抗浮锚杆的设计及其在地下工程中的应用

刘家国

（深圳地质建设工程公司，广东 深圳 518023）

0 引言

近年来，城市高层建筑如雨后春笋拔地而起，地下空间的开发利用相伴而生，地下车库、人防工程日益增多，地下室的埋深也越来越深，地下水对地下结构产生的浮力不容忽视，若地下结构及上部建筑物的自重小于浮力，会引起地下结构的上浮，导致底板开裂、结构破坏等事故，将直接影响到地下结构的正常使用与安全。因此应对建筑物的抗浮设计引起足够的重视，需采取必要的抗浮工程措施来平衡地下水对建筑物的上浮力。

1 工程实例

深圳某地下车库及文化广场综合整治工程中地下室±0.00m相当于绝对标高3.00m，地下室底板面相对标高为-4.80m，底板厚度为0.35m，标准板跨为8.5m×8.1m，地上无建筑物，地下车库完工后，地面用作文化综合广场。原设计采用预应力管桩进行抗浮，但因受到罕见的台风暴雨影响，导致已施工完成并回填后的地下室周边排水不畅，出现地下室部分上浮、开裂，柱网间底板均出现45°裂缝，裂缝宽度为2~5mm，底板出现龟背型的翘曲，最大隆起量达350mm，原有的防水层已明显破坏，底板大量渗水，地下室根本无法使用，需对地下室进行抗浮处理。抗浮设计水位取室外地面以上300mm，即绝对标高3.3m，因大部分管桩已产生大变形，其可能发挥的抗拔作用十分有限并无法定量确定，不再考虑原有管桩的抗浮作用。

2 底板抗浮设计控制荷载计算

2.1 地下水浮力

合理、可靠、准确地确定场地的地下水位是抗浮设计是否成功的前提，一般是按建筑物在施工和使用期间可能出现的最高水位来考虑。如果结构荷载大于地下水浮力，这时仅考虑施工期间的临时抗浮，通常可通过临时降排水来保障其抗浮稳定，抗浮水位可考虑一个水文年的最高水位；若结构荷载小于地下水浮力，则地下水是一个永久的荷载作用，可按50年一遇水位设计，特殊的建筑物按100年一遇水位进行设计。当岩土工程勘察报告中未提供潜水的最高预测水位或提供的设防水位与实际可能有出入时，宜根据《建筑地基基础设计规范》（DB J15-31-2016）规定，一般地区可以取室外地坪标高作为设防水位。

该工程按抗浮不利位置轴线13～16/D～J相交范围计算，面积为1032.75m2。底板底标高为-2.15m，抗浮设计水位标高3.30m，抗浮设计水头为5.45m。依据《建筑地基基础设计规范》（DB J15-31-2016）第5.2.1条规定计算水浮力：

fk= 1.05×5.45×10 = 57.23kN/m2

2.2 结构自重

2.2.1 方法一（简化计算）

地下室顶板厚0.18m，自重为0.18×25 = 4.50kN/m2；

地下室顶板梁折算板厚（以8.1m×8.5m标准板跨计）：

自重为0.118×25 = 2.95kN/m2；

顶板顶棚砂浆粉刷层厚0.012m，自重为0.012×20 = 0.24kN/m2；

地下室底板地梁折算板厚(以8.1m×8.5m 标准板跨计)：

自重为0.055×25 = 1.375kN/m2;

柱折算板厚:0.5×0.5×(4.6 - 1.0)/(8.5×8.1)=0.013m;

自重为0.013×26 = 0.338kN/m2;

