武學(xué)文 何永新 薛穎 智珮蒂

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計院有限公司 秦皇島 066000）

0 引言

聯(lián)合車間是玻璃工廠中非常重要的建筑物，而熔化工段更是聯(lián)合車間的核心所在。在玻璃工廠聯(lián)合車間熔化工段的建筑方案設(shè)計中有一層方案和二層方案之分。雖然二層方案能夠在建設(shè)期節(jié)約土建成本，但在運營期卻增加了產(chǎn)品及原材料垂直運輸?shù)馁M用以及相應(yīng)的管理成本。一層方案在生產(chǎn)工藝方面有其特有的優(yōu)勢。現(xiàn)階段建設(shè)單位更傾向于選擇一層方案。大型地坑在此背景下應(yīng)運而生，其深度5～15 m不等，長寬尺度為60～120 m。

熔化工段上部采用輕型門式剛架，下部采用的混凝土結(jié)構(gòu)樓面大面積開洞，開洞面積甚至占到整個樓面面積的50%以上。結(jié)構(gòu)本身的豎向荷載較小。在濱海地區(qū)、南方多雨地區(qū)以及因局部地形導(dǎo)致的地下水水位較高的部分廠址，勘察報告提供的抗浮水位較高。結(jié)構(gòu)設(shè)計時建筑物的抗浮問題顯得尤為突出。受限于結(jié)構(gòu)形式以及工程造價等因素，玻璃工廠的這類大型地坑尤其適合采用抗浮錨桿方案?？垢″^桿方案也同樣適用于其他地下交通工程、單建式地下室、帶地下室裙房等工程。本文僅以玻璃廠大型地坑為例進(jìn)行論述，供同行參考。

1 抗浮錨桿受力特征分析

近年來，因地下水水浮力引發(fā)的工程事故并不鮮見。這些可能與結(jié)構(gòu)設(shè)計人員對地下水作用理解不透、抗浮設(shè)計概念模糊，對抗浮構(gòu)件工作原理不熟悉有關(guān)。為了更好地應(yīng)用和設(shè)計抗浮錨桿，需要對抗浮錨桿的工作原理有清晰的認(rèn)識。

1.1 抗浮錨桿工作原理

抗浮錨桿工作原理示意見圖1［1］。

圖1 抗浮錨桿工作原理示意圖

根據(jù)阿基米德原理，結(jié)構(gòu)物的地坑位于抗浮設(shè)防水位以下的部分將產(chǎn)生向上的浮力。當(dāng)結(jié)構(gòu)的自重不足以抵抗地下水產(chǎn)生的水浮力時，基礎(chǔ)底板將產(chǎn)生向上移動的趨勢。由于錨固體通過錨桿桿體牢固地與基礎(chǔ)底板連接，錨固體和桿體也將產(chǎn)生上移趨勢。周圍巖土體對錨固體有約束作用，在這種約束的作用下，錨桿不能有效上移。這種情況下錨桿受到均勻的向上荷載作用，即為錨桿受到的拉拔力。

抗浮錨桿受到向上的拉力作用后，荷載先通過第一界面?zhèn)鬟f至與錨桿桿體相連的錨固體。同理，錨固體再通過第二界面將荷載傳遞至其周圍的巖土體?？垢″^桿的破壞機(jī)制主要有以下三種：①抗浮錨桿桿體破壞，即通常我們所說的桿體材料拉斷；②抗浮錨桿桿體與錨固體（第一界面）的剪切破壞，錨桿桿體被拔出而錨固體沒有破壞；③錨固體與巖土體界面（第二界面）間的強(qiáng)度破壞，錨固體與巖土體相互分離被拔出，但桿體與錨固體之間未破壞。

1.2 抗浮錨桿應(yīng)用

抗浮錨桿在我國的應(yīng)用歷史大約30年，20世紀(jì)80年代后期才開始在多個行業(yè)應(yīng)用。為了拓展城市空間，開發(fā)利用地下空間成為城市發(fā)展的必然趨勢。地下室、地下車庫、地下商業(yè)綜合體等在面臨抗浮問題時均有使用抗浮錨桿的實例。

