常兴兵，蔺立安，陈少康
(陕西中安工程管理咨询有限公司,陕西 宝鸡 721004)
0 引言
随着城镇化逐步推进和发展,地上可利用空间越来越紧张,专家和学者们开始重视如何更加高效地利用地下空间。当基坑开挖深度较深、地下水位较高时,基础底板以及上部结构(包括回填材料、设备基础及设备等)自重不足以抵消地下水的上浮力时,抗浮设计方案选择和抗浮稳定性验算显得尤为重要。抗浮设计不合理很可能造成基础底板开裂渗水、底板变形等质量隐患,从而危及工程安全。工程上抗浮治理措施类型有多种,但根据工程实际经验,非预应力抗浮锚杆具有技术上安全可靠、经济上合理、施工便捷的特点,因此,在条件满足的情况下基本都采用抗浮锚杆解决地下水上浮力的破坏。
1 工程概况及工程地质条件
1.1 工程概况
该工程为某医院内科综合楼项目,总建筑面积40 887.21 m2(其中地上30 960.16 m2,地下9 927.05 m2),地上15层,地下2层,建筑高度65.70 m,框架剪力墙结构形式,设计使用年限50 a。主楼采用梁板式筏形基础、筏板厚600 mm,裙房采用钢筋混凝土条形基础+防水板,防水板厚400 mm。
1.2 工程地质条件
根据地勘报告,场地主要由杂填土、耕土、粉质黏土、细砂、中砂、粗砂、砾砂、圆砾、卵石及晚新近纪上新世(N2)砾砂(半成岩)等组成。场地勘察期间地下水稳定水位埋深介于6.4 m～7.4 m,相应地下水位标高介于540.26 m～541.01 m。水位年变化幅度1.0 m～2.0 m。坑底标高-11.97 m(537.13 m),现地面标高约548.00 m,基坑实际开挖深度约10.87 m。由于结构荷载总和不能抵消地下水浮力,故设计采用抗浮锚杆加固技术对其进行处理。
各地层划分及岩性特征见表1[1]。
表1 各地层划分及岩性特征
2 抗浮锚杆定义及设计理念
2.1 抗浮锚杆定义
根据《建筑工程抗浮技术标准》规定,抗浮锚杆是指锚固在地基中与地下结构底板共同承担地下水浮力的抗拔构件,这里地下水浮力主要包括静水位差产生的浮力、承压水水头产生的浮力和渗透压力产生的浮力之和。
2.2 抗浮设计理念
抗浮设计中主要是利用基础及上部结构自重、放置在结构上各种固定设备自重、回填材料自重及抗浮构件的抗拔力等各种抗浮总荷载抵抗地下水浮力,应进行抗浮稳定性验算。建筑工程抗浮稳定性应符合:
其中,G为建筑结构自重、附加物自重、抗浮构件抗力设计值总和,kN;Nw,k为浮力设计值;Kw为抗浮稳定安全系数,取值与抗浮工程设计等级有关(具体参考规范)。
抗浮工程设计耐久性年限不应小于工程设计使用年限,抗浮设计包括抗浮稳定性验算、措施选择、抗浮构件承载力验算、耐久性和构造设计、抗浮构件性能试验、施工质量验收标准与监测维护等内容[2]。
3 本项目抗浮治理方案选择及设计
3.1 抗浮治理措施选择
工程上抗浮治理的措施有多种类型和方法,但各种方法的适用条件存在差异,通常包括排水限压法、泄水降压法、压重抗浮法、结构抗浮法、锚固抗浮法等。
依据规范要求和已确定的抗浮设计等级,结合岩土工程勘察报告地层分界及物理力学特性、抗浮稳定性验算、建筑场地周边环境以及施工条件的制约因素等综合考虑,进行技术经济比选后,初步确定采用锚固抗浮法。
常见的锚固抗浮法有抗浮锚杆(预应力和非预应力)、抗浮桩等,根据项目地层条件、结构底板变形控制、施工便利性、锚杆工作特性和适用条件,结合实践经验,选用全长黏结性锚杆比较合理,既不影响建筑物使用功能,且后期维护相对简单。
3.2 抗浮锚杆设计
该项目建筑总平面布置规则单一,平面上大体呈长方形,因此,采用网状均匀布置,依据《建筑工程抗浮技术标准》及有关设计规范,对锚杆设计承载力、锚杆截面面积、锚固长度、稳定性及锚固体裂缝等验算后,确定锚杆设计参数具体如下:
1)设计抗浮锚杆成矩形布置,共计1 666根,间排距1 600 mm,钻孔孔径150 mm,抗浮锚杆采用HRB400三级钢,长度L=5.0 m,一般锚杆为2根直径25 mm和2根直径22 mm的钢筋组成,检测锚杆为4根直径均为25 mm的钢筋组成,设计抗拔承载力特征值为180 kN。
2)锚杆构造设计(见图1)。固定用直径40 mm壁厚2.5 mm的圆钢管与纵向钢筋点焊,焊接长度100 mm,间距1.5 m(焊接间距)。对中支架采用HRB400直径为12 mm的4根钢筋,间距不大于4 m,且不少于三道。孔内锚固采用强度等级为M30的水泥砂浆,水灰质量比0.45,注浆压力0.5 MPa。
