某五星级酒店抗浮设计中岩石锚杆的应用

王 永

（贵州大学勘察设计研究院有限责任公司，贵州 贵阳 550025）

0 引言

近年来，因抗浮不足引起的结构质量和安全问题越来越多，轻则地梁、底板、外墙或柱根开裂渗水，如图1 所示，重则建筑物主要框架构件严重破坏、整体倾覆破坏，危及建筑安全，如图2 所示，已经越来越引起建设和设计单位的重视。蒋继宝[1]、王永[2]等人对岩溶地基抗浮及其力学性能进行了一些研究，提出了在岩溶地基中一些比较合理和可行的设计方法和处理措施。本文根据作者参与的一个实际工程，通过对水文地质分析，选定抗浮方案，采用规范推荐算法，并进行底板、锚杆、岩土整体有限元分析，验证规范算法的合理性，找出锚杆破坏薄弱点。通过施工完成后现场拉拔试验数据，进一步验证了设计方案合理、安全，对类似工程有一定的参考意义。

图1 底板开裂渗水

图2 框架节点破坏

1 项目概况

贵阳市某五星级酒店及办公楼综合体项目，位于贵阳市主城区，总建筑面积约10 万m2，由一栋高度64.4m 的14 层办公楼和一栋高度68.8m 的16 层酒店两个单体组成，其中地下4 层。本工程±0.000 相当于绝对标高1 288.90m，底板顶面标高-17.00m（相当于绝对标高1 271.90m）。地勘报告显示：拟建场地岩土主要由第四系覆盖层（杂填土、红粘土）及下伏基岩（三叠系大冶组二段（Td2）薄-厚层灰岩）组成。通过钻探岩芯及露头观察、鉴别，岩土特征自上而下分别为：杂填土、淤泥质粘土、红粘土、强风化灰岩、中风化灰岩，中风化灰岩单轴饱和抗压强度=38.4MPa，属较硬岩，基坑开挖到设计标高后，基岩基本出露。

场地下伏基岩属区域性可溶岩组，岩体中溶孔、晶洞及溶洞、溶蚀裂隙强烈发育，为地下水赋存提供了良好的空间条件。场地下伏基岩富水性强，属裂隙——溶洞含水层，且具有不均匀性特点。勘察期间对场地积水采用3 台5.5kw 的水泵进行排水也仅能保持积水平衡，由此可见场区地下水很丰富且补给迅速，建议按标高H=1283.40m 进行抗浮设计。设计抗浮水头11.5m（按至底板顶面计算）。

本项目地下室具有典型的埋深大、抗浮水头高的特点。抗浮设计是项目设计成败的关键节点，直接影响到投资成本、建设工期、使用安全等，故必须仔细分析、方案比选和综合研判，找到一条既安全又适用、可靠度高的抗浮设计方法。

2 方案选取

通常，工程上水压力采用抗、放或抗放结合等措施来解决。优先考虑“放”的措施，将水压力排除，具有成本低原理简明的特点，但其限制条件较多，必须弄清楚水压力产生的原因，是地表水为主，还是地下水为主。同时建筑物绝对标高须位于相对较高地势，才能通过排水通道将水向低处排出，或者在建筑物底板设置反滤层四周设置盲沟和降水井，当地下室水位升高时，进行人工排水。“抗”的方式主要有主体结构抗浮、配重抗浮、抗拔桩和岩石锚杆等。

主体结构抗浮法，是将水压力直接作用在底板上，根据计算确定地梁、底板配筋和断面，该方法简单、直观，常用于抗浮水头较小，上部结构荷载能够抵抗水浮力的情况。

配重抗浮法分为两种，第一种是在底板上增设一定厚度低标号混凝土或者直接加厚底板，第二种是在地下室顶板利用景观覆土增加结构配重，第一种方法直接抵抗，第二种方法增加上部结构荷载，本质上依然是主体结构抗浮。该法常用于抗浮水头较小，上部结构荷载不能抵抗水浮力的情况。

