某工程抗浮锚杆的设计与检测

王宇阳，王宁伟，温华兴，王新玲

（1.沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳110168；2.中冶沈勘工程技术有限公司，辽宁沈阳110016）

某工程抗浮锚杆的设计与检测

王宇阳1，2，王宁伟1，温华兴1，王新玲1

（1.沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳110168；2.中冶沈勘工程技术有限公司，辽宁沈阳110016）

摘要:随着城市建设的不断发展，城市中的高层建筑不断增加，这些高层建筑物往往都带有地下室。地下建筑物、构筑物的大量出现使得地下建筑的抗浮问题变得越来越突出。目前我国很多地下工程都在用抗浮锚杆来抵抗地下水浮力。通过对抗浮锚杆进行研究并应用到具体的工程中。最终通过对工程中抗浮锚杆的现场试验，验证抗浮锚杆的安全性 ，为今后抗浮锚杆的应用提供依据。

关键词:抗浮锚杆；抗浮锚杆的设计；抗浮锚杆的基本试验；弹性位移

随着近些年地下工程的不断增多，地下工程深度不断加深，使得地下建筑物、构筑物的抗浮问题日益成为地下工程施工中不可忽视的问题。产生这种抗浮问题的主要原因是地下水对埋置于岩土体之中或之上的地下结构产生浮托力，而一些建筑物自身重量较小，当地下水位浮力较大时，如果没有有效的抗浮方法进行抗浮处理将可能导致底部上拱或整个建筑物上浮失稳破坏，严重影响结构的安全。

抗浮锚杆作为一种埋入土体深处的受拉杆件，通过抗浮锚杆杆体与注浆体，注浆体与周围岩土体之间的侧摩阻力来提供抗拔力。与传统抗浮措施相比，抗浮锚杆具有孔径小、间距小，可以节约工程的成本，施工工艺相对简单，施工工期相对较短。因此，抗浮锚杆在抵抗地下水浮力方面得到广泛应用。

由于抗浮锚杆的理论研究尚需不断完善。关于抗浮锚杆的设计施工以及检测方面尚缺少专门的规范可供查询，不同的工程所依据的规范也不尽相同。对具体工程设计时依据锚杆以及抗浮桩相关的规范并结合当地工程经验进行设计施工。

1　工程概况

某工程有地下室两层［1］，地下室基础底部埋深约-12.0 m。

地下水补给来源为大气降水及江水及花园河水。勘察期间勘探深度内地下水初见水位埋深2.80 m～5.40 m，稳定水位埋深2.80 m～4.60 m［2］。

为了保证整个建筑物长期正常使用［3］，通过对工程地质条件以及建筑设计情况进行分析研究 ，研究决定采用永久性抗浮锚杆对该地下工程进行抗浮 。

2　抗浮锚杆的设计

由于国内至今缺少专门针对抗浮锚杆的设计标准，目前抗浮锚杆的设计只能暂时依据锚杆以及抗浮桩的相关规范并依据地区施工经验进行设计［4］。

首先依据阿基米德原理对地下工程的水浮力进行计算:

式中，ρw为水的密度（10 kg/m3）；γw为水的重度（10 N/m3）；Vw为地下建（构）筑物所排开水的体积（m3）；h为抗浮设计水头高度（m）；s为底板面积（m2）。

该工程的地下室底板面积为1 550 m2，由勘察报告可知，地下室水头高度为10 m。地下室底板厚度为500 mm。则抗浮锚杆承受的荷载为［5］:

依据规范［6］可知:

式中，Rk为锚杆极限抗拔承载力标准值（kN）；d为锚杆的锚固体直径（m）；li为锚杆的锚固段在第i层土中的长度（m）；qsk，i为锚固体与第i土层的极限粘结强度标准值（kPa）。

因此本工程有:

式中，Nk为锚杆的轴向拉力标准值（kN）；Kt为锚杆的抗拔安全系数；安全等级为一级、二级、三级的工程，Kt分别不应小于1.8、1.6、1.4。

因而为了保证工程质量本工程的Nk取400 kN。

设计抗浮锚杆时依据规范［7］。由以上计算可知抗浮锚杆单根锚杆抗拔承载力特征值400 kN。因而依据规范 ，应当至少布256根抗浮锚杆，本工程设计采用260根抗浮锚杆均匀布置于地下室底板。单根锚杆抗拔承载力设计值为Nt:

式中，Nk为锚杆轴向拉力标准值（kN）；Nt为锚杆轴向拉力设计值（kN）；γq为荷载的分项系数，取1.3。

采用直径为200 mm的锚杆，依据规范则杆体截面积为［8］:

式中，As为锚杆杆体截面积（mm2）；Kt为锚杆杆体抗拉安全系数，钢绞线临时锚杆安全系数取1.6，永久锚杆取1.8；Nt为锚杆的轴向拉力设计值（kN）；fptk为钢绞线抗拉强度标准值（kPa）。

