多层地下建筑的抗拔锚杆设计探究

多层地下建筑的抗拔锚杆设计探究

王宗凯

上海市建工设计研究总院有限公司

摘要：本文主要以青岛国际院士产业核心区项目为研究对象，探讨在沿海高水位地区六层地下室的抗浮设计思路及主要措施。根据项目情况，在设计过程中对抗浮方案进行比选，采用了岩石锚杆作为基础的主要抗浮受力构件。最后，对多层地下室抗浮设计可能存在的问题及解决方法进行总结。

关键词：高水位地区；六层地下室；抗浮设计；岩石锚杆

引言

随着社会经济的高速发展，人们出行越来越依赖于汽车，我国机动车保有量逐年上升。在给民众出行带来便利的同时，停车难的问题逐渐摆在城市管理者的面前。由于对停车位的需求，建筑在向高度发展的同时，也越来越注意向更深发展；地下室层数三~四层已屡见不鲜，更多地下层数的建筑也层出不穷。在多层地下室为单位土地面积提高使用效率的同时，埋深较深、水头较大导致抗浮设计成为结构设计重点关注的内容，不同的方案也对项目建设成本产生很大的影响。本文以青岛国际院士产业核心区项目地下室底板抗浮设计为例，对岩石锚杆在抗浮设计中的应用进行了分析和比较。

1.工程概况

本项目位于山东青岛李沧区，包含两个地块，共四个功能区。其中研发展示区包括3栋19~24层的高层办公楼，办公楼的结构体系为框架-剪力墙结构，地下部分为平面呈近似正方形的6层地下室，地下室剖面示意见下图，主要建筑功能为停车、仓储。

图1本项目地下室剖面示意

该地块±0.000相当于绝对标高41.300m，室内外高差0.3m，主楼以外区域的地下室顶板覆土厚度为1.8m，地下各层层高均为4m，地下1~地下5层面层厚度100mm，地下6层面层厚度600mm，也即地下室底板的板面结构标高为-26.700m（绝对标高14.600m）。其中地下室各层自重计算时等效厚度250mm，基础底板厚度1m，基础底标高-27.700m（绝对标高13.600m）。

根据地勘报告，拟建场地地貌类型较简单，地层结构清晰，勘察期间，拟建场地未发现大的全新世活动性断裂及新构造运动迹象，基底地质构造背景稳定，也无影响场地稳定性的其他不良地质作用。基础底板厚度为1m，基底绝对标高13.600m，主要为第（18）层微风化花岗岩、第（17）5层块状碎裂岩带、第（18）1层微风化煌斑岩脉、第（18）3层微风化花岗斑岩脉和第（18）4层微风化闪长玢岩脉。场区抗浮水位标高自北向南可按37.5~34.5米，中间地段按内插法计算，每米水头浮托力按10kPa考虑。

2.抗浮方法选择

工程实践中经常采用的抗浮方法有自重平衡法、抗拔桩法、抗浮锚杆法等。结合本工程地下室埋深较大、抗浮水位较高、基底岩体较完整的特点，可知自重平衡法低效且成本高昂，抗拔桩施工条件不具备，故抗浮锚杆法是应优先选择的方案。

抗浮锚杆有底板下均匀布置和柱下集中布置两种常用方式。均匀布置方式下底板受力均匀，配筋较小，但如果不考虑柱底传来的有利荷载，会有一定的浪费；柱下集中布置方式合力计算准确，锚杆利用效率较高，但会造成底板跨度较大，配筋较大。

对于本工程而言，由于项目底板面积很大，若不考虑柱底有利荷载，实际造成的浪费非常严重，综合考虑两种方法的优缺点后，最终采用底板下均匀布置并考虑柱底内力有利作用的方法，实际锚杆布置情况如图2所示。

图2抗浮锚杆均匀布置

3.结构基本计算

鉴于本工程抗浮水位较高，基坑开挖深度较大，工程设计中统一采用地勘报告中的高水位（37.500m）作为抗浮水头进行设计计算。根据地勘报告建议及工程情况，拟采用岩石抗拔锚杆抵抗水浮力，由前述已知底板底的绝对标高为13.600m，则抗浮水头为37.500-13.600=23.900m。拟要求井点降水的停止时间为地下室顶板覆土完毕，结构各层自重合计为（0.25*6+1）*25=62.5kPa，考虑锚杆的布置方式采用正方形网点布置，锚杆间距离1.5m，则单根锚杆需承担的水浮力为（1.05*23.9*10-62.5）*1.52=424kN。取单根锚杆抗拔承载力设计值为500kN。

由于基底岩层分为完整基岩和碎裂岩带两类，分别对锚杆所需的规格及锚固长度验算如下，主要设计依据为《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011和《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》GB50086-2015。

