浅谈锚杆抗浮

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摘要：介绍某沿海地区给水厂地下清水池采用土拉锚抗浮的设计实例，通过该实例对全地下结构抗浮设计的可靠性、适用性等方面做了一些浅析。

关键词：地下；清水池；软土；土拉锚；抗浮

Abstract: the article introduces some coastal areas to underground water QingShuiChi using soil pull anchor anti-uplift design examples, and the application example to all the reliability of the design of the underground structure engineer, etc. made some analysed.

Keywords: underground; QingShuiChi; Soft soil; Soil pull anchor; anti-uplift

概述

在地下水位较高区域，结构荷载不能抵抗地下水浮力时，地下构筑物的抗浮问题随之而来。地下水浮力造成的破坏大致有两类：一类是底板隆起，产生裂缝，造成底板破坏，形成渗水通道；另一类是地下构筑物整体浮起，导致梁柱节点开裂，同时底板破坏。

本文以沿海某地区供水厂的清水池为例，对利用土拉锚进行抗浮的方式进行介绍，以期对类似的工程有较好的参考价值。

工程地质概况

本工程区域为典型沿海软土区，其地质特点是在埋深25.00m以上土层具有明显的韵律沉积，不存在明显的地层突变。地层分布较为简单，地表为0.4～1.0m人工填土层，其下均为深厚淤泥质粘土层。地下水埋深较浅，静止水位埋深一般0.50～1.50m，水位随季节有所变化。一般年变幅在0.50～1.00m左右。抗浮设计水位按地表下0.50 m考虑。

抗浮设计

3.1主体结构设计

本工程清水池采用全地下现浇钢筋混凝土结构，池长60.9m，池宽44.9m，底板埋深6.35m，结构侧墙厚0.45m，顶板埋深1.60m。

清水池平面布置图

清水池剖面图

3.2结构抗浮设计

在未设置抗浮措施的情况下，计算结构主体的抗浮能力。抗浮计算一般通过计算抗浮安全系数方法来判别抗浮能力。

抗浮安全系数K=W/F

W―结构抗浮作用力，包括结构自重等；

F―地下水浮力，本工程地下水按埋深0.5m考虑。

其中W部分除结构自重外还包含底板飞边上土重，土重应以浮容重计算，同时地面荷载不应考虑车荷载作用。结构抗浮安全系数参照规范要求应高于1.10.

本工程计算抗浮系数为0.88，不满足结构最小抗浮安全系数，需采取额外的抗浮措施。

3.2抗浮设计方案比选

地下构筑物的抗浮一般采用压重法、抗浮桩或抗浮锚杆来解决。压重法是通过加大混凝土结构墙板或底板厚度，以及增加飞边面积等方法平衡水浮力，但经济上极不合理。抗浮桩多采用灌注桩或预制方桩。抗浮桩的缺点是造价高，同时抗浮桩与柱子连接，使抗浮桩间距较大，底板变厚才能抵抗浮力产生的弯矩和剪力。而抗浮锚杆的间距小，地下构筑物的底板可做的较薄，同时锚杆造价较低，大大降低工程造价。

本次设计中通过对抗浮方案的经济、工程结构本身以及施工工期等因素进行综合考虑，确定采用土拉锚抗浮方案。

土拉锚结构设计

4.1锚杆孔布置

根据清水池结构主体剩余上浮力，确定锚杆的孔数和长度。锚孔的布置原则是：既要防止锚孔间距过大而造成局部应力集中，也要避免锚固体过长，施工操作、控制困难；锚孔的布置也不能间距过小，否则造成群锚效应而引起的锚固力的损失。一般锚孔间距一般为1.5～3.0m。本设计中，根据剩余上浮力，锚杆体间距布置为2．0～2．5m。

根据以上原则，本工程锚固体长度按摩擦型锚杆设计。初算土拉锚的锚固力，设计锚固体直径为200mm，因不需要加设预应力，锚固体可采用三根22mm的螺纹钢筋作为锚束材料。

4.2拉锚锚固力计算

根据清水池结构的剩余抗浮力，对拉锚设计轴力进行计算，确定锚杆的孔数和长度，可参照《岩土地基设计规范》通过土层极限摩阻力计算拉锚承载力。

4.3整体抗浮计算

采用垂直土拉锚抗浮，水池的整体抗浮稳定性计算公式为：

Wd≤n・Nb+Gd

式中 Wd―浮力作用设计值（KN），浮力分项系数为1.05～1.10；

n―土拉锚总数；

Nd―单根拉锚抗拔承载力设计值（KN）；

Gd―结构自重设计值，自重分项系数为1.0

4.4锚固长度计算

本工程设计中，不考虑在锚杆上预加应力，竖向锚杆不考虑自由端，底板以下均按锚固计算，土拉锚的锚固长度可由下式计算确定：

式中 Lm―土拉锚锚固段总长度（m）；

Nt―锚杆设计轴向拉力（KN）；

D―锚固体直径（m）；

Li―第i层锚固土层厚度（m）；

fi―第i层土体与锚固体间的侧摩阻力（kpa）；

K―安全系数，按永久土拉锚考虑，K=2.0～2.5。

锚杆设计

本工程共设96个锚固孔，孔径为Φ200mm，间距为2m，等间距布置。锚杆长度均为20m。

成锚采用水力扩孔二次注浆工艺，第一次采用常压向孔内注射水泥砂浆，达到初凝时，进行二次灌浆。第二次采用高压劈裂注浆，注浆体设计强度为25MPa。

锚束材料采用螺纹钢筋，按锚杆承载力极限状态设计，受拉钢筋截面面积按下式计算：

As=1.3・Nb/fy

As―单锚锚杆钢筋截面面积（mm2）；

Nb―单锚抗拔承载力设计值（KN）；

fy―钢筋抗拉强度设计值（N/mm2）。

根据计算，每根锚杆可按3根Φ20钢筋进行布置，并伸入结构底板不小于600mm。

此外，锚固体钢箍采用Φ6螺旋筋，间距200mm；沿锚杆体轴心线方向，隔2m设置对中定位器一个，采用Φ65mm钢管。

锚杆材料

锚杆材料选用II级钢筋，钢筋连接须用焊接或机械连接街头，不采用搭接方式。注浆材料选用42.5号普通硅酸盐水泥，第一次采用常压注水泥砂浆，第二次采用高压灌浆，水灰比现场通过工艺试验确定。

结语

土拉锚在海港工程及边坡治理加固工程中应用较多，本工程尝试在软土层中将其作为抗浮措施。在滨海地下水埋深较浅区域，往往地基承载力满足要求，而抗浮不能满足设计要求，采用土拉锚作为抗浮措施，既可满足安全需要，施工也方便、造价相对低廉。当然，由于规范尚未对该拉锚抗浮法做明确规定，且由于土的力学性能、参数离散性较大，施工时还是应进行现场锚杆基本试验来确定设计基本参数。

参考文献：

[1] 谢春华 土层锚杆简介 [J] 中外公路 2002.6.

[2] 中国岩土锚固工程协会. 岩土锚固工程技术[M].北京：人民交通出版社，1998.

[3] CECS22：90，土层锚杆设计与施工规范[S].

作者简介：陈嘉环（1979--），男，天津城建设计院水工专业工程师，工学学士，2002年毕业于河海大学水利水电建筑专业，主要从事岩土工程及结构工程设计工作。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。