某金融中心项目地下车库高压喷射扩大头锚杆抗浮设计.pdf

Jun.20232023年6 月Structural EngineersVol.39,No.3第3 9 卷第3 期师程构结某金融中心项目地下车库高压喷射扩大头锚杆抗浮设计徐洪涛1，余术刚？（1.河南五方合创建筑设计有限公司，郑州4 5 0 0 0 3；2.郑州大学综合设计研究院有限公司，郑州4 5 0 0 0 1）摘要介绍了某金融中心项目大底盘地下车库采用高压喷射扩大头锚杆的抗浮设计的流程。采用有限元分析软件对锚杆拉力、基础底板变形及内力进行分析。分析结果表明，采用高压喷射扩大头锚杆的抗浮设计方案与常规抗拔桩抗浮设计方案相比，可有效降低基础底板水浮力作用效应，基础底板内力和变形分布更加均匀合理，可较大幅度降低基础底板的钢筋用量。关键词地下车库，抗浮设计，高压喷射扩大头锚杆，有限元分析，基础底板Anti-floating Design of Underreamed Anchor by Jet Grouting forUnderground Garage of a Financial Center ProjectXU Hongtaol.*YU Shugang(1.Henan FIVEWIN Architectural Design Co.,Ltd.,Zhengzhou 450003,China;2.Zhengzhou UniversityMulti-functional Design and Research Academy Limited Company,Zhengzhou 450001,China)Abstractt Anti-float design for a large building basement of a financial center project using high pressure jetgrouting anchor with expanded head was introduced in this paper.Finite element modeling was used to analyzethe stretching force of the anchor shaft,as well as the deformation and internal force of the foundation slab.Theanalysis results indicated that,by using the jet grouting anchor,the anti-float effect can effectively beincreased,the distribution of deformation and force within the slab is more reasonable,and the correspondingconsumption of steel bars can strongly be reduced compared with the conventional anti-float design using upliftpile.Keywordsunderground garage,anti-floating design cycle,underreamed anchor by jet grouting,finiteelement analysis,foundation slab0引言随着城镇化的推进，城市用地变得紧张，各类地下空间工程大量建设，单体规模日益扩大。当地下水位较高，建（构)筑物自重不足以抵抗地下水浮力时，整体抗浮问题随之产生。目前抗浮措施主要有抗浮板法、压重法、排水限压法、隔水控压法、锚杆法和锚桩法（抗拔桩)。当抗浮设计水头过高时，传统的压重法和降排截水法便很难满足工程安全及成本控制要求，此时常采用抗拔桩这一抗浮措施，通过桩体自重及桩与桩周土体间的摩阻力平衡水浮力。兼作抗压的抗拔桩通常集中布置在竖向构件的下部，不能直接平衡跨中区域较高浮力，造成基础底板造价大幅增加 2 。岩土锚杆最早出现于1 8 90 年，距今已有1 3 0 多年收稿日期：2 0 2 1-0 4-1 6*联系作者：徐洪涛，男，河南驻马店人，硕士研究生，高级工程师，一级注册结构工程师，主要从事建筑结构选型优化研究。