抗浮锚杆在玻璃工厂大型地坑中的应用探究

武学文 何永新 薛颖 智珮蒂

（秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛 066000）

0 引言

联合车间是玻璃工厂中非常重要的建筑物，而熔化工段更是联合车间的核心所在。在玻璃工厂联合车间熔化工段的建筑方案设计中有一层方案和二层方案之分。虽然二层方案能够在建设期节约土建成本，但在运营期却增加了产品及原材料垂直运输的费用以及相应的管理成本。一层方案在生产工艺方面有其特有的优势。现阶段建设单位更倾向于选择一层方案。大型地坑在此背景下应运而生，其深度5～15 m不等，长宽尺度为60～120 m。

熔化工段上部采用轻型门式刚架，下部采用的混凝土结构楼面大面积开洞，开洞面积甚至占到整个楼面面积的50%以上。结构本身的竖向荷载较小。在滨海地区、南方多雨地区以及因局部地形导致的地下水水位较高的部分厂址，勘察报告提供的抗浮水位较高。结构设计时建筑物的抗浮问题显得尤为突出。受限于结构形式以及工程造价等因素，玻璃工厂的这类大型地坑尤其适合采用抗浮锚杆方案。抗浮锚杆方案也同样适用于其他地下交通工程、单建式地下室、带地下室裙房等工程。本文仅以玻璃厂大型地坑为例进行论述，供同行参考。

1 抗浮锚杆受力特征分析

近年来，因地下水水浮力引发的工程事故并不鲜见。这些可能与结构设计人员对地下水作用理解不透、抗浮设计概念模糊，对抗浮构件工作原理不熟悉有关。为了更好地应用和设计抗浮锚杆，需要对抗浮锚杆的工作原理有清晰的认识。

1.1 抗浮锚杆工作原理

抗浮锚杆工作原理示意见图1［1］。

图1 抗浮锚杆工作原理示意图

根据阿基米德原理，结构物的地坑位于抗浮设防水位以下的部分将产生向上的浮力。当结构的自重不足以抵抗地下水产生的水浮力时，基础底板将产生向上移动的趋势。由于锚固体通过锚杆杆体牢固地与基础底板连接，锚固体和杆体也将产生上移趋势。周围岩土体对锚固体有约束作用，在这种约束的作用下，锚杆不能有效上移。这种情况下锚杆受到均匀的向上荷载作用，即为锚杆受到的拉拔力。

抗浮锚杆受到向上的拉力作用后，荷载先通过第一界面传递至与锚杆杆体相连的锚固体。同理，锚固体再通过第二界面将荷载传递至其周围的岩土体。抗浮锚杆的破坏机制主要有以下三种：①抗浮锚杆杆体破坏，即通常我们所说的杆体材料拉断；②抗浮锚杆杆体与锚固体（第一界面）的剪切破坏，锚杆杆体被拔出而锚固体没有破坏；③锚固体与岩土体界面（第二界面）间的强度破坏，锚固体与岩土体相互分离被拔出，但杆体与锚固体之间未破坏。

1.2 抗浮锚杆应用

抗浮锚杆在我国的应用历史大约30年，20世纪80年代后期才开始在多个行业应用。为了拓展城市空间，开发利用地下空间成为城市发展的必然趋势。地下室、地下车库、地下商业综合体等在面临抗浮问题时均有使用抗浮锚杆的实例。

抗浮锚杆有很多不同的分类方法。

（1）按照锚固长度可划分为集中锚固类和全长锚固类锚杆。锚固装置或杆体只有一部分和锚孔壁接触的锚杆，称之为集中类锚杆；锚固装置或杆体全部和锚孔壁接触的锚杆，称之为全长类锚杆。

（2）按是否施加预应力可分为预应力锚杆和非预应力锚杆。非预应力锚杆与预应力锚杆相比，其控制变形能力弱，但施工简便、造价低廉。

（3）按杆体材料的性质可分为钢筋锚杆和纤维增强复合材料（FRP）锚杆。

综上分类，结合玻璃工厂建设需求，地坑抗浮锚杆拟采用全长粘结型非预应力钢筋锚杆。

2 抗浮锚杆的设计

2.1 荷载导算、抗浮锚杆设置

某玻璃厂熔化工段抗浮工程等级乙级，地坑基础底标高－8.000 m（室内外高差0.200 m），筏板厚度1200 mm，其上覆土615 mm。因熔化工段楼板大开洞且上部恒载较小，此处不予考虑。勘察报告提供的抗浮设防水位为室外地面下1 m。锚杆拟采用矩形分布式布置，这可使底板受力更小和更为均匀，变形及裂缝控制更为理想。

