抗浮锚杆分布方式研究

黄苏斌　吴稳　温方正

摘要：压力型抗浮锚杆在缩短施工工期、降低工程成本方面的优势，使其成为岩石地基地下室中最有效和常用的抗浮手段。锚杆的分布方式对于锚杆轴力分布、底板变形、底板应力均会产生较大的影响，因此开展对于压力型抗浮锚杆分布方式的研究具有重要的现实意义。文章对抗浮锚杆分布方式进行了研究。

关键词：压力型抗浮锚杆；分布方式；群锚效应；应力场；位移场 文献标识码：A

中图分类号：TU473 文章编号：1009-2374（2016）20-0059-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.028

随着地下车库、地铁、地下商场及向超深超大方向发展的地下室等地下建筑的大量出现，由于地下水对这些埋置于水位以下的地下结构产生的向上的浮力的影响，基础防浮也越来越受到重视。抗浮锚杆利用锚杆锚固体与孔壁的摩擦阻力来抵抗地下水的浮力，约束基础底板上浮。抗浮锚杆由于间距小，通过单点受力使底板结构内力分布均匀合理，且抗浮锚杆采用钻机的单一工艺成孔技术，工艺简单，压力型抗浮锚杆工作时锚固注浆体为受压状态，不易产生裂缝，相比拉力型抗浮锚杆其承载能力和变形性能均有所改善。抗浮锚杆在缩短施工工期、降低工程成本方面的优势，使其成为岩石地基地下室中最有效和常用的抗浮手段。

1 压力型抗浮锚杆的应用现状

20世纪90年代，随着锚固技术的飞速发展，抗浮锚杆在地下工程中也得到了越来越广泛的应用，如地下停车场、地下商场等超深地下室。在国外，抗浮锚杆除用于地下室的抗浮外，还广泛应用于海洋工程中，如海洋平台的抗浮等。锚杆的分布方式目前主要采用“集中点布”或“面状均布”。“集中点布”将锚杆集中布置于独立基础下，由抗浮锚杆下拉力、顶板覆土自重、上部结构（梁、板、柱）恒载和板底结构恒载共同抵抗水浮力；“面状均布”锚杆均匀布置于地下室底板下，顶部覆土自重和上部结构抵消以独立基础为中心一定范围内的浮力，防水底板板块区域水浮力由板块自重和锚杆下拉力共同抵抗。此外，还有一种新型的“面状非均布”分布方式，即既充分考虑覆土自重和上部结构恒载的有利影响，又在板块跨中布置锚杆，减小板块计算跨度，使得底板受力更加均匀合理、减少底板变形，充分发挥锚杆的抗拔性能。国内目前对于面状非均布分布方式的研究比较少，只在极少数的项目对于工程实例进行试验研究，同时对于面状非均布的可能分布未进行全面研究，且未从理论上归纳得到具备推广价值的分布准则。

2 抗浮锚杆分布方式的研究现状

国内对锚杆分布方式的相关研究较多，主要可以分为分布方式、底板与锚杆共同工作优化锚杆分布以及群锚效应的影响三个方面。

2.1 锚杆分布方式

林蔚勋[1]等建立在不同的承载板间距和数量下压力分散型锚索的受力模型，通过对比锚索轴向应力与剪应力以及位移曲线，总结出承载板的间距应等于有效传力长度，当锚固段长度固定，承载板数量可根据锚固段总长与各节锚固段的有效传力长度的比值来确定；最终提出梯级布置的优化方案：通过改变各级承载板的间距及其所连接的钢绞线数量，使得钢绞线中的应力分布更为均匀，同时各级锚固体的长度又恰好适应于应力扩散的有效长度。实验证明，该种布置方式可以使锚固体不易发生孔底压碎破坏，整体滑移破坏可能性降低，且锚索应力分配更加均匀合理。叶国认为优化群锚中由于应力交互传递导致锚杆轴力分布不均，从控制底板位移和裂缝角度考虑，并结合平面外刚度对于锚杆轴力影响结果，将群锚均匀布置优化为梅花形锚杆布置，使每根锚杆的受力均匀，充分发挥锚杆抗拔承载力，共节约了近45%的锚杆用量。但在实际工程中还应该充分考虑现场施工技术以及合理安排锚杆工期的影响，灵活确定抗浮措施。

