通常抗浮锚杆与基础结构的连接是通过锚杆端部在基础底部进行锚固, 由混凝土的握裹提供锚固力, 这种锚固方式对抗浮锚杆与结构施工工序有着严格要求。然而在实际工程应用中, 基础结构施工时由于存在水文地质、汛期或其他原因, 需要加快基础底板混凝土浇筑以保证基坑安全, 传统抗浮锚杆的施工工艺会导致地基土体长期暴露, 给基坑施工带来难度与风险。因此, 根据抗浮锚杆在混凝土结构中的锚固机理, 对抗浮锚杆在基础结构中的锚固形式进行了研究, 提出了一种后锚式的新型锚固结构及施工方法。

后锚式抗浮锚杆是改变普通型抗浮锚杆上部结构和施工工艺的一种新型抗浮锚杆授权发明专利《一种后锚式抗浮锚杆及施工方法》, 专利号ZL201610282837.9, 授权实用新型专利《一种后锚式抗浮锚杆》, 专利号ZL201620386707.5。其施工工序是先完成基础结构混凝土浇筑, 后进行抗浮锚杆施工, 这种施工方式尤其针对临江工程、地质环境复杂、雨季交替等需要确保基坑安全、快速完成基础结构施工的工程, 该施工方法不仅能够加快施工进度, 而且能提前完成地下室基础结构浇筑, 形成底部水平支撑体系, 有效增强基坑的稳定性, 同时可以快速进入下道工序, 对地下室外墙进行施工, 减小基坑风险, 缩短建设工期。

为了研究后浇筑楔形锚固体对抗浮锚杆的锚固性能, 结合工程实际情况确定等尺寸试验模型。本试验模型针对900mm厚筏板基础及150mm抗浮锚杆进行研究, 考虑筏板基础对抗浮锚杆锚固体的约束作用, 试验模型采用400mm×900mm的钢套管外包约束混凝土, 同时内置楔角α为0°~3°的楔形锚固体, 试验模型如图1所示。

为防止楔形钢套管与约束混凝土之间发生滑移, 在楔形钢套管上焊有锚拉筋。浇筑强度等级为C40的约束混凝土并养护28d后, 采用C40细石混凝土对楔形锚固体进行浇筑, 浇筑前, 对C40拉拔钢筋进行定位, 保证拉拔钢筋位于楔形锚固体中心, 浇筑后养护28d待试验。为了便于叉车搬运试样, 在试样底部制作了2个搬运支墩。

经初步分析, 楔形锚固体在混凝土结构中的锚固力影响因素主要与楔形角α、后浇筑材料强度及约束混凝土强度有关。本试验主要研究锚固体在不同楔形角α下对锚固性能的影响, 根据上述影响因素设计了7个试样, 试样参数如表1所示。

试验装置由反力架、手动液压加载系统及测量系统组成, 如图2所示, 在进行试验前, 对手动液压系统的压力表、锚固体滑动位移测量百分表进行检定以满足试验要求。通过手动液压加载器进行加载, 先预加载至10k N后保持30s并将百分表调零, 试验过程中采用分级加载, 每级加载10k N直至楔形锚固体锚固失效。

通过手动液压加载系统压力表及滑动位移监测百分表得到初始滑移荷载、锚固体锚固失效荷载及位移情况如表2所示, 楔形角α与锚固体初始滑移及锚固失效荷载关系曲线如图3所示。

试验结果表明, 当楔形角为0°时, 锚固体的锚固性能主要来自后浇筑材料与钢套管之间的黏结力, 随着楔形角α增大, 锚固体的锚固力总体呈现上升趋势, 当楔形角增至3°时, 初始滑移荷载从290k N提高至520k N, 增幅达到1.79倍, 锚固失效荷载从400k N提高至710k N, 增幅达到1.78倍, 该结果表明增大楔形角能有效提高锚固性能。但随着楔形角度越大, 锚固失效时, 锚固体破坏越严重。由图3可以看出, 楔形角在0°~2°时, 锚固性能随楔形角的增长梯度较小, 当楔形角>2°时, 锚固性能随楔形角的增长梯度较大。

某办公楼位于湖北省武汉市中心地带, 该工程为地下3层, 地上裙楼4层, 主楼31层, 建筑高度140m的超高层建筑, 主楼和裙楼通过如图4所示的沉降缝进行分隔, 基础埋深约17m, 地下室采用筏板基础, 混凝土强度等级为C40, 主楼基础厚1 500mm, 裙楼基础厚900mm, 下部钢筋均为40@150, 上部钢筋均为40@200, 工程地质情况如下:本工程位于剥蚀堆积垄岗, 地下水类型有上层滞水和孔隙承压水两种类型。上层滞水赋存于1单元层填土中, 主要接受大气降水和地表水的渗透补给, 无统一自由水面, 水量与周边排泄条件关系密切。勘察期间测得上层滞水静止水位在0.800~1.300m。

孔隙承压水赋存于第四系更新统 (3) ₄黏土夹碎石层中, 具弱承压性, 与长江水体及区域地下水有一定联系, 由于本工程土层中黏粒含量较高, 故其渗流受到一定抑制, 水量一般。据长期观测资料, 承压水头随季节不同而变化, 一般标高在17.000~20.000m, 年变幅4.0~5.0m。勘察期间于K5 (孔口标高36.400m) 中观测到承压水稳定水位在孔口下20.000m, 相当于绝对标高16.400m。

根据设计要求和地勘报告分析, 底板坐落于 (3) ₃碎石混黏土, 根据地勘报告, 本工程抗浮锚杆施工需要穿过 (3) ₄碎石混黏土至 (5) ₂中风化泥质粉砂岩, 地下水对施工影响较小, 地层密实, 有碎石层, 锚杆要嵌入中风化岩层。土层及承载力特征值如表3所示。

