扩大头锚杆在某抗浮工程中的应用与研究

陈 城

（江苏政泰建筑设计集团有限公司，江苏 宿迁 223800）

1 工程概况

某地下污水处理池，位于徐淮黄泛平原区。该工程所处地质情况如下：一层填土，强度低，层厚2.5m左右；二层黏土，可塑状，强度中等，层厚4.4m左右；三层粉土，密实状，强度中等，层厚1.5m左右；四层黏土，硬塑状，强度较高。勘察期间，测得场地地下水稳位一般位于地面下1.2m左右，历史最高水位接近自然地面，水位年变化幅度约2.5m。各土层物理与力学参数如表1所示。由于污水处理池抗浮稳定性不满足要求，因此需进行抗浮设计和处理。

表1 土层参数

2 池体抗浮设计

污水处理池面积约2000m2。污水池底板埋深地面下5.5m，污水池底板厚0.5m，底板下面混凝土垫层厚为0.2m。结构型式为钢筋混凝土结构。据计算，污水池体结构自重约为50000kN，池体所受浮力约为110000kN（按历史最高水位计算）。当污水池盛满水时，总重力大于浮力，不存在抗浮问题；当池体里污水放空时，自重远小于浮力，池体的抗浮力严重不足；当池体空水时，所受最大浮力与池体自重差值约60000kN，故扩大头锚杆需提供约60000kN的抗浮力。

根据现场试验，单根锚杆设计抗拔力为280kN，采用M30水泥砂浆强度全长锚固。锚杆分直杆段与锚固段，端部设置扩大头。直杆段锚孔直径为150mm，长度为5.0m；锚固段直径为400mm，长度为6.0m；端部扩大头直径为800mm，长度为1.5m。杆体采用3根直径25mm的HRB335螺纹钢筋，点焊成束，用直径Φ6.5的钢筋按1m间距隔离后，再放入钻孔内。锚头部位钢筋弯折500mm，水泥采用早强型，标号PC42.5R，灌注水泥砂浆强度为M30，注浆压力不小于1.0MPa。根据池体的结构型式，共设计215根锚杆。

3 扩大头抗浮锚杆数值模拟与分析

采用ABAQUS软件对其进行数值模拟，土层参数按表1取值。加载步共120步，模拟结果和分析如下：

（1）Mises应力等值线图如图1所示。锚杆Mises应力自上而下逐渐发生变化。锚固段扩大端头在加载初期发挥作用，端头土体应力状态改变。随着荷载的增加，扩大头段端头发挥作用，由于扩大头段端头尺寸大于锚固段端头尺寸，扩大头段端头对土体范围的影响大于锚固段。

（2）竖向位移U2等值线图如图2所示。随着荷载增加，扩大头抗浮锚杆由上而下逐渐产生位移，在抗拔力设计值280kN作用下，锚杆位移9mm。当荷载增加到395kN时，锚杆位移15mm。

（3）等效塑性应变PEEQ等值线图如图3所示。抗浮锚杆抗拔力设计值280kN，在设计值荷载作用下，锚固段端头附近土体产生塑性应变，土体被压缩，此时扩大头段端头两侧土体中开始产生塑性应变。当锚杆荷载继续增加到极限荷载395kN，扩大头段端头土体中的塑性区开始连通并且，等效塑性应变PEEQ开始向周围扩展。

（4）端头接触压力曲线。端头附近土体单元节点编号如图4所示。节点接触压力曲线如图5所示。

时间增量步0～1为初始地应力平衡步。锚固段端头压力在地应力平衡后就表现为较快的增长，表明在加载初期锚固段扩大头端头就开始发挥作用。端头节点20初始地应力平衡后的接触压力比其他节点要大得多，有应力集中的现象，认为端头两侧节点与土体之间的复杂应力关系有关。地应力平衡后的端头接触压力变化基本分两个阶段：①缓慢增长阶段。这个过程处于加载中初期，锚杆锚固段以及锚固段扩大端头为主要承载部位，扩大头段位移较小，因此端头压力较小，端头接触压力曲线变化较平缓；②快速增长阶段。锚固段抗拔力达到极限值，扩大头段位移出现较快增长，接触压力开始迅速增大。其中，节点255接触压力在加载后期减小，出现降低趋势。

4 结论

（1）该工程是采用扩大头锚固结构的典型工程，采用变截面抗浮锚固结构型式，能充分利用锚固扩大头的端头效应，可简化锚固结构参数，有效降低工程造价，提高施工效率。通过污水池的后期使用观测情况来看，扩大头锚杆的抗浮效果良好。

（2）该工程采用二次扩孔、双变截面扩大端头的抗浮锚杆设计。通过数值模拟，能够较好地反映锚杆与附近土体随荷载增加产生的应力状态的变化。采用数值模拟的方法对扩大头锚杆抗浮工程进行仿真分析，预测锚杆的破坏过程，为扩大头锚杆的设计提供借鉴。

图1 Mises应力等值线图

图2 竖向位移U2等值线图

图3 PEEQ等值线图

图4 端头土体节点编号

图5 节点接触压力曲线

（3）抗浮锚杆的数值模拟过程是针对单根锚杆做的研究分析。在实际应用中，则是通过多个扩大头抗浮锚杆共同发挥作用。由于地质条件的复杂性，局部池底受到较大的浮力作用，当单根锚杆在浮力作用下产生竖向位移时，这种浮力的作用效果会通过池底的混凝土底板传给临近的其他锚杆。因此，单根锚杆承受的竖向荷载被消弱，这就是群锚效应。群锚效应与结构层的刚度以及锚杆的间排距有较大的关系。

（4）扩大头段直径越大，锚杆的抗拔力越大。为此，必须充分考虑锚杆自身的强度与刚度，特别是对变形要求比较严格的锚固结构，验算扩大头锚杆的强度与刚度十分必要。

（5）对于扩大头锚杆而言，实际施工中影响锚杆抗拔力的不确定因素较多，比如机械扩孔会扰动土体，使原状土体的应力状态发生变化。因此，扩大头锚杆与土体间的相互作用仍需进一步深入研究。