孙伟武[2]等依据板底结构的传力模式和弹塑性变形理论提出沿底板塑性铰线周边和地梁跨中布设锚杆的方法，对面状非均布方式进行数值模拟时，地下室底板变形量小，最大位移区域小，变形均匀，从而有效控制了底板和地梁的位移变形，使地梁支座跨中内力更小，底板配筋减少，板块内各锚杆轴力分布更均匀，使抗浮锚杆布置在安全性和经济性上有了较大提升。

吴铮[3]等针对柱网布置均匀的工程案例，提出空心型均匀布置的方式。针对锚杆的受力特点，采用将柱的压力、水浮力简化为外部荷载，锚杆模拟为弹性支座，综合考虑锚杆刚度、基础底板刚度、上部结构传递的集中荷载等因素间的相互影响，采用锚杆、基础底板、上部结构共同受力分析方法，对抗浮锚杆空心型均匀布置方式进行分析，得出基础底板受力较均匀，配筋基本采用构造配筋，在单位面积的钢筋量和混凝土量等指标优势明显，经济安全。

2.2 底板和锚杆共同工作

李江涛[4]等提出抗浮锚杆布置时应合理考虑基础结构及防水底板刚度，进行共同设计，当底板的刚度合理，锚杆所在位置的变形值不超过其设计承载力极限值所对应的变形值；锚杆布置时应尽量避免布置在防水底板中心点灯壁板变形最大位置，使锚杆变形受力相对均匀；对于大跨位置，底板抗弯刚度大幅降低时，应采用局部抗浮布置锚杆；提出精细化设计，应当立足实际建立符合实际情况的有限元模型进行比较分析。

徐勇[5]等考虑锚杆和防水板变形协调影响，分析锚杆分布方式对抗浮锚杆受力及地下室底板配筋的影响；地下室底板变形引起抗浮锚杆变形，使锚杆产生拉力，而抗浮锚杆对地下室底板的拉力对底板变形产生约束作用，导致地下室底板变形和次应力，两者相互影响；锚杆在与底板共同变形下所提供的抗拔力以及抗浮锚杆分配的拉力，与底板结构刚度及锚杆刚度相对值密切相关。但并未给出底板在不同锚杆分布方式下底板受力的计算方法以及寻找使锚杆受力均匀和底板配筋合适的最佳平衡点的实用方法。

沈章春[6]在整体抗浮锚杆设计中考虑锚杆对于底板的有利作用，在模型中改变底板刚度、地基刚度以及锚杆自身刚度，得出锚杆合理受力的情况。通过将锚杆所受拉力折算成均布荷载，将水浮力计算进行折减，从而计算底板厚度、进行配筋，使得无锚杆折减水压后的底板的配筋控制内力能够包络住有锚杆作用考虑折减后活荷载参与组合下的配筋控制内力，具备一定的工程实践价值。

2.3 群锚效应影响锚杆分布

群锚效应将导致锚固体系承载力的降低，目前群锚效应设计一般通过限制锚杆间的最小间距来限制群锚效应的不利影响，尚缺乏理论化的合理计算方法。

赵赤云[7]将弹性半空间背景下的Boussinesq解、cerruti和Mindlin解进行应力叠加，得出了线弹性介质中，三维条件下预应力单锚和群锚附加应力场的应力分布规律，由此得到了关于锚索间距与长度的比值、排距与度的比值及锚索长度的选择的依据公式。何思明等在对预应力群锚系统进行分解和离散的基础上，稳定岩体根据Minidin应力解计算在侧摩阻力均匀分布下任意点处的应力分布，采用应力叠加原理和修正分层总和法，根据锚索荷载传递特性将锚索简化为杆系结构，根据各锚索锚固段与相邻岩体之间荷载变位协调关系建立联立方程组，进行迭代计算，提出了一种预应力群锚的理论计算模型，得出群锚中各锚索锚固段的侧阻力分布及荷载变位关系。

许明[8]研究了由于锚力变化或锚杆失效在群锚中引起的荷载重分布现象，研究发现：当某一锚索锚力发生变化时，荷载将在群锚内部发生明显的重分布现象，结构面压缩带同时被削弱，结构面的整体安全性降低；某一锚索的失效也会引起相邻锚索接连失效的多米洛效应，但对于不同位置锚杆失效及其应力变化对于荷载重分布的作用机理未进行更为深入的分析。

王艳芬[9]基于单锚应力理论推导结果，对群锚表层效应进行分析，对锚索锚头预应力施加后周围岩体所产生的附加应力场和位移场进行了理论推导，获得了群锚表层效应的理论解，使锚头的设计的理论依据更为可靠。