抗拔桩抗浮法通过抗拔桩与岩土的侧阻力，给主体结构提供向下的拉力，地梁底板设计考虑水压力，该法需控制抗拔桩间距，太大会增加底板厚度及配筋，过小会导致抗拔桩施工困难或间距不满足规范要求。该法常用于抗浮水头较大，上部结构荷载不能抵抗水浮力的情况，或者上部结构荷载能够抵抗水浮力但底板投资太大的情况。

岩石锚杆抗浮法，采用密布锚杆，抵抗水浮力，因锚杆间距小（2～3m），底板厚度相应可以降低，配筋基本为构造配筋，不再设置地梁。该法施工工期快，特别适用于抗浮水头大，岩石基本出露的情况。

综合以上方法的优缺点，经计算分析，并和建设单位沟通，本工程由于抗浮水头特别大，纯地下室范围上部结构荷载不足以抵抗水浮力（纯地下室范围面积较大），基坑开挖到位后岩石完全出露，故最终选用永久性岩石锚杆抗浮法进行抗浮设计。考虑到项目场地来水情况复杂，为提高主体结构抗浮安全系数，在建筑物四周设置盲沟和降水井，以防止短期地下室水位超过设计抗浮水位时，及时进行人工排水降压。

3 规范依据

《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2011）[3]第3.0.2-6条强制性规定：建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时，尚应进行抗浮验算。《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2011）第3.0.5—3 条强制性规定：计算挡土墙、地基或滑坡稳定以及基础抗浮稳定时，作用效应按承载能力极限状态下作用的基本组合，但其分项系数均为1.0。《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2011）第5.4.3-1 条规定：对于简单的浮力作用情况，基础抗浮稳定性应符合：

式中：Gk—建筑物自重及压重之和（KN）；

4 岩石锚杆设计

4.1 基本情况

底板厚度采用800mm，抗浮水头为11.5m+0.8m=12.3m，经分析，底板抗弯刚度大，能够和锚杆共同同步承担水浮力，设计锚杆时，扣除上部结构自重以及底板自重共计53KN/m2，锚杆抗浮设计实际按70KN/m2考虑，锚杆直径统一采用150mm，锚杆采用方形布置，水平和竖直间距统一按2.15m，如图3 所示，锚杆大样见图4。锚杆钢筋采用HRB400，规格3Ø28。

图3 锚杆布置平面示意图

图4 锚杆大样

考虑抗浮稳定安全系数后，单根锚杆抗拔承载力特征值不应低于1.05×2.15m2×70KN/m2=339.8KN。

4.2 锚杆与岩体粘结强度

由于构造规定[4]，岩石锚杆的锚固段长度不应小于3.0m，故锚固长度暂按3.0m 复核。

式中：Rt—锚杆竖向抗拔承载力特征值；

D—锚杆锚固段注浆体直径，D=150mm；

Rt=678.24KN＞339.8，满足要求。

4.3 锚杆杆体横截面积A

式中：A—抗拔锚杆钢筋横截面面积；

fy—钢筋抗拉强度设计值；

A ≥1 847mm2，实取3Ø28，满足要求。

4.4 钢筋与砂浆粘结强度

D-单根钢筋直径;

fb钢筋与锚固注浆体的粘结强度设计值，取1.68MPa;

5 有限元分析

为进一步验证设计计算结果的可靠性，采用ANSYS 软件建立有限元模型进行精细化分析，如图5 所示。ANSYS 软件是国际通用的大型有限元分析软件，广泛应用于机械、建筑等领域，实用性强，分析结果精准，行业认可度高，是复杂建筑结构设计的重要补充分析手段。

图5 有限元模型示意图

在满足计算精度要求的前提下，模型建立时做了一定的简化，忽略锚杆锚固段的相对滑移，采用Beam188 单元进行建模，同时适当简化防水板有限元边界，考虑到岩层深度及质量均大于建筑物自重，岩石深度也仅考虑有限范围的影响。由于时间效应对荷载作用不明显，采用静力分析模块进行加载分析。

