浙江天成工程设计有限公司 310023
摘要：地下水通常会对地下工程造成两种形式的破坏：其中一种是局部破坏，即地下结构的底板因为受到不均匀作用的水浮力而在某些局部发生开裂或者向上拱起，导致地下水由此渗入室内；另一种是整体破坏，即整个地下结构发生上浮，不仅底板遭到破坏，粱柱结点处等重要部位也会发生开裂，导致结构发生失稳。本文主要研究地下室抗浮锚杆的设计中抗拔桩的群桩效应以及抗拔桩的优化布置。
关键字： 地下室；结构；抗拔桩；抗浮锚杆；设计
0 引言
从实际工程的很多抗浮事故中我们可以发现，导致结构物发生上浮破坏的原因主要有两个方面，一个是对抗浮问题没有引起足够的重视，对地下水浮力的情况认知不足，例如在底板施工的过程当中没有做到及时排水，或者是在底板施工完成后没有及时通过增加覆土来压重，导致地下水浮力大于上部结构物的重量而发生上浮破坏；另一个是突然降临暴雨使积水不断渗入地层之中，这样地下水位随之上升，水浮力急剧增大，上浮事故的发生接踵而至。还有一些其他因素例如结构物承担着不均匀的设计荷载，地下水位随着季节的转换而发生变化以及施工过程中不合理的措施都会成为事故发生的导火索。在一般情况下很难做到完全避免结构物会因为水浮力而遭到破坏，但是一旦破坏发生，结构物将不能发挥正常的使用功能，抑或是发生较大的事故，造成巨大的损失。因此，在地下工程的设计与施工时地下结构抗浮问题的探讨与研究必然会成为重中之重，设计人员以及施工人员应当对此有足够的重视。
1 抗拔桩设计
1.1基本思路
（1）在抗拔及承压情况下的计算;
（2）找出在两种情况下最不利的工况，包括地下水的最高和最低水位以及最不利的荷载组合;
（3）分别计算出在抗拔及承压情况下所需要的桩的数目;
（4）取较大的数目作为最终所需要的桩数。
1.2计算步骤
(1)承压情况下的计算
①水浮力计算
依照地下室底板处在的含水层或是隔水层的特性以及最低的地下水位合理选取计算模型，首先确定最低的地下水位，并根据以上所述的计算公式得出水浮力的大小。
②荷载组合
恒载:地下室结构自重(包括底板自重)、地下室顶板覆土
活载:地下室内车辆荷载、地下室顶板车辆荷载、消防车荷载
水浮力:在承压情况下，应取地下水最小水浮力，并将其按照有利荷载计算。
参考《建筑结构荷载规范》，对活载只设计它对结构的不利作用，分项系数取1.4。恒载对结构起有利作用时的分项系数取0.9，不利时的分项系数取1.350
综上所述:承压桩的承载力计算公式为:
承压桩总承载力设计值/1.35×恒载+1.4×活载-0.9×最小水浮力＞K (1)
其中，K为安全系数，取设计时的重要性系数。由此可以算出承压桩承载力设计值。
③计算桩长以及桩数
根据承压桩的承载力要求选择正确的桩端持力层，从而得出桩长。在此条件下，根据各种情形以及工程经验确定桩长和桩的大小，能够计算出单根桩的抗压承载值。则:
总桩数=承压桩总承载力设计值/单桩抗压承载力（2）
(2)抗浮情况下的计算
①水浮力计算
依照地下室底板处在的含水层或是隔水层的特性以及最低的地下水位合理
选取计算模型，首先确定最高的地下水位，并根据以上所述的计算公式得出水浮力的大小。
②荷载组合
恒载:地下室结构自重(包括底板自重)、地下室顶板覆土
活载:地下室内车辆荷载、地下室顶板车辆荷载、消防车荷载水浮力:在抗浮情况下，应取地下水最大水浮力，并将其按照不利活载考虑。
依上所述:抗拔桩的承载力计算公式为:
抗拔桩总承载力设计值/1.4×最大水浮力-0.9×恒载 （3）
其中，K为安全系数，取设计时的重要性系数。由此可以算出抗拔桩承载力设计值。
③确定桩长以及桩数
确定桩长应分为两种情况考虑:
1)在任何时刻，桩基都是发挥着抗拔的作用，应当通过单桩的抗拔承载力计算桩长。
2)当水位随时发生变化，桩基有时起抗拔作用，有时起抗压作用，这个时候应该根据桩端持力层的位置确定桩长。