底板0.35m厚，自重为0.35×25 = 8.75kN/m2；

底板上200～500mm厚素混凝土浇筑层（1%找坡），按平均值（200+500）/2=350mm计算，自重为0.35×24 =8.40kN/m2；

顶板上广场层（950mm厚）自重包括：

人造草皮厚0.015m，忽略其自重；

压实砂夹石层自重为0.585m×18 = 10.53kN/m2；

C25素混凝土层自重为0.35m×24 = 8.40kN/m2；

两桩承台（尺寸2m×0.8m×1.5m）自重为

桩长19m的PHCΦ400×95预应力管桩自重为：

则结构自重为gk=4.50+2.95+0.24+1.375+0.338+8.75+8.40+10.53+8.40+0.67+0.75=46.903kN/m2；

2.2.2 方法二（详细计算）

根据建筑设计提供的结构自重竖向荷载标准值，计算求得D～J/13～16轴区域总的自重为35010kN，该区域面积为1032.75m2。

2.3 抗浮设计控制荷载计算

取上述两种方法结构自重之小值。

水浮力fk= 51.5kN/m2；

结构自重gk= 33.90kN/m2；

抗浮设计控制荷载为：51.5 - 33.9 = 17.6kN/m2。

2.4 抗浮锚杆的布置方式

2.4.1 点状布置

一般布置在柱下。可以充分利用上部结构传来的竖向力来平衡掉一部分水浮力；地下室底板下的外防水施工比较方便；但由于锚杆间距较大，单根锚杆要求的锚固力较高，地下水对底板产生的跨中弯矩较大，地下室底板中的梁板配筋也相应较大；一般适用于硬质基岩。

2.4.2 线状布置

一般布置于地下室底板梁下。其受力相比点状布置合理一些，与点状布置的优缺点基本相同。

2.4.3 均匀布置

在地下室底板下均匀布置，适用于所有岩土体；地下室底板和梁配筋较小，但由于锚杆布置相对分散，会对地下室底板下的外防水施工带来一定的影响。因该工程的地下室已施工完成，仅能在底板柱网间布置，因此采用均匀的方式布置抗浮锚杆。

2.5 抗浮计算

包括整体抗浮和局部抗浮，整体抗浮是指整个地下室需满足结构自重与地下水浮力的静力平衡；对于局部抗浮，需验算各板跨竖向荷载与其所受到浮力的平衡。在抗浮验算当中，一般按照安全系数法进行验算，即：

式中：

F——地下水对地下室的浮力标准值；

G——结构自身重量及上部永久荷载标准值之和；

K——抗浮安全系数。

除对地下室进行抗浮验算外，还应对地下室底板进行承载力验算。

3 抗浮锚杆的设计与单根锚杆抗拔承载力特征值的计算

对于抗浮锚杆的设计，可参考《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）及《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)、《岩土锚杆（索）技术规程》（CECS 22-2018）中相关锚杆部分的条文及构造做法和规定，并对锚杆锚固长度进行估算，对于锚杆抗拔承载力特征值应通过现场基本试验结果来确定，其主要目的是验证锚固体与地层的黏结强度特征值，并对其进行复核。

锚杆抗拔承载力特征值现场试验时一般为单根锚杆加载，未考虑锚杆间距影响。如果抗浮锚杆间距较密，需考虑群锚效应的影响，对其进行折减[1-5]。

抗浮锚杆的抗拔力应同时满足材料强度和水泥浆黏结强度的要求，根据多个工程设计施工经验，单根锚杆抗拔承载力特征值一般控制在300~350kN较为合适。锚杆成孔直径为150mm。依据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）第8.6.3条，单根锚杆抗拔承载力特征值Rt可按下式计算：

式中：

d1——锚杆孔直径，取0.15m；

l——锚杆的有效锚固长度；

f——水泥浆与土体间的黏结强度特征值，可根据岩土工程勘察报告并结合类似工程经验取值。

单根锚杆（锚杆总长25m，锚固段20m）抗拔承载力特征值Rt选取为300kN。锚杆正式大面积施工前，在现场选择有代表性的部位进行试验性抗浮锚杆施工，并进行抗拔力检验，以确定设计的参数选取是否合理，必要时需做相应的设计调整。

根据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2013），锚杆钢筋截面积应满足下式要求：

式中：

r0——工程重要性系数，取1.0；

Na——锚杆轴向拉力设计值，Na= 1.3Nak=1.3×300=390kN；

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，选用1860级钢绞线（因地下室已施工完成，选用预应力锚索便于锚杆安装施工），取1320000kPa。

则As≥r0Na/(ξ2fy)

