压力型预应力抗浮锚杆逆作施工技术及在腐蚀性承压水地层中的应用.pdf

134Industrial Construction Vol.41，No.5，2011工业建筑2011 年第 41 卷第 5 期檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸殠殠殠殠工程实录压力型预应力抗浮锚杆逆作施工技术及在腐蚀性承压水地层中的应用柳建国杨宝森陈国强武思宇(中冶建筑研究总院有限公司，北京100088)摘要:介绍压力型预应力抗浮锚杆逆作施工技术在太原万达广场酒吧街工程中的应用。压力型预应力抗浮锚杆受荷后其固定段内的灌浆体处于受压状态，故不易开裂，具有良好的耐久性。同时抗浮锚杆布置灵活，锚固效率高，有利于底板均匀受力。在承压水较大的情况下，通过预先打入钢管穿透承压水层以隔水隔砂，有效解决承压水对抗浮锚杆施工的不利影响，采取有效措施进行管缝间止水处理及节点防水处理，防止了渗水漏水现象的发生，取得了良好的效果。最后对逆作施工抗浮锚杆技术进行了探讨。关键词:抗浮锚杆;抗浮;地下水;逆作法TOP-DOWN CONSTRUCTION METHOD OF PRESSURED GROUTPRESTRESSED ANTI-FLOATING ANCHOR AND ITS APPLICATIONIN THE CORROSIVE CONFINED WATER SOIL LAYERSLiu JianguoYang BaosenChen GuoqiangWu Siyu(Central Research Institute of Building and Construction Corporation Limited，MCC，Beijing 100088，China)Abstract:The top-down construction method of pressured grout prestressed anti-floating anchor used in TaiyuanWanda Plaza was introduced This kind of anchor posesses of good durability when beared compression so that theanchor fixed length was not easy to crack In the meanwhile，the flexible arrangements and high anchoring efficiencywere good for the even stress of foundation plate In this project，the influnce of confined water was successfullyremoved by driving steel pipes into the layer，with which the abundant confined water was cut off and running sandwas separated Several kinds of measures were taken to prevent ground water from leaking into the basement and itwas proved to be in good effectAt the same time，top-dowm construction method of anti-floating anchor wasdiscussedKeywords:anti-floating anchor;anti-floating;underground water;top-down method第一作者:柳建国，男，1964 年出生，教授级高级工程师。