E-mail：2169392180qq.c0m204Structural EngineersVol.39,No.3Study of Design Method的历史 3 ,其作用原理是利用注入到锚杆孔道内的高压浆液向土体间隙渗透扩散固化，形成补强加固的圆柱状土体，通过锚杆与圆柱状土体及圆柱状土体与其周围土体间的摩阻力提供抗拔力（当采用扩大头锚杆时，扩大头前端土体被动土压力也是锚杆抗拔力的重要组成部分）。与常规抗拔桩相比，抗浮锚杆具有单点受力小、基础底板受力均匀合理、造价低、施工便捷等优点，因此应用越来越广泛。近年来地下工程上浮破坏事故频发，其原因是多方面的：勘察单位所提抗浮设计水位不合理、设计单位抗浮措施不合理、抗浮措施施工工艺不当、施工期间地表水未及时疏导外排 4 、基坑周边肥槽回填材料选用不当、极端灾害天气影响（如2021年郑州7 20特大暴雨）等；另外，近年来政府对地下水开采管控力度加大及南水北调工程的开通，地下水位普遍上升，以郑州为例，地下常水位较之前平均上升3 m左右。抗浮破坏形态有局部破坏，如基础底板跨中开裂冒水冒泥浆、柱向上顶升导致顶板梁柱节点破坏，整体破坏表现为结构大面积整体升 5 本文以某金融中心项目地下车库的抗浮设计为例，简要介绍了高压喷射扩大头锚杆的设计流程，重点讨论在锚杆基本试验数据的基础上，确定锚杆抗拔刚度的合理取值。与抗拔桩+承台+防水板方案进行比较，讨论采用有限元分析软件YJK/yjc分析了高水位工况下高压喷射扩大头锚杆拉力大小、基础底板变形、跨中负弯矩分布及基础底板材料用量。本文对相似工程抗浮设计具有一定的借鉴意义1工程概况及岩土工程介绍某金融中心项目包括A、B两个塔楼及其附属三层商业裙房，地下为三层大底盘车库，总用地面积2 0 2 2 6.9m。其中A塔地上3 6 层，地下3 层，主屋面高度为1 5 0 m，顶部有高度约6 8 m的钢结构附属造型，建筑功能集酒店、餐饮、娱乐、办公于一身，结构形式为钢筋混凝土框架-核心筒结构，B塔外形为A塔的缩小版；地下车库负一层高3.9m、负二层及负三层均为3.5 m，柱网尺寸以8.4 mx8.4m为主；0.0 0 0 对应8 5 黄海高程为6 2.95 0 m。项目效果图如图1 所示，地下车库典型剖面如图2 所示。图1 某金融中心项目效果图Fig.1Rendering of a financial center project依据岩土工程报告，场地土类型为中软土，建筑场地类别为类。场地土可不考虑液化影响，拟建场地属对建筑抗震的一般地段。含水层埋藏条件和水理特征为：地下水类型为潜水，近3 5 年较高水位为地表下2.0 m，历史最高水位为地表下1.0m，水位年变化幅度为2.0 m左右，抗浮设计水位对应的8 5 黄海高程取5 9.5 m。典型工程地质部面如图3 所示。基底持力层-0.1500.0001#-0.150三1.6 5 0 1-1.6501.500年王-5.550-5.5501层地下车库1促地下车库-9.0509.050一2 晨地下车库一2 层光下车潮-12.55012.5503层地下车库3民地下车汽6600840084008.40082008.4008.4008400 80009.000900028008000320p84008400122000WM图2 地下车库剖面图（单位：mm）Fig.2Profile of underground garage(Unit:mm)205结构工程师第3 9 卷第3 期设计方法与研究为第6 层粉土（Q4-2），抗浮构件分布在第6 层、第7层的粉质黏土(Q4-2)及第8 层的粉砂(Q+P)层中。本工程高压喷射扩大头锚杆，锚杆设计参数见表1，抗拔桩（钻孔灌注桩)设计参数见表2。典型工程地质面图（下）典型工程地质剖面图（上）比例尺水平1：4 0 0垂真：1:2 0 019元30标38比例尺水平1：4 0 0垂真1:2 0 060.3560.2560.1260(m）60.351960.253060.1238+N-4612.954N-5347.30-12.1548.2012.22:47.90-杂填王D杂填上1057.5250-57.75342.50+N=2457.662十2.5 0-552粉上2粉上粉质黏上10粉质粘上55.05元3054.15+5.80-54.126.00-5+N=26?粉质粘上?粉质黏上56.603.1857.10牛5 6.4 0-50+N-27-48.55:80-48.B511.4049.02+11.10-D粉质黏上D粉质黏上?