成都某工程项目抗浮锚杆计算方法探讨

牛亚平

(成都市建工科学研究设计院，四川成都610059)

随着城市建设的发展，高层建筑越来越多。大多高层建筑多采用高层塔楼带大底盘地下室的建筑形式，在地下水水位较高的场地，无上部高层结构的纯地下室部分就存在抗浮问题。成都地区卵石地层富含地下水，且地下水位较高，现阶段抗浮锚杆为主要解决抗浮问题的途径，近几年来由于其造价低廉、施工方便、受力合理等优点而被广泛应用。

但目前有关抗浮锚杆的国家、行业或地方的专项技术标准尚未出台，在抗浮锚杆的设计过程中大多参照边坡、基坑中的抗拔锚杆等相关规范，导致设计结果不尽相同。本文通过对抗浮锚杆的承载机理进行简要分析，再结合成都地区常用的三种规范分别对抗浮锚杆的锚杆截面积及锚固段长度进行计算，对计算结果进行了总结分析，为今后成都地区抗浮锚杆设计提出些许建议。

1 抗浮锚杆的承载机理浅析

抗浮锚杆是从抗浮桩的基础上改进而来，如无特殊要求，一般为普通型锚杆，不施加预应力。抗浮锚杆两端分别与建筑物和岩土层相连接，形成一个土体加固的杆件体系系统。抗浮锚杆的抗拔承载机理同其它抗拔锚杆基本上是一致的，当锚杆在地下水浮力的作用下，岩土体和水泥砂浆之间会产生摩擦阻力，同时在水泥砂浆与锚杆杆体钢筋之间会产生握裹力，以锚杆的锚固力来平衡地下水的浮力。

2 抗浮锚杆工程项目算例

目前成都地区在进行卵石层的抗浮锚杆设计时经常参照相关标准规范为CECS 22：2005《岩土锚杆(索)技术规程》、GB 50330-2013《建筑边坡工程技术规范》、GB 50086-2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》。

2.1 工程概况

成都某项目共分为A、B及沿河地块三个区块，主要修建高层住宅楼及多层商业，均设置2层地下室，高层拟采用剪力墙结构，筏板基础；多层商业及纯地下室拟采用框架结构，独立基础，总用地面积100余亩。其中B区三、四期项目场地地下水主要为赋存于第四系砂卵石层中，抗浮设计水位标高可按523.50 m考虑。根据结构设计技术要求，去除独立基础面积外抗浮锚杆抗浮力标准值为40.7 kN/m2。

2.2 工程地质及水文地质条件

2.2.1 工程地质条件

根据地勘报告，该项目场地地层结构主要由第四系土层主要由全新统人工堆填()素填土、冲洪积层()粉土、细砂、中砂及砂卵石层等组成，现简述如下：

岩土层与锚固体的极限粘结强度见表1。

表1 岩土层与锚固体极限粘结强度

2.2.2 水文地质条件

场地地下水主要为赋存于第四系砂卵石层中的孔隙型潜水，受地下径流、大气降水补给；排泄方式以地面蒸发、地下径流为主。

2.3 不同方法的计算过程

该项目抗浮锚杆为永久性锚杆，结合成都地区众多类似抗浮工程经验，锚杆钻孔直径采用φ150 mm；根据地勘资料，选取场地内最不利钻孔进行设计，岩土层与锚固体极限粘结强度综合取值200 kPa；抗浮锚杆一般在场地内呈矩阵方格网格状布置，间距多选取1.5～4.0 m之间，本次抗浮锚杆间距拟按2.3 m布置，则单根锚杆抗浮力标准值为：