构件竖向变形云图如图6所示，构件主应力云图如图7所示。

图6 构件竖向变形云图

图7 构件主应力云图

锚杆轴向应力云图如图8 所示。分析结果显示，水压力作用下，锚杆产生竖向变形，并带动相邻岩体产生竖向变形，锚杆轴力沿全长整体呈弹性变化，承载力满足设计要求。

图8 锚杆轴向应力云图

结果显示有限元分析方法在岩石锚杆设计中合理可靠，是对常规分析手段的重要补充，帮助工作人员精准找到应力集中和突变明显的部位，为后面针对性设计提供理论支持。

6 岩石锚杆检验

6.1 规范要求

（1）《建筑地基基础设计规范》（GB5007-2011）第10.2.14 条规定：岩石锚杆完成后，应进行抗拔承载力检验，检验数量不得少于锚杆总数的5%，且不得少于6 根。本工程锚杆总数约2 200 根，施工单位委托检测单位，采用JY-2 拉拔仪设备，现场实际检验了115 根，满足规范要求。

（2）《岩土锚杆技术规程》CECS 22：2005 第9.1.1 条规定：锚杆的最大试验荷载不宜超过锚杆杆体极限承载力的0.8 倍。

（3）《岩土锚杆技术规程》CECS 22：2005 第9.4.2 条规定：永久性锚杆的最大试验荷载应取锚杆轴向拉力设计值的1.5倍。

6.2 试验要点

（1）试验分五级进行分级加载，分别取锚杆轴线拉力设计值的0.50、0.75、1.00、1.33、1.50 倍。

（2）每级荷载加载完毕后，立即测读位移量。以后每间隔5min 测读一次，连续4 次测读出的锚杆拔伸值均小于0.01min时，认为在该级荷载下的位移已经达到稳定状态，可继续施加下一级上拔荷载。

（3）当出现下列情况之一时，即可终止锚杆的上拔试验：a 锚杆拔伸值持续增长，且在1h 内未出现稳定的迹象；b 新增加的上拔力无法施加，或者施加后无法使上拔力保持稳定。c锚杆的钢筋已被拔断，或者锚杆锚筋被拔出。

（4）符合上述第（3）条终止条件的前一级上拔荷载，即为锚杆的极限抗拔力。

（5）将锚杆的极限承载力除以安全系数2，即为锚杆抗拔承载力特征值。

（6）锚杆钻孔时，应利用钻孔取出的岩芯加工成标准试件，进行岩石单轴抗压试验。

6.3 试验结果

按照规范要求和试验要点，逐一对受检的115 根锚杆进行了拉拔检验试验，试验结果均满足规范和设计要求，且在1.5 倍锚杆拉力设计值作用下，均没有出现终止试验的条件。检验部分结果见表1。

表1 锚杆抗拔检测结果（局部）

7 结论与建议

（1）岩石锚杆在高抗浮水头作用下，抗力表现优异，具有施工简便、快速，造价低等优点，特别适用于岩溶发育、岩体埋藏较浅的地区。

（2）当抗浮水头小于5m 时，可完全采用“抗”的方式进行抗浮设计；抗浮水头大于5m 时，应综合采用“抗”“放”结合的方式进行抗浮设计；谨慎采取完全“放”的抗浮设计方法。

（3）当采用岩石锚杆进行抗浮设计时，底板厚度建议不小于400mm，以保证锚杆锚筋在底板内可靠锚固，防止锚杆和底板接触范围冲切开裂。

（4）当将上部结构自重作为有利荷载部分抵消抗浮水头时，应注意底板抗弯刚度是否足够保证底板和锚杆能够共同同步承担水压力，应采取增设地梁降低底板跨度或加大底板厚（不小于600mm）等措施，提高底板的抗弯刚度。

（5）当上部结构自重远大于水压力（如塔楼范围）、且底板厚度不小于600mm 时，可以考虑底板本身承担水压力能力，锚杆间距可根据计算放大1.1～1.3 倍。达到充分利用底板自身的承载力、降低抗浮造价费用的目的。

（6）设计应采用锚杆+底板的整体模型进行有限元分析，充分考虑底板变形对锚杆实际内力的影响。防止因个别锚杆承载力不足发生破坏后，对周围锚杆逐个击破。

（7）有条件时，抗浮设计还应同时考虑通过调整上部结构局部刚度等措施进行设计。