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毕 业 设 计题 目：囊式扩体锚杆在江桥地下车库工程的抗浮锚固设计 系 部： 路桥工程系 专业名称： 道路桥梁工程技术 班 级： 11201446 学 号： 46 姓 名： 王森森 指导教师： 蔡晓飞 完成时间： 2014 年 5 月 4 日目录前言11 工程概况11.1 工程简介11.2土层及地质情况21.3抗浮锚固中的地下水腐蚀性评价22抗浮锚杆设计方案22.1 设计抗浮水位的确定32.2 基本计算参数32.2.1地下车库A基本参数32.2.2地下车库A计算参数32.2.3地下车库B基本参数42.2.4地下车库B计算参数42.3整体浮力荷载计算42.3.1地下车库A42.3.2地下车库B52.4 扩体锚杆单锚极限抗拔计算62.4.1计算公式62.4.2地下车库A72.3.2地下车库B82.5锚杆杆体抗拔力计算92.6整体抗浮验算102.7囊式扩体锚杆设计结构图103 抗浮锚杆的布置114抗浮锚杆计算结果一览表145抗浮锚杆与方桩的经济性对比分析155.1主体工程量的对比155.2 工期（设备效率）分析165.3 环保性分析165.4 耐久性分析166抗浮锚杆施工工艺流程177 常见问题及预防措施和处理方法188 试验检测20结束语22参考文献22谢词23囊式扩体锚杆在江桥地下车库工程的抗浮锚固设计摘要：本文以江桥安置房实例为依据，着重介绍抗浮锚杆的设计步骤和方法，根据参数计算出整体浮力荷载、扩体锚杆单锚极限抗拔设计值、锚杆杆体抗拔力设计值，然后进行整体抗浮验算，验算合格后，最终确定锚杆的长度、直径、数量，布置位置。且比较分析了抗浮锚杆相比于方桩的优势所在，简要介绍了抗浮锚杆的施工工艺流程并就施工过程中遇到的一些常见问题提出了预防措施和处理方法，为抗浮锚杆的广泛应用提供了些许参考。关键词：地下室,抗浮锚杆,对比分析前言随着高层建筑向地下空间的不断开发，一些容积大，靠自重不足以抵抗地下水浮力的地下结构都存在着抗浮问题。传统的抗浮采用配重法及盲沟排水法措施,但是这种方法已不能适应大型地下建筑的抗浮稳定要求。采用抗拔桩抗浮,会增加工程造价,延长施工周期并增加施工难度。而抗浮锚固技术以其独特的效应、简便的工艺、轻型的结构、经济的造价倍受工程界的青睐。这种抗浮锚杆是利用岩土层与锚固体的粘结摩阻力来抗浮的,造价低、工期短、施工便捷，与抗拔桩相比，具有单点受力小,底板结构受力均匀合理等特点。1 工程概况1.1 工程简介拟建的江桥安置区位置在江都市仙女镇西区的南侧，通港路北侧，双迎路的东侧，已建的广源世纪豪园的东南侧。拟建建筑物结构类型、平面尺寸、基础形式、基础埋深等建筑物特征详见下表1。表 1拟建物详细情况一览表 建筑物名称层数最大柱距平面尺寸基础形式基础埋深（米）地下室情况车库A1层8.076.152.1天然地基-5.50半地下室车库B1层8.097.236.4天然地基-5.50半地下室1.2土层及地质情况 根据场地勘察报告：拟建工程场地地势总体比较平坦，地面标高最大值5.65m，最小值5.10m，地表相对高差0.55m。勘察场地的地貌单元为长江高漫滩，属于南部古长江沉积。土质以粉质粘土为主。1.3抗浮锚固中的地下水腐蚀性评价根据水、土腐蚀性分析的结果，按照岩土工程勘察规范（GB50021-2001，2009年版）12.2条腐蚀性评价标准,判定地下水和土对混凝土结构具微腐蚀性，在干湿交替情况下，对钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性，在长期侵水情况下，对钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。