E mail:ljg2000 sina com收稿日期:2010 09 15近年来，随着城市建设的发展，高层、超高层结构及大跨度空间结构得到越来越多的应用。高层、超高层结构普遍采用主楼及裙房整体地下室结构，且地下室埋深越来越深;大跨度空间结构往往有大面积区域存在地下水浮力的问题。国内外已有因水浮力处置不当而引起的事故，建筑物的抗浮问题已逐渐引起各地重视。目前，建筑物抗浮方法主要有降排地下水法、隔水法、压重法、抗浮桩、抗浮锚杆及其他结构抗浮措施1。其中降排地下水法适合于水量不大的情况，且需要长期控制和维护;隔水法费用较高，地层适用性有限;压重法通过增加结构自重、增加上覆土层厚度及设置压重材料来抵抗水浮力，工程造价偏高，需要加大基础埋深，且抗浮能力有限;抗浮桩抗浮能力较大，但是在正常使用状态下，抗裂要求不易满足，受力钢筋容易腐蚀，对防水和耐久性要求很高，且在低水位工况需要考虑反向受力情况;而抗浮锚杆抗浮能力强，可视基础底板厚度布置在基础地梁上或基础底板上，布置方式非常灵活，基础底板均匀受力，受力性能非常好，同时对各种地层的适应能力很强。近年来，抗浮锚杆已在越来越多的工程中得到应用2 4，其工程效果及优势日益凸现。压力型预应力抗浮锚杆逆作施工技术及在腐蚀性承压水地层中的应用 柳建国，等135目前，传统抗浮锚杆施工工艺为先施工抗浮锚杆，后施工基础底板及防水层，最后张拉锁定。抗浮锚杆张拉锁定完成以后，再由下而上施工主体结构。这种工艺程序简单，质量容易控制，应用广泛。而采用逆作施工技术施工抗浮锚杆，虽然在国内应用不多，但是与传统施工工艺相比，有着独到的优点。逆作法的施工顺序是先施工基础底板，在锚杆设计位置处预留孔口，然后再施工抗浮锚杆;同时进行上部主体结构的施工;抗浮锚杆施工完毕后张拉锁定，而上部主体结构的施工可以不间断持续进行。这样使得建筑物上部结构的施工和地下基础结构施工立体平行作业，明显缩短施工工期。采用逆作法内撑体系由地下室楼盖代替，在增加侧向支撑刚度、减小周边建筑变形的同时，可省去大量临时支撑费用。由于是在封闭地表下作业，故极大限度地减少了建筑扬尘，且噪音污染也大大降低。由此可见，逆作法在施工工期、工艺特点、经济效益及环境效益方面有着独特的优势。在技术方面，与传统技术不同的是，逆作法需要合适的支撑高度以满足施工机械运行时工作空间的要求，同时需要保证预留孔的铅垂度以避免锚杆在土体深部斜交。工程实际表明，通过设计时的充分考虑，以及对施工质量的严格控制，是可以满足逆作法的技术要求。本文介绍太原市万达广场酒吧街小剧场工程的抗浮设计案例，为抗浮锚杆逆作施工提供参考经验。1工程概况太原万 达 广 场 酒 吧 街 小 剧 场 拟 建 建 筑 面 积30 000 m2，东西长 224.0 m，南北宽 108.0 m，地上2 3 层，地下 1 层，建筑高度 8.3 13.0 m，框架结构。酒吧街小剧场升降舞台为本项目中的一个单体，设计 0.000 标高相当于绝对标高 787.300 m，基础底板厚 1 400 mm，基底标高 775.92 m。万达广场酒吧街小剧场平面及典型剖面如图 1、图 2 所示。图 1万达广场酒吧街小剧场平面Fig 1Plan of small theater in the bar street of Wanda Plaza图 2万达广场酒吧街小剧场典型剖面示意Fig 2Typical profile of small theater in thebar street of Wanda Plaza2工程地质、水文地质条件2.1工程地质条件场地地基土沉积时代成因类型自上而下主要由第四系全新统新近人工堆积层及第四系全新统河流相冲、洪积层组成，岩性以人工填土、粉土、粉质黏土、砂类土为主。基础底板以下各土层如表 1 所示。