锚杆顶部防水构造:以抗浮锚杆为中心650 mm范围内涂刷水泥基渗透结晶两遍,厚度大于1 mm,涂刷均匀;在孔口处用防水砂浆做成圆柱状包裹杆体,与防水保护层厚度同高,锚杆加设橡胶止水环;防水砂浆周边涂刷聚氨酯密封膏。
4 抗浮锚杆施工技术
4.1 工艺流程
根据现场施工条件、锚杆工程量、现场配电容量、机械设备施工效率和工期要求,配置跟管钻机3台,防止钻孔塌孔采用套管护壁钻进,安放锚杆,注浆泵注浆后拔出套管,补灌浆液。具体工艺流程为:锚孔定位→钻机就位→套管跟进钻孔→清孔→锚杆下放→浆体灌注→拔出套管→二次浆体补灌→检查验收。
4.2 抗浮锚杆施工质量技术要点
1)钻孔定位:按设计图示尺寸位置定位放线,严格控制放线偏差,不得超出±50 mm范围。2)钻机就位应准确可靠,安放稳固,调整钻杆垂直,钻孔套管直径应满足设计孔径要求,孔径偏差不大于20 mm,钻孔深度应符合设计及规范要求,用高压水冲出孔底成渣。3)抗浮锚杆加工制作:一般锚杆采用直径分别为25 mm和22 mm的三级螺纹钢各2根,检测锚杆为4根直径25 mm的三级螺纹钢,锚杆与注浆钢管之间采用电焊固定,锚杆弯锚入地下室底板>15d+0.4La(La=40d)。杆体上焊接不少于三道对中支架,确保锚杆居中且浆液充分包裹杆体。4)安装锚杆:安装锚杆之前,需要经监理验收合格,确定抗浮锚杆加工制作质量和长度符合设计及规范要求。将验收合格的锚杆插入孔内,等待浆体制作和注浆。5)浆体制作:采用强度等级为M30的水泥砂浆或水泥净浆,水灰质量比0.45,搅拌均匀,搅拌时间不得少于1 min。6)抗浮锚杆注浆:用灌浆泵通过注浆管向孔内注浆,注浆管先插入孔底,然后向上拔出约50 mm～100 mm开始注浆,应保证连续注浆,当浆液溢出孔口时,利用钻机拔出套管,注浆时注意液面情况,发现注浆液面明显下降时,将注浆管立即插入液面30 cm以下,并立即补灌浆液,保证灌满。7)试块制作:根据现场质量控制及试验室要求,建设单位、监理单位及施工技术人员商讨确定每30根锚杆做1组试块,当一个台班锚杆施工数量不足30根时,做1组,每组取6块,养护龄期不少于28 d。8)抗浮锚杆质量检验与验收标准应符合表2的规定。
表2 抗浮锚杆质量检验与验收标准
4.3 实施效果检查
该项目具体实施效果检查主要从3个方面考察:1)抗浮锚杆拉拔试验;2)抗浮锚杆浆体强度值;3)锚杆注浆饱满度。
该工程抗浮锚杆共1 666根,按5%数量抽检,共拉拔试验84根,锚杆施工完成28 d后进行,采用分级加载的方法,依据设计图纸及设计技术说明,本次试验最大荷载取360 kN(设计承载力特征值2倍),按最大荷载值的10%,30%,50%,70%,80%,90%,100%施加荷载,并依据规范中抗浮锚杆性能试验要点规定,测读锚头位移量。经过抗拔试验检测数据整理分析,抗拔力满足设计要求。
浆体强度采用留置试块,轴心抗压强度试验,满足设计M30强度等级要求。
抗浮锚杆注浆密实度检测按照《锚杆锚固质量无损检测技术规程》的规定,抽样率按锚杆总数的10%且每批不少于20根,共抽样167根,注浆饱满度符合规范要求。
5 存在问题分析及建议
1)由于地下水受季节变化和环境条件的影响,地下水位随之变化,且地下水动力特点比较复杂,因此,浮力并不全是静水压力,浮力计算比较困难,为了便于计算,国家部分标准和国内工程实例抗浮计算大多数采用静水压力[3-4],忽略了渗透压力。此外,地下水位观测的准确性是影响抗浮计算的关键因素,在勘察阶段应准确详实记录地下水变化情况。
2)由于地下水浮力的作用,在地基与基础分界面处,容易形成细微裂隙,地下水通过细微裂隙长期侵蚀锚杆很容易造成锚杆锈蚀,应该在地基与基础分界面上下一段长度范围内涂刷环氧树脂进行防腐处理[5]。
3)抗浮锚杆施工完成后才进行筏板施工,因此,在筏板施工吊装钢筋过程中容易碰撞锚杆,使抗浮锚杆锚固体受到扰动和产生细小裂缝,造成锚杆锈蚀、耐久性降低。解决该问题的有效途径是做好事前控制,在基坑底板设置转料平台,塔吊将筏板钢筋转运至转料平台上,然后人工搬运筏板钢筋。
4)实际工程中往往忽视了抗浮工程监测和维护工作,依据JGJ 476—2019建筑工程抗浮技术标准,对于抗浮设计等级为甲级的工程,应该按规定的监测项目,布置测点和监测仪器与设施,为工程使用管理部门提供必要的抗浮监测数据。
6 结语
1)通过工程实践证明,非预应力抗浮锚杆具有技术可行、经济合理、施工方便等优点,在具体工程选用时,要结合工程地质条件和建筑荷载、地下水浮力综合考虑,既要满足抗浮设计,又要节省工程造价。
2)抗浮设计中应充分考虑锚杆顶部防水细部构造做法,是解决抗浮锚杆使用耐久性和防渗漏问题的关键。
