抗浮錨桿設計及施工探討

一、引言及工程概況
　　“府河?路苑”工程聚住宅、商業用房、幼兒園于一體，其中9號樓周邊為二層地下室，總面積3287?，主體面積1086?，周邊需進行抗浮錨桿設計地下室面積約2200?。±0. 00 為絕對海拔高度508.63m ,抗浮地下水位為絕對海拔高度506.63 m ,基坑計算深度為10. 0m。由于基礎為獨基＋抗水板, 結構專業在確定抗浮方案時，經常選擇抗浮錨桿做為抵消地下水浮力的方案，而不是抗浮樁方案，因為選擇抗浮錨桿方案造價相對便宜，施工也方便。因此采用抗浮錨桿進行抗浮設計是最為合適的。根據工程地質勘察報告提供的斷層剖面,與地下室抗浮設計有關的土層及相關指標如下:
　　③稍密卵石層:土層與錨桿的摩阻力qsk =90 kPa , ④中密卵石層: qsk = 110 kPa ,⑤密實卵石層: qsk = 130 kPa。
　　二、設計理論
　　1.浮力的計算
　　理論上以基底的孔隙水壓力作為抗浮水位標高是科學的,因為基底的孔隙水壓力與水位高低有關,還與水在土體中的連通與滲透條件有關;而且真正處于靜止狀態的地下水是很少的,水在土體中多表現為流動狀態。但是為了簡化計算,還是采用長期穩定水位或實測穩定最高水位進行抗浮設計,浮力還是按照靜力計算,計算如式(1) 所示:
　　F浮= PA =ρg hA(1)
　　式中:ρ為水密度; g 為重力加速度; h 為計算深度,即地下水位到基底的高度; A 為基底面積。
　　2.單錨極限承載力及錨桿根數確定
　　(1) 單根錨桿抗拔極限承載力標準值Uk
　　Uk = Σλiqsik ui l i(2)
　　式中:λi 為摩阻力折減系數; qsik 為第i 土層與錨桿的摩阻力; ui 為錨桿橫截面周長; li 為錨桿進入第i 土層的深度。
　　(2) 錨桿自身抗拉強度極限值Uq
　　錨桿采用二次注漿工藝,近似認為水泥漿和鋼筋結合為一個整體,且以鋼筋的屈服作為整個材料的破壞標準。因此錨桿自身抗拉強度極限值為:
　　Uq = f yA s (3)
　　式中: f y 為鋼筋抗拉強度; As 為錨桿的橫截面積。
　　(3) 確定單根錨桿抗拔承載力設計值N
　　N = min (Uk /γk ,γqUq) (4)
　　式中:γk 為抗力分項系數;γq 為永久性錨筋抗拉工作條件系數。
　　(4) 確定錨桿數量n
　　nN +γg S g ≥ F浮 (5)
　　式中: n 為錨桿根數; S g 為上部結構自重;γg 為荷載分項系數,當對結構有利時取0. 9 。
　　三、設計與計算
　　1.抗浮設計
　　兩層地下室，水頭高度7.8 m，地下室部分結構主體自重52 kN/m2，錨桿間距2 m x 2m。則水浮力標準值為9.8 ×7.4－52=24.44 kN/m2，設計值為1.2 × 9.8 ×7.8－52=39.7 kN/m2 (水位常年變化幅度不大)。錨桿錨同土(巖)層為強風化泥巖層。
　　 (1) 錨桿數量確定
　　根據建設單位提供的各柱抗浮自重與浮力,對于豎向抗浮自重小于浮力的柱及其基礎,采用抗浮錨桿進行設計。采用的錨桿成孔直徑150 mm ,鋼筋采用HRB335 ,直徑為22 mm ,暫定長度為6.3m ,錨固長度la ≥34 d = 34 ×32 = 1088 mm ,取la = 1. 2 m ,則錨桿計算長度為6.3 - 1. 2 - 0. 1 = 5 m。本文按地勘資料(最不利情況) 進行設計,錨桿進入土層深度如表1 。
　　表1 錨桿進入土層深度
　　土層 進入土層深度m
　　稍密卵石層 1.3(除去無效長度0.5，取0.8)
　　中密卵石層 3.5
　　密實卵石層 10
　　由式(2) 得單根錨桿抗拔極限承載力標準值:
　　Uk = Σλiqsik ui l i = πd Σqsik l i= 0. 15 ×π×(90×0.8 + 110×3.5 +130×0.7)= 0. 471 ×548 = 258 kN
　　由式(3) 得錨桿自身抗拉強度極限值:
　　Uq = f yA s = 300×(π/ 4) ×222×3 /1000= 342 kN
　　由式(4) 得到單根錨桿抗拔承載力設計值:
　　N = min (Uk /γk ,γqUq)= min (252/ 1.43 , 0. 69 ×342) = 180 kN
　　所以錨桿根數
　　n =（F浮－γg S g）/N=39.7×22000/180=489根
　　(2)錨固長度及配筋計算
　　《巖土錨桿(索)技術規程》CECS22：2005
　　La>(kNt)/(πφDfmg) (7.5.1-1)
　　式中：K=2.2，Nt=180KN，D=150mm，fmg=200kpa，φ=1.3
　　則La>（2.2×180）/（π×0.15×200×1.3）=3.2m
　　La>(kNt)/(nπφdξDfms)（7.5.1-2）
　　式中：K=2.2，d=22mm，ξ=0.75，fms=2000kpa，φ=1.3
　　La>(2.2×234)/(3×π×0.022×0.75×2000×1.3)=1.3m
　　La> max（3.2,1.3）=3.2m滿足實際長度
　　As?（KtNt）/fyk（7.4.1）
　　式中：Kt=1.6，Nt=180KN，fyk=335kpa
　　As?（180×1000×1.6）/335=860?2 ＜1140 滿足實際配筋
　　四、施工要求
　　(1) 錨桿桿體采用直徑22 mm 的二級鋼并進行防腐處理(除銹、刷瀝青船底漆) ;定位器采用Φ6. 5鋼筋焊接制作,定位器間距不宜大于2000 mm。
　　(2) 注漿材料為P. O42. 5R 普通硅酸鹽水泥,水灰比為0. 4～0. 5 ,28 d 無側限抗壓強度不得小于30MPa 。二次注漿采用高壓,注漿壓力為2. 0 MPa ,注漿管應隨鋼筋一同放入錨孔,其頭部距孔底30 cm ,水泥用量不得少于80 kg/ m。
　　(3) 錨桿試驗與檢測:錨桿施工前,進行3 根錨桿的工藝檢測及抗拔試驗,其最大試驗抗拔力為340kN 。錨桿施工結束后,應進行抗拔力試驗檢測,檢測數量不宜少于錨桿總數的6 % ,且不宜少于6 根。
　　五、結論
　　(1) 施工前后對錨桿進行試驗與檢測,最大抗拔力均超過340kN ,證明采用的假設條件及設計計算方法是可行的,為類似的工程設計提供了參考經驗。而且由于抗浮錨桿造價低廉、施工方便,可以廣泛地應用于地下工程的抗浮設計。
　　 (2) 采用錨桿進行抗浮，其方法較簡單，經濟性較高，但沒有專門的計算規范和公式。建議有關部門抓緊制定抗浮錨桿設計及施工的規范，以指導目前越來越廣泛的抗浮錨桿的設計、施工及檢測。