地下室底板抗浮錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計

馬竹青

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計院,濟(jì)南 250022)

近年來由于地下空間的大規(guī)模開發(fā),帶地下室的裙房及單建式的地下室等建筑越來越多,深度也逐漸加深。由于其上部層數(shù)少,結(jié)構(gòu)自重往往不足以抵抗地下水產(chǎn)生的浮力,基礎(chǔ)必須采取一定的抗浮措施。當(dāng)結(jié)構(gòu)自重與浮力相差不大時,可采用增加地下室底板、頂板配重的辦法(如采用鋼渣混凝土或在頂板上增加覆土)；如果二者相差較大,則需要采取設(shè)置抗拔樁或抗浮錨桿等措施。關(guān)于抗拔樁,《建筑樁基設(shè)計規(guī)范》(JGJ194—2008)有明確的規(guī)定?？紤]到工期及經(jīng)濟(jì)因素,建設(shè)方往往更傾向于采用抗浮錨桿，但抗浮錨桿目前還沒有較完整的設(shè)計規(guī)范。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007—2002)(以下簡稱《地基基礎(chǔ)規(guī)范》)中“巖石錨桿基礎(chǔ)”部分第8.6節(jié),可以驗算錨桿的抗拔力,但缺少錨桿部分的規(guī)定,只能參照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2002)(以下簡稱《邊坡規(guī)范》)及《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》 (CECS 22：2005)(以下簡稱《錨桿規(guī)程》)相應(yīng)的條文執(zhí)行。特別是對于防水問題,更缺少相應(yīng)的規(guī)范及圖集可以采用。現(xiàn)將青島站地下室抗浮錨桿代替抗拔樁的設(shè)計過程進(jìn)行總結(jié),希望能給類似工程以參考。

1 問題的提出

青島客站改造工程新建站房分為東、西、南3個區(qū),南區(qū)南側(cè)地上2層、地下2層,采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),鋼筋混凝土筏基。南區(qū)北側(cè)地下候車室部分僅為1層地下室。采用2跨連續(xù)槽形箱梁,跨度分別為39.7 m及11.7 m,鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ),構(gòu)造剛性底板?！?.00相當(dāng)于絕對高程7.61 m,室內(nèi)外高差-0.15～-1.50 m?；茁裆?16.9 m,局部-17.00～-18.00 m?；壮至哟蟛糠譃橹酗L(fēng)化或微風(fēng)化花崗巖。地下水類型為第四系壤中潛水和基巖裂隙潛水,地下水主要受大氣降水的補給,第四系壤中潛水還受排污管道內(nèi)水入滲的影響。雨季地下水埋深約在自然地坪下1 m,為最高地下水位。地下水對混凝土無腐蝕性。

地下室為抗浮,初設(shè)采用抗拔樁,樁徑800 mm,共1 018棵。若按抗拔樁方案施工,工程量大、工期長、且基底持力層為強風(fēng)化或中風(fēng)化花崗巖,施工難度大。從2007年初開始動工,預(yù)計總工期將達(dá)5個月。由于青島客站工期極為緊張,為保證2008年奧運會前順利開通,經(jīng)過聘請當(dāng)?shù)刭Y深專家對基底巖性及抗浮水位出具專題報告,建設(shè)各方通過反復(fù)研究論證,最終決定將基礎(chǔ)抗拔樁優(yōu)化為抗浮錨桿。

變更后,共設(shè)抗浮錨桿4 011棵。施工單位共投入高風(fēng)壓鉆機(jī)4臺,成孔133棵/d,總施工工期約1個月。較抗拔樁方案工期提前4個月,總造價節(jié)約103萬元,取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

2 抗浮錨桿布置原則

為了避免出現(xiàn)群錨效應(yīng),同時由于抗浮錨桿需穿透地下室地板下的防水層錨入底板內(nèi),形成一個個防水薄弱點,有可能給建筑防水留下隱患,所以錨桿的間距D不能太小?！兜鼗A(chǔ)規(guī)范》圖8.6.1規(guī)定了錨桿間距的最小要求,即錨桿的中心距離≥6d1,d1為錨桿孔直徑?！跺^桿規(guī)程 》第7.7.2條錨桿的間距除必須滿足錨桿的受力要求外,尚宜大于1.5 m,當(dāng)所采用的間距更小時,應(yīng)將錨桿段錯開布置。另外為了使應(yīng)力分布均勻,綜合考慮錨桿鋼筋的抗拔能力,間距也不宜太大。在具體工程中可以根據(jù)結(jié)構(gòu)布置及地質(zhì)情況綜合考慮。圖1為青島站地下候車室錨桿剖面布置,圖2為青島站地下候車室錨桿布置,其中D根據(jù)不同受力部位取值為1.2～1.9 m。

