在滨海地区, 对于大型地下建筑物来讲, 由于地下水位较高, 结构荷载往往不能抵抗地下水产生的浮力,因此需要采取竖向抗浮措施。近年来, 采用抗浮锚杆来抵抗地下室底板所承受的地下水浮力, 显示出明显的经济技术优越性。以大连商业城工程为例, 介绍抗浮锚杆的试验、设计及施工过程, 对存在的问题作了有益的探讨。
一、工程概况
大连商业城工程, 地下2 层, 地上裙房部分5 层,高层部分32 层, 建筑总面积为16万m2, 占地面积2.6万m平方, 地下室基本呈矩形, 南北长299m, 东西宽88m,深12m, 地形由北向南向略倾斜, 地面标高12.84m, 地下室底板标高0.6m, 平面布置如图1 所示。
图1 基坑平面布置图
因地下室自重及地面回填土重量不能平衡地下水浮力, 采用抗浮锚杆作为永久性抗浮结构。抗浮锚杆杆体为螺纹钢, 不施加预应力, 锚杆锚固于底板下的岩层上, 锚杆顶部预留部分直接浇筑在混凝土底板内。场地的地质构造属于大连市古老东西向倒转背斜的北翼, 基岩为中震旦系长岭子组钙质板岩, 岩层倾向南,走向近东西向, 层面倾角30度~ 40度。由于场区较大, 地下室底板坐落在不同的岩层上, 分别为全风化钙质板岩、强风化钙质板岩、中风化钙质板岩, 其地质情况如表1 所示。
场地地下水总体类型属于承压水, 主要来源有两方面: 1) 赋存于基岩风化裂隙中, 普遍存在, 为地下水主要来源; 2) 赋存于场地局部地段卵石层的下部。对地下水试样进行室内水质分析, 该地下水对钢筋混凝土结构无腐蚀性。
二、抗浮锚杆破坏性试验
根据 土层锚杆设计与施工规范!( CECS22: 90) 和建筑地基基础设计规范!( GB50007-2002) , 需要对抗浮锚杆进行破坏性试验, 以确定锚杆的抗拔承载力特征值。锚杆的承载力取决于: 1) 锚杆杆体材料自身的强度; 2) 锚杆与砂浆体之间的粘结力; 3) 砂浆体与岩土层之间的抗剪强度。在岩土层中对抗浮锚杆进行锚固, 最薄弱的环节就是砂浆体与岩土层之间的抗剪强度, 因此试验的主要目的是测试砂浆体与岩土层之间的粘结力。
根据场区的岩层情况, 共进行了3 组试验, 每组4根锚杆, 分布在场区不同的位置。锚孔直径Φ130, 根据不同的岩层采用不同孔深的锚杆进行试验, 其中全风化钙质板岩锚固深度6.0m, 强风化钙质板岩锚固深度5.0m, 中风化钙质板岩锚固深度3.0m。注浆采用强度等级为M30 的水泥砂浆, 掺入部分膨胀剂和QW-1早强王。
加载采用单调加载, 每级读数三次, 每级读数稳定后方可进行下一级加载。锚杆抗拔力由拉压传感器和应变仪测定, 锚杆位移由百分表量测。根据现场试验资料, 得出荷载-位移曲线( 即Q-s 曲线) , 如图2 所示;由Q-s 曲线可确定出每根抗浮锚杆的极限承载力, 如表2 所示。试验数据离散性较小, 极差远小于国家规范规定的30%, 数据可靠。按照现行国家规范, 锚杆极限承载力除以安全系数2 即为锚杆抗拔承载力特征值( 表2) , 最终以此值作为抗浮锚杆承载力的设计依据( 见表2 中括号内数据) 。
图2 抗浮锚杆的荷载－位移曲线
三、抗浮锚杆的设计
1、抗浮锚杆承受的荷载qf
根据岩土工程勘察报告, 稳定地下水埋藏深度为2m, 其标高为10.84m; 地下室底板的标高为0.6m, 可知地下室底板的水头为10.24m, 则水的浮力f 为102.4kPa。根据结构设计可知, 地下室自重及地面回填土压力G 为120kPa。
根据建筑结构荷载规范![ 3] , 地下水浮力属于可变荷载, 地下室自重及地面回填土压力属于永久荷载,则荷载效应组合的设计值应根据其最不利荷载组合确定。即抗浮锚杆承受的荷载qf 由下式确定:qf= YQf - YGG = 1.4 # 102.4- 0.9 # 120= 35.36kPa ( 1)
式中: YQ 为可变荷载的分项系数, 取1.4; YG 为永久荷载的分项系数, 当其效应对结构有利时, 取0.9。