本项目抗浮工程属于永久性工程，需要考虑地下水的腐蚀作用对抗浮锚固系统的影响。对此，可采用多重防腐型扩体锚固技术来综合解决，其多重防腐结构图如下：图1 折叠与膨胀后的扩体锚杆结构图2抗浮锚杆设计方案本工程设计的抗浮锚杆为具有多重防腐型永久性预应力扩体锚杆，完整的抗浮锚杆是在基础底板下土层内形成带有多重防腐扩体的锚杆。锚杆杆体采用136的PSB830级预应力混凝土用螺纹钢筋。根据开挖深度，设计锚杆长度为10m，扩体段长度3.0m，扩体段直径为700mm，非扩体段直径为180mm，锚杆锁定在底板上表面，此结构组合可有效防止因地下水位回升、地下水位变化所产生的荷载对地下结构产生的上浮破坏力和地层环境对钢筋、灌浆结石体的腐蚀破坏，以达到在结构设计寿命内的永久抗浮目的，详见锚杆布置示意图，如图2： 图2 锚杆布置示意图2.1 设计抗浮水位的确定根据勘察报告，本场地潜水水位埋深0.85-1.60米，标高4.20-3.90米，常年最高水位埋深为0.00米左右。根据地下水长期观测资料，潜水水位年变化幅度为1-2米。场地抗浮设防水位应按使用年限内最高水位或50年一遇最高水位进行设计，具体抗浮设防水位应专门研究。根据勘察报告，结合场地地貌、地下水补给、排泄条件等因素综合确定，抗浮设计水位取设计室外地面标高。2.2 基本计算参数2.2.1地下车库A基本参数地下汽车库A的面积约3964.81m2,地下一层，基础挖深约2.0m，顶板上覆0.2m厚的细石混凝土，顶板厚0.25m，底板厚0.40m，拟建建筑设计0.000标高约在8.700m，抗浮设计水位取室外地面标高。2.2.2地下车库A计算参数（1）表 2底板以下岩土力学参数 根据本场地的地质条件和土层基本参数，综合考虑地下结构的埋深和抗浮锚固分项的造价最优化，选取第3层粉细砂作为抗浮扩体锚杆锚固段持力层比较合适。 （2）抗浮锚杆设计主要参数本工程抗浮锚杆具有多重防腐型的扩体锚杆，有效长度13.0米，扩体段3.0米，直径700mm，非扩体段长10.0m，直径180mm，锚杆杆体采用136的PSB830级预应力混凝土用螺纹钢筋。2.2.3地下车库B基本参数1.1基本参数地下汽车库B的面积约3543m2,地下一层，基础挖深约2.0m，顶板上覆0.2m厚的细石混凝土，顶板厚0.25m，底板厚0.40m，拟建建筑设计0.000标高约在8.700m，抗浮设计水位取室外地面标高。2.2.4地下车库B计算参数（1）底板以下岩土力学参数同地下车库A（2）抗浮锚杆设计主要参数同地下车库A2.3整体浮力荷载计算2.3.1地下车库A根据抗浮设计水位，计算整个地下车库的竖向抗浮荷载：1、结构自重及配重 细石混凝土重：76.152.10.220=15859.24 kN 顶板自重： 76.152.10.2525=24780.06 kN 顶板梁自重：0.30.5(76.111+52.117)25=6460.50 kN 柱自重： 0.50.53.358825=1842.50 kN 底板自重： 76.152.10.425=39648.10 kN 底板梁自重： 0.40.65(76.16+52.19)25=6015.75 kN 总配重：W=94606.15 kN。2、水浮力 根据勘察报告提供的抗浮水位为-2.7m，底板底标高为-5.6m，水头差为-2.7-（-5.6）=2.9m。 总水浮力：S=76.152.12.910=114979.49 kN。 总净浮力：F=1.05S-W=26122.314 kN0，抗浮不满足要求，需设置扩大头抗浮锚杆。