注：中風(fēng)化l=3.5 m，微風(fēng)化l=2.8 m

圖2 錨桿平面布置

3 抗浮錨桿設(shè)計

3.1 單根錨桿抗拔承載力特征值估算

《地基基礎(chǔ)規(guī)范》第6.7.6條：巖石錨固段的抗拔承載力特征值,對于永久性錨桿的初步設(shè)計或?qū)τ谂R時性錨桿的施工設(shè)計階段,按下式計算

Rt=ξfurhr

式中f——砂漿與巖石間的粘結(jié)強度特征值，MPa,由試驗確定,當(dāng)缺乏試驗資料時,可按表1選用；

ur——錨桿周長；

hr——錨桿錨固段嵌入巖層中的有效錨固長度,按地區(qū)經(jīng)驗確定；

ξ——經(jīng)驗系數(shù),對于永久性錨桿取0.8。

表1 砂漿與巖石間的粘結(jié)強度特征值 MPa

注：本表取自《地基基礎(chǔ)規(guī)范》表6.7.6。

《地基基礎(chǔ)規(guī)范》第8.6.3條規(guī)定：對設(shè)計等級為甲級的建筑物,單根錨桿抗拔承載力特征值Rt應(yīng)通過現(xiàn)場試驗確定；對于其他建筑物可按下式計算

Rt≤0.8πd1lf

式中，l為錨桿的有效錨固長度；其他符號同前。

比較以上兩式,可以看出兩個公式是一致的。

錨桿孔直徑經(jīng)驗值一般在200 mm以內(nèi),本工程初步設(shè)定錨桿孔徑150 mm，錨固長度l暫取3.2 m。根據(jù)《地基基礎(chǔ)規(guī)范》第8.6.1條的構(gòu)造要求,錨桿鋼筋采用HRB400級鋼(fy=360 MPa,fyk=400 MPa)。水泥砂漿強度等級M30,砂漿與巖石間的粘結(jié)強度特征值f按較軟巖取0.30 MPa,估算出單根錨桿抗拔承載力特征值Rt為362 kN。

必須注意的是,此處的抗拔承載力特征值只是估算值,可以據(jù)此值按規(guī)范要求進(jìn)行現(xiàn)場試驗,確定是否能達(dá)到設(shè)計要求。本工程經(jīng)檢測單根錨桿的抗拔力均滿足試算結(jié)果要求。

3.2 錨桿鋼筋截面面積計算

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》規(guī)定抗拔樁要驗算樁的裂縫,樁的鋼筋往往由裂縫來控制,即樁的實配鋼筋一般比按抗拉強度計算的要大?？垢″^桿作為抗拔構(gòu)件,確定錨桿鋼筋按理也應(yīng)該參照抗拔樁滿足錨桿體抗裂的要求。對于抗拔錨桿的鋼筋截面計算,《地基基礎(chǔ)規(guī)范》沒有明文規(guī)定,《邊坡規(guī)范》引進(jìn)了抗拉工作條件系數(shù),《錨桿規(guī)范》引進(jìn)了抗拉安全系數(shù),二者形式不同,但都相當(dāng)于對鋼筋取1.6倍的抗拉安全系數(shù),筆者認(rèn)為可以據(jù)此進(jìn)行鋼筋截面計算,并取大者作為計算結(jié)果。