本工程抗浮锚杆孔径150mm, 桩长≥21.5m, 抗浮锚杆共有951根, 分布在裙楼部分, 单桩锚杆抗拔承载力特征值为164k N, 锚杆注浆体设计强度M30微膨胀纯水泥浆, 抗浮锚杆主筋322, 锚入筏板基础长度≥35d, 锚杆大样如图5所示。

本工程位于市中心, 地下管线复杂, 由于梅雨季节导致工期严重滞后, 剩余的485根抗浮锚杆决定采用后锚式进行施工, 在基础垫层浇筑完成后, 直接进行底板施工, 底板浇筑完成后, 后锚式抗浮锚杆与地下室外墙同时平行施工, 可加快施工进度, 缩短建设工期。

根据上述试验现象及结果表明:楔形角增大锚固体的锚固力提升, 但是在工程应用过程中, 不同楔形角对应的初始滑移荷载值至少应大于抗浮锚杆的极限承载力。本工程抗浮锚杆抗拔承载力特征值为165k N, 参考GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》中“将锚杆极限承载力除以安全系数2为锚杆抗拔承载力特征值”, 即本工程抗浮锚杆极限承载力为330k N, 所以考虑安全和经济因素, 根据表2试验结果取楔形角在1.5°~2°最适用于本工程。

根据筏板主筋间距, 预埋钢套管选取上部孔洞直径200mm, 下部150mm (1.6°) 的楔形钢套管, 钢套管顶部平齐底板面标高。后锚式抗浮锚杆主筋设计是在原锚杆主筋的基础上, 将原设计322的锚杆主筋采用直锚的形式, 锚入筏板基础内35d后, 通过等强度代换与140的钢筋焊接牢固, 140钢筋作为锚杆主筋伸出钢套管顶面。为满足防水要求, 在顶部设有防水卷材, 并通过锚板封锚覆盖, 140的钢筋上设有环形止水钢板。后锚式抗浮锚杆结构设计大样如图6所示。

1) 钢套管定位平整场地后, 在土层上根据设计图纸标记抗浮锚杆位置, 然后将楔形钢套管小口朝下, 大口朝上, 采用临时支架将其固定在土层上, 并校核钢套管的垂直度。

2) 钢套管底部防水浇筑混凝土垫层后, 在钢套管根部进行防水附加层处理, 然后大面铺设防水卷材或防水涂料, 最后浇筑混凝土保护层, 完成钢套管底部防水封闭。

3) 筏板基础施工筏板基础裙楼部分厚900mm, 采用钢管脚手架作为筏板钢筋支撑架, 筏板上部和下部钢筋紧贴楔形钢套管并实施点焊, 将钢套管固定牢固, 防止混凝土浇筑振捣过程中发生偏移。

4) 钢筋笼制作根据图纸要求锚杆主筋采用322, 上部与140钢筋焊接, 140钢筋上焊有环形止水钢板。

5) 钻孔及混凝土浇筑采用钻头直径为150mm的钻机伸入钢套管内, 调整垂直度将孔底钻至设计标高以下0.5m, 清孔后将制作完成的钢筋笼吊入孔内, 采用C40细石混凝土浇筑并振捣密实。

6) 钢套管顶部防水及封锚切割500mm×500mm的防水卷材, 穿过锚杆主筋覆盖在钢套管顶部, 将锚板 (4mm厚钢板) 中间开50mm的孔, 穿过锚杆主筋盖在卷材上, 然后采用防水油膏对锚板底部及孔洞填嵌封闭, 最后采用高强螺栓封锚。

抗浮锚杆施工完成后, 根据规范要求取锚杆总数的5% (24根) 作抗拉验收试验, 设计要求验收试验拉力达到1.5倍锚杆抗拔承载力设计特征值 (247.5k N) 即可, 经检验24根后锚式抗浮锚杆均满足验收要求。

1) 后锚式抗浮锚杆施工工艺无形中增加了施工成本, 但是面对地质环境复杂的情况下, 确保施工安全是首要考虑因素, 采用任何施工方法加快施工进度均需要增加成本, 本文所述的后锚式施工方法, 在安装钢套管的同时进行底板钢筋绑扎, 属于平行施工, 并且大体积混凝土是分块浇筑的, 后锚式抗浮锚杆的前期准备作业与结构施工相互不影响, 最大限度节省了前期打桩时间, 节约了建设工期。

2) 本文所述后锚式抗浮锚杆在应用过程中可根据环境、工期等实际情况选择全部或者部分使用。

3) 后锚式抗浮锚杆采用楔形锚固形式能有效提高锚固力, 随着楔形角的增大, 抗浮锚杆在基础中的锚固力呈上升趋势。在施工过程中, 应根据锚杆布置、钢筋排布等实际情况, 合理选用楔形角度。

4) 抗浮锚杆的后锚式施工需特别注意防水问题, 尤其是在锚固体与钢套管界面的交界处, 本文所采用的楔形锚固体能够在建筑物受地下水浮力影响时, 楔形锚固体与钢套管之间越压越紧, 同时为了防止混凝土开裂引起的渗水, 在锚杆顶部设置了防水卷材, 并采用4mm厚钢板覆盖封锚, 其防水措施能有效防止地下水渗出。

5) 本文提出了一种楔形锚固体应用于后锚式抗浮锚杆中的创新型结构和应用实例, 对该结构及其施工方法进行了首次尝试, 该方法具有创新性和延展性, 有着进一步深入研究和推广的意义。