该区总面积为3964.81m2，锚杆根数=总净浮力/单根抗浮锚杆设计值，计算出锚杆根数为52根，在实际均匀布置时共设置55根锚杆，单根抗浮锚杆设计值为500kN，故总抗拔力为：55500kN=27500kN总净浮力=26122.314 kN,满足要求！2.3.2地下车库B根据抗浮设计水位，计算整个地下车库的竖向抗浮荷载：(1)结构自重及配重 细石混凝土重：97.236.450.220=14171.76 kN 顶板自重： 97.236.450.2525=22143.38 kN 顶板梁自重：0.30.5(97.26+36.4523)25=5330.81 kN 柱自重： 0.50.53.358425=1758.75 kN 底板自重： 97.236.450.425=35429.4 kN 底板梁自重： 0.40.65(97.24+36.4511)25=5133.38 kN 总配重：W=83967.48 kN。(2)水浮力 根据勘察报告提供的抗浮水位为-2.7m，底板底标高为-5.6m，水头差为-2.7-（-5.6）=2.9m。 总水浮力：S=97.236.452.910=102745.26 kN。 (3)总净浮力：F=1.05S-W=23915.043 kN0，抗浮不满足要求，需合理设置扩大头抗浮锚杆。该区总面积为3543m2，锚杆根数=总净浮力/单根抗浮锚杆设计值，计算出锚杆根数为49根，在实际均匀布置时共设置51根锚杆，单根抗浮锚杆设计值为500kN，故总抗拔力为：51500kN=25500 kN总净浮力=23915.043 kN,满足要求！2.4 扩体锚杆单锚极限抗拔计算2.4.1计算公式依据建筑地基基础设计规范(GB5007-2002)、高压喷射扩大头锚杆技术规程(JGJ/T 2822012)，单根高压喷射扩大头锚索抗拉力设计值T计算如下： (2.2-1)； (2.2-2)；式中 锚杆锚固体的抗拔安全系数；锚杆极限抗拔力标准值（KN）； 锚杆钻孔直径； 非扩大头锚固段的长度； 非扩大头锚固段注浆体与地层间的粘结强度标准值（kPa），通过试验确定；扩大头直径（m）；扩大头长度（m）； 扩大头锚固段注浆体与地层间的粘结强度标准值（kPa），通过试验确定；土体作用于扩大头端面上的抗力强度值（kPa），对于竖向锚杆，有 (2.2-3)；式中 扩大头上覆土体的重度（KN/m3）； 扩大头上覆土体的厚度（m）； 扩大头前端土体的静止土压力系数，可由试验确定；无试验资料时可按式计算：； 扩大头前端土体的有效内摩擦角标准值，取； 扩大头前端土体的被动土压力系数：； 土体的内摩擦角标准值()； 土体的粘聚力标准值(KN/m2)； 扩大头向前位移时反映挤胀效应的侧压力系数，可按经验公式计算：； 扩大头前端土体的主动土压力系数：。依据高压喷射扩大头锚杆技术规程公式 (2.2-2)和(2.2-3)，地下车库A和B的锚杆抗拉力极限值Tuk计算如下：扩大头前端面土体对扩大头的抗力强度值：2.4.2地下车库A 锚杆抗拔力极限值： 锚杆抗拔安全系数取，则锚杆抗拔力设计值：取。