单根锚杆抗浮力设计值为：1.35×单根抗浮锚杆抗浮力标准值，为290.66 kN。

2.3.1 岩土锚杆(索）技术规程

依据CECS22：2005《岩土锚杆(索)技术规程》，则抗浮锚杆杆体的截面面积为：

取Kt=1.6，Nt=290.66kN，fyk=500MPa，计算得：

As=930.1mm2，则取3根HRB500直径20 mm的钢筋，实配筋面积942 mm2。

式中：As为钢锚杆杆体的截面积，Kt为锚杆杆体的抗拉安全系数，Nt为锚杆轴向拉力设计值，fyk为钢筋的抗拉强度标准值。

抗浮锚杆锚固段长度按下式估算，并取其中较大值：

取K=2.2，Nt=290.66kN，D=0.15m，fmg=200kPa，Ψ=1.3，n=3，d=0.2，ξ=0.6，fms=2400kPa，计算得：La1=5.22m，La2=0.18m，因La1＞La2，则抗浮锚杆的锚固段为5.22 m。

式中：K为锚杆锚固体的抗拔安全系数；Nt为锚杆轴向拉力设计值；La为锚杆锚固段长度；fmg为锚固段与地层间的粘结强度标准值；fms为锚固段注浆体与筋体的粘结强度标准值；D为锚杆锚固段的钻孔直径；d为钢筋的直径；ξ为界面的粘结强度降低系数；Ψ为锚固长度对粘结强度的影响系数；n为钢筋根数。

2.3.2 建筑边坡工程技术规范

依据GB 50330-2013《建筑边坡工程技术规范》，则抗浮锚杆杆体的截面面积为：

取Kb=2.2，Nak=215.3kN，fy=435MPa，计算得：As=1088.9mm2，则取3根HRB500直径22 mm的钢筋，实配筋面积1 140 mm2。

式中：As为锚杆钢筋截面面积；Nak为标准组合时锚杆所受轴向拉力；fy为普通钢筋抗拉强度设计值；Kb为锚杆杆体的抗拉安全系数。

抗浮锚杆锚固段长度按下式进行计算，并取其中较大值：

取K=2.6，Nak=215.30kN，D=0.15m，frbk=200kPa，n=3，d=0.22，fb=2400kPa，计算得：

la1=5.94m，la2=0.11m，因la1＞la2，则抗浮锚杆的锚固段5.94 m。

式中：K为锚杆锚固体抗拔安全系数；la为锚杆锚固段长度；frbk为岩土层与锚固体极限粘结强度标准值；fb为钢筋与锚固砂浆间的粘结强度设计值；D为锚杆锚固段钻孔直径；d为锚筋直径；n为杆体(钢筋)根数。

2.3.3 岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范

依据GB 50086-2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》，则单根锚杆的拉力设计值：

Nd=1.35γwNk，γw=1.1，Nk=215.30kN，计算得：

Nd=319.72kN

式中：Nd为锚杆拉力设计值；Nk为锚杆拉力标准值；γw为工作条件系数。

则抗浮锚杆锚筋截面积为：

As≥Nd/fy，Nd=319.72kN，fy=435MPa，计算得：

As=735.0mm2，则取3根HRB500直径18 mm的钢筋，实际配筋面积763 mm2。

式中：As为锚筋截面积；fy为普通钢筋抗拉强度设计值。

抗浮锚杆锚固段长度按下式计算，应取其中的较大值：

K=2.2，Nd=319.72kN，D=0.15m，fmg=200kPa，n=3，d=0.18，f′ms=900kPa， Ψ =1.3， ξ=0.7，计算得：

La1=5.74m，La2=0.30m，因La1＞La2，则抗浮锚杆的锚固段为5.74 m。

式中：Nd为锚杆拉力设计值；La为锚固段长度；fmg为锚固段注浆体与地层间极限粘结强度标准值；f′ms为锚固段注浆体与筋体间的粘结强度设计值；D为锚杆锚固段钻孔直径；d为锚杆钢筋直径；K为锚杆段注浆体与地层间的粘结抗拔安全系数；ξ为界面粘结强度降低系数；ψ为锚固段长度对极限粘结强度的影响系数；n为钢筋根数。

