扩孔自锁锚杆在地下室抗浮设计中的应用

李建功 1 ，杨飞龙 1 , 杨周林 2

1. 云南营造工程设计集团有限公司，云南昆明 650000

2. 昆明通泰置业有限公司，云南昆明 650000

摘要：近年来随着城市用地日趋紧张，地下空间开发已经越来越得到重视，在地下水位较高的情况下，地下建筑受到向上的水浮力也较大，上部结构自重不能平衡水浮力，地下结构的抗浮就成为亟待解决的问题，本文就地下室抗浮设计方法展开分析，结合工程实际进行阐述，以保障地下室工程的安全。

关键词：地下室 抗浮设计 扩孔自锁锚

0. 引言

建筑抗浮常用三种方法：一是增加配重法，通过增加覆土、结构自重等来抵抗浮力，多用于浮力较小或结构自重与浮力相差较小的情况；二是释放水浮力法，利用疏排地下水的方法使基底下的水汇集在一起并导流排出，部分或完全消除地下室底板的水浮力，多用于基础位于不透水且土质较坚硬的土层；三是抗浮锚杆、锚桩法，利用抗浮锚杆、锚桩的抗拔力与结构自重，共同抵抗水浮力，用于浮力较大或结构自重与浮力相差较多的情况。本文以昆明某建筑地下室为例，对其地下室抗浮涉及到的问题进行分析研究，为类似工程提供参考。

1、项目概况

昆明某高层公寓楼位于昆明市，主楼地上共 24层，建筑高度为74.6m; 电影院为 2 层，建筑高度为 14.85m,下沉广场区域无地下室顶板; 地下室为1层，地下室层高为5.4m，筏板顶面标高为-5.4m。建筑平面布置如图1所示，土层参数物理力学指标见表1。

表1 土层参数物理力学指标

图1 建筑平面布置图

本场地抗震设防烈度为 8 度( 0. 30g)第三组，场地类别为Ⅱ类。基础设计等级为甲级，抗浮设计等级为甲级，地质勘查报告建议本工程的抗浮水位为室外地面下0.5m，即相对±0.000以下0.8m，主楼区域承台厚度为1200mm，裙房及地库区域筏板厚度为600mm，采用下柱墩构造以满足筏板的抗冲切要求，柱墩厚度为 300~600mm。基础平面尺寸为 96.5m × 64.55m，布置图如图 2 所示。

图2 基础平面布置图

2、抗浮设计基本参数

2.1 整体与局部抗浮

《建筑地基基础设计规范 》(GB50007- 2011) ^［1］5.4.3 条提出:建筑工程抗浮稳定性应符合下式规定:

G_k /N_w，k ≥ K_w

式中: G_k 为建筑物自重及压重之和; N_w，k 为浮力作用值; K_w 为抗浮稳定安全系数，甲级可取 1. 10。

2. 2 抗浮工况下的分项系数

关于抗浮工况下恒载分项系数的取值，按《建筑工程抗浮技术标准 》(JGJ476-2019)^［2］6.3.7条规定：结构自重、结构或构件提供的抗拔力对抗浮有利时组合系数为1.0，结构上部填筑体、结构内部填筑体对抗浮有利时组合系数为0.9；按 《建筑工程抗浮技术标准 》(JGJ476-2019)^［2］3.0.9条规定：抗浮稳定性验算作用效应应按承载能力极限状态下作用的基本组合,其分项系数为1.0。计算抗浮结构及构件内力，确定构件长度和直径、地下结构底板厚度和配筋及验算材料强度时，作用效应应按承载能力极限状态下作用的基本组合，相应的分项系数为1.35；按单个抗浮构件承载力确定构件数量时，传至地下结构底板底面上的作用效应应按正常使用极限状态下作用的标准组合，相应的抗力应采用单个抗浮构件承载力特征值。