锚杆初步设计拟采用HRB400钢筋，锚固体直径取为200 mm。多本现行规范要求锚杆间距不应小于1.5 m，而JGJ 476—2019《建筑工程抗浮技术标准》要求锚杆间距不小于8倍锚固体直径，该工程综合取1.6 m。规范要求拉力型锚杆注浆体强度不低于M20，也有要求不低于M30的。考虑本工程抗浮工程等级为乙级，需按裂缝控制进行设计，取M40。

基底以下为第2层黏土层，灰黄、褐黄色，硬塑状，无摇振反应，断面光滑，干强度及韧性中等。下部含砾石、风化岩碎片，成分以石英质为主。该层大部分钻孔未揭穿，最大揭露厚度19.60 m。初步估计锚杆全长将位于该土层内，地质条件简单。锚固体与土层间粘结强度标准值qsia在一次常压注浆时为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）

作用基本组合条件下锚杆承担的荷载标准值：Nt＝ （1.35Fw－W）×ab＝（1.35×68－40.52）×1.6×1.6＝131.28（kN），取135 kN。抗浮锚杆抗拔承载力特征值Nka与 Nk锚杆拉力标准值等同：Nka＝ （1.05Fw－W）×ab＝（1.05×68－40.52）×1.6×1.6＝79.05（kN）。

式中：gw、 gc、 gs——水、钢筋混凝土、覆土的重度，kN/m3；

Dhw——抗浮设防水位与地下结构底板底面地下水位差值，m；

h1、 h2，a、b——基础底板、底板上覆土厚度，锚杆布置纵向、横向间距，m。

2.2 锚固长度计算

现行与抗浮锚杆有关的设计规范有：GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》（以下简称《地基规范》）、GB 50086—2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（以下简称《锚喷规范》）、JGJ 476—2019《建筑工程抗浮技术标准》（以下简称《抗浮标准》） 、CECS 22：2005《岩土锚杆(索)技术规程》（以下简称《锚索规程》）。由于《地基规范》关于土层锚杆条文较少，故主要比较后三种规范。

尽管各规范和标准对锚杆设计的表述不尽一致，但均对锚杆的3种破坏机制进行了验算。《抗浮标准》中的Nt作用基本组合条件下锚杆承担的荷载标准值与《锚索规程》中的Nt单元锚杆的轴向拉力设计值应为同一概念的不同描述，等同于《锚喷规范》里的Nd锚杆拉力设计值。不同规范锚固长度的计算方法见表1。

表1 各标准关于杆体配筋及锚固长度的计算公式

依据表1中的公式计算的锚杆杆体配筋量及 锚固体长度见表2，重要参数取值列于备注栏。

表2 各标准杆体配筋及锚固长度的计算结果

当锚杆杆体工作应力大于杆体抗拉强度的60%时，易在高拉应力作用下引起筋体的应力腐蚀，设计时注意控制配筋面积。破坏机制2一般不控制锚杆锚固段长度，这可能也是《抗浮标准》没有提出验算公式的原因。破坏机制3下《锚喷规范》所得长度偏短，《锚索规程》在6～10 m长度时与《抗浮标准》相同或接近，大于10 m时偏大，小于6 m时则偏小。

2.3 群锚效应

与群桩效应类似，抗浮锚杆则存在群锚效应。在锚杆群中，单根锚杆的抗拔力分布存在不均匀现象。整群锚杆的承载能力总是低于单根锚杆承载力加和。有研究表明，整群锚杆中的单根锚杆极限抗拔承载力要下降30%～40%。在设计时应注意验算群锚效应下的整体稳定。群锚效应锚杆抗拔承载模式示意见图2。经验算本工程Kf抗浮稳定安全系数为1.45≥1.05，满足要求。

