抗浮锚杆设计

郑震东

【关键词】结构抗浮锚杆地下室裂缝渗漏

【摘要】本文阐述了地下室防抗浮设计中锚杆的内容和原则，通过实例讨论了锚杆抗浮设计中应注意的几个问题，对地下室锚杆抗浮设计有一定的实际指导意义。

一．概述。

在大部分高层建筑中，均有几层突出高层部分的裙房，当地下室深度较深（如为两层及两层以上）时，这些裙房及地下室往往因为其容积大而靠自重不足以抵抗浮力，于是便存在地下室防抗浮设计的问题。地下室抗浮设计经常采用的方法有：增加自重（在地下室或裙房板上覆土）；盲沟排水（人工降低水位减少水浮力）；锚杆抗浮（用锚杆将地下室锚固在稳定的地层上）。由于覆土增加自重影响地下室或裙房的净高，而盲沟排水受诸多条件限制且实际运行时操作烦琐，并且这两种设计的工程造价也较高。而采用锚杆抗浮不仅不影响地下室或裙房的净高，而且施工简便造价经济，所以其在地下室防抗浮设计中应用得越来越广泛。

二．抗浮锚杆设计的原则：

1. 锚杆的使用年限应与建筑物的使用年限相同，其防腐等级也应达到相应的要求。

2. 锚杆的弹性变形和水平刚度系数应由锚杆实验确定，处于工作状态的锚杆受拉变形不应使地下室底板产生可能引发渗漏的裂缝。

三．抗浮锚杆设计的内容：

1．选择锚杆类型：锚杆类型的选择同锚杆锚固段所处的岩土层类型、工程特性、锚杆的承载力、锚杆的材料和长度、施工工艺等有关，而其中选择预应力锚杆或非预应力锚杆在抗浮设计中是一个很关键的内容。

由于水浮力作用时锚杆受拉，各种因素引起的锚杆变形可能使地下室底板产生竖向位移，水浮力越大位移也越大，此时地下室底板有可能产生裂缝而引发渗漏，甚至整个地下室及裙房被“浮起”，如此一来便失去了抗浮设计的真正意义。可见必须从控制底板位移和裂缝的角度出发来设计锚杆，对锚杆的弹性变形应由锚杆实验来确定。一般而言：对水浮力不大且对位移要求低的地下室可采用非预应力锚杆；对水浮力较大且对位移及渗漏要求高的

地下室应采用预应力锚杆。通常对埋置较深的民用建筑地下室宜采用预应力锚杆，以控制地下室结构的位移及避免出现渗漏。地下工程渗漏水的轻重程度取决于混凝土的裂缝宽度和水头压力，当缝宽在0.1~0.2mm水头压力在15~20m时，一般混凝土裂缝均可以通过化学反应达到“自愈” 使渗漏水现象消失。日本《混凝土裂缝调查及修补规程》中对于混凝土根据防水性要求的裂缝宽度不大于0.05mm；王铁梦在《工程结构裂缝控制》一书中提出：优良工程地下防水混凝土裂缝宽度不大于0.1mm；我国《地下防水工程质量验收规范》第4.1.11条对防水混凝土的要求是：不贯通裂缝宽度不大于0.2mm。故设计时建议将地下室底板裂缝宽度控制在0.2mm以下。

对于预应力锚杆而言，对其施加的预应力可按设计锚固力的50%~80%确定，考虑到预应力损失，有的文献推荐预应力的锁定值可比锚固力大10%~20%。预应力的大小在地层、锚固深度、锚固长度等条件已满足的条件下，实际取决于锚杆材料的工作允许强度，表1给出了锚杆材料的许用强度，表中给出的数值就是预应力控制值的最好借鉴。

表1 锚杆材料的许用强度

锚杆状态	锚杆类别
锚杆状态	永久锚杆	临时锚杆
在工作状态下	[σ]≤0.60Pu或0.75Py	[σ]≤0.65Pu或0.80Py
在张拉时	[σ]≤0.70Pu或0.85Py	[σ]≤0.70Pu或0.85Py
在实验时	[σ]≤0.80Pu或0.90Py	[σ]≤0.80Pu或0.90Py

注：Pu为锚杆材料的断裂强度，Py为锚杆材料的屈服强度

2．锚杆体的设计内容：

(1).锚杆轴向拉力标准值和设计值的确定；

(2).锚杆钢筋截面面积的确定；

(3).锚杆锚固体与地层的锚固长度的确定；

(4).锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度的确定。

锚杆体的设计及构造详见《土层锚杆设计与施工规范》，此处不再赘述。需要注意的是，永久性抗浮锚杆的锚固段不应设置在下列地层中：①有机质土，淤泥质土；②液限wl>50%的土；③相对密度Dr<0.3的土。

