地下车库抗浮加固设计中囊式扩体锚杆的运用

岩土力学论文第六篇：地下车库抗浮加固设计中囊式扩体锚杆的运用

 

　　摘要：在地下结构工程建设和使用过程中，当地下水浮力大于结构荷载所提供的竖向压力时，须采取抗浮加固措施，以保证地下结构的安全和正常使用。针对某项目地下车库出现的不均匀上浮情况，分析产生上浮的主要原因，并对抗浮加固设计的土质特性和目标锚固层进行分析。采用囊式扩体锚杆进行地下车库抗浮加固，并对锚杆承载力进行计算分析。通过实际应用，对锚杆施工设备、施工工艺、施工参数和过程控制等进行介绍。

 

　　关键词：地下车库; 扩体锚杆; 抗浮加固; 高压旋喷; 注浆; 施工技术;

 

　　Application of Expansion Bolt in Anti-floating Reinforcement Engineering of Underground Garage

 

　　GAO Lili LI Yulong

 

　　Tianjin Institute of Geotechnical Investigation and Surveying Tianjin Taikan Engineering Consulting Co.,Ltd. Tianjin Bochuan Geotechnical Engineering Co.,Ltd.

 

　　Abstract：In the process of underground structure construction and use,when the local launching buoyancy is greater than the vertical pressure provided by the structural load,anti-floating reinforcement measures must be taken to ensure the safety and normal use of underground structures. Based on the established use of underground garage to float,the reason is being analyzed in this paper,and it also analyzes the characteristics of soil and the target anchorage layer. The anti-floating reinforcement of underground garage is carried out by using the burst-type expanding bolt,and the bearing capacity of the bolt is calculated and analyzed. Finally,the mechanical equipment,construction technology,related parameters and process control of anti-floating expansion bolt in the underground garage which is put into use are introduced.

 

　　0 引言

 

　　随着城市地下空间的开发利用，地下车库抗浮问题面临严峻挑战。在地下水丰富或地下水位受季节性影响变化较大的地区，地下车库抗浮设计不仅关系工程的成本控制，更直接影响后期的使用性能[1]。在地下车库设计阶段，可通过增设抗拔桩、抗浮锚杆等措施加强车库抗浮承载力[2]，但受气候条件、设计参数选取、工程投资控制等因素的影响，已投入使用的地下车库经常因抗浮问题出现柱、墙、梁、板等构件开裂，部分底板隆起，沉降变形等工程病害[3]。一旦问题出现，需及时进行修复、加固，避免出现更大事故[4]。

 

　　锚杆作为工程措施性材料，以成本低、操作简便、使用灵活、空间要求低的特点在基坑防护、边坡治理和隧道加固工程中得到广泛应用。将能抵抗外力变化的杆件(通常为金属件或聚合物)埋入岩石或土体中，用于承受土体、水、建筑物等产生的拉力。普通锚杆具有一定优势，但也具有较明显的缺点，经多年技术发展和工程实践，锚杆复合物和衍生品不断涌现，如囊式扩体锚杆。以某地下车库基础抗浮加固工程为例，分析上部构件产生裂缝的原因，结合工程实际情况说明利用囊式扩体锚杆进行抗浮加固的设计方法、主要施工流程、参数控制和相应措施等。

 

　　1 抗浮分析

 

　　1.1 地下车库概况

 

　　某工程建有2层非人防地下车库，车库为现浇钢筋混凝土板柱剪力墙结构，已投入使用2年，目前该车库结构主体出现大面积开裂。开裂构件包括柱、墙、梁、板，部分底板、柱出现混凝土脱落等情况。

 

　　1.2 开裂原因分析

 

　　地下车库沉降观测结果表明，整个结构在降雨后发生变形，大部分观测点发生沉降变形，小部分观测点发生隆起变形，且结构投入使用后，在长期稳定水位作用下并未发生整体上浮。由项目所在城区降水记录和结构裂缝出现的时间可知，暴雨积水导致的地下水位短期内急剧上升是地下车库抗浮失稳破坏的主要原因。

 

　　整个场地地层分布较均匀、连续，且基础底面以下土层渗透性较好，在持续强降雨作用下，形成具有补给效应的稳定短期高浮力水头，在此短期荷载作用下，地下车库框架结构基础底板出现局部不均匀上浮，受结构自身刚度的限制，发生局部开裂破坏。为此，须采取措施降低基础下方土体的渗透性，采用在柱跨跨中底板布置竖向抗拔构件的方式进行抗浮加固，以抵抗短期高浮力水头对基础底板的抬升作用。

 

　　1.3 抗浮加固土质特性分析

 