表 1土层工程地质特征Table 1Geological characteristics of soil layers岩土层号土层名称土层描述平均厚度/m极限侧摩阻力标准值/kPa压缩系数a1 2/MPa压缩模量Es1 2/MPa1细砂饱和，稍密3.24400.18919.322粉土饱和，中密2.61560.1829.44粉土饱和，密实3.32580.2239.31细中砂饱和，中密1.85500.19036.79粉土饱和，密实5.45600.2227.54细中砂饱和，中密1.30550.19242.63粉土饱和，密实 3.5600.2209.24基础底板以下典型地质剖面如图 3 所示。2.2水文地质条件场地地下水类型为:首层地下水为孔隙潜水，含水层为第 层、主要靠大气降水及侧向径流补给;第层粉土以下为承压水，其含水层主要为第层、第层砂类土，主要靠侧向径流补给;以第层、第层粉土为相对隔水层。勘察期间测得场地水位埋深在现在地面下 2.70 8.80 m，稳定水位标高在782.05 783.38 m。上部潜水位与下部承压水水头相近。该场地地下水与龙潭湖水体水力联系密切。根据山西省太原市地下水动态观测报告，汾河冲洪积平原区每年 12 月至次年 1 月为枯水期，7 9月为丰水期，水位随季节变化幅度约 1.0 m 左右。136工业建筑2011 年第 41 卷第 5 期1基础底板图 3典型地质剖面Fig 3Typical geological profile小剧场基底标高为 780.10 m，位于地下水位以下，由于拟建场地紧邻龙潭公园湖水，根据场地岩土工程条件，并结合地形地貌、地下水的补给、排泄等条件及周围已有的勘察资料，按 JGJ 722004高层建筑岩土工程勘察规程 第 7.1.1 条分析考虑5，拟建场地地下水抗浮设计水位可按标高 783.93 m采用。地下水对混凝土结构按具中等腐蚀性考虑，对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性。3抗浮锚杆设计3.1抗浮方案选择抗浮方案的选择是根据场地工程地质及水文条件、总体施工进度综合考虑后得出的。设计院首先考虑了配重法及抗浮桩。配重法拟加大结构自重，加深地下室深度及基础底板厚度。但是配重法存在以下问题:1)在不牺牲地下空间的前提下，基坑开挖深度至少需增加 1.5 m，基础底板厚度随之增加1.5 m。而场区承压水头高达 2 m，超挖 1.5 m 安全不易保证，且耗时较长。2)按设计功能，该地下空间为舞台区，使用配重法会加大结构自重，影响构件尺寸，牺牲部分使用空间，影响建筑设计功能。由于甲方对绝对工期的要求甚严，同时因地下水位过高，降水效果有限，配重法会牺牲一定的使用空间，影响建筑设计功能，故经权衡未采纳。之后，设计院考虑了抗浮桩方案。经过分析，存在以下问题:首先，抗浮桩直径较小，在高承压水头场地内施工，施工质量不易保证;其次，基础底板位于水位波动段，抗浮桩在低水位时可能变为反向受压状态。由于桩的抗压刚度很大，此时会加大小剧场同周围建筑的差异沉降6 7;另外，抗浮桩抗裂计算很难满足，钢筋容易锈蚀，耐久性较差。为了满足建设方对绝对工期的要求，在不影响建筑功能设计的前提下，我方建议采用压力型预应力抗浮锚杆技术，并采用逆作法施工，主要优点有:1)抗浮锚杆单向受拉，受力性能良好，利于基础与结构的变形协调。布置灵活，基础底板受力均匀合理。2)抗浮锚杆杆体材料采用无粘结预应力钢绞线，有油脂、聚乙烯护套保护，同时注浆体处于受压状态不易开裂，形成多重防腐保护，提高锚杆耐久性。3)地下空间允许施工机械施工，同时所采用的施工机械调整灵活，可在地下空间内柱边及降水井周围小范围多角度灵活施工，保证施工质量。4)采用逆作法时，基础与上部主体结构立体平行施工，基础的施工不占用上部主体结构施工时间，从而有效节省工期。通过综合比较、分析，设计院和建设方采纳了我方建议，同意将压力型预应力抗浮锚杆逆作施工技术应用到本工程当中。3.2设计方法及步骤本工程抗浮设计水位为绝对标高 789.93 m，基底标高 775.92 m，地下室抗浮处理面积 765.3 m2。设计院提供的该部分结构平均自重为 25 kPa。