粉粉上+N-28.45-2.46+62.802.2662.502.4862.60-0m43.35+16.0043.829-16.30-5+N-27细砂2细砂AD粉质黏上粉质黏8.1668.50-B.66+68.90-B.1B+68.3010+N=2B3536.65+.7036.05+24.2035.62+24.50-粉上-15+N=306粉士3粉质上粉质黏上3031.05+29.330.75+29.50元3.0.42.29.70-+N-31粉质黏20+N-32252615-34.8024.85+3550-24,92+35,20-23.3683.60-23.4883,60-?粉砂-25-24.16B4.50+N-522255牛37.7021.92+3B20-+N-62CD细+N-524N-52D细砂20+N-49+N-53T9.06折+N=40-30+N=52+N=53?细砂30.46:90.70细秒(-29,66)90.00(-29.88)90.0015+N-46+N=53-35-12.95-47.30粉质黏上-12.15+48.2012.23247.90-10+N=24-40qc(oPa)rs=gc/100(-39.76)100.00qc(MPa)rs=qc/100(-39.76)100.0055101522025510152025水平间路（m）21.7225.1224.00水平间距（m）21.7225.1224.00水位深度4.B03.903.80水位瓷深度（m）4.B03.903.80标高（m）55.5556.3556.32标高（m）55.5556.3556.32图3工程地质剖面图Fig.3Profiles of engineering geologic表1高压喷射扩大头锚杆设计参数Table1Design parameters of underreamed anchor by jet grouting层号23456789fmglVme/kPa403242355546606820122192311829c/kPa101911201121274表2抗拔桩（钻孔灌注桩）设计参数Table 2Design parameters of uplift pile层号23456789qi/kPa3836423256425878抗拔系数入，0.700.700.700.700.700.700.600.602荷载导算、求解柱网所需抗拔力本项目车库顶板覆土厚度1.5 m，板厚250mm，井字梁楼盖体系，平板式筱形基础+棱台形下柱墩，板厚度为5 0 0 mm，基础混凝土强度等级为C35,抗浮设计水头高度h=9.7m。地下车库常规柱跨抗浮验算：抗浮荷载包括车库顶板覆土自重（容重1 6 kN/m）、结构构件自重（容重2 2 kN/m）、地下室建筑面层自重（容重20 kN/m)G=4 321.1 kN;G/Nw.k=4 321.1/(9.7x9.8x8.4x8.4)=0.64F=1.5470=705kN，锚板下混凝土受冲切承载力满足要求；锚杆端部局部受压承载力验算：0.9(f+2p.eof.)Aln=3056kNF=705kN,满足局部受压承载力要求锚杆布置应在满足抗浮计算的前提下，尽量使基础底板在水浮力作用下受力均匀合理，如下是每个柱网内6 根和9 根锚杆布置如图6 所示（凡布置在柱网上的锚杆表示该锚杆为相邻两个柱网共用），以供设计参考84008400柱墩09000910091锚杆126001600160026001600260026001600(a)6根锚杆布置图(b)9根锚杆布置图图6 6 根和9 根锚杆布置图（单位：mm）Fig.6Layout drawings of six and nine anchors(Unit:mm)锚杆防腐、防水等构造做法可参考国家建筑标准设计图集建筑结构抗浮锚杆2 2 G815的相关要求进行设计。6高压喷射扩大头锚杆与抗拔桩两种抗浮设计方案比较依据建筑桩基技术规范1 0 1 5.4.6 条计算抗拔桩抗拔极限承载力标准值：抗拔桩直径0.6 m，桩身在6 9 层土范围内，桩长2 0 m。基础持力层为第6 层土，最不利孔点对应第6 9 层土的桩长l.依次为1.0 m、3.5m，7.2m、8.3 m；则得T=1472.4kN,抗拔承载力特征值T=736.2kN，取为7 3 5kN。抗压承载力为1500kN,具体计算从略。采用柱下承台集中布桩+防水板的基础设计方案，承台厚度1 0 0 0 mm，防水板厚度40 0 mm。采用北京盈建科软件股份有限公司开发的基础设计有限元分析软件YJK/yjc对比分析两种抗浮设计方案，具体如下：（1）筱板+高压喷射扩大头锚杆方案：将抗浮锚杆导人到基础模型，根据前文分析，取锚杆抗拉刚度K=30000kN/m，抗压刚度为0,密实粉土基床系数取40 0 0 0 kN/m,基础分析计算采用弹性地基梁板法，即柱作为基础底板计算时弹簧支座，支座自身在外部荷载作用下发生位移，与实际客观情况相符。