因此依据规范可以求得，工程锚杆杆体的截面积为:

因而本工程抗浮锚杆的截面积取0.6 m2。

锚杆或单元锚杆的锚固长度可按下式估算，并且取其较大值:

式中，k为锚杆锚固体的抗拔安全系数，对于危害较大但不至于出现公共安全问题的临时锚杆安全系数取1.6，永久锚杆取1.8；Nt为锚杆或单元锚杆的轴向拉力设计值（kN）；La为锚杆锚固段长度（m）；fmg为锚固段注浆体预地层间的粘结强度标准值（kPa）；fms为锚固段注浆体与筋体间的粘结强度标准值（kPa）；D为锚杆锚固段钻孔直径（mm）；d为钢筋或钢绞线的直径（mm）；ξ为采用2根或2根以上钢筋或钢绞线时，界面的粘结强度降低系数0.6～0.85；φ为锚固长度对粘结强度的影响系数；n为钢筋或钢绞线的根数。

依据式（8）与式（9）可以得到:

由式（10）与式（11）分析并结合工程实际安全需要，本工程抗浮锚杆锚固段设计长度为10 m。

3　抗浮锚杆现场试验

依据上述设计施工后，对其进行现场试验，验证抗浮锚杆的稳定性。

通常抗浮锚杆的破坏形态有:（1）注浆体与岩土体之间发生剪切破坏；（2）锚杆杆体由于抗拉强度不足造成破坏；（3）锚杆杆体与注浆体界面之间发生破坏；（4）锚杆埋入稳定地层时，受力使得地层呈锥体拔出；（5）锚杆群整体发生破坏［9］。如果发生以上现象则说明抗浮锚杆的承载力不足需要重新进行设计施工。

依据规范要求本次试验分别选择MG1和MG2两个锚杆作基本试验。

工程抽取两个抗浮锚杆进行现场测试，抗浮锚杆参数如表1所示［9］。

表1　抗浮锚杆基本试验参数表

3.1基本试验

依据规范［7］“锚杆基本试验是锚杆性能的全面试验，目的是确定锚杆的极限承载力和锚杆参数的合理性，为锚杆设计、施工提供依据。新型锚杆或已有锚杆用于未曾应用过的地层时，由于没有任何可参考或借鉴的资料，规定均应进行基本试验。只有用于有较多锚杆特性资料或锚固经验的地层时，才可以不做基本试验。基本试验对锚杆施加循环荷载是为了区分锚杆在不同等级荷载作用下的弹性位移和塑性位移，以判断锚杆参数的合理性和确定锚杆的极限拉力［8］。”

依据规范规定的加荷等级以及观测时间对抗浮锚杆进行六个等级的分级循环加荷试验［7］。

在对抗浮锚杆作基本试验时注意［7］:（1）第五循环前加荷速率为100 kN/min，第六循环的加荷速率为50 kN/min；（2）在每一级加荷等级观测时间内，测读位移不应少于3次。（3）在每级加荷等级观测时间内，锚头位移增量小于0.1 mm时可施加下一荷载，否则应当延长观测时间，直至锚头位移增量在2 h内小于2.0 mm时，方可施加下一级荷载［9］。

当锚杆极限抗拔试验出现以下情况时可判定锚杆破坏:（1）施加前一级荷载使得抗浮锚杆产生的位移量小于施加后一级荷载使得锚杆产生的位移的0.5倍；（2）抗浮锚杆在收到拉力之后位移不收敛；（3）抗浮锚杆杆体自身发生断裂［9］。

依据规范［6］要求，通过试验得到的每级张拉荷载使得抗浮锚杆锚头产生的位移绘制出抗浮锚杆的基本试验以及弹塑性试验曲线，通过曲线可以明确的看出抗浮锚杆的荷载位移变化以及破坏情况，从而分析出抗浮锚杆承载力情况［9］。

3.2试验步骤

（1）试验前对试验所需的仪器进行标定校正核对［10］。

（2）安装试验装置，图1为张拉设备安装示意图，分别对加载和压力表读数，对百分表读数，进行记录［11］。

图1　抗浮锚杆张拉试验示意图

（3）由于依据规范［7］中荷载等级以及时间的规定，试验采用六次循环加荷、卸荷的方法。每级荷载循环加荷载卸荷完毕后立即分别测读变形量，在每级加荷等级期间，对锚头位移的读数不少于3次。每级加荷观测期间，当锚头位移量不大于0.1 mm时，可施加下一级荷载，否则增加观测时间，直到锚头位移增量每2 h小于2.0 mm时，再施加下一级荷载［9，11］。根据抗浮锚杆破坏的标准当发生以下锚杆破坏现象，应立即停止试验:（1）施加前一级荷载使得抗浮锚杆产生的位移量小于施加后一级荷载使得锚杆产生的位移的0.5倍；（2）抗浮锚杆在收到拉力之后位移不收敛；（3）锚头总位移超过设计允许最大位移值［9］。