根据本工程地质勘察报告和设计的锚杆类型，及高压喷射扩大头锚杆技术规程(JGJ/T 2822012)，将本工程扩体锚杆设计参数及承载力汇总于下表：表 3囊式扩体锚杆计算极限承载力与设计承载力汇总表 基础挖深m土层编号土层参数锚杆参数计算极限承载力kN安全系数K许用承载力kN设计承载力kNkN/m3FmgkPaCkPahmLd/D1m/mLD/D2m/m2.5319.265367.61310/0.183.0/ 0.710102.05055002.3.2地下车库B(1)扩大头前端面土体对扩大头的抗力强度值：算法同车库A得到=909.046KN (2)锚杆抗拔力极限值：算法同车库A得到=1010KN (3)锚杆抗拔安全系数取，则锚杆抗拔力设计值： ,取根据本工程地质勘察报告和设计的锚杆类型，及高压喷射扩大头锚杆技术规程(JGJ/T 2822012)，将本工程扩体锚杆设计参数及承载力汇总于下表： 表 4囊式扩体锚杆计算极限承载力与设计承载力汇总表 基础挖深m土层编号土层参数锚杆参数计算极限承载力kN安全系数K许用承载力kN设计承载力kNkN/mFmgkPaCkPahmLd/D1m/mLD/D2m/m2.5319.265367.61310/0.183.0/ 0.710102.05055002.5锚杆杆体抗拔力计算依据预应力混凝土用螺纹钢筋(GBT20065-2006)及高压喷射扩大头锚杆技术规程(JGJ/T 2822012)，对抗浮锚杆所用预应力混凝土用螺纹钢筋进行锚杆杆体抗拉强度安全校核：As 式中：KtTdfy 锚杆杆体的抗拉断安全系数取Kt=1.6； 锚杆的抗拔力设计值（kN)； 预应力混凝土用螺纹钢筋的抗拉强度设计值（kPa）。 As=（1.6500000）830=963mm地下车库A和B都用的是136的PSB830级预应力混凝土用螺纹钢筋，因为此钢筋的抗拔力特征值为527.8KN 单根囊式扩体锚杆承载力设计值500KN,且此钢筋的截面积As=1017 mm963mm，故满足设计要求。综合以上计算结果，单根囊式扩体锚杆承载力设计值可取500kN。2.6整体抗浮验算依据高压喷射扩大头锚杆技术规程(JGJ/T 2822012)进行地下车库的抗浮锚杆整体稳定验算，示意图如图3，验算公式如下： （2.4-1）；式中 抗浮稳定安全系数，应大于等于1.05；锚固范围内土体的有效重量（KN）；抵抗浮力的建筑物的总重量（不包括活荷载）（KN）；作用于地下室的浮力（KN）。 图3 抗浮锚杆锚固体整体稳定计算示意图地下室整体和局部锚固体应进行整体稳定性验算，抗浮稳定安全系数 1.05 ： = 76.152.19.210 = 364762.52 kN； = 94606.15 kN ； = 114979.49 kN ；，满足稳定性验算。2.7囊式扩体锚杆设计结构图36螺纹钢筋外涂环氧树脂富锌层受压高强结石体预应力螺母预应力螺母3 抗浮锚杆的布置 目前, 抗浮锚杆的设计中最常用的锚杆布置方式有两种:（1）均匀布置于地下室底板下(面状均匀布置) 面状均匀布置适用于所有土体和岩体，不能充分利用上部结构传来的竖向力来平衡掉一部分水浮力，对于个别锚杆承载力不足的情况，由于能分担的锚杆较少，地下室底板梁板配筋较小，此情况抵抗力差。由于锚杆布置相对分散，对于地下室底板下的外防水施工比较麻烦。（2）布置于独立基础下(集中点状布置) 集中点状布置适用于坚硬岩，可以充分利用上部结构传来的竖向力来平衡掉一部分水浮力，对于个别锚杆承载力不足的情况，由于有较多的锚杆分担，有很强的抵抗力，地下室底板梁板配筋较大。由于锚杆布置集中，对于地下室底板下的外防水施工也比较方便。上述两种布置方式如图4所示, 两种锚杆布置方式相应的基础底板内力图如图5所示。图4 抗浮锚杆布置方式图5 抗浮锚杆布置方式时底板内力图当锚杆为集中点状布置时,锚杆提供的下拉力、上部结构传来的荷载、底板自重及其上部覆土的自重共同抵抗水浮力；当锚杆为面状均匀布置时,上部结构荷载绝大部分通过独立基础传给地基, 这部分荷载足以抵消相应范围的水浮力, 独立基础下无需布置锚杆。