抗浮錨桿有很多不同的分類方法。

（1）按照錨固長度可劃分為集中錨固類和全長錨固類錨桿。錨固裝置或桿體只有一部分和錨孔壁接觸的錨桿，稱之為集中類錨桿；錨固裝置或桿體全部和錨孔壁接觸的錨桿，稱之為全長類錨桿。

（2）按是否施加預(yù)應(yīng)力可分為預(yù)應(yīng)力錨桿和非預(yù)應(yīng)力錨桿。非預(yù)應(yīng)力錨桿與預(yù)應(yīng)力錨桿相比，其控制變形能力弱，但施工簡便、造價低廉。

（3）按桿體材料的性質(zhì)可分為鋼筋錨桿和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）錨桿。

綜上分類，結(jié)合玻璃工廠建設(shè)需求，地坑抗浮錨桿擬采用全長粘結(jié)型非預(yù)應(yīng)力鋼筋錨桿。

2 抗浮錨桿的設(shè)計

2.1 荷載導(dǎo)算、抗浮錨桿設(shè)置

某玻璃廠熔化工段抗浮工程等級乙級，地坑基礎(chǔ)底標(biāo)高－8.000 m（室內(nèi)外高差0.200 m），筏板厚度1200 mm，其上覆土615 mm。因熔化工段樓板大開洞且上部恒載較小，此處不予考慮。勘察報告提供的抗浮設(shè)防水位為室外地面下1 m。錨桿擬采用矩形分布式布置，這可使底板受力更小和更為均勻，變形及裂縫控制更為理想。

錨桿初步設(shè)計擬采用HRB400鋼筋，錨固體直徑取為200 mm。多本現(xiàn)行規(guī)范要求錨桿間距不應(yīng)小于1.5 m，而JGJ 476—2019《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求錨桿間距不小于8倍錨固體直徑，該工程綜合取1.6 m。規(guī)范要求拉力型錨桿注漿體強(qiáng)度不低于M20，也有要求不低于M30的。考慮本工程抗浮工程等級為乙級，需按裂縫控制進(jìn)行設(shè)計，取M40。

基底以下為第2層黏土層，灰黃、褐黃色，硬塑狀，無搖振反應(yīng)，斷面光滑，干強(qiáng)度及韌性中等。下部含礫石、風(fēng)化巖碎片，成分以石英質(zhì)為主。該層大部分鉆孔未揭穿，最大揭露厚度19.60 m。初步估計錨桿全長將位于該土層內(nèi)，地質(zhì)條件簡單。錨固體與土層間粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值qsia在一次常壓注漿時為70 kPa。

水浮力：Fw＝ gwD hw＝10 ×（8.000－0.200－1.000）＝68（kPa）

配 重：W＝h1gc＋ 0.95h2gs＝1.2×25＋0.95×0.615×18＝40.52（kPa）

作用基本組合條件下錨桿承擔(dān)的荷載標(biāo)準(zhǔn)值：Nt＝ （1.35Fw－W）×ab＝（1.35×68－40.52）×1.6×1.6＝131.28（kN），取135 kN?？垢″^桿抗拔承載力特征值Nka與 Nk錨桿拉力標(biāo)準(zhǔn)值等同：Nka＝ （1.05Fw－W）×ab＝（1.05×68－40.52）×1.6×1.6＝79.05（kN）。

式中：gw、 gc、 gs——水、鋼筋混凝土、覆土的重度，kN/m3；

Dhw——抗浮設(shè)防水位與地下結(jié)構(gòu)底板底面地下水位差值，m；

h1、 h2，a、b——基礎(chǔ)底板、底板上覆土厚度，錨桿布置縱向、橫向間距，m。

2.2 錨固長度計算

現(xiàn)行與抗浮錨桿有關(guān)的設(shè)計規(guī)范有：GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱《地基規(guī)范》）、GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱《錨噴規(guī)范》）、JGJ 476—2019《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《抗浮標(biāo)準(zhǔn)》） 、CECS 22：2005《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《錨索規(guī)程》）。由于《地基規(guī)范》關(guān)于土層錨桿條文較少，故主要比較后三種規(guī)范。