2、由抗浮锚杆的破坏性试验, 得到锚杆单位长度抗拔承载力特征值( 表2) 。
3、抗力系数的取值
根据 土层锚杆设计与施工规范![1] 与 建筑基坑支护技术规程![ 4] , 抗浮锚杆属于永久支护, 锚杆破坏后的危害程度轻微, 因此, 其局部稳定性安全系数取K 1= 1.8。关于锚杆抗力系数问题, 已在文[ 5] ~ [ 7]中进行了详细的探讨。抗浮锚杆面积和锚固长度分别由下述公式确定:
K1Nt≤Agfyk ( 2)
Nt ≤ LaRt ( 3)
Nt = qfab ( 4)
式中: K 1 为抗力系数, 取1.8; Nt 为抗浮锚杆轴向拉力值( kN) ; Ag, fyk分别为抗浮锚杆截面积( mm平方) 和钢筋强度标准值( MPa) ; La 为抗浮锚杆锚固段长度( m) ; R t为抗浮锚杆单位长度抗拔力( kN/m) ; a, b 分别为抗浮锚杆的横向和纵向间距( m) 。
根据不同的岩层地质条件, 拟采用不同的螺纹钢,其中全风化钙质板岩采用2 25 螺纹钢, Ag =981。25mm平方, 钢筋强度标准值为f yk= 335MPa; 强风化钙质板岩与中风化钙质板岩均采用2 25 螺纹钢, Ag= 1 230.88mm平方, fyk= 315MPa。将抗浮锚杆承受的荷载qf 及不同岩层中单位长度抗浮锚杆的抗拔承载力特征值, 综合考虑本场区不同岩层的分布位置, 代入式( 2) ~ ( 4) 可得: 1) 全风化钙质板岩: 锚杆间距a *b=2.7m *2.4m, 锚固段长度la= 7.0m, 考虑到孔口处岩体的扰动等因素, 孔深最终取7.6m; 2) 强风化钙质板岩: a * b= 2.8m *2.7m, la= 6.6m, 考虑到孔口处岩体的扰动等因素, 孔深最终取7.2m; 3) 中风化钙质板岩: a*b= 2.8m*2.7m, la= 4.0m, 考虑到孔口处岩体的扰动等因素, 孔深最终取4.6m。
四、抗浮锚杆的施工及验收
1、抗浮锚杆的施工
整个工程的抗浮锚杆约2800根, 根据不同的岩层地质情况设置不同的锚固长度。抗浮锚杆孔径为Φ130, 孔深应大于设计孔深200mm 左右, 以保证孔中岩粉有足够的沉淀尺寸, 终孔时应用高压风将孔内沉渣、岩粉吹净。在施工过程中, 钻孔时遇到以下两个问题: 1) 孔口坍塌, 处理措施是采取孔径大于Φ130 的钢套管护壁, 其长度大于坍塌的长度; 2) 软弱夹层, 在终孔时迅速提升钻杆, 及时插入孔径小于Φ130 大于Φ80的塑料管, 其长度穿过软弱夹层, 待注浆安放锚杆筋后再拔出塑料管。
考虑到地下水位较高, 采用先注浆后插锚杆的施工方法。注浆前应将注浆管插入孔中距孔底200mm;注浆时待浆体从孔口溢出后再慢慢拔注浆管, 砂浆回缩后不断补浆直至孔中无回缩为止; 注浆后及时快速将钢筋放入孔中, 最后对锚杆顶部作防腐处理。
2、抗浮锚杆的验收试验
根据 建筑地基基础设计规范![ 2] , 验收锚杆的数量取锚杆总数的5%, 共进行了151 根抗浮锚杆的验收测试。根据设计, 全风化钙质板岩、强风化钙质板岩以及中风化钙质板岩中锚杆的验收荷载分别为250,280, 300kN, 试验结果表明全部试验锚杆承载力均满足设计要求。值得说明的是, 尽管所有锚杆的抗拔承载力均满足设计要求, 但不同岩层中锚杆的位移量有所不同。在相同荷载下, 全风化钙质板岩中锚杆的位移量最大, 中风化钙质板岩中锚杆的位移量最小。
五、结语
(1) 采用了抗浮锚杆解决地下室的抗浮问题, 实践证明, 抗浮锚杆具有施工方便、造价低廉、施工速度快的特点, 是一种可行的施工方法。
(2) 通过现场锚杆的破坏性试验, 得出了锚杆在不同岩层中的抗拔力, 为其它工程应用提供了试验依据。
(3) 151 根锚杆的验收试验证明, 锚杆承载力均满足设计要求; 工程经一个汛期的应用, 工作状态良好。