3、抗浮设计方案选择

本工程地下室抗浮水位取至相对±0.000以下0.8m，地库区域的抗浮水头为5.2m。1栋为高层结构，结构自重较比水浮力较大，整体抗浮满足要求；电影院区域水浮力每平米N_w，k=（5.4-0.8+0.6）×9.8=50.96(kPa)，筏板自重及上部传递的竖向荷载每平米G_k=14×3+0.6×25=57（kN），抗浮稳定系数 G_k / N_w，k = 1. 12 ＞ 1. 10，整体抗浮满足要求；下沉广场区域因无地下室顶板，除筏板自重外无上部传递的竖向荷载,且结构自重与浮力相差较多，需采用相应的抗浮措施。根据地质勘查报告，本项目基底以下覆盖层厚度约为10m，基岩埋深较浅，若采用抗拔桩需采取旋挖钻孔灌注桩，施工较为复杂，工期较长，成本较高，下沉广场区域采用抗浮锚杆较为经济合理。

4.地下室的抗浮设计

4.1 抗浮锚杆根数初步估计方法

本工程下沉广场设计采用抗浮锚杆来抵抗浮力。根据( 1.0×水浮力标准值-1.0×恒载标准值)/（1.1×单根锚杆抗拔承载力特征值）的方法确定抗浮锚杆根数，通过抗浮区域面积与所需的抗浮锚杆根数的比值确定抗浮锚杆间距，并将其均匀布置在区域内。

4.2 抗浮锚杆方案对比

（1）方案1：采取预应力抗浮锚杆

采用直径为150mm的预应力锚杆，单根抗浮锚杆轴向抗拔承载力特征值参考《建筑工程抗浮技术标准 》(JGJ476-2019)^［2］7.5.4条规定进行计算：

岩石锚杆锚固体长度La计算公式如下:

K—锚固体抗拔安全系数，取2.0

N_t—荷载效应基本组合下锚杆承担荷载标准值

f_rbk—锚固体与岩层间粘结强度标准值(kPa）

d—锚固体直径( mm) ;

ξ—经验系数，取0.8。

土层锚杆锚固体长度La计算公式如下:

K—锚固体抗拔安全系数，取2.0

N_t—荷载效应基本组合下锚杆承担荷载标准值

q_sia—锚固体与土层间粘结强度标准值(kPa）

结合地勘资料与本地设计经验，抗浮锚杆长度取14m，截面直径为150mm，考虑锚杆的耐久性要求，锚杆杆体截面为3根f_ptk= 1860的钢绞线，抗拔承载力特征值取250kN。经计算，锚杆数量为304根,锚杆利用率为82%。

图
4 预应力锚杆平面布置

（2）方案2：采取扩孔自锁锚杆

对于扩孔自锁锚杆，单根抗浮锚杆轴向抗拔承载力特征值参考《扩孔自锁锚固技术规程》( T/CECS 813-2021)^［3］ 中式5.2.1进行计算：

锚杆杆体受拉承载力设计值Nt：

（1）锚杆杆体的截面面积计算：

K_t—锚杆杆体的抗拉安全系数，取2.0

N_t—荷载效应基本组合下锚杆承担荷载标准值，此处取Nt=Ra

f_y—杆体钢筋的强度设计值（N/mm²），本次PSB1080级精轧钢筋f_y=900N/mm²；

As-锚杆杆体钢筋截面积，直径A_s(36)=1018mm²；

岩石锚杆自锁锚杆提供锚固力：

锚杆锚固体中内锚头的自锁锚固力标准值按下式计算：

_{Nt2k = αl βl frk Aln /2=2.6×3×43.4×103×20331.5×10-6/2=3441.3KN}

_{Ntk=Nt1+Nt2 =141.3+3441.3=3582.6KN＞Ra=450KN}

_{说明锚杆可以提供全部450KN锚固力并进行有效传力。}

式中：

α_l—岩石锚杆围压放大系数，取2.6；

β_l—局部受压时的强度提高系数，取3；

A_ln—岩石局部净受压垂直投影面积（mm²）

A_ln=π D_u²/4-π D²/4，D_u为

f_rk—饱和单轴抗压强度标准值（MPa），此处frk=43.4MPa；

采用直径为PSB1080 36mm精轧螺纹钢作为自锁锚杆，结合地勘资料，抗浮锚杆长度取约14.5m，截面直径为 150mm，锚入中风化白云质灰岩长度要求不低于 2.0m；单根锚杆承载力特征值为450kN。本工程中，自锁锚杆设计数量161根。因锚杆承载力较高，布置为3mX3m构造布置，锚杆利用率为86%。