而对于防水板区域, 扩散至本区域的上部结构荷载甚微, 计算锚杆时不宜再考虑上部结构荷载的有利影响, 那么, 水浮力只能由抗浮锚杆提供的下拉力、防水板及其上部覆土的自重共同抵抗。相对于集中点状布置方式, 抗浮锚杆为面状均匀布置时，不能充分利用上部结构传来荷载，需要较多锚杆来平衡水浮力, 但均匀布置下的抗浮锚杆减小了基础底板的计算跨度, 从而大大减小基础底板上的弯矩和剪力，防水板配筋大大降低。锚杆集中点状布置时, 锚杆数量较少, 但地下室底板梁板配筋较大； 锚杆面状均匀布置时, 锚杆数量较大, 但地下室底板梁板配筋较小，从造价的角度上均匀状布锚更占优势。另外一方面，集中点状布置要求锚固于坚硬岩体中，不适用于软岩与土体，往往会发生锚固岩体的破坏；而面状均匀布置适用于所有土体和岩体。综合以上内容，本设计采用面状均匀布置方式。以车库A为例，在其区域内采用面状均匀布置的方法进行锚杆布置。锚杆根数=总净浮力/单根抗浮锚杆设计值，计算出锚杆根数为52根，在实际均匀布置时共设置55根锚杆，地下车库A锚杆布置图如图6、锚杆杆体截面图如图7： 图6 地下车库A锚杆布置图 图7 锚杆截面图4抗浮锚杆计算结果一览表 通过以上的锚杆设计验算及合理布置，得到抗浮锚杆的计算结果，详见表5；锚杆杆体钢绞线的安全校核，详见表6：表 5抗浮锚杆设计结果 分区号分区部位该区总面积(m2)锚杆长度（m）锚杆数量单锚设计承载力(kN)1地下车库A396513555002地下车库B354313 51500表 6锚杆杆体抗拉安全校核表（预应力螺纹钢筋） 锚杆类型螺纹钢筋抗拉强度标准值(MPa)杆体破坏荷载(kN)杆体抗拉安全系数杆体许用荷载(kN)锚杆设计承载力(kN) 11361030 830 2 4155005抗浮锚杆与方桩的经济性对比分析5.1主体工程量的对比表 7预制钢筋混凝土方桩 类 别单锚设计参数数量根总延米数m综合单价合计 万元长度m尺寸mm抗拔力设计值kN元/米方桩14400400172240825060.2类别尺寸mm单个承台方量承台数量总方量综合单价元/m3合计 万元承台0.8m0.8m0.4m0.256172447003.08总计63.28表 8囊式扩体锚杆 类 别单锚设计参数数量根总延米数m综合单价合计 万元长度m直径mm抗拔力设计值kN元/米扩体锚杆车库A13180/7005005571540028.6扩体锚杆车库B13180/7005005166326.5总计106137855.1 备注：以上可得，采用扩体锚杆方案综合造价可省8.18万，约13%。5.2 工期（设备效率）分析1、单套设备作业能力： 囊式扩体锚杆：选用一体化钻机，锚体强度试验龄期仅14天。2、施工工艺： 囊式扩体锚杆：由专业长臂钻机作业，一次成孔下锚压浆，速度很快；扩大头工厂化制作，运至工地后直接组装成扩体锚索，专用配方的灌浆材料凝结快速，短时间（14天）内即可张拉。同时工程验收试验方便。5.3 环保性分析囊式扩体锚杆：出泥量很少，锚间可以消化少量泥浆，便于现场施工文明管理，带来经济和环保效益的提升。5.4 耐久性分析 囊式扩体锚杆：在发挥抗拔作用时，由预应力螺纹钢直接将受力传递至扩体锚杆底部，自下而上受力，锚身水泥柱体处于受压状态，不会产生微裂缝。 6抗浮锚杆施工工艺流程 施工过程中用水量为4.5m3/h；用电量为190KW/h。施工现场准备(场地平整)放线定位钻机就位锚杆成孔高压旋喷扩孔装配式多重防腐型扩体锚杆杆体制作杆体安放高压注浆形成挤扩体补 浆养护检测试验图10 平整场地图8 与基础底板连接节点照片 图9 囊内高压注浆体照片 7 常见问题及预防措施和处理方法在实际施工现场中可能会遇到很多的问题，下面就一些常见问题及预防措施和处理方法汇总如下。