（2）承台+抗拔桩（4桩)+防水板方案：基础分析计算采用弹性地基梁板法，桩抗压刚度取100000kN/m（约为抗压承载力的7 0 倍），抗拔刚度取1 0 0 0 0 kN/m，承台下不考虑桩土共同分担荷载，承台间底板按防水板方式建模，基床系数均为0，防水板只承担自身重量及地下水产生浮力作用，防水板承担的水浮力导给承台，进而传给抗拔桩。通过分析，采用筱板+抗浮锚杆方案时，高水位工况下高压喷射扩大头锚杆拉力范围为3 50 390kN,拉力较为均匀，相应基础底板跨中负弯矩在9 5 1 1 0 kNm/m，表明抗浮锚杆作用下，基础底板受力均匀合理；基础向上位移量大多在1 0 209结构工程师第3 9 卷第3 期设计方法与研究13mm范围内，该量值与抗拔锚杆基本试验对应数值基本相当，验证了计算分析结果的可靠性、合理性。采用承台+抗拔桩+防水板方案时，高水工况下基础底板跨中水浮力产生的负弯矩为1 45165kNm/m，明显高于抗浮锚杆的对应值，约为前者的1.5倍。可见合理的抗浮锚杆布置使基础底板跨中负弯矩减小，受力更加均匀合理，对减少材料用量、降低造价有利。表3 为两种抗浮方案对应计算模型提取的基础底板材料用量。表3基础底板材料用量统计表Table 3Statistical table of material consumption of foundation slab抗浮方案承台+抗拔桩+防水板锚杆+筱板项目承台防水板合计造价筱板造价混凝土2.722 m36.480 m9202 m349.7万元10 395 m395.0万元钢筋182.1 t1284.7 t1 466.8 t711.4万元984.6t477.5万元注：按郑州市发布2 0 2 2 年6 月份建设工程主要材料价格信息进行计算，HRB400钢筋48 50 元/t，C3 5混凝土3 8 0 元/m；以上材料用量为相同典型区域的测算结果，非全部基础面积。由表3 可知，承台+抗拔桩+防水板抗浮方案基础底板钢筋用量约为筏板+高压喷射扩大头锚杆抗浮方案的1.5倍，而后者对应基础底板混凝土用量略高于前者，为前者的1.1 3 倍。基础底板综合费用比较，采用锚杆抗浮节约造价1 8 8.6 万元，节省比例达1 8%，经济效益明显。就两种方案抗拔桩和抗浮锚杆的用量而言，以单个常规柱跨所需抗浮构件额外提供抗拔力2750kN为例分析：所需抗拔桩3.7 5根，取4根，总长度8 0 m；所需抗浮锚杆5.8 5根，取6 根，总长度7 2 m。按照目前0.6 m直径钻孔灌注桩综合单价约3 0 0 元/m，对应总价为2.40 万元；本工程所用的高压喷射扩大头锚杆综合单价约2 50 元/m，对应总价为1.8 0 万元；则单柱跨锚杆成本较抗拔桩成本节约2 5%，相当可观7 结 论（1）结合工程特点及岩土工程条件，本项目地下车库采用高压喷射扩大头锚杆进行抗浮设计是合理的。（2）基础底板有限元分析表明，高压喷射扩大头锚杆受力均匀、变形范围在1 0 1 3 mm，该变形值与现场荷载-位移曲线中相应试验拉力下的位移值较为接近，表明了软件计算结果的可信性。（3）与柱承台下集中布置抗拔桩的抗浮方案相比，抗浮锚杆的材料用量及成本明显低于抗拔桩；同时，合理高效的抗浮锚杆布置可以使基础底板水浮力作用效应减小、受力更加均匀合理，从而可有效降低基础钢筋用量，取得良好的经济效益。（4）本文所采用高压喷射扩大头锚杆抗浮设计方法、设计参数的取用原则及设计流程，可供相似工程参考使用参考文献1 中华人民共和国住房与城乡建设部.建筑工程抗浮技术标准：JGJ4762019S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 2 0.Ministry of Housing and Urban-Rural Development ofthe Peoples Republic of China.Technical standard forbuilding engineering against uplift:JGJ 4762019S.Beijing:China Architecture&Building Press,2020.(in Chinese)【2 奚震勇.上海市某地下车库桩筏基础设计 J.结构工程师,2 0 2 0,3 6(2)：1 9 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