔桩方案施工,工程量大、工期长、且基底持力层为强风化或中风化花岗岩,施工难度大。从2007年初开始动工,预计总工期将达5个月。由于青岛客站工期极为紧张,为保证2008年奥运会前顺利开通,经过聘请当地资深专家对基底岩性及抗浮水位出具专题报告,建设各方通过反复研究论证,最终决定将基础抗拔桩优化为抗浮锚杆。

变更后,共设抗浮锚杆4 011棵。施工单位共投入高风压钻机4台,成孔133棵/d,总施工工期约1个月。较抗拔桩方案工期提前4个月,总造价节约103万元,取得了较好的经济和社会效益。

2 抗浮锚杆布置原则

为了避免出现群锚效应,同时由于抗浮锚杆需穿透地下室地板下的防水层锚入底板内,形成一个个防水薄弱点,有可能给建筑防水留下隐患,所以锚杆的间距D不能太小。《地基基础规范》图8.6.1规定了锚杆间距的最小要求,即锚杆的中心距离≥6d1,d1为锚杆孔直径。《锚杆规程 》第7.7.2条锚杆的间距除必须满足锚杆的受力要求外,尚宜大于1.5 m,当所采用的间距更小时,应将锚杆段错开布置。另外为了使应力分布均匀,综合考虑锚杆钢筋的抗拔能力,间距也不宜太大。在具体工程中可以根据结构布置及地质情况综合考虑。图1为青岛站地下候车室锚杆剖面布置,图2为青岛站地下候车室锚杆布置,其中D根据不同受力部位取值为1.2～1.9 m。

注：中风化l=3.5 m，微风化l=2.8 m

图2 锚杆平面布置

3 抗浮锚杆设计

3.1 单根锚杆抗拔承载力特征值估算

《地基基础规范》第6.7.6条：岩石锚固段的抗拔承载力特征值,对于永久性锚杆的初步设计或对于临时性锚杆的施工设计阶段,按下式计算

Rt=ξfurhr

式中f——砂浆与岩石间的粘结强度特征值，MPa,由试验确定,当缺乏试验资料时,可按表1选用；

ur——锚杆周长；

hr——锚杆锚固段嵌入岩层中的有效锚固长度,按地区经验确定；

ξ——经验系数,对于永久性锚杆取0.8。

表1 砂浆与岩石间的粘结强度特征值 MPa

注：本表取自《地基基础规范》表6.7.6。

《地基基础规范》第8.6.3条规定：对设计等级为甲级的建筑物,单根锚杆抗拔承载力特征值Rt应通过现场试验确定；对于其他建筑物可按下式计算

Rt≤0.8πd1lf

式中，l为锚杆的有效锚固长度；其他符号同前。

比较以上两式,可以看出两个公式是一致的。

锚杆孔直径经验值一般在200 mm以内,本工程初步设定锚杆孔径150 mm，锚固长度l暂取3.2 m。根据《地基基础规范》第8.6.1条的构造要求,锚杆钢筋采用HRB400级钢(fy=360 MPa,fyk=400 MPa)。水泥砂浆强度等级M30,砂浆与岩石间的粘结强度特征值f按较软岩取0.30 MPa,估算出单根锚杆抗拔承载力特征值Rt为362 kN。

必须注意的是,此处的抗拔承载力特征值只是估算值,可以据此值按规范要求进行现场试验,确定是否能达到设计要求。本工程经检测单根锚杆的抗拔力均满足试算结果要求。

3.2 锚杆钢筋截面面积计算

《建筑桩基技术规范》规定抗拔桩要验算桩的裂缝,桩的钢筋往往由裂缝来控制,即桩的实配钢筋一般比按抗拉强度计算的要大。抗浮锚杆作为抗拔构件,确定锚杆钢筋按理也应该参照抗拔桩满足锚杆体抗裂的要求。对于抗拔锚杆的钢筋截面计算,《地基基础规范》没有明文规定,《边坡规范》引进了抗拉工作条件系数,《锚杆规范》引进了抗拉安全系数,二者形式不同,但都相当于对钢筋取1.6倍的抗拉安全系数,笔者认为可以据此进行钢筋截面计算,并取大者作为计算结果。