表 9常见问题分析解决表 常见问题产生原因预防措施及处理方法固结体强度不匀、缩颈喷射方法与机具没有根据地质条件进行选择喷浆设备出现故障（管路堵塞、串漏、卡钻）拔管速度、旋转速度及注浆量没能配合时，造成桩身直径大小不均，浆液有多有少喷射的浆液与切削的土粒强制拌和不充分、不均匀，直接影响加固效果穿过较硬的粘性土，产生缩颈根据设计要求和地质条件，选用不同的喷浆方法和机具喷浆前，先进行压水压浆压气试验，一切正常后方可配浆，准备喷射，保证连续进行。配浆时必须用筛过滤。根据固结体的形状及桩身匀质性，调整喷嘴的旋转速度、提升速度、喷射压力和喷浆量对易出现缩颈部位进行定位旋转喷射或复喷的办法控制浆液的水灰比及稠度严格要求喷嘴的加工精度、位置、形状、直径等，保证喷浆效果压力上不去安全阀和管路接头处密封圈不严而有泄漏现象泵阀损坏，油管破裂漏油安全阀的安全压力过低，或吸浆管内留有空气或密封圈泄漏栓赛油泵调压过低应停机检查，经检查后压力自然上升，并以清水进行调压试验，以达到所要求的压力为止压力骤然上升喷嘴堵塞高压管路清洗不净，浆液沉淀或其他杂物堵塞管路泵体或出浆管路有堵塞应停机检查，首先卸压，如喷嘴堵塞，将钻杆提升，用铜针疏通其他情况堵塞应松开接头进行疏动，待堵塞消失后再进行旋喷钻孔沉管困难、偏斜、冒浆遇有地下埋设物，地面不平不实，钻杆倾斜度超过1%注浆量与实际需要量相差较多放桩位点时应钎探，遇有地下埋设物应清除或移桩位点喷射注浆应先平整场地，钻杆应垂直，倾斜度控制在1%以内利用侧口式喷头，减小出浆口孔径并提高喷射能力，使浆液量与实际需要量相当，减少冒浆控制水泥浆液配合比固结体顶部下凹旋喷桩在水泥浆液与土搅拌混合后，由于浆液的析水特性，会产生一定的收缩作用，因而造成在固结体顶部出现凹穴。其深度随土质浆液的析水性、固结体的直径和长度等因素的不同而异在旋喷桩施工完毕，将固结体顶部凿去部分，在凹穴部位用混凝土填满或直接在旋喷孔中再次注入浆液，或在旋喷注浆完成后，在固体的顶部0.51.0m，在原位提杆再注浆复喷一次加强8 试验检测1、本工程采用的高压喷射扩大头锚杆在国内已有多个项目应用成功案例，但按照中国工程建设标准化协会标准岩土锚杆（索）技术规程CECS 22：2005和中华人民共和国住房和城乡建设部高压喷射扩大头锚杆技术规程JGJ/T 282-2012等相关规范、规定要求应进行单锚极限抗拔承载力试验，试验锚杆数量为3根，在汽车库场地旁进行，其具体位置见试验锚杆平面布置图，试验锚杆应在注浆结石体满28天龄期或注浆体强度达到设计强度的85%后方可进行张拉检测，检测试验应由独立的具有资质的第三方机构进行。2、试验锚杆的工作荷载应达到本项目抗浮扩体锚杆的基本设计值，即500kN，而其极限荷载应满足抗浮锚固安全系数的规定，取1.5倍工作荷载检测，则试验锚杆的抗拔承载力检测结果应750kN。3、试验锚杆的极限抗拔承载力试验应按照岩土锚杆（索）技术规程(CECS 22：2005)中相关检测试验的条款要求进行，具体执行方案由甲方委托的第三方检测单根据试验情况拟定并实施。4、质量验收标准，抗浮扩体锚杆按如下项目进行锚杆验收：项目序号检查项目允许偏差检查方法主控项目1锚杆杆体长度（mm）100-30用钢尺量2锚杆拉力设计值设计要求现场抗拔试验一般项目1锚杆位置（mm）100用钢尺量2钻孔倾斜度（）1测斜仪等3浆体强度设计要求试样送检4注浆量大于理论计算浆量检查计量数据5杆体插入深度不小于设计长度的95用钢尺量图12进行张拉实验结束语本设计主要是以江桥工程实例为背景，运用所学专业基本理论和基本知识将抗浮锚杆这项新技术进行完整的设计