3.2.1材料特性钢绞线抗拉强度标准值:1 860 MPa;C30 混凝土轴心抗压强度标准值:20.1 MPa;C30 混凝土轴心抗拉强度设计值:1.43 MPa。3.2.2杆体截面计算锚杆杆体截面面积按式(1)确定:AsKtNtfptk(1)式中:Kt为锚杆筋材抗拉安全系数，取 1.8;Nt为单元锚杆轴向拉力设计值，kN;fptk为钢绞线强度标准值，kPa。根据计算，As145 mm2，故采用2 根12.7 钢绞线，实际杆体截面积 197 mm2。3.2.3注浆体承压面积验算压力分散型锚杆锚固段灌浆体承压面积应按式(2)验算:KpNt 1.35Ap(AmAp)0.5 fc(2)式中:Kp为单元锚杆锚固灌浆体局部抗压安全系数，取 2.0;Ap为单元锚杆承载体与锚固段灌浆体横截面接触面积;Am为锚固段灌浆体横截面积;为压力型预应力抗浮锚杆逆作施工技术及在腐蚀性承压水地层中的应用 柳建国，等137有侧限锚固段灌浆体强度增大系数，取 2.0;fc为锚固段灌浆体轴心抗压强度标准值。因 为 KpNt=300 kN，1.35ApAmA()p0.5 fc=378 kN，满足式(2)要求，故注浆体承压面积验算符合要求。3.2.4锚固段长度计算单元锚杆的锚固段长度可按式(3)计算:LaKNtDfmg(3)式中:K 为锚杆锚固体抗拔安全系数，取 2.0;La为单元锚固段长度，m;fmg为锚固段灌浆体与地层间粘结强度标准值，根据地质情况取 75 kPa;D 为锚杆锚固段钻孔直径，m;为锚固长度对粘结强度的影响系数。计算表明，锚固段 La应不小于 9.79 m，实际取单元锚固段长度 10.0 m。5)底板抗冲切验算。底板抗冲切验算可按式(4)进行:Fl 0.7hftUmh0(4)式中:Fl为局部荷载设计值;h为截面高度影响系数，根据底板厚度 1 200 mm，插值计算得 0.98;ft为混凝土轴心抗拉强度设计值;Um为临界截面的周长;h0为截面有效高度;1为集中反力作用面积形状的影响系数，经计算得 1.6;2为临界截面周长与板截面有效高度之比的影响系数，经计算得 1.03，则 取 1.03。由式(4)验算表明，底板抗冲切验算同样满足要求。3.3抗浮锚杆设计主要参数本文按第 137 号钻孔资料(最不利情况)进行设计。主要设计参数为:1)杆体长度 16.0 m，锚固长度15.0 m，直径 130 mm。2)水泥采用 P O42.5，水灰比0.45，水 泥 浆 强 度 等 级 为 M35。3)锚 杆 体 采 用212.7 无粘结预应力钢绞线。4)锚杆设计拉力155 kN，锁定荷载 155 kN。5)二次注浆采用高压注浆，注浆压力 2.0 MPa，水泥用量不得低于80 kg/m。抗浮锚杆平面布置及剖面见图 4、图 5。4抗浮锚杆试验抗浮锚杆施工前取 3 根锚杆进行基本试验11，试验结 果 显 示，当 每 根 锚 杆 设 定 最 大 加 载 值 为320 kN时，所有承载体均未被拔出，且每个承载体均未显示出明显的破坏迹象。综合分析得出:锚固体的极限抗拔力为 320 kN;施工结束后，按总数的 5%图 4抗浮锚杆平面位置布置Fig 4Plan of anti-float anchor1锚具;2锚垫板;3止水钢板;4遇水膨胀橡胶;5基础底板;6隔离架 2000;7注浆体 130;8无粘结钢绞线 212.7;9承载体图 5抗浮锚杆剖面Fig 5Profile of anti-float anchor随机抽取 15 根进行验收试验。由于该工程属于永久性锚杆抗浮，故最大验收荷载取为锚杆轴向拉力设计值的 1.5 倍。试验验收结论:受检的 15 根锚杆抗拔力满足设计值 155 kN 的要求。基本试验和验收试验典型拉拔力与锚头位移 曲线见图 6。5逆作法技术要求及难点采用逆作施工技术施工抗浮锚杆，基础和上部结构可以实现平行施工，从而显著缩短工期，同时带来良好的经济效益和环境效益。