图
5 扩孔自锁锚杆平面布置

图
6 基础有限元模型

4.3 抗浮锚杆类型选取

经计算对比扩孔自锁锚杆有以下几点优势：

1. 扩孔自锁锚杆可以与地下室同时施工，预留孔洞后施工锚杆，节约工期；

2. 单根锚固力大，预应力锚杆直径 150mm，单根抗拔承载力Ra=250kN；采用36mm精轧螺纹钢自锁抗浮锚杆，锚杆直径 110mm，进入中风化岩层2m，抗拔力可达 450KN是普通锚杆的1.8倍；

3. 使用抗拔承载力较大的自锁锚杆可以减少锚杆根数及施工周期，对于基岩埋深较浅的项目，使用自锁锚杆可大大节约造价。

4. 普通锚杆主要依靠灌浆料固化后的粘结力来提供锚固力，然而灌浆料的抗剪强度和粘结强度一般较低，存在锚固力小、施工效率低等问题。扩孔自锁锚杆采用特制扩孔钻头钻进扩成倒锥面，从而形成底层较大、上端较小的锥头面结构，利用孔底机械贴合力进行锚固，更为安全可靠，扩孔自锁锚杆见图7.

图
7 扩孔自锁锚杆示意

5. 施工时注意事项

5.1钻孔及清孔

钻φ150圆直孔至设计深度，终孔时依据岩样确定已进入完整中风化岩层的深度。直孔钻完后，孔底用专用扩孔机具扩成倒锥形孔，扩孔孔底预留60mm。钻孔、孔底扩孔完成后，将孔内清理干净，避免孔内沉渣，钻孔轴线的偏斜率不应大于锚杆长度的2%。

5.2自锁锚杆的杆体连接

岩石锚杆杆体需要接长时，HRB400 级或 HRB500 级钢筋锚杆应采用焊接或套筒连接，螺纹钢筋锚杆应采用机械式套筒连接。连接强度不得低于锚杆抗拉强度。

5.3自锁锚杆遇溶洞处理措施

根据地质勘查报告本场地岩溶发育程度等级划分为岩溶中等发育，锚杆施工局部遇溶洞区域应结合现场实际条件，按遇溶洞抗浮锚杆详图见图8进行处理。

5.4施工过程中抗浮措施

施工过程中，对地下室必须采取有效的抗浮措施：

1. 应加强施工期间降水、排水措施，施工期间地下水位标高不得高于地下室底板面。

2. 主体结构施工完成前不得擅自停止降水、排水工作。

3. 施工单位应编制应急预案，对暴雨等

原因引起急剧上升的地下水位有紧急应对措施。

图
8 遇溶洞抗浮锚杆详图

5.5锚杆的试验、验收

（1）锚杆试验：锚杆正式施工前必须先试验不少于3根锚杆,以确定锚杆承载力及实际入岩锚固深度。

（2）锚杆验收：单根锚杆验收值取0.9f_ykA_s，数量不少于锚杆总数的5%，且不少于5根。

6. 结语

本文主要依据现行的设计规范和设计理论，结合实际案例，对地下室抗浮设计中的一些问题进行了探讨，地下室抗浮设计可以根据工程的实际情况，可选择采用增加配重或者抗浮锚杆的抗浮设计方案。当选择抗浮锚杆进行抗浮设计时，应根据地质勘查报告选取合理的抗浮锚杆类型，使抗浮设计方案更加安全、经济、合理。

参考文献

1. 建筑地基基础设计规范：GB50007- 2011[S].北京:中国建筑工业出版社，2012.

2. 建筑工程抗浮技术标准：JGJ476-2019[S].北京：中国建筑工业出版社，2020.

3. 扩孔自锁锚固技术规程：T/CECS 813-2021[S].北京：中国计划出版社，2021.

4. 建筑结构可靠性设计统一标准：GB 50068—2018[S]].北京:中国建筑工业出版社，2019.

5. 钢筋机械连接技术规程：JGJ 107-2010[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

6. 钢筋焊接及验收规程：JGJ18—2012[S].北京:中国建筑工业出版社，2012.

李建功；工作单位：云南营造工程设计集团有限公司；电子邮箱：395645046@qq.com；现有职称：高级工程师

杨飞龙；工作单位：云南营造工程设计集团有限公司；电子邮箱454047603@qq.com；现有职称：高级工程师

杨周林；工作单位：昆明通泰置业有限公司；电子邮箱：yzl750201@163.com；现有职称：高级工程师