3 计算结果比较分析

3.1 计算结果整理

在成都地区抗浮锚杆验收试验一般依据《四川省建筑地基基础检测技术规程》相关条文进行，抗浮锚杆验收试验最大试验荷载取锚杆轴向拉力设计值的1.5倍。在实际设计过程中，一些方案会考虑该条时计算所得的锚杆截面积。

将《岩土锚杆(索)技术规程》、《建筑边坡工程技术规范》、《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》三种规范计算所得锚杆截面积和锚固段长度，同时考虑《四川省建筑地基基础检测技术规程》中验收试验相关规定计算所得锚杆杆体截面积和锚固段长度如表2所示。

从表2中可以看出，建筑边坡规范计算所得的锚杆截面积最大，锚杆(索)规程次之，喷射混凝土技术规范最小；当考虑四川省地基检测规程程中验收试验中最大加载量为1.5倍的锚杆抗拔承载力设计值这一条对抗浮锚杆杆体截面进行计算时，与未考虑该条配筋面积相差50%；建筑边坡规范计算所得的锚固段长度最大，喷射混凝土技术规范次之，锚杆(索)规程最小。

表2 抗浮锚杆杆体配筋截面积和锚固段长度计算结果

3.2 计算结果分析

结合同一工程项目，对抗浮锚杆三种计算方法所得不同的锚杆截面积和锚固段长度的原因进行分析：

(1)在抗浮锚杆杆体截面积的计算过程中，锚杆轴向拉力建筑边坡技术规范采用标准值，其余规范均采用设计值，但喷射混凝土技术规范采用的设计值为基本组合设计值(荷载分项系数1.35×标准值)再乘以一工作条件系数(1.1)，较锚杆(索)规程偏大；钢筋的抗拉强度锚杆(索)规程采用标准值，其余规范均采用设计值；锚杆杆体的抗拉安全系数建筑边坡规范采用值最大，锚杆(索)规程次之，喷射混凝土技术规范计算式未包含安全系数。

(2)在抗浮锚杆锚固段长度的计算过程中，三种规范锚固段长度均取锚固体与岩土体之间锚固长度和锚杆杆体与砂浆锚固长度二者之中的大值；锚杆轴向拉力取值同计算锚杆截面积；锚固段的抗拔安全系数建筑边坡技术规范采用值最大，其余规范相同；建筑边坡技术规范未考虑界面粘结强度降低系数及锚固段长度对极限粘结强度的影响系数；计算所得锚杆截面积导致锚杆配筋不同，钢筋直径随之不同；锚杆(索)规程界面粘结强度降低系数取值较喷射混凝土技术规范偏小，锚杆(索)规程锚固段注浆体与筋体间的粘结强度设计值取值较喷射混凝土技术规范偏大。

4 抗浮锚杆抗拔效果分析

该项目抗浮锚杆实际参照《岩土锚杆(索)技术规程》相关条文进行设计，在计算锚杆截面积时未考虑四川省地基检测规程中验收试验中最大加载量为1.5倍的锚杆抗拔承载力设计值这一条(图1)。

图1 抗浮锚杆杆体结构图大样示意

对该项目部分区域的抗浮锚杆工程进行了验收试验，在最大试验荷载443 kN(1.5倍抗拔力设计值)的作用下，锚杆杆体位移量仅为2.65～4.43 mm，变形极小，抗拔力设计值均满足设计值290.66 kN的要求。

5 结束语

(1)该工程项目选择锚索规程计算得出的锚杆截面面积、锚固长度，应用工程后锚杆抗拔效果较为理想，较其他两种规范更为经济合理，再若考虑1.5倍设计值进行配筋显得过于保守了。

(2)设计阶段应锚杆的基本试验，确定锚杆的极限承载力和锚杆参数合理性，提供设计依据，进一步优化设计。

(3)针对不同工程项目特点，选择相适宜的设计规范，提出安全、可靠、经济的设计方案。