　　地下车库抗浮加固地层剖面如图1所示。由于本加固工程属于永久性工程，需考虑地下水腐蚀作用对抗浮锚固系统的影响[5]。因此，本工程中相关结构物应按防腐设计规范的相关要求采取相应防护措施[6]。

 

　　

 

　　图1 场地地层剖面(单位:m)   

 

　　本工程结构基础加固设计使用年限为50年，考虑结构安全和耐久性，取地下结构永久性抗浮构件安全系数为2.0。

 

　　1.4 目标锚固层分析

 

　　由地质条件和开挖情况可知，粉质黏土(7)(地基承载力140kPa)全场地分布，综合考虑地下结构加固方案的可靠度和分项工程的造价优化，经高压喷射注浆加固后选取该层作为扩体锚固段端头持力层，如图1所示。

 

　　2 抗浮加固

 

　　基坑开挖后，基底土层主要为粉质黏土(4)。由于本项目地下车库结构自重较小，且基底土层自身承载力偏低，所以结构所受浮力为控制荷载。

 

　　2.1 加固方案选择

 

　　抗浮加固可采取的方案通常包括增设抗浮桩和在筏板下布设扩体锚杆[7]，后者更具优势。故本抗浮加固工程拟采用经特殊工业防腐设计的扩体锚杆系统，通过采用后张拉预应力锁定技术，适应地下水位变化和筏板埋深不同带来的底板受力变化，使筏板各部位均匀受力，同时还能平衡部分水浮力和上部柱结构竖向荷载作用于筏板上的弯矩，起到弯矩削峰作用(见图2)，从而进一步优化筏板工作状态，降低基础筏板混凝土微裂缝的出现概率，提高基础防水、防渗效果。

 

　

　　图2 筏板弯矩对比   

 

　　2.2 加固方案设计

 

　　地下车库抗浮构件为单根后植入承压型囊式扩体锚杆，采用φ36 PSB930级精轧螺纹钢筋，杆长≥12m，扩体段直径800mm，扩体锚固段长4m，普通锚固段长≥8m，其中板中锚固段0.5m。

 

　　采用P·O42.5水泥，扩大头囊内水灰比为0.5，囊外水灰比为1.0。考虑本工程的重要性及地下水的腐蚀性，抗浮锚杆采用Ⅰ级防腐，并在锚杆与垫层、底板的交接处采用CGM-300型聚合物防水砂浆封闭，封闭厚度≥80mm，拌合水宜采用饮用水。

 

　　3 锚杆承载力计算及布置

 

　　3.1 抗拔承载力极限值

 

　　依据JGJ/T 282—2012《高压喷射扩大头锚杆技术规程》[8]中关于单根锚杆抗拔承载力极限值Tuk计算的规定，经计算得本抗浮加固工程锚杆Tuk=1 006.25k N。

 

　　3.2 抗拔承载力特征值

 

　　式中:Tak为锚杆抗拔承载力特征值;K为锚杆锚固体抗拔安全系数，对永久锚杆取2.0;Nk为荷载效应标准组合计算的锚杆拉力标准值，经计算取420kN。由式(1)可知本工程锚杆抗拔承载力满足要求。

 

　　3.3 强度校核

 

　　经计算得本工程φ36锚杆设计抗拉力T=492kN>420kN，满足设计要求。

 

　　3.4 锚杆布置

 

　　经计算得锚杆承担的最大抗浮面积Amax=40m2，结合地下结构柱网轴线和地下车库上浮情况，一般部位锚杆设计间距≤6.0m×6.5m，严重部位≤5.5m×5.5m，且采取避开柱网轴线的跨中梅花形布置方式。

 

　　4 工程施工

 

　　本项目锚杆施工需在已投入使用的地下车库内进行，车库净高约3.5m，为钻孔机械设备的选择和相关施工部署限定了一定条件。

 

　　4.1 主要施工设备

 

　　本工程钻孔设备选为YGL-20型地质钻机，泵送水泥浆选用GBN-100C型高压注浆泵，向扩体囊袋内灌注水泥浆时选用3SNS型砂浆泵。

 

　　4.2 主要施工流程

 

　　锚杆施工流程为:场地清理→设备组装与调试→测量放线与钻机定位→底板开孔→下钻成孔→高压旋喷扩孔→锚杆安放→囊袋内高压喷射注浆→锚孔补浆→养护→止水环安装→抗浮锚杆锁定→基础底板施工→结构面层施工。

 

　　4.3 施工参数及控制要点

 

　　4.3.1 底板开孔

 

　　地下车库采用300mm厚底板，上覆400mm厚夯实填土，其上为100mm厚面层。锚杆施工前必须利用大型切割机，将面层混凝土切出600mm×800mm的矩形坑，人工清理填土后利用φ180水钻将300mm厚底板穿透开孔。