（4）对试验结果进行整理并且作出试验结果图。

3.3试验结果

分别对MG1和MG2进行六个等级的循环张拉试验后 ，依据张拉荷载的大小以及对应的位移［12］，绘制出抗浮锚杆的基本试验曲线［13］。图2为抗浮锚杆MG1基本试验曲线图、图3为抗浮锚杆MG2基本试验曲线图。

由图2、图3分析得出:在整个张拉过程中，抗浮锚杆的位移变化幅度不大，施加前一级荷载使得抗浮锚杆产生的位移量小于施加后一级荷载使得锚杆产生的位移的0.5倍。抗浮锚杆MG1和MG2的锚头位移稳定，都没有发生位移不收敛的线性，说明抗浮锚杆稳定。

图2　MG1基本试验荷载Q—位移S曲线

图3　MG2基本试验荷载Q—位移S曲线

在抗浮锚杆张拉的过程中，所产生的位移主要包括弹性位移和塑性位移，其中弹性位移是可以恢复的，其主要取决于抗浮锚杆杆体自身材料［14］。而塑性位移是不可恢复的，主要是由锚固体与岩土体之间由于锚杆受拉而引起的位移。图4、图5反映了MG1和MG2抗浮锚杆弹塑位移变化情况:从中可以看出锚杆在整个张拉过程中，弹塑性位移变化平稳，没有发生剧烈的变化 ，而且抗浮锚杆均未发生破坏。塑性位移较大主要是由于锚固体所在的岩土体的性质决定的，岩土体所提供的侧向摩阻力较小，因而影响抗浮锚杆的承载力，使得锚固体与岩土体之间产生的位移较大［11］。

图4　MG1荷载Q—弹塑性位移S曲线

图5　MG2荷载Q—弹塑性位移S曲线

3.4验收试验

本次工程全部完成后，随即抽取3根地锚进行验收试验。由于规范［7］第9.4.2条规定，要求永久性锚杆最大试验荷载应选取为锚杆轴向拉力设计值的1.5倍［9］。验收试验分级加荷，初始荷载应选取锚杆轴向拉力设计值的0.5～1.5倍［15］。

验收试验同样采用基本试验中的锚杆破坏性标准进行判断。

分别对抽取到的抗浮锚杆A1、A2、A3进行试验，如图6所示，由图6可以看出所抽取的三根抗浮锚杆验收试验曲线基本相近。荷载-位移曲线基本表现出良好的线型关系［16］。在最大试验荷载作用下 ，位移变化相对较为平稳，没有出现破坏现象，可以得出锚杆在极限荷载下作用都是安全的。

经过现场试验发现抗浮锚杆是稳定、安全的，因而说明上述设计方法对该地区进行抗浮锚杆设计具有一定的合理性。

图6　锚杆验收试验曲线

4　结 论

通过现场试验可以看出，工程抗浮锚杆在试验过程中均没有出现位移不收敛的现象，当极限荷载的作用下，没有破坏和不稳定的现象发生。说明抗浮锚杆都是稳定安全的，在该工程的设计并没有出现过度浪费以及不稳定的现象，说明设计基本合理。

由于抗浮锚杆缺少明确可以依据的标准指导其在实践工程中的应用，本工程的设计方法以及最终验证安全可以为抗浮锚杆的应用提供参考。

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中图分类号:TU473.1+6

文献标识码:A

文章编号:1672—1144（2015）01—0171—05

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.01.036

收稿日期 :2014-10-17修稿日期:2014-11-27

作者简介 :王宇阳（1987—），女，辽宁沈阳人，硕士研究生，研究方向为软土地区的地基加固处理。E-mail:w 1233456789 10@163.com

Design and Testing of Anti-floating Anchors of An Engineering Project

WANG Yu-yang1，2，WANG Ning-wei1，WEN Hua-xing1，WANG Xin-ling1
（1.School of Civil Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang，Liaoning 110168，China；2.Shen Kan Engineering&Technology Corporation，MCC，Shenyang，Liaoning 110016，China）

Abstract:With the continuous development of urban construction，the numbers of high-rise buildings are increasing.It is common that the most of the high-rise buildings are designed and built with basements.The emergence of a large number of underground structures makes the anti-floating problem of the underground construction become more and more dominant.The domestic common practice of anti-floating is to adapt anchors to resist the buoyancy of the underground water.Here，the design of anti-floating anchors was discussed and applied to a specific project.According to the result of the on-site test，the safety of the anti-floating anchor was validated.This will provide some theoretical basis for the application of anti-floating anchors in the future.

Keywords:anti-floating anchor；design of anti-floating anchor；basic experiment of anti-floating anchor；elastic displacement