在此条件下，根据各种情形以及工程经验得出桩长和桩的大小，可以计算出单根桩的抗拔承载力。则:
总桩数=抗拔桩总承载力设计值/单桩抗拔承载力 （4）
（3）最终结果
选用承压情况和抗浮情况下计算得出的总桩数的较大值作为最终设计时的总桩数。
（4）抗拔桩桩身的计算
轴心受拉构件一旦承受拉力时，裂缝首先出现在混凝土中，其渐渐退出工作，由钢筋承担全部的拉力，即:
Nt≤fyAs （5）
其中，fy为钢筋抗拉强度;As为钢筋的截面面积。
1.3群桩整体稳定性验算
在设计时，应该将桩和桩周土看做一个整体，作为整个结构的基础，所以整体稳定性要求桩和桩周土组成的整体所承担的所有水浮力小于总的荷载设计
值，同时要考虑桩周土的浮重量。即：Ugk+Gs≤N总标准荷载 （5）
其中:Ugk =∑λiqsikuili，为群桩发生整体破坏时的抗拔承载力标准值;Gs = yV，为桩周土的浮重量(V为桩周土的体积)，ui为区域的周长。
1.4抗拔桩设计时应注意的问题
对抗拔桩进行设计与计算时考虑的问题要比一般的承载桩基多，应当注意下述几个方面:
（1）对建筑物而言，在计算抗浮设计荷载时，抗浮荷载的大小与所处场地的地下水位有着密切的关系，首先要确定合理的设防水位，一般由地勘报告涉及到的关于有史以来曾出现的最高地下水位，还要弄清楚地下含水层的分布情况，并根据结构物的使用年限计算相应水浮力的大小;
（2）在设计中计算单桩承载力时，应当考虑不同的桩长、结构的跨度以及底板的结构型式对单桩承载力的影响。在工程中，为了使底板更好地受力，不会因为刚度的差异过大而发生冲切破坏，通常适宜将抗浮桩设置在柱以下或者靠近底板梁的地方。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此，在设计抗浮桩时，应综合考虑各种因素，并通过最初的试算，来确定需要抗浮桩的根数以及初步估计单桩承载力;
（3）在对抗浮桩的桩身结构进行设计时，它的受力原理大致类似于锚杆，主要都是由周围土层产生的摩阻力来提供抗拔力。可是因土体中的应力呈竖向分布从而使土体保持在受拉状态，相反，承压桩周围的土体则处于受压状态。所以，其侧摩阻力的数值不可以纯粹地按照承压桩的侧摩阻力来计算其承载力，应当采取修正，相应的修正系数可以参考桩基规范;
（4）在对桩基整体稳定性进行验算时，应当将抗浮桩与土体视为一个整体的抗浮体系，设计时应当考虑到因为存在群桩效应而带来的影响，要对此进行验算，避免因为群桩效应而导致整体的抗浮承载力小于总的水浮力而发生破坏。此外，还要验算在单位面积内抗拔桩提供的抗浮力与地下水浮力的大小，以此来保证抗浮体系的整体稳定性。
2 锚杆的设计
2.1水浮力计算
虽然地下水在土中是呈流动状态，但是在设计时还是取静止水压力来计算水浮力。计算公式为:
F浮=PA=ρghA (7)
其中:ρ为水的密度;g为重力加速度;h为水头高度;A为基底面积
2.2单根锚杆极限承载力计算以及锚杆总数的确定
（1）单根锚杆抗拔极限承载力标准值
Uk=∑λiqsikuili (8)
其中:λi，一摩阻力折减系数;
qsik一第1层土层与锚杆的侧摩阻力;
ui一锚杆截面的周长;
li一锚杆埋入第i层土的深度。
（2)锚杆自身抗拉强度极限值Uq
锚杆基本上采用二次注浆的工艺，可以认为水泥砂浆和钢筋茹结成为一个整体，且认为整个锚杆体是否破坏取决于钢筋的屈服。
Uq=fyAs （9）
其中，fv为钢筋抗拉强度;A，为锚杆的截面面积。
（3）最终确定单根锚杆抗拔承载力设计值N
N=min(Uk/γk,γqUQ)
其中:γk、为抗力分项系数;γq。为永久性锚杆钢筋抗拉工作条件系数。
确定锚杆总数量n与锚杆长度
Nn+γgSg≥F浮
其中:n为锚杆数量;sg为上部结构自重;γg为荷载分项系数，对结构起有利作用时取0.9.