3.2.1 根據(jù)《邊坡規(guī)范 》7.2.2條

As≥γ0Na/ξ2fy

Na=γQNak

式中γ0——邊坡工程重要性系數(shù)；本工程取1.1。

Na——錨桿軸向拉力設(shè)計值；

γQ——荷載分項系數(shù),可取1.30；

Nak——錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值；

ξ2——錨筋抗拉工作條件系數(shù),永久性錨桿取0.69；

fy——錨筋抗拉強度設(shè)計值，MPa。

根據(jù)上式計算得出As≥2 084 mm2。

3.2.2 根據(jù)《錨桿規(guī)程 》7.4.1條

As≥KtNt/fyk

式中Kt——錨筋桿體的抗拉安全系數(shù),永久性錨桿取1.60；

Nt——錨筋的軸向拉力設(shè)計值；

fyk——鋼筋的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa。

結(jié)構(gòu)安全等級同樣取一級,則As≥2 071 mm2。

可見兩本規(guī)范計算結(jié)果基本一致。錨桿鋼筋選用3φ32 mm,As=2 418 mm2。

錨桿鋼筋換算直徑69 mm,經(jīng)檢驗之前假定的錨桿孔直徑150 mm可以符合《地基基礎(chǔ)規(guī)范》8.6.1條的要求。

3.3 錨桿錨固體入巖長度

除要驗算錨桿錨固體與地層的錨固及錨桿鋼筋與錨固砂漿間的錨固長度外,還要滿足構(gòu)造要求。下面僅列以《邊坡規(guī)范》計算的上述兩部分計算內(nèi)容,《錨桿規(guī)程》可以按式7.5.1-1及7.5.1-2計算。因本工程的計算結(jié)果基本接近,按《錨桿規(guī)程》計算過程略。

3.3.1錨桿錨固體與地層的錨固長度la

la>Nak/ξ1πDfrb(《邊坡規(guī)范 》第7.2.3條)

式中ξ1——錨固體與地層粘結(jié)工作條件系數(shù),永久性錨桿取1.00；

D——錨固體直徑(即圖1中錨桿孔直徑d1)，m；

frb——地層與錨固體粘結(jié)強度特征值，kPa,應(yīng)通過試驗確定,當(dāng)無試驗資料時可按表2取值。

表2 地層與錨固體粘結(jié)強度特征值

注：本表取自《邊坡規(guī)范》7.2.3條。

按frb取值450 kPa計算,la>1.71 m。

3.3.2 錨桿鋼筋與錨固砂漿間的錨固長度

la≥γ0Na/ξ3nπdfb(《邊坡規(guī)范 》7.2.4條)

式中l(wèi)a——錨桿鋼筋與砂漿間的錨固長度，m；

d——錨桿鋼筋直徑，m；

n——鋼筋根數(shù)，根；

γ0——邊坡工程重要性系數(shù)；

ξ3——鋼筋與砂漿粘結(jié)強度工作條件系數(shù),對永久性錨桿取0.6；

fb——鋼筋與錨固砂漿間的粘結(jié)強度設(shè)計值，kPa,應(yīng)由試驗確定,當(dāng)缺乏試驗資料時可按表3取值。

表3 鋼筋與錨固砂漿間的粘結(jié)強度設(shè)計值 kPa

注：1.本表取自《邊坡規(guī)范》7.2.4條；2.當(dāng)采用2根鋼筋點焊成束的作法時,粘結(jié)強度應(yīng)乘0.85折減系數(shù)；3.當(dāng)采用3根鋼筋點焊成束的作法時,粘結(jié)強度應(yīng)乘0.7折減系數(shù)；4.成束鋼筋的根數(shù)不應(yīng)超過3根,鋼筋截面總面積不應(yīng)超過錨孔面積的20%。當(dāng)錨固段和注漿材料采取特殊設(shè)計,并經(jīng)試驗驗證錨固效果良好時,可適當(dāng)增加錨桿鋼筋用量。

經(jīng)計算，la≥1.70 m。

3.3.3 構(gòu)造要求

《地基基礎(chǔ)規(guī)范》僅規(guī)定了錨固長度的最小值(如圖8.6.1示l>40d,d為錨桿直徑)?！哆吰乱?guī)范》及《錨桿規(guī)程》規(guī)定錨桿錨固段長度需要針對錨桿錨固體與地層的錨固長度以及錨桿鋼筋與錨固砂漿間的錨固長度兩方面進(jìn)行計算,取其中大值,并以構(gòu)造要求規(guī)定了錨固段設(shè)計長度的上下限值,僅數(shù)值略有區(qū)別?！哆吰乱?guī)范》7.4.1.2條規(guī)定巖石錨桿的錨固段長度不應(yīng)小于3 m,且不宜大于45D和6.5 m；《錨桿規(guī)程》7.5.3條規(guī)定：巖石錨桿的錨固長度宜采用3～8 m。其原因是當(dāng)錨桿錨固長度超過一定值后,錨桿抗拔力的提高極為有限,甚至可以忽略不計。反之,錨固段長度設(shè)計過短時,由于實際施工期錨固區(qū)地層局部強度可能降低,或巖體中存在不利組合結(jié)構(gòu)面時,錨固段被拔出的危險性增加,故規(guī)定了最小長度。具體設(shè)計時可根據(jù)工程實際情況酌情選用。例如采用爆破開挖的基坑,基巖面往往破裂且不平整,一般錨桿長度要適當(dāng)增加。