盡管各規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對錨桿設(shè)計的表述不盡一致，但均對錨桿的3種破壞機(jī)制進(jìn)行了驗算。《抗浮標(biāo)準(zhǔn)》中的Nt作用基本組合條件下錨桿承擔(dān)的荷載標(biāo)準(zhǔn)值與《錨索規(guī)程》中的Nt單元錨桿的軸向拉力設(shè)計值應(yīng)為同一概念的不同描述，等同于《錨噴規(guī)范》里的Nd錨桿拉力設(shè)計值。不同規(guī)范錨固長度的計算方法見表1。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于桿體配筋及錨固長度的計算公式

依據(jù)表1中的公式計算的錨桿桿體配筋量及 錨固體長度見表2，重要參數(shù)取值列于備注欄。

表2 各標(biāo)準(zhǔn)桿體配筋及錨固長度的計算結(jié)果

當(dāng)錨桿桿體工作應(yīng)力大于桿體抗拉強(qiáng)度的60%時，易在高拉應(yīng)力作用下引起筋體的應(yīng)力腐蝕，設(shè)計時注意控制配筋面積。破壞機(jī)制2一般不控制錨桿錨固段長度，這可能也是《抗浮標(biāo)準(zhǔn)》沒有提出驗算公式的原因。破壞機(jī)制3下《錨噴規(guī)范》所得長度偏短，《錨索規(guī)程》在6～10 m長度時與《抗浮標(biāo)準(zhǔn)》相同或接近，大于10 m時偏大，小于6 m時則偏小。

2.3 群錨效應(yīng)

與群樁效應(yīng)類似，抗浮錨桿則存在群錨效應(yīng)。在錨桿群中，單根錨桿的抗拔力分布存在不均勻現(xiàn)象。整群錨桿的承載能力總是低于單根錨桿承載力加和。有研究表明，整群錨桿中的單根錨桿極限抗拔承載力要下降30%～40%。在設(shè)計時應(yīng)注意驗算群錨效應(yīng)下的整體穩(wěn)定。群錨效應(yīng)錨桿抗拔承載模式示意見圖2。經(jīng)驗算本工程Kf抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為1.45≥1.05，滿足要求。

式中：a、b——錨桿布置縱向、橫向間距，m；

j——巖土體平均內(nèi)摩擦角，此處取30°；

H——錨桿總長度，m；

gk、 Ww、G、F——破裂體內(nèi)巖土體平均浮重度標(biāo)準(zhǔn)值、破裂體內(nèi)按浮重度計算的巖土體自重荷載標(biāo)準(zhǔn)值、結(jié)構(gòu)自重及永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值、地下水浮力標(biāo)準(zhǔn)值，kN。

圖2 群錨效應(yīng)錨桿抗拔承載模式示意

2.4 裂縫或抗裂驗算

抗浮設(shè)計等級為乙級工程，按裂縫控制進(jìn)行設(shè)計；丙級的工程按允許出現(xiàn)裂縫控制。乙級工程非預(yù)應(yīng)力錨桿應(yīng)滿足下式要求：

荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下正截面法向應(yīng)力：

式中：A0——換算截面面積，mm2；

ftk——注漿體軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

2.5 構(gòu)造要求及其他

在滿足地下結(jié)構(gòu)整體抗浮穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，還需考慮抗浮錨桿的布置形式可能影響結(jié)構(gòu)底板的受力和變形。錨桿的間距應(yīng)滿足不小于8D且不小于1.5 m的要求，這是避免群錨失效確定的參數(shù)。在黏性土中普通拉力型錨桿群錨拉試驗結(jié)果表明，當(dāng)錨桿錨固體間距為8D時，其抗浮力有效系數(shù)一般不小于0.97。錨固體長度大于8 m時，應(yīng)將錨固段在深度方向上錯開設(shè)置。