锚杆长度包括:有效锚固段和非锚固段两个部分。非锚固段应当由结构物与岩层之间的距离来确定长度，有效锚固段应当由岩层的性质和抗拔极限承载力来确定长度。
由《岩土锚杆(索)技术规程》可知，可按下式计算锚杆锚固段的长度。
La＞KNt/πDfmgψ (12)
La＞KNt/nπdξfmsψ (13)
其中，K一锚杆锚固体的抗拔安全系数;
Nt一锚杆的轴向拉力设计值;
La一锚杆的锚固段长度;
fmg:一锚固段的注浆体跟土层之间的粘结强度标准值;
fms，一锚固段的注浆体跟钢筋之间的粘结强度标准值;
D一锚杆的锚固段的孔直径;
d一钢筋或者钢绞线的直径;
ξ一接触面之间的粘结强度折减系数，取0.6~0.85 ;
ψ一锚固长度对于粘结强度的影响系数;
n一钢筋或钢绞线的根数。
2.3整体稳定性验算
在对锚杆初步设计完毕后，还有必要验算结构物的整体稳定性，这个过程是必不可少的。因为即使把锚杆的各个方面都设计得完全合理，而且成本经济，一旦结构物的整体稳定性满足不了要求，进而要考虑对锚杆进行重新设计，例如增加锚杆的长度，并重新验算，一直到满足要求为止。
由《建筑地基基础设计规范》以及《建筑桩基技术规范》可知，验算群锚整体稳定性的公式如下所示:
uιΣλiqsikli+γgSg≥F浮
2.4抗浮锚杆设计应注意的问题
（1）适用的规范
现有阶段，对锚杆的设计并没有相应的明文规定，但是可以参考《建筑地基基础设计规范》中关于岩石锚杆的部分以及《建筑边坡工程技术规范》中与锚杆有关的部分，但是这些仅仅适宜用于估算，还应通过现场的抗拔试验来确定较为精确的锚杆抗拔承载力特征值，不过关于锚杆的构造以及做法等方面可以参考。
（2）锚杆需要验算的内容
1)锚杆钢筋截面面积;
2)锚杆锚固体与土层的锚固长度;
3)锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度;
4)土体或者岩体的强度验算;
（3）锚杆的布置方式与优缺点
1)点状集中布置，通常分布在柱下;优点:可以充分利用上部结构传来的竖向力来抵抗掉一部分水浮力;由于将锚杆集中布置在某些部位，这样会给在底板下进行外防水施工带来便利;一旦个别锚杆的承载力出现不足，其他锚杆则会参与分担工作，能够保证结构具有很强的整体抵抗力。缺点:只能锚固在比较坚硬的岩土层中，不能将其锚固于较软的岩层和土体中;由于局部的锚杆布置较密，施工时造成不方便;地下室底板梁板需要有较大的配筋。
2)线状集中布置，一般情况下将锚杆布置在地下室底板梁之下;优点:由于将锚杆集中布置在某些部位，这样会给在底板下进行外防水施工带来便利;一旦个别锚杆的承载力出现不足，其他锚杆则会参与分担工作，能够保证结构具有很强的整体抵抗力。缺点:不能充分利用上部结构传来的竖向力来抵抗掉一部分水浮力;要求锚固在比较坚硬岩层中，在软岩和土体中不能锚固;地下室底板需要有较大的配筋。
3)均匀面状布置，均匀布置在地下室底板之下;优点:所有岩体和土体都适用;地下室底板不需要有较大的配筋。缺点:不能充分利用上部结构传来的竖向力来抵抗掉一部分水浮力;一旦个别锚杆的承载力出现不足，其他的锚杆由于相距较远，不能及时地参与分担工作，不能保证结构具有很强的整体抵抗力;由于锚杆是均匀布置在底板之下，这样会给在底板下进行外防水施工带来不便。
4)点状集中布置适宜用于坚硬的岩层;线状集中布置适宜用于较硬岩层或者坚硬岩;均匀面状布置则可以用于一切情况。
3 结论
随着城市建设的飞速发展及大中城市人口的不断增加，地下工程的应用日益广泛，例如地下车库、地下广场以及地下交通的建设也日趋增多，所以在建设中需要开挖很深的基坑导致基础埋置在较深的地层。比如像地下水位较高的城市深圳、上海、广州等等，地下水会对建设在地下的结构产生向上的浮力，若向上的水浮力大于结构向下的重力时，结构物的底板可能会发生开裂或者向上拱起的现象，当水浮力相当大时甚至整个结构物都会向上浮起，产生一定的位移，最终结构物不能够正常使用。近年来很多地区都会发生类似工程的事故，而且此类现象出现的次数日趋增多，所以，在地下工程的建设中，不得不对抗浮问题引起足够大的重视。
论文作者:赵洪叶
论文发表刊物:《基层建设》2016年5期
论文发表时间:2016/6/27
标签：承载力论文; 浮力论文; 锚杆论文; 锚固论文; 结构论文; 底板论文; 荷载论文; 《基层建设》2016年5期论文;