抗浮锚杆在水池结构设计中的应用与分析

摘要：本文针对地下水位较高地区水池结构的抗浮问题，系统研究了抗浮锚杆的应用及分析方法。对抗浮锚杆的类型、工作原理及设计要点进行了详细阐述。结合具体工程实例，探讨了抗浮锚杆在水池结构设计中的应用流程，包括抗浮稳定性验算、锚杆布置方案及承载力计算。通过有限元软件对锚杆加固后的水池结构进行了受力分析，验证了抗浮锚杆的有效性，并提出了优化设计建议。研究结果表明，抗浮锚杆能够显著提高水池结构的抗浮稳定性，为类似工程的设计与施工提供了参考依据。

关键词：水池结构；抗浮锚杆；抗浮稳定性

引言：

随着地下空间的开发利用，地下水位较高地区的水池结构抗浮问题日益突出。抗浮锚杆作为一种经济有效的抗浮措施，在水池结构设计中得到了广泛应用。本文旨在探讨抗浮锚杆在水池结构设计中的应用及分析方法，通过理论分析与数值模拟相结合，为工程实践提供理论支持和技术指导。

一、抗浮锚杆概述

1.1 抗浮锚杆的类型及特点

抗浮锚杆是通过锚固段与土体或岩体的相互作用抵抗浮力的结构措施，主要分为拉力型、压力型和剪力型。拉力型锚杆依靠轴向拉力抵抗浮力，适用于土体条件较好的区域，具有施工简便、成本低的特点，但对土体强度要求较高。压力型锚杆通过端部承压板将荷载传递至深层土体或岩体，适用于浮力较大或土体条件较差的区域，承载力高但施工复杂。剪力型锚杆利用锚杆与土体的剪切力抵抗浮力，适用于软土或砂土层，受力均匀但对粘结性能要求较高。抗浮锚杆还可分为预应力与非预应力两类，前者通过预加拉力提高承载力，适用于变形控制严格的工程；后者依靠自然粘结力工作，适用于一般工程。

1.2 抗浮锚杆的工作原理

抗浮锚杆通过锚固段与土体或岩体的相互作用抵抗浮力。当水池或地下结构受到地下水浮力作用时，浮力通过结构传递至锚杆，锚杆通过锚固段与土体的摩擦力、粘结力或端部承压力将荷载分散至深层土体，最终达到平衡。具体过程分为三个阶段，荷载传递阶段，浮力通过底板传递至锚杆头部，锚杆受力阶段，锚杆通过轴向拉力或剪力将荷载传递至锚固段。土体抵抗阶段，锚固段与土体相互作用，将荷载分散至深层土体。抗浮锚杆的设计需综合考虑土体性质、地下水条件及施工工艺，确保其有效性和安全性。

1.3 抗浮锚杆的设计要点

抗浮锚杆设计需重点考虑布置方案、承载力计算、材料选择及施工工艺。布置方案应根据水池结构形状、尺寸及受力特点确定，通常采用均匀或局部加密布置，确保锚杆有效抵抗浮力。承载力计算包括锚杆轴向抗拉强度、锚固体与地层间的粘结强度及锚杆筋体的抗拉强度，必要时需考虑群锚效应。材料选择通常采用高强度钢筋或钢绞线，腐蚀性环境需采取防腐措施。施工工艺需严格控制钻孔深度、注浆压力及安装精度，预应力锚杆还需控制预应力的施加与锁定值，确保施工质量。

二、抗浮锚杆在水池结构设计中的应用

2.1 工程概况

以某市政水池工程为例，该水池位于地下水位较高的区域，抗浮设计等级为乙级，抗浮设计水位为10.000m。水池底板底结构标高为4.800m，整体抗浮验算不满足要求。水池结构采用钢筋混凝土建造，建筑面积较大，主要用于储存初级雨水。由于地下水浮力较大，水池底板存在鼓包甚至开裂的风险，因此需要采取有效的抗浮措施。

2.2 抗浮稳定性验算

根据《建筑抗浮工程技术标准》，抗浮稳定性验算需考虑水浮力和抗浮力的平衡。水浮力计算公式为：

Fw=γw×A×∆h​

其中，γw为水的重度（10kN/m³）；A为地下结构计算单元抗浮面积；∆h为地下结构底板底标高与抗浮设计水位标高差（m）。本工程中水池底板面积为1191.71m²，∆h为5.2m，则水浮力为：

