摘要:本文結合工程應用實例,在闡述地下室基礎選型和抗浮水位的確定工作的基礎上,重點就地下室錨桿抗浮設計進行探討,并總結了地下室工程抗浮錨桿施工質量驗收工作。實踐證明,在地下室浮力較大時,采用錨桿抗浮具有較好的效果。
隨著我國經濟建設步伐的加快,城市建設規(guī)模不斷擴大,大量帶有地下室的高層建筑物、地下車庫和下沉式廣場等地下構筑物數量日益增加。這些不同功能的建筑物由于功能的需要,其地下室往往會連成一個整體,不僅增加了工程項目結構設計的難度,而且也使得地下室抗浮問題日益突出。目前國內抗浮設計采用的方法有很多,主要包括自重平衡法、浮力消除法、綜合設計方法和錨桿抗浮法,其中錨桿抗浮法是近年來發(fā)展速度較快的一種抗浮措施,具有造價低廉、工藝技術簡單、施工周期短等優(yōu)點,在城市地下室工程建設中得到廣泛的應用及推廣。本文通過探討地下室錨桿抗浮設計工作,希望為類似工程設計研究工作提供借鑒依據。
1工程概況
某工程由辦公樓及住宅和兩個地下車庫組成。其中1#車庫I段與1#~6#樓地下室連為一體,之間不設沉降縫,1#車庫II段包括一個僅地下1層的下沉式廣場,并與7#樓及其裙房、8號樓地下室連為一體,之間不設沉降縫,1#車庫I、II段之間用縫分開成為兩個獨立的結構單元。
2基礎選型和抗浮水位的確定
對于高層主樓與裙房或地下車庫基礎之間不設沉降縫而連接成整體,其相互間的差異沉降問題,工程中通常采取的基本措施就是通過設置后澆帶,同時盡量嚴格控制高層主樓的沉降,適當放松對裙房或地下車庫的沉降控制。針對本工程特點和地質條件,1#~8#樓均采用了筏板基礎,筏板厚700~1200mm,車庫采取了柱下條形基礎,基礎梁截面為600mm×1300mm。由于在主樓與車庫基礎之間設置了后澆帶,并采取了一些針對性措施,沉降觀測表明,后澆帶兩側沉降平緩無突變,2007年6月車庫I段沉降觀測顯示該區(qū)段沉降基本穩(wěn)定,平均沉降速率小于0.01mm/d,說明本工程基礎設計是適當的。
由于車庫兩個區(qū)段地下室都較深,地下水位較高,均需要考慮抗浮問題。地下結構進行抗浮設計首先應確定抗浮設防水位,其合理性對工程造價和建筑物的穩(wěn)定、安全有顯著的影響,對此國內有關規(guī)范雖提出了要求但是尚無明確規(guī)定。實際上,抗浮設防水位是一個技術經濟指標,其確定是一個十分復雜的問題,既與場地的工程地質、水文地質的背景條件有關,更取決于建筑整個運營期間內的地下水位變化趨勢,而后者又受到人為作用和政府的水資源政策控制。
3抗浮措施的選取
工程實踐中,抗浮措施主要有盲溝疏水截排、壓重抗浮和抗拔錨樁或錨桿。盲溝疏水截排屬于主動抗浮,由于受諸多因素影響,該措施目前應用較少。而后兩種措施為被動抗浮,屬于抗力平衡型措施,為人們所熟識,被廣泛采用。其中壓重抗浮措施,即通過在地下車庫的基礎底板、防水板、地下室樓板或頂板上設置重度較大的混凝土或回填層增加工程自重,從而達到平衡浮力的目的,為首選抗浮措施。但是雖然每1m厚混凝土的壓重能夠抵抗約2.2m水頭的浮力,但是因設回填層增加了工程埋深從而也使浮力增大,因此當作用于地下構筑物的浮力水頭比較大時,該措施并不一定經濟,此時采用抗拔樁或抗浮錨桿往往比較合適。
抗拔樁主要是利用樁體自重和樁側阻力起抗浮作用,其抗浮能力與樁型、樁徑、樁長及周圍地質條件有關,常用樁型為預制樁、沉管灌注樁和鉆孔灌注樁。由于抗拔樁直徑較大,樁多與柱子相連,使抗拔樁的間距太大,需要較厚的底板才能抵抗浮力產生的附加彎矩和剪力,因此抗拔樁多結合工程樁基而采用,單純作為抗拔樁造價往往較高。
抗浮錨桿則利用錨桿與砂漿組成的錨固體與巖土層的結合力作為抗浮力。因其造價低廉、施工方便、布置靈活、錨固效率高,抗拔力易于控制、利于建筑結構的應力與變形協(xié)調等優(yōu)點而在許多工程中得到了應用,在多數條件下這一抗浮措施優(yōu)于壓重和抗浮樁方案。