式中：a、b——锚杆布置纵向、横向间距，m；

j——岩土体平均内摩擦角，此处取30°；

H——锚杆总长度，m；

gk、 Ww、G、F——破裂体内岩土体平均浮重度标准值、破裂体内按浮重度计算的岩土体自重荷载标准值、结构自重及永久荷载标准值、地下水浮力标准值，kN。

图2 群锚效应锚杆抗拔承载模式示意

2.4 裂缝或抗裂验算

抗浮设计等级为乙级工程，按裂缝控制进行设计；丙级的工程按允许出现裂缝控制。乙级工程非预应力锚杆应满足下式要求：

荷载效应标准组合下正截面法向应力：

式中：A0——换算截面面积，mm2；

ftk——注浆体轴心抗拉强度标准值。

2.5 构造要求及其他

在满足地下结构整体抗浮稳定的基础上，还需考虑抗浮锚杆的布置形式可能影响结构底板的受力和变形。锚杆的间距应满足不小于8D且不小于1.5 m的要求，这是避免群锚失效确定的参数。在黏性土中普通拉力型锚杆群锚拉试验结果表明，当锚杆锚固体间距为8D时，其抗浮力有效系数一般不小于0.97。锚固体长度大于8 m时，应将锚固段在深度方向上错开设置。

3 承载力试验与检测

锚杆试验有基本试验和验收试验之分，两者的根本区别在于试验目的不同。基本试验的目的是为设计提供依据，验收试验是为检验施工质量及是否满足设计要求。现有标准对最大试验荷载的表述也不近相同，设计人员在确定锚杆的最大试验荷载时也出现了很多困惑。

3.1 试验荷载对比

试验最大荷载按《锚喷规范》、《抗浮标准》、《锚索规程》确定依次为1.2倍锚杆拉力设计值、1.5倍轴向拉力设计值、1.5倍轴向拉力设计值。

表3 各标准最大试验荷载比较

《地基规范》附录Y对验收试验最大荷载的规定，最大试验荷载按0.85倍杆体承载力设计值确定。该数值相对其他标准，在配筋量的控制上为最大值。建议在设计时尽量满足附录Y的配筋要求，毕竟配筋面积的增加对提高耐久性是有利的。

3.2 试验荷载探讨

在抗浮锚杆设计的过程中发现，在某些工程实例中，按各标准取定的最大试验荷载可能会超过锚杆的极限抗拔承载力标准值，对于基本试验是合适的，但如果验收试验的最大试验荷载超过了极限抗拔承载力标准值，试验过程中存在锚杆被拔出的风险。设计时宜注意用最大试验荷载作为极限抗拔承载力标准值按《抗浮标准》的公式进行验算。

4 结语

抗浮锚杆抗浮措施相较其他抗浮方案，具有施工简便，单点受力小，可有效节约建设成本等优势。当然，抗浮锚杆也存在着耐久性不足、防水要求高等缺点。工程实际应用时还需注意以下几点：

（1）《抗浮标准》对抗浮设计有针对性，设计概念明确，构造措施考虑周全。以此为依据进行抗浮设计能保证结构具有一定的安全储备和适度的可靠性。规范能够适应现阶段的工程应用需求和社会经济发展。锚杆杆体与锚固体之间的剪切破坏在计算锚固体长度时一般不起控制作用，但在应用《抗浮标准》时仍宜对此进行校核。

（2）抗浮锚杆的耐久性问题仍然是未来亟需解决的难题之一，尤其应注意其在腐蚀环境下应用的耐久性。在技术上可以通过采用环氧树脂涂层钢筋、增加钢筋配置量、采用新型耐腐蚀杆体材料、控制锚固体拉应力、采用压力型锚杆等措施来保证耐久性。

（3）设计人员应提高对锚杆传力机制的理解。锚杆受力时，沿锚固段全长的粘结应力分布是很不均匀的。当锚杆锚固长度超过一定值（与岩土介质的弹性模量有关），锚杆承载力的提高极为有限，甚至可以忽略不计。这与设计人员的感观认识可能不太一致。在地下水位变动的反复荷载作用下，承载力会有所降低。

（4）试验与检测应注意区分基本试验和验收试验。锚杆的最大试验荷载在依据规范确定的同时，注意其不应超过极限抗拔承载力。