三．工程实例

广东富力广场某高层商住楼，该楼有一大块突出高层的3层4.5m高裙楼商场（裙房顶为屋顶花园），三层3.3m高地下室车库，柱网7.8m×7.8m，面积（5×7.8m）×（8×7.8m）=39×62.4=2433.6m2，底板底标高-10.5m，水压高度为10.2m。底板厚600，基础梁600×1200，混凝土强度等级C40，基础为直径500的预应力空心管桩。结构自重约 72KN/ m2，浮力为 10.2×10=102KN/ m2，需要抵抗的浮力为 102-72=30 KN/ m2。地质情况如下：①人工填土层3m ②淤泥质土层12m ③粉质（夹淤泥）粘土层12m ④砂砾层3m ⑤强风化岩层2m ⑥中风化岩层2m ⑦微风化岩层。为了减少钢绞线锚杆的变形，控制地下室底板的裂缝，进而达到底板不出现渗漏，设计采用预应力锚杆。锚杆端头锚入中风化微风化岩层5m，锚杆体直径为150，锚杆拉筋采用4×7φ5钢绞线，锚杆体灌注M30水泥砂浆，单根锚杆设计锚固拉力为500KN。张拉应力为σcon=0.60fpky=0.60×1470=882 N/mm2，施工时对锚杆进行10%的超张拉。工程共设计160根锚杆，每一7.8m×7.8m的板块内分布四根抗浮锚杆（见图1抗浮锚杆布置图），对每一7.8m×7.8m的板块而言，抗浮锚杆拉力为4×500=2000（KN）＞浮力7.8×7.8×30=1825.2（KN），满足抗浮要求。

锚杆灌浆施工完毕后，对其中4根进行了抗拔检测，实验中，每级荷载在规定的持荷时间内均满足稳定要求，反映出试验锚杆在各级荷载作用下处于稳定状态，按照《土层锚杆设计与施工规范》第5.3.2条的规定：最大试验荷载不应超过钢筋A×fpyk值的0.8倍，故对钢绞线锚杆取最大试验荷载为：750KN＜0.8×4×1470N/mm2×（π×152/4）mm2=831300N=831.3KN。试验成果见表2。

高中化学实验创新表2 钢绞线锚杆验收试验成果表

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锚杆长度(m)				锚筋类型	设计锚固力Nt（KN）				试验最大荷载（KN）
#1	#2	#3	#4	4×7φ5 钢绞线	500新闻自由论文				750
25.2	26.0	26.0	27.7	4×7φ5 钢绞线	500新闻自由论文				750
船舶系统工程部加载级数				张拉力（KN）	本次张拉锚头位移（mm）				累计张拉锚头位移(mm)
船舶系统工程部加载级数				张拉力（KN）	#1	#2	#3	#4	#1	#2	#3	#4
0.10Nt				50	1.51	2.51	1.63	1.59	1.51	2.15	1.63	1.59
0.25Nt				125	2.78	3.98	2.87	2.91	4.29	6.13	4.50	4.50
0.50Nt				250	3.45	7.92	3.66	3.54	7.74	14.05	8.16	8.04
0.75Nt				375	3.54	6.28 荔枝叶瘿蚊	3.89	3.63	11.28	20.33	12.05	11.67
1.00Nt				500	2.54	6.10	3.95	3.78	13.82	26.43	16.00	15.45
1.20Nt				600	2.50	6.16	4.17	3.85	16.32	32.59	20.17	19.30
1.50Nt				750	4.02	7.84	4.38	4.01	20.34	40.43	24.55	23.31

由表2可看出：加荷至设计值（即1.00Nt）时，钢绞线锚杆累积变形最大值为26.43mm，平均值为17.92mm。设想一下：如果采用非预应力锚杆，当水浮力达到锚杆的设计值时，锚杆有如此的变形，那么底板可能早已经开裂出现渗漏！可见规范规定“锚杆的弹性变形和水平刚度系数应由锚杆实验确定”是非常正确的！为了控制地下室底板的裂缝宽度不至出现渗漏水现象，通过对底板进行有限元程计算分析（见表3），地下室底板在仅有锚杆预应力作用时的最大裂缝宽度为0.11mm；在底板受到最大浮力作用时的最大裂缝宽度为0.18mm，均小于0.2mm。该工程竣工已两年，效果良好，地下室未出现渗漏现象。

表3 地下室底板位移及裂缝宽度计算结果（单位mm）

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荷载工况	板中点位移	锚杆点位移	板中点缝宽	板边中点缝宽	锚杆点缝宽	备注
仅水浮力 (30KN/m2)	12（向上）		0.31	0.43		缝宽>0.2
仅锚杆预拉力 (300KN/根)	4.5（向下）	3.5（向下）	0.05	0.10	0.11	缝宽<0.2
水浮力+锚杆浮力:30KN/m2 锚杆:460KN/根	7.6（向上）	2.5（向上）	0.14	0.18	0.13	缝宽<0.2