 

　　4.3.2 钻孔及扩孔

 

　　将水灰比为1.0的水泥浆液引孔至扩体段后开启高压喷射扩径，喷射钻进至设计深度后需将喷浆提升至扩体段顶标高，上下往返扩孔2遍，尽可能利用纯水泥浆置换扩孔内的水泥土。钻进和提升速度为10～20cm/min，喷嘴旋转速度为10～15r/min，旋喷压力25～30MPa，浆量75L/min。

 

　　4.3.3 下锚及注浆

 

　　1)成孔后应立即下放锚杆并及时注浆。下放前应检查排气孔是否通畅，注浆管与螺纹钢筋绑扎后共同下放，杆体外所涂防腐涂层厚度≥280μm，涂层与锚杆附着力宜≥5MPa，涂层与水泥基层附着力宜≥1.5MPa[9]。

 

　　2)为便于地下车库锚杆施工，锚杆杆体采用单节长3m的钢筋进行现场机械连接，连接器为?36预应力筋螺母。

 

　　3)囊式扩体锚固段注浆采用高压注浆工艺，利用水灰比为0.5的水泥净浆灌注，灌注须在1h内完成。当孔口返浆或排气管排出的浆液与注入浆液颜色和浓度一致时，方可停止注浆，并根据要求制作强度检验试块。

 

　　4.3.4 封孔和锁定

 

　　囊式扩体锚杆应在完全达到设计强度后，使用锚垫板和锚具进行锚固锁定，安装防水器后使用无收缩灌浆料进行回灌封孔，最后施工结构底板，将锚固段与结构底板整体浇筑。

 

　　4.3.5 其他措施

 

　　1)由于地质条件和工程条件的差异，正式施工前应进行试验性施工，对比分析水泥浆理论计算量和实际注浆量，并通过实际注浆量反算扩大头直径和理论抗拔承载力。

 

　　2)由于高孔隙水压力的存在，开孔后将发生突涌，无法进行后续施工，可先在车库各方向开几个孔，用以减小水压力的影响，开孔数量根据现场情况而定，同时密切观察突涌状态及细颗粒带出情况，待稳定后可采用回注水泥浆的方式进行封堵。

 

　　3)地下车库内部施工不同于地表施工，为避免泥浆混流导致回灌浆孔及堵塞下水系统，施工现场应设置泥浆收纳场地或泥浆容器，采取浆水导流措施，并及时进行清理。

 

　　5 抗拔承载力检测

 

　　共抽取34根囊式扩体锚杆进行抗拔承载力检测，结果显示抗拔试验荷载-变形曲线在420kN时位移量均未超过锚杆工作允许值，并在最后一级荷载作用下锚杆收敛稳定，故所检测锚杆抗拔承载力满足设计要求。

 

　　6 结语

 

　　1)针对某项目地下车库出现的不均匀上浮情况，通过分析可知，产生上浮的主要原因为原结构整体抗浮稳定性验算中未考虑短时强降雨造成的高承压水头对基础下方土层的影响，并对土质特性和目标锚固层进行分析。

 

　　2)对囊式扩体锚杆承载力进行计算，验证其在地下车库抗浮加固中应用的合理性，并介绍在已投入使用的地下车库中施工抗浮锚杆的机械设备、施工工艺、施工参数和过程控制等。

 

　　参考文献

 

　　[1]孙轶斌．抗浮扩体锚杆静载荷试验及工程应用研究[D]．郑州:郑州大学，2017.

　　[2]丁毅，曾钊，卢文博，等．浅析地下室底板抗浮锚杆优化思路[J]．施工技术，2017,46(S2):1138-1141.

　　[3]谈丽华，郭一峰，朱小寒．苏州某地下车库上浮原因分析[J]．建筑结构，2012,42(S2):520-522.

　　[4]赵宇．地下室上浮破坏原因分析及处理措施研究[D]．杭州:浙江大学，2013.

　　[5]陆志浩．浅谈灌注桩抗拔试验中桩身裂缝防治措施[C]//2016年全国工程地质学术年会论文集，2016.

　　[6]严心娥．工业建筑防腐蚀施工技术研究与应用[D]．西安:西安建筑科技大学，2009.

　　[7]段昊．扩体锚杆在工程抗浮中的应用研究[D]．济南:山东大学，2015.

　　[8]深圳钜联锚杆技术有限公司，标力建设集团有限公司．高压喷射扩大头锚杆技术规程:JGJ/T 282—2012[S]．北京:中国建筑工业出版社，2012.

　　[9]寇洪祥，彭波．纤维袋注浆扩体锚杆施工实例[J]．施工技术，2018,47(S1):153-156.