3.2.1 根据《边坡规范 》7.2.2条

As≥γ0Na/ξ2fy

Na=γQNak

式中γ0——边坡工程重要性系数；本工程取1.1。

Na——锚杆轴向拉力设计值；

γQ——荷载分项系数,可取1.30；

Nak——锚杆轴向拉力标准值；

ξ2——锚筋抗拉工作条件系数,永久性锚杆取0.69；

fy——锚筋抗拉强度设计值，MPa。

根据上式计算得出As≥2 084 mm2。

3.2.2 根据《锚杆规程 》7.4.1条

As≥KtNt/fyk

式中Kt——锚筋杆体的抗拉安全系数,永久性锚杆取1.60；

Nt——锚筋的轴向拉力设计值；

fyk——钢筋的抗拉强度标准值，MPa。

结构安全等级同样取一级,则As≥2 071 mm2。

可见两本规范计算结果基本一致。锚杆钢筋选用3φ32 mm,As=2 418 mm2。

锚杆钢筋换算直径69 mm,经检验之前假定的锚杆孔直径150 mm可以符合《地基基础规范》8.6.1条的要求。

3.3 锚杆锚固体入岩长度

除要验算锚杆锚固体与地层的锚固及锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度外,还要满足构造要求。下面仅列以《边坡规范》计算的上述两部分计算内容,《锚杆规程》可以按式7.5.1-1及7.5.1-2计算。因本工程的计算结果基本接近,按《锚杆规程》计算过程略。

3.3.1锚杆锚固体与地层的锚固长度la

la>Nak/ξ1πDfrb(《边坡规范 》第7.2.3条)

式中ξ1——锚固体与地层粘结工作条件系数,永久性锚杆取1.00；

D——锚固体直径(即图1中锚杆孔直径d1)，m；

frb——地层与锚固体粘结强度特征值，kPa,应通过试验确定,当无试验资料时可按表2取值。

表2 地层与锚固体粘结强度特征值

注：本表取自《边坡规范》7.2.3条。

按frb取值450 kPa计算,la>1.71 m。

3.3.2 锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度

la≥γ0Na/ξ3nπdfb(《边坡规范 》7.2.4条)

式中la——锚杆钢筋与砂浆间的锚固长度，m；

d——锚杆钢筋直径，m；

n——钢筋根数，根；

γ0——边坡工程重要性系数；

ξ3——钢筋与砂浆粘结强度工作条件系数,对永久性锚杆取0.6；

fb——钢筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值，kPa,应由试验确定,当缺乏试验资料时可按表3取值。

表3 钢筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值 kPa

注：1.本表取自《边坡规范》7.2.4条；2.当采用2根钢筋点焊成束的作法时,粘结强度应乘0.85折减系数；3.当采用3根钢筋点焊成束的作法时,粘结强度应乘0.7折减系数；4.成束钢筋的根数不应超过3根,钢筋截面总面积不应超过锚孔面积的20%。当锚固段和注浆材料采取特殊设计,并经试验验证锚固效果良好时,可适当增加锚杆钢筋用量。

经计算，la≥1.70 m。

3.3.3 构造要求

《地基基础规范》仅规定了锚固长度的最小值(如图8.6.1示l>40d,d为锚杆直径)。《边坡规范》及《锚杆规程》规定锚杆锚固段长度需要针对锚杆锚固体与地层的锚固长度以及锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度两方面进行计算,取其中大值,并以构造要求规定了锚固段设计长度的上下限值,仅数值略有区别。《边坡规范》7.4.1.2条规定岩石锚杆的锚固段长度不应小于3 m,且不宜大于45D和6.5 m；《锚杆规程》7.5.3条规定：岩石锚杆的锚固长度宜采用3～8 m。其原因是当锚杆锚固长度超过一定值后,锚杆抗拔力的提高极为有限,甚至可以忽略不计。反之,锚固段长度设计过短时,由于实际施工期锚固区地层局部强度可能降低,或岩体中存在不利组合结构面时,锚固段被拔出的危险性增加,故规定了最小长度。具体设计时可根据工程实际情况酌情选用。例如采用爆破开挖的基坑,基岩面往往破裂且不平整,一般锚杆长度要适当增加。