郭琪[10]在忽视荷载的重分布对锚固体系整体极限承载力的影响、只考虑群锚中单根锚杆极限承载力的降低的假设下，从附加剪应力使锚固体和岩土体界面上的安全度降低的角度考虑群锚效应对锚杆承载力的不利影响，得出群锚效应消减系数和锚杆荷载P、间距L、锚杆锚固长度Lm、锚杆锚固体直径D、岩石弹性模量E、锚固体弹性模量Ea、岩石泊松比μ的计算关系。推导出群锚极限抗拔力的计算公式。然而尚未考虑群锚加固提高了岩体的整体性和刚度，对锚固体系的稳定性有一定的有利影响。

3 压力型锚杆分布方式研究现状评述

抗浮锚杆的分布方式和分布间距能够使底板受力更加均匀合理、减少底板变形，同时锚杆轴力分布更加均匀，充分发挥锚杆的抗拔性能。单位底板面积上锚杆数量、长度以及底板配筋和混凝土厚度均能获得一定程度上的减少，在安全性和经济性指标上均能得到一定的提高。目前对于抗浮锚杆的分布方式对锚杆受力以及底板影响尚未进行系统全面的研究，并未得出最优分布模型，且目前给出的面状非均布方式的分布理论依据不足，难以推广，各种分布方式下锚杆的内力计算公式的推导过程普遍存在假设条件理想化，导致理论分析、数值模拟与现场试验结果差异较大。对于底板在不同锚杆分布方式下底板受力的计算方法尚很模糊，未总结出折减的一般规律，寻找使锚杆受力均匀和底板配筋合适的最佳平衡点的实用方法尚未解决。对群锚效应作用机理的理论分析研究较少，群锚效应下锚杆的正应力和剪应力的计算公式尚没有统一。对于由于锚力变化或锚杆失效在引起的群锚荷载重分布现象相关研究较少。如何系统化群锚效应的研究成果，并应用于实际工程设计时仍是值得关注的课题。

综上所述，压力型抗浮锚杆分布方式研究还未形成系统化、理论化的研究成果，还未广泛运用于工程实践中，仍需进行更深入的研究探讨。

参考文献

[2] 孙伟武，黄林伟.抗浮锚杆布置方式的数值分析[J].结构工程师，2014，（1）.

[1] 林蔚勋，张永兴，卢黎.压力分散型锚索承载板布置方式及其受力性能分析[J].工程勘察，2010，（8）.

[3] 吴铮，文善平.地下室底板抗浮锚杆合理布置与工程应用[J].建筑结构，2015，（11）.

[4] 李江涛.浅析抗浮设计中锚杆的合理布置[J].建筑结构，2012，（S2）.

[5] 徐勇，张金轮.地下室底板与抗浮锚杆共同作用的优化设计[J].工程与建设，2015，（2）.

[6] 沈章春.底板考虑锚杆有利作用的计算方法[J].江西建材，2014，（10）.

[7] 赵赤云.预应力锚索锚固的作用分析[D].北京建筑工程学院，1999.

[8] 许明，唐树名，李强，等.单锚及群锚失效对边坡稳定性影响的模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26（增1）.

[9] 王艳芬.预应力锚索加固岩体的机理分析和数值计算[D].华中科技大学，2007.

[10] 郭琪.基于Mindlin解的岩石锚杆群锚效应研究[D].重庆大学，2013.

[11] 吴曙光，张永兴，康明.压力型和拉力型锚杆工作性能对比研究[J].水文地质工程地质，2008，（5）.

[12] 张勇，赵红玲，张向阳.压力分散型锚索锚固段力学性能试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010，（S1）.

[13] 王胜.预应力钢绞线锚杆在地下停车场工程抗浮中的应用与研究[J].建筑结构，2001，（8）.

[14] 彭涛，武威.复杂地质条件下预应力抗浮锚杆的应用[J].工程勘察，2000，（2）.

[15] 崔京浩，崔岩.锚固抗浮问题的几个关键问题[J].特种结构，2000，17（1）.

[16] Foxton，Peter.Vertically loaded anchors for deep water

[J].Journalof Offshore Technology，1977，5（3）.

[17] Singh，Baleshwar.Pullout behavior superpile anchors in soft clayunder static loading[J].Marine Georesources and Geotechnology，1996，14（3）.

[18] 叶国认.某地下工程抗浮锚杆优化设计[J].广东建材，2011，（6）.

[19] 何思明，王成华，乔建平.预应力锚索群锚效应研究：理论与建模[J].中国科学E辑技术科学，2003，33（增刊）.

[20] 何思明.预应力锚索作用机理研究[D].西南交通大学，2004.