3 承載力試驗與檢測

錨桿試驗有基本試驗和驗收試驗之分，兩者的根本區(qū)別在于試驗?zāi)康牟煌??；驹囼灥哪康氖菫樵O(shè)計提供依據(jù)，驗收試驗是為檢驗施工質(zhì)量及是否滿足設(shè)計要求。現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對最大試驗荷載的表述也不近相同，設(shè)計人員在確定錨桿的最大試驗荷載時也出現(xiàn)了很多困惑。

3.1 試驗荷載對比

試驗最大荷載按《錨噴規(guī)范》、《抗浮標(biāo)準(zhǔn)》、《錨索規(guī)程》確定依次為1.2倍錨桿拉力設(shè)計值、1.5倍軸向拉力設(shè)計值、1.5倍軸向拉力設(shè)計值。

表3 各標(biāo)準(zhǔn)最大試驗荷載比較

《地基規(guī)范》附錄Y對驗收試驗最大荷載的規(guī)定，最大試驗荷載按0.85倍桿體承載力設(shè)計值確定。該數(shù)值相對其他標(biāo)準(zhǔn)，在配筋量的控制上為最大值。建議在設(shè)計時盡量滿足附錄Y的配筋要求，畢竟配筋面積的增加對提高耐久性是有利的。

3.2 試驗荷載探討

在抗浮錨桿設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)，在某些工程實例中，按各標(biāo)準(zhǔn)取定的最大試驗荷載可能會超過錨桿的極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值，對于基本試驗是合適的，但如果驗收試驗的最大試驗荷載超過了極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值，試驗過程中存在錨桿被拔出的風(fēng)險。設(shè)計時宜注意用最大試驗荷載作為極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值按《抗浮標(biāo)準(zhǔn)》的公式進(jìn)行驗算。

4 結(jié)語

抗浮錨桿抗浮措施相較其他抗浮方案，具有施工簡便，單點受力小，可有效節(jié)約建設(shè)成本等優(yōu)勢。當(dāng)然，抗浮錨桿也存在著耐久性不足、防水要求高等缺點。工程實際應(yīng)用時還需注意以下幾點：

（1）《抗浮標(biāo)準(zhǔn)》對抗浮設(shè)計有針對性，設(shè)計概念明確，構(gòu)造措施考慮周全。以此為依據(jù)進(jìn)行抗浮設(shè)計能保證結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲備和適度的可靠性。規(guī)范能夠適應(yīng)現(xiàn)階段的工程應(yīng)用需求和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。錨桿桿體與錨固體之間的剪切破壞在計算錨固體長度時一般不起控制作用，但在應(yīng)用《抗浮標(biāo)準(zhǔn)》時仍宜對此進(jìn)行校核。

（2）抗浮錨桿的耐久性問題仍然是未來亟需解決的難題之一，尤其應(yīng)注意其在腐蝕環(huán)境下應(yīng)用的耐久性。在技術(shù)上可以通過采用環(huán)氧樹脂涂層鋼筋、增加鋼筋配置量、采用新型耐腐蝕桿體材料、控制錨固體拉應(yīng)力、采用壓力型錨桿等措施來保證耐久性。

（3）設(shè)計人員應(yīng)提高對錨桿傳力機(jī)制的理解。錨桿受力時，沿錨固段全長的粘結(jié)應(yīng)力分布是很不均勻的。當(dāng)錨桿錨固長度超過一定值（與巖土介質(zhì)的彈性模量有關(guān)），錨桿承載力的提高極為有限，甚至可以忽略不計。這與設(shè)計人員的感觀認(rèn)識可能不太一致。在地下水位變動的反復(fù)荷載作用下，承載力會有所降低。

（4）試驗與檢測應(yīng)注意區(qū)分基本試驗和驗收試驗。錨桿的最大試驗荷載在依據(jù)規(guī)范確定的同時，注意其不應(yīng)超過極限抗拔承載力。