本工程地下車庫I段為純地下車庫,地下2層,車庫頂由于綠化要求設置1.6m的覆土,車庫柱網8m×8m,采用了帶柱帽的無梁樓蓋的結構形式,作用于車庫基礎底面浮力水頭為7.4m(浮力74kPa,考慮分項系數1.0),而結構自重為71kPa(考慮分項系數0.9),因此抗浮驗算不能滿足要求,需采取抗浮措施。結合本工程車庫的基礎特點,采取了如圖1所示的防水板和基礎梁的構造措施,并在防水板上回填0.4m厚的毛石混凝土抗浮驗算得以滿足,增加的壓重為7.9kN/m2(考慮分項系數0.9),這樣在不改變原基礎設計方案、不增加埋深的情況下既滿足了抗浮要求,同時也未影響車庫基礎由于防水板的下降而影響其承載力對側限的要求,取得了良好效果。
本工程地下車庫Ⅱ段下沉廣場只有一層地下室,且取消了車庫頂的覆土,同時因功能要求車庫建筑地面標高與I段相比降低了1.25m,這樣如果采用與車庫I段相同的基礎做法和結構措施,本區(qū)段將比前述區(qū)段增加浮力12.5kPa,達到86.5kPa,而本區(qū)段結構自重(包括建筑面層和防水板上0.4m的壓重)僅為46.8kPa(考慮分項系數0.9),所以凈浮力約為38kPa。這樣大的浮力顯然只能采用抗拔樁或抗浮錨桿,如果本區(qū)段車庫采用樁基礎,雖然可以發(fā)揮樁基礎的抗拔優(yōu)勢,但是由于車庫與主樓地下室連成一體,主樓與車庫之間差異沉降將非常顯著,計算分析表明在現有條件下其差異沉降將無法滿足規(guī)范要求,鑒于此本工程最終采用了抗浮錨桿方案。
4抗浮錨桿的設計
目前對抗浮錨桿的設計和施工還沒有專門針對的規(guī)范可循,主要還是參照《巖土錨桿(索)技術規(guī)程》(CECS22:2005)進行設計。本工程地質土層從上到下可分為人工堆積層、一般第四紀沉積層。而抗浮錨桿需從標高-12.15m位置開始設起,故錨桿穿越的土層為一般第四紀沉積層,依次為層④粉質粘土、層④1砂質粉土-粘質粉土、層④2粉細砂、層⑤中粗砂、層⑤1粉細砂、層⑤2圓礫、層⑤3粘質粉土、層⑤4礫砂、層⑥粘質粉土-粉質粘土、層⑥1砂質粉土、層⑥2粘土、層⑦中細砂、層⑦1圓礫、層⑦2中粗砂、層⑦3粉砂,雖各層厚薄不一,但主要錨固層為粉細砂、粘質粉土-粉質粘土、中細砂及圓礫層,總厚度超過20m。重新調整抗水板標高(取消抗水板上混凝土壓重),綜合考慮抗水板和基底浮力后,凈浮力約為36kPa,根據《巖土錨桿(索)技術規(guī)程》及本工程特點,擬采用全長粘結型錨桿,若每根抗浮錨桿平均承受4m2的地下水浮力,則單根錨桿抗拔力設計值為1.25×36×4=180kN。
由于所采用錨桿為永久性錨桿,且擬不采用預應力,因此需考慮錨桿鋼筋的銹蝕問題。關于鋼材在土中的銹蝕問題比較復雜,我國有關規(guī)范主要從限定最小保護層厚度以及規(guī)定混凝土中水泥用量、添加劑方面定性地加以考慮。
綜合上述計算分析,本工程最終選用了全長粘結型錨桿,錨桿長度10m,直徑127mm,錨桿主筋采用C40的鋼筋。
5檢測驗收試驗
本工程共設工程抗浮錨桿927根。為檢測錨桿的施工質量及抗拔承載力是否滿足設計要求,為竣工驗收提供依據,本工程進行了錨桿驗收檢測試驗,驗收檢測數量依據為《巖土錨桿(索)技術規(guī)程》,為錨桿總數的5%,即48根。檢驗方法依據規(guī)程,采用現場拉拔試驗,拉拔力為錨桿軸向拉力設計值1.5倍,即270kN。試驗在全部工程錨桿施工完成后錨桿錨固體達到設計強度后進行。根據受檢工程錨桿所有承載體的試驗荷載與位移關系可看出,受檢抗浮工程錨桿加載至270kN時,所有承載體均未拔出,且各承載體均未顯示出破壞跡象,荷載位移曲線幾乎都呈線性變化,從最大試驗荷載卸荷至0.1Nt全部受檢錨桿均產生大幅度回彈,平均回彈率達到75.6%,同時各受檢錨桿錨頭的位移增量均比較穩(wěn)定,在最大試驗荷載下亦未出現突變跡象。可見,受檢工程錨桿錨體的抗拔承載力均滿足規(guī)范及設計要求。
6結論
通探討地下室錨桿抗浮設計工作,可以得出以下幾點結論:①隨著地下工程埋置深度的加大,合理確定抗浮設計水位是確保地下室工程質量安全的重要舉措;②選擇合理的抗浮設計措施,可以滿足地下室工程設計的要求,取得較好的經濟效益;③巖土錨桿技術具有較多的優(yōu)點,是一項行之有效的技術措施,具有較好的應用前景。
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