当锚杆锚固在块状碎裂岩即（17）5土层中时

（1）锚杆规格

锚杆直径采用200mm，锚杆钢筋采用4根HRB500级，直径为32mm的钢筋，抗拉标准值采用500kN，锚杆灌浆体抗压强度30MPa。

（2）承载力及锚固段长度计算

a.承载力验算

根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》4.6.6有

永久性锚杆Nd=1.35γwNk（4.6.6-1）

即Nd=1.35x1.1x500=742.5kN

根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》4.6.8有

Nd≤fy•AS（4.6.8-2）

代入有742.5kN≤435x3.14x16x16x4=1398.8kN

可知承载力满足要求

b.锚固长度验算

根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》4.6.10-1有

式中fmg根据地勘报告取0.4MPa

代入有742500≤0.4x3.14x200xLax1.0/2.0

可得La≥5.91m

根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》4.6.10-2有

代入有742500≤0.9x4x3.14x32xLax0.7

可得La≥2.93m

根据《建筑地基基础设计规范》8.6.3有

代入有500000≤0.8x3.14x200xLx0.2

可得L≥4.98m

根据《建筑地基基础设计规范》8.6.1有

La≥4.98+0.05=5.03m

且La≥40d+50=40x32*2+50=2.61m

综上所述锚固长度应大于6.0m。

当锚杆锚固在微风化花岗岩即（18）土层中时

（1）锚杆规格

锚杆直径采用200mm，锚杆钢筋采用4根HRB500级，直径为32mm的钢筋，抗拉标准值采用500kN，锚杆灌浆体抗压强度30MPa。

（2）承载力及锚固段长度计算

a.承载力验算

根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》4.6.6有

永久性锚杆Nd=1.35γwNk（4.6.6-1）

即Nd=1.35x1.1x500=742.5kN

根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》4.6.8有

Nd≤fy•AS（4.6.8-2）

代入有742.5kN≤435x3.14x16x16x4=1398.8kN

可知承载力满足要求

b.锚固长度验算

根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》4.6.10-1有

式中fmg根据地勘报告取1.2MPa

代入有742500≤1.2x3.14x200xLax1.0/2.0

可得La≥1.97m

根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》4.6.10-2有

代入有742500≤0.9x4x3.14x32xLax0.7

可得La≥2.93m

根据《建筑地基基础设计规范》8.6.3有

代入有500000≤0.8x3.14x200xLx0.6

可得L≥1.66m

根据《建筑地基基础设计规范》8.6.1有

La≥1.66+0.05=1.71m

且La≥40d+50=40x32*2+50=2.61m

综上所述锚固长度应大于3.0m。

考虑到作为支座的框架柱间距较大，基础底板采取柱下局部加厚的做法，一般为使地下室完成面平整，常规做法是采用混凝土下柱墩。但具体到本项目，由于基底所在岩层为微风化岩，施工下柱墩非常不便，综合考虑后采用底板底平，柱墩上翻的做法。将结构布置建模计算（采用YJK1.9计算软件）后，底板计算结果大部分为构造钢筋，局压、抗冲切验算结果均符合规范要求。

4.防水构造措施

设计过程中，除了要进行精确严谨的计算以外，尚需要对节点部位进行细致地设计，以确保抗浮锚杆在整个建筑使用周期内安全有效地发挥作用。对于本项目抗浮锚杆而言，其薄弱部位是锚杆端部与基础底板的连接位置，此处钢筋应力最大，也最容易受到地下水的侵蚀，为此，除对基础底板采取常规的铺贴卷材防水措施以外，尚需对锚杆端头设置止水钢板、遇水膨胀胶条等，以避免端部钢筋受腐蚀破坏，同时防止锚杆与底板的连接处成为底板渗漏的隐患位置。本工程采用的锚杆端部防水构造及想现场施工情况如下图所示：

此外，本工程由于抗浮水位较高，结构图纸中对施工过程中尚专门提出了以下要求：

（1）混凝土结构自防水

地下结构主要采取混凝土结构自防水，防水混凝土抗渗等级根据不同埋深确定。由于结构体量较大，混凝土中应掺适量的具有补偿收缩功能的外加剂，保证混凝土的低干缩率和高耐久性，提高结构的抗渗性能。

（2）混凝土结构外防水

结构顶板的外侧采用可以与结构密实粘贴，且能够满足施工要求的高聚物改性沥青防水卷材或聚氨脂涂料等防水材料进行加强防水。结构顶板混凝土浇筑完成后，应进行二次收水压实抹平，使基面符合铺设改性沥青防水卷材或涂刷聚氨脂涂料的要求，不允许在浇筑混凝土结构上施做水泥砂浆找平层。顶板外防水层铺设完毕后，应及时施做防水层的保护层。

（3）施工后浇带、变形缝、施工缝的防水处理

后浇带部位采用宽度为300mm的中埋式止水镀锌钢板，沿结构环向形成一道封闭的防水带。同时，底板底再设置一道外贴式止水带，顶板面布置外防水层。

变形缝采用宽度为350mm的中埋式钢边橡胶止水带，沿结构环向形成一道封闭的防水带。同时，底板底再设置一道外贴式止水带，顶板顶布置外防水层。为保证顶板的防水效果，在顶板的结构外侧同时预留15×30mm的凹槽，待顶板结构施工完成后，在凹槽内用双组分聚硫橡胶嵌缝密封的方法进行加强防水。

结构施工缝部位的防水采用300mm宽钢边橡胶止水带进行加强防水。后浇混凝土浇筑前应将先将混凝土基面凿毛并冲洗干净。结构施工缝部位的防水采用断面为12×30mm的遇水膨胀橡胶条进行加强防水。在浇注第一段结构混凝土时预留凹槽，以利于安放橡胶条。

5.结语

本工程的特点是埋深较大，抗浮水位较高，可以利用的是基底所在岩土层大部分为完整和较完整的花岗岩层，抗浮锚杆可以通过较短的锚固段就提供足够的抗拔承载力。在设计过程中，需严格按照《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011和《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》GB50086-2015的要求进行计算，计算的要点包括锚杆强度验算和锚固长度计算，以此合理确定抗浮锚杆的规格。除此之外，要对规范要求的构造要求严格执行，对关键节点进行单独设计，以确保设计与实际施工状况基本一致。

目前，青岛国际院士产业核心区先导区项目地下室施工已近尾声，地下室底板各项监测指标均正常。

参考文献：

[1]《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011中国建筑工业出版社

[2]《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》GB50086-2015中国计划出版社

[3]《青岛国际院士产业核心区先导区岩土工程勘察报告》青岛市勘察测绘研究院

[4]《地下室底板抗浮锚杆合理布置与工程应用》建筑结构2015（11）：96-99