= 390/(0.69×1320000)=0.0004282m2=428.2mm2

选用4×7Φ5钢绞线，As= 3×615.3 = 549.5mm2，满足设计要求。

3.1 抗浮锚杆根数计算

单跨底板设计控制荷载为1.3×8.5×8.1×17.6 =1575.3kN；单跨底板抗浮锚杆根数为1575.3÷300 = 5.25根（取6 根）；该地下室总共有46 跨需处理，锚杆总根数276根。

3.2 锚杆与底板的连接构造措施

由于锚杆钢绞线需穿过底板外防水，应有防水措施；注浆体中应加入适当的微膨胀剂，防止形成地下水的渗透通道；钢绞线的锚固及与底板的连接需满足现行相关规范的要求[6]。

4 预应力锚索施工

4.1 施工方法及技术措施

4.1.1 成孔

锚索成孔：钻机就位后，按设计角度和孔径钻至超过设计深度0.5m，遇淤泥层及砂层等易塌孔土层，跟管钻进施工。

4.1.2 锚索制作与安装

锚索自由段刷沥青船底漆两道、涂钙基润滑脂后裹塑料布两层，然后套波纹塑料管，套管两端200mm范围充填黄油，并用工程胶布将两端扎紧，使之与锚索注浆体分离。

4.1.3 清孔

连接注浆管，用注浆泵通过向孔内泵送大量的清水，将孔内的泥浆及沉渣冲出孔外，直至孔口返出清水。

4.1.4 注浆

锚索采用二次高压注浆工艺，注浆体强度等级为M30。第一次锚索注浆材料为水泥浆，水泥选用42.5R普通硅酸盐水泥，为提高浆体早期强度，在浆液中掺入水泥重量0.3‰的三乙醇胺作早强剂，注浆压力为0.4～0.6MPa。

一次注浆结束后3～5h，进行二次高压注浆，注浆压力为2.5～3MPa。

4.1.5 预应力锚索张拉锁定

待锚索锚固体达到100%设计强度（约20d）后方可进行张拉锁定。张拉设备采用YCJ-100穿心式液压千斤顶，施工前应进行测试标定后方可使用。张拉至设计荷载1.1倍后观察15min，稳定后卸荷，卸下工作锚具、夹片，安装锁定锚夹，重新张拉至锁定值。张拉结束后，用红油漆涂抹锁定锚夹与锚杆交接处，若发现油漆错裂较大，即需进行预应力补偿张拉。

4.2 质量控制

（1）在土质较差的土层中，施工中采用套管跟进护壁成孔。

（2）严格按设计的水泥浆配合比制备水泥浆，不能存在小团粒，且必须用筛网过滤以防堵塞浆泵。

（3）加强注浆设备的维修保养，专人负责，每次注浆完毕后，必须全部清洗检修一次，确保设备完好，保证施工顺利进行。

（4）锚索灌浆前，必须保证洗孔质量，孔内要流出清水方为合格，以免孔中泥浆过多影响水泥浆的强度。

4.3 预应力锚索检测

抗浮锚杆检测依据《建筑地基基础检测规范》（DB/T J15-60-2019）[7]进行，最大试验荷载不小于设计要求的抗拔承载力特征值的2.0 倍，抽检数量不少于锚杆总数的5%。对14根锚索进行检测，结果均达到了设计的抗拔承载力特征值，表明设计参数的选取合理且施工工艺满足设计及规范的要求。

5 地下室竖向位移监测

在抗浮锚杆施工期间及完成后的两年内对地下室进行了竖向位移监测，监测数据表明：锚杆施工期间，虽然锚孔有释放地下水和降低地下水位的作用，但并未完全消散地下水头，地下室仍有约1.5mm的上浮；锚杆全部张拉锁定并封堵锚头后，地下室停止了上浮，尤其是经历了台风造成的集中降雨，也未对地下室造成任何影响。监测数据表明，抗浮锚杆的作用是有效和安全的。

6 结束语

在已施工完成、出现上浮破坏的地下室中，增加抗浮锚杆，并施加适当的预应力，对地下室底板锚杆开孔周围做好防水处理及锚头防锈措施，使地下室底板的上浮得到了很好地控制。经过连续多年的监测资料反馈，抗浮锚杆施工完成后，地下结构不再有上浮，表明抗浮锚杆发挥了十分关键和作用。