基于YJK对地下室抗浮锚杆的合理布置

詹鑫才

（广东省大成注建工程设计有限公司　广东广州　510627）

引言

随着城市建设的快速发展，地下室层数由单层向多层发展，基础埋置深度也相应增加，在地下室深度范围内遇到埋藏较浅的地下水也较普遍，埋藏较浅的地下水将给纯地下室产生一个较大的向上水浮力，所以抗浮设计是地下室设计中的一个重点。目前抗浮设计主要采用锚杆抗浮、工程桩抗浮、排水法抗浮、顶板压重抗浮等措施，但锚杆抗浮具有造价低、工期快、安全可靠的特点，并在越来越多的工程实践中取得成功，所以近年来已经被慢慢推广。在抗浮锚杆设计过程中，设计师往往侧重于锚杆的承载力计算，而忽略锚杆的合理布置方式。因此，本文结合实际工程，探讨合理的锚杆布置方式对地下室的安全与经济影响。

1　工程概况

本工程位于广州市白云区，总建筑面积28.3万m2，±0.000相对于绝对标高为41.600；其中地下室为2层，负一层为3.9m，负二层为4.2m，建筑面积约7.5万m2，标准柱跨为7.8m×7.8m，地下室底板顶面相对标高为-8.900m，地下水抗浮水位相对标高为-1.000m，纯地下室基础采用柱下独立基础加防水板，以粉质粘土作为基础持力层。

2　抗浮验算

根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）第5.4.3条规定与《广东省标准建筑地基基础设计规范》（DBJ15-31-2016）第5.2.1条，地下室自重及其上作用的永久荷载标准层的总和/地下水浮力＞1.05。本工程地下室底板厚度为0.4m，负一层底板厚度为0.14m顶板厚度为0.18m，顶板覆土平均厚度1.1m。软件计算结果显示Gk/Nw，k=0.65＜1.05，因此需要进行抗浮设计，经过对比各抗浮措施特点后决定采取锚杆进行抗浮。

3　抗浮锚杆合理布置

3.1　锚杆合理布置

本工程抗浮锚杆利用YJK软件进行计算，YJK计算地下室底板与锚杆时采用弹性地基梁法，弹性地基梁法是根据有限单元法先计算得到位移、内力，由弹簧位移和弹簧刚度得到实际反力分布。与传统的倒楼盖计算模型相比，弹性地基梁法可以考虑上部结构刚度、上部荷载不均匀分布、基础底板和锚杆相结合，实现上部基础与土共同作用分析，所以弹性地基梁法更能准确地计算锚杆的受力情况。锚杆成孔直径为150mm，抗拔承载力根据相关规范与试验取值250kN，锚杆抗拔刚度k=100000kN/m；恒载作用下的柱底内力标准组合值是2180kN，水浮力q=83kPa；柱底下的柱墩截面为 2500×2500×800（长×宽×高）。

大部分设计人员对地下室抗浮锚杆进行布置时，都是简单地考虑锚杆的受力与上部结构自重后，按照（总的水浮力计算值-底板及上部结构自重标准值）/单根锚杆承载值=计算锚杆数量，然后再根据底板面积/计算锚杆数量=每根锚杆承担的抗浮面积，均匀地在地下室底板上布置锚杆（图1（a））。利用YJK软件计算面状均匀布置的各锚杆反力结果见图（图2（a）），从图中可以看到柱底下的锚杆内力最小，不能充分发挥锚杆的抗拔作用；柱底周边锚杆内力不均匀，其极差与平均值之比较大。采用面状均匀布置锚杆是由于对传力途径不清晰引起的，将锚杆均匀地布置于基础底板上，误认为上部结构的恒载是均匀分布到板的所有区域，而实际是上部荷载只集中分布在柱底下的一定范围内，要满足柱底内力均匀地分布到底板的所有区域就必须要求底板的刚度无穷大，但是底板在实际情况下无法满足此条件。一旦受力最大的锚杆达到极限承载力而破坏，最大承载力锚杆周边受力较小的锚杆也由于连锁反应造成破坏，最后可能会导致底板开裂造成的局部破坏或地下室隆起造成的整体破坏。

图1　抗浮锚杆布置方式

为了合理布置抗浮锚杆，达到安全与经济的目标，考虑到柱传到柱底的荷载较大，这部分向下传递的荷载可以抵消一部分水浮力，所以确定这个向下传递的柱底内力对底板影响范围成为了合理布置锚杆的关键。根据静力平衡方法分四步估算这个影响范围：①用面状均匀布置方法在底板布置抗浮锚杆；②查看YJK软件在恒载标准作用下的柱底内力，用该内力除以单根锚杆的承载力可以得到相等于柱底内力的计算锚杆数量；③以柱为中心去掉柱周围的计算锚杆数量，从而得到柱底内力对底板影响范围区域；④在柱对底板的影响区域外集中布置锚杆，可以充分利用锚杆的抗拔作用。为了验证上述方法的可靠性，利用YJK软件结合基础底板、抗浮锚杆、上部荷载的共同作用以及非线性抗浮计算后的三维位移图、板配筋、锚杆抗拔承载力对比，对所布置的锚杆进行优化，最后采用空心型均匀布置方式（图1（b）），相应的锚杆反力结果见图（图2（b））。从锚杆反力图中可以看到单位锚杆数量与面状均匀布置相同的情况下，各锚杆受力比较均匀，能充分利用各锚杆的抗拔性能。增设锚杆后的地下室整体抗浮稳定性为1.08＞1.05，能满足地下室整体抗浮要求。

图2　抗浮锚杆反力图

3.2　锚杆不同布置方式经济性对比

由于地下室底板面积较大，面状均匀布置锚杆与空心型均匀布置锚杆的经济性对项目总成本将产生关键的影响。两种锚杆布置方式的锚杆数量相同，底板厚度相同所以混凝土用量也一样；但面状均匀布置锚杆的底板钢筋单位面积为34.2kg/m2，空心型均匀布置锚杆的底板钢筋单位面积为27.8kg/m2，所以空心型均匀布置锚杆的经济性优于面状均匀布置锚杆。

4　结语

本工程已经竣工两年半并投入使用，地下室底板各项指标均正常，未发现任何异常情况。所以在对地下室抗浮锚杆设计时应结合现场具体情况进行多方案的对比分析，寻求既能使锚杆受力均匀合理又能使底板的配筋率最经济的布置方式，达到安全与经济的目标。