Fw=10×1191.71×5.2=61972.04kN

抗浮力包括水池自重、作用在水池上的恒荷载以及抗浮锚杆的抗拔承载力。假设水池自重和恒载为37036.26kN，抗浮锚杆的总抗拔承载力为66000kN，则总抗浮力为：

G=37036.26+66000=103036.26kN

根据规范要求，抗浮稳定性安全系数应满足：

K=G/Fw≥1.05

计算得：

K=1.6626＞1.05

满足规范要求。

2.3 抗浮锚杆布置方案

抗浮锚杆的布置需根据水池结构的形状和受力特点进行优化。在本工程中，抗浮锚杆采用梅花形布置，间距约为2.0m。锚杆有效锚固长度为7.5m，锚固体直径为200mm，单根锚杆的抗拔承载力为220kN。通过合理布置锚杆，确保水池底板各区域的抗浮力均匀分布，避免局部抗浮力不足。

2.4 抗浮锚杆承载力计算

抗浮锚杆的承载力计算需考虑锚杆与土体之间的摩擦力和锚固体的承载能力。根据《抗浮锚杆技术规程》（YB/T 4659-2018），单根锚杆的极限抗拔承载力应由基本试验确定，初步设计时等截面锚杆也可按下式估算：

Ruk=πD∑fmkilai

式中D为锚固体直径（m）；fmki为锚固体与第i层地层间的界面黏结强度标准值（kPa）； lai为锚固体在第i层地层中的长度（m）。

单根锚杆的抗拔承载力特征值可取极限抗拔承载力的½。在本工程中，计算得到单根锚杆的抗拔承载力特征值为220kN。同时，需对锚杆的筋体抗拉强度进行验算，确保锚杆在使用过程中不会因拉力过大而破坏。通过以上设计和计算，抗浮锚杆在水池结构中得到了合理应用，有效解决了地下水浮力对水池结构的威胁，确保了水池的稳定性和安全性。

三、抗浮锚杆在水池结构设计中施工工艺与要点

3.1钻孔环节

钻孔是抗浮锚杆施工的起始关键步骤。施工前，需依据设计要求，利用全站仪等测量仪器精准定位锚杆孔位，确保孔位偏差在允许范围内。采用合适的钻孔设备，如地质钻机，根据不同地质条件选择相应的钻头，如在土层中选用螺旋钻头，岩石层选用硬质合金钻头。钻孔过程中，严格控制钻孔垂直度，可通过安装垂直度监测仪实时监测，确保钻孔垂直度偏差不超过1%。

3.2锚杆安装环节

锚杆安装前，需对锚杆进行质量检查，确保锚杆的材质、规格符合设计要求，表面无锈蚀、损伤等缺陷。将加工好的锚杆缓慢放入钻孔内，注意避免碰撞孔壁。对于较长的锚杆，可采用分段下放的方式，并确保各段连接牢固。在锚杆下放过程中，要保证锚杆位于钻孔中心位置，可通过设置定位器来实现。锚杆安装完成后，及时清理孔口周围的杂物，为后续工作做好准备。

3.3注浆环节

注浆是赋予抗浮锚杆抗拔力的核心工序。注浆材料通常选用水泥浆，严格按照设计配合比进行配制，确保水泥、水及外加剂的用量准确无误。采用专用的注浆泵进行注浆，注浆前需对注浆设备进行检查和调试，确保设备正常运行。注浆时，从孔底开始自下而上进行，保持连续注浆，防止出现断浆现象。控制注浆压力在0.5-1.0MPa之间，根据实际情况进行调整。当孔口溢出浓浆时，停止注浆。

结语

研究结果表明，合理设计和布置抗浮锚杆，能够有效提高水池结构的抗浮稳定性，同时在经济性和安全性方面达到良好平衡，同时抗浮锚杆的施工工艺和要点的把控对于整体的抗浮效果也至关重要。本文通过对工程实例的计算过程分析和施工要点阐述，为类似工程的设计和施工提供了科学依据和重要参考，有助于推动抗浮锚杆技术在水池结构中的广泛应用，保障工程安全与效益。

参考文献

[1]毕雅明.水池抗浮设计方案的分析与比较[J].结构工程师，2008（01）：11-14.

[2]JGJ 476—2019，建筑工程抗浮技术标准[S].北京：中国建筑工业出版社， 2019.