在本工程中，采用逆作法需满足以下要求:1)逆作法要求施工机械能够在地下室有限空间内正常工作，其施工空间受到地下室层高的限制。2)施工机械需能在小范围内灵活调整，以满足地下空间内柱边、降水井周围及个别斜孔施工要求，保证施工质量。138工业建筑2011 年第 41 卷第 5 期a2 号锚杆基本试验抗拔力 Q s 曲线;b9 号锚杆验收试验抗拔力 Q s 曲线图 6抗浮锚杆基本及验收试验 Q s 曲线Fig 6Typical Q-s curves given by basic tests of anti-float anchor3)保证预留孔铅垂度。铅垂度较差的孔，相邻锚杆可能会在地下斜交，不能保证施工质量。特别是柱边及降水井周围的预留孔更需保证铅垂度，且孔与柱子、降水井的距离至少为 0.5 m。4)在张拉锁定时，宜先从底板中部开始张拉，由中间向四周跳拉，避免基础底板产生较大内力。工程实际表明，在预留孔位置合适、保证孔口铅垂度，施工机械能满足一定要求的前提下，可采用逆作法技术施工抗浮锚杆。6地下承压水的处理技术6.1地下承压水处理抗浮锚杆施工时，小剧场外围 30 口降水井、内部的 2 口降水井超过半数已经被封堵，由于降水不利，致使多处水头超过基础底板约 2 m，导致底板开孔后即发生严重的喷砂冒水现象，施工无法进行。后经分析，基础底板下为 1层细砂，厚度约 1 2 m，地下水非常丰富，水头很高。经过多方反复论证，决 定 采 用 在 现 有 锚 杆 预 留 孔(预 留 孔 内 径157)内，再打入 1 根长度约 3 m 钢管(外直径约152，内直径约 143)穿透厚度约 1 2 m 的1承压水层，在钢管管端以下 500 700 mm 处先刷铅油一道，再缠麻丝，麻丝中间厚两边薄，平均厚度 2 3 mm，以防止水从两钢管间隙中冒出。经过试验，该方法有效消除了承压水带来的不利影响，阻止了水从管缝中冒出，为抗浮锚杆施工创造了条件。6.2节点防水对于抗浮锚杆工程，基础底板与抗浮锚杆所形成的节点处防水处理十分关键。在抗浮锚杆施工时，打入钢管穿透承压水层有效阻止了喷砂冒水，为成孔及注浆创造了条件。但是，随着时间的推移，水会逐渐从两钢管间隙渗出。为此，沿钢管周长将内外钢管焊接在一起防止地下水沿管缝渗入地下室，同时，在节点处采用抗渗水泥予以封堵。待张拉完成以后，将钢罩焊接在钢垫板上，罩内充满黄油防腐防水。最后，在底板上浇筑厚 40 cm 混凝土，将节点埋置其中。通过设置多道防水程序，使得防水效果更为可靠，节点防水构造如图 7 所示。1基础底板;2橡胶垫板;3锚头;4锚杆;5黄油;6钢套盒;7钢垫板;8抗渗水泥;9焊接钢管间隙;10水泥浆;11遇水膨胀麻丝;12166 钢管，壁厚 4.5 mm;13152 钢管，壁厚 9.0 mm图 7抗浮锚杆防水构造Fig 7Waterproof constructional profile of anti-float anchor7工程效果本工程采用逆作法施工抗浮锚杆，在预留孔内打入钢管贯穿承压水层以消除承压水头过高给施工带来的不利影响，同时在管缝和节点处加强了防渗处理。在工程施工期间，管内、管缝间均不喷砂冒水，没有发生一起因地下承压水而引发的工程事故，所有锚杆均顺利施工完毕。工程施工结束后，由防水专业在后续底板施工时进行防水处理，截止目前，没有一起渗水漏水现象发生，防水、止水效果十分明显。8结语1)抗浮锚杆在山西省的应用尚属首次。根据锚杆基本试验及验收试验结果，最大抗拔力均超过(下转第 83 页)大空间快捷改造用槽钢 砖砌体组合梁受弯性能试验研究 张鸿梅，等83加固梁底部短钢筋应变为正值，处于受拉状态，且随着荷载的增大，应变逐渐增大，说明短钢筋在约束砌体开裂和增加槽钢底部横向连接力中起了非常重要的作用，见图 5b。2.3.3跨中截面应变沿截面高度的分布由图 5 可见，侧板受拉区和受压区应变分布基本上呈直线，形状较规则，说明槽钢与砖砌体之间没有产生滑移，且没有明显的内力重分布，受力均匀良好，能够基本符合平截面假定。