本工程錨桿體入巖長度l根據(jù)以上要求綜合考慮,入中風(fēng)化巖層：l=3.5 m,入微風(fēng)化巖層：l=2.8 m。

3.4 抗浮錨桿的間距

上述計算過程完成后,A≤Nak/(F浮-F抗),A為每根錨桿所承擔(dān)的抗浮面積。再根據(jù)錨桿的布置情況,求出抗浮錨桿的間距。如果錨桿間距不理想,可以調(diào)整錨桿抗拔承載力特征值,重新驗算,直到滿足要求為止。

3.5 錨桿和底板間的沖切問題

如果錨桿的抗拔承載力較大,而底板較薄,還要進(jìn)行錨桿和底板間的抗沖切驗算,這里不再贅述。

4 防水措施

結(jié)構(gòu)防水是地下室防水設(shè)計的重點。由于錨桿鋼筋會穿過底板外防水,錨桿鋼筋應(yīng)有防水措施。但對于抗浮錨桿,目前尚沒有比較明確的規(guī)定及統(tǒng)一的做法。根據(jù)防水設(shè)計原則,借鑒了樁基防水構(gòu)造作法并參照當(dāng)?shù)氐墓こ探?jīng)驗,采取以下措施：在墊層上打眼,作12 mm厚的聚合物防水砂漿,在錨桿根部涂一層水泥基滲透結(jié)晶型防水材料作為附加防水層；外包4 mm厚自粘式防水卷材。3根鋼筋呈喇叭口狀錨入底板內(nèi),在錨桿上部灌瀝青型灌漿料。用該方法施工防水效果還不錯。文獻(xiàn)[6]詳細(xì)介紹了錨桿的防水做法,可供參考。

5 錨桿防腐

首先在地質(zhì)勘察報告中應(yīng)對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性作評

價,如地下水對鋼筋有腐蝕必須對錨桿采取相應(yīng)的防腐措施?！哆吰乱?guī)范》7.4.5條規(guī)定了永久性錨桿的防腐蝕處理要求,其中對位于無腐蝕性巖土層內(nèi)的錨固段應(yīng)除銹,砂漿保護(hù)層厚度應(yīng)不小于25 mm;這與《地基基礎(chǔ)規(guī)范》8.6.1.1條錨桿孔直徑,宜取錨桿直徑的3倍,但不應(yīng)小于1倍錨桿直徑加50 mm的規(guī)定一致?！跺^桿規(guī)程》第6章對防腐規(guī)定的更具體,其中對處于非腐蝕環(huán)境的永久性錨桿錨固段,水泥砂漿保護(hù)層厚度不應(yīng)小于20 mm。

6 規(guī)范選用建議

由于抗浮錨桿無專門的規(guī)范條文,筆者建議可以利用《地基基礎(chǔ)規(guī)范》中的“巖石錨桿基礎(chǔ)”部分對單根錨桿抗拔承載力特征值進(jìn)行估算,驗算錨桿鋼筋、錨桿錨固長度及抗腐蝕措施、材料、防腐及施工檢驗要求等可參照《邊坡規(guī)范》及《錨桿規(guī)程》兩本規(guī)范,設(shè)計者可根據(jù)工程具體情況合理選用。

7 結(jié)語

用抗浮錨桿來解決建筑物或構(gòu)筑物抗浮問題,因其具有造價低、施工方便等優(yōu)點,已越來越多地應(yīng)用于實際工程中。但抗浮錨桿畢竟是近幾年的新工藝,特別是其防水、耐久性目前國家還沒有制定系統(tǒng)、全面的規(guī)范以及相應(yīng)的國標(biāo)圖集。要確?？垢″^桿的安全,除要求施工單位有較高的技術(shù)素質(zhì),嚴(yán)格按各工序要求進(jìn)行施工外,還需要設(shè)計、建設(shè)、監(jiān)理三方共同努力,另外借鑒當(dāng)?shù)氐某晒?jīng)驗也是十分必要的。

[1]GB50007—2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[2]GB50330—2002，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].

[3]CECS 22：2005，巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程[S].

[4]JGJ94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[5]GB50108—2008，地下工程防水技術(shù)規(guī)范[S].

[6]姜明強.抗浮錨桿防水設(shè)計探討[J].建筑科技與經(jīng)濟(jì)，2009(1).