本工程锚杆体入岩长度l根据以上要求综合考虑,入中风化岩层：l=3.5 m,入微风化岩层：l=2.8 m。

3.4 抗浮锚杆的间距

上述计算过程完成后,A≤Nak/(F浮-F抗),A为每根锚杆所承担的抗浮面积。再根据锚杆的布置情况,求出抗浮锚杆的间距。如果锚杆间距不理想,可以调整锚杆抗拔承载力特征值,重新验算,直到满足要求为止。

3.5 锚杆和底板间的冲切问题

如果锚杆的抗拔承载力较大,而底板较薄,还要进行锚杆和底板间的抗冲切验算,这里不再赘述。

4 防水措施

结构防水是地下室防水设计的重点。由于锚杆钢筋会穿过底板外防水,锚杆钢筋应有防水措施。但对于抗浮锚杆,目前尚没有比较明确的规定及统一的做法。根据防水设计原则,借鉴了桩基防水构造作法并参照当地的工程经验,采取以下措施：在垫层上打眼,作12 mm厚的聚合物防水砂浆,在锚杆根部涂一层水泥基渗透结晶型防水材料作为附加防水层；外包4 mm厚自粘式防水卷材。3根钢筋呈喇叭口状锚入底板内,在锚杆上部灌沥青型灌浆料。用该方法施工防水效果还不错。文献[6]详细介绍了锚杆的防水做法,可供参考。

5 锚杆防腐

首先在地质勘察报告中应对钢结构的腐蚀性作评

价,如地下水对钢筋有腐蚀必须对锚杆采取相应的防腐措施。《边坡规范》7.4.5条规定了永久性锚杆的防腐蚀处理要求,其中对位于无腐蚀性岩土层内的锚固段应除锈,砂浆保护层厚度应不小于25 mm;这与《地基基础规范》8.6.1.1条锚杆孔直径,宜取锚杆直径的3倍,但不应小于1倍锚杆直径加50 mm的规定一致。《锚杆规程》第6章对防腐规定的更具体,其中对处于非腐蚀环境的永久性锚杆锚固段,水泥砂浆保护层厚度不应小于20 mm。

6 规范选用建议

由于抗浮锚杆无专门的规范条文,笔者建议可以利用《地基基础规范》中的“岩石锚杆基础”部分对单根锚杆抗拔承载力特征值进行估算,验算锚杆钢筋、锚杆锚固长度及抗腐蚀措施、材料、防腐及施工检验要求等可参照《边坡规范》及《锚杆规程》两本规范,设计者可根据工程具体情况合理选用。

7 结语

用抗浮锚杆来解决建筑物或构筑物抗浮问题,因其具有造价低、施工方便等优点,已越来越多地应用于实际工程中。但抗浮锚杆毕竟是近几年的新工艺,特别是其防水、耐久性目前国家还没有制定系统、全面的规范以及相应的国标图集。要确保抗浮锚杆的安全,除要求施工单位有较高的技术素质,严格按各工序要求进行施工外,还需要设计、建设、监理三方共同努力,另外借鉴当地的成功经验也是十分必要的。

[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]CECS 22：2005，岩土锚杆(索)技术规程[S].

[4]JGJ94—2008，建筑桩基技术规范[S].

[5]GB50108—2008，地下工程防水技术规范[S].

[6]姜明强.抗浮锚杆防水设计探讨[J].建筑科技与经济，2009(1).