3结语1)槽钢 砖砌体组合梁在砖混房屋的大空间托换改造中相对传统的钢筋混凝土结构托换改造技术而言，具有非常明显的优势。且在实践工程中已多次尝试使用，并取得了很好的经济效益和社会效益。2)本文通过理论计算、ANSYS 有限元模拟分析和具体试验研究，探讨了槽钢 砖砌体组合梁的受弯性能及破坏特征。研究表明:槽钢 砖砌体组合梁具有承载力大、稳定性好和延性好等优点，可供类似工程参考。3)槽钢 砖砌体组合梁施工方便快捷，周期短，因此，该技术在大空间快捷改造方面，将会有更广阔的发展与应用前景。本次试验受试验条件等限制，仅对 2 000 mm 跨度梁进行了试验研究与理论分析，3 000 mm 或更大跨度时的受力特点及破坏特征还有待进一步的试验研究论证。参考文献 1范夕森 既有砌体房屋改造大开间的结构设计J 工程抗震与加固改造，2008，30(3):105 107.2向晓丹 砌体房屋底层改造加固与应用研究D 武汉:湖北工业大学，2007.3王成祥 混合结构承重砌体房屋部分改造为大空间的作法J 建筑技术，2005，36(9):706 707.4贾强 砖混结构建筑物墙体托换的加固设计J 四川建筑科学研究，2005，31(5):68 69.5黄泽德 建筑加固技术疑难工程案例M 北京:中国建筑工业出版社，2007:46 82.6甘宜山，林琳 砖混结构房屋改造中的拆墙换梁技术J 湘潭大学自然科学学报，2000，22(2):96 98.7程远兵，王三会 两种简易可行的砖墙托换梁J 四川建筑科学研究，2005，31(4):44 47.8熊鸳，胡松 一种用钢结构加固砖混结构的新方法J 成都大学学报:自然科学版，2006，25(2):88 89 93.9张京街，林文修，张国彬 钢结构在砖混房屋抽墙加固中的应用J 工业建筑，2006，36(增刊):1069 1070.10 刘成清，施卫星 型钢框式托换在砖混房屋改造中的应用J低温建筑技术，2009(1):58 59.11 郭华忠，敬登虎 钢板 砖砌体组合结构在砖混房屋大空间改造中的应用J 工程抗震与加固改造，2009，31(5):130 133.12 石磊 钢板 砖砌体组合梁受弯性能的试验与理论研究D南京:东南大学，2009.(上接第 138 页)设计值 155 kN，证明所采用的设计计算方法及相关参数的取值是可行的，为类似工程的设计提供了参考经验。2)逆作施工技术能有效节省工期，有着良好的经济环境效益。通过设计时的充分考虑，施工时严格控制质量，在预留孔位置合适、孔位垂直、施工机械满足一定要求的前提下，采用逆作法施工是可行的。3)抗浮锚杆穿越高水头承压水层时，采用打入钢管穿越承压水层隔水并封堵渗水通道，能够极大地减小承压水对施工的影响，为抗浮锚杆施工创造条件。4)逆作施工技术应用于抗浮锚杆施工在国内不多见，还不够成熟，需要进行大量研究工作及更多工程经验积累。参考文献 1柳建国 建筑物的抗浮设计与工程技术J 工业建筑，2007，37(4):1 5 2贾金青，宋二祥 滨海大型地下工程抗浮锚杆的设计与试验研究J 岩土工程学报，2002，24(6):769 771 3柳建国，等 压力分散型抗浮锚杆技术及其工程应用J 岩石力学与工程学报，2005，24(21):3948 3952 4程良奎 李象范 岩土锚固土钉喷射混凝土 原理、设计与应用M 北京:中国建筑工业出版社，2008:361 368 5GB 500212001岩土工程勘察规范S 6陈国强 压力分散型抗浮锚杆技术在北京第五广场中的应用J 岩土锚固，2009.9:23 28 7曾国机，王贤能，胡岱文 抗浮技术措施应用现状分析J 地下空间，2004，24(1):107 108 8GB 500092001建筑结构荷载规范S 9DL 50771997水工建筑物荷载设计规范S 10 黄琪琪，周健 抗浮锚杆在工程设计中的应用J 土工基础，2008，26(3):1 3 11 CECS 22:2005岩土锚杆技术规程S