一种压力分散型抗浮锚杆的设计与应用

张 望，蒋金梁

（浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州310028）

1 研究背景

抗浮问题在地下车库、地下广场等工程建设中十分突出，尤其是多层地下室。普通拉力型抗浮锚杆因具有成本低、施工快等优点而广泛应用于各种地下室设计中，但其存在承载力与锚固段长度非正比增加，粘结应力峰值突出，砂浆受拉易出现裂缝导致钢筋锈蚀等问题，故耐久性较差。

近期随着岩土锚固技术的发展，锚杆的种类也越来越多，其中压力分散型抗浮锚杆相对于普通拉力型锚杆在锚固段的受力机制更为合理，其承载力较大，通过施加预应力，基本可保证锚杆在使用阶段不出现裂缝，因而提高建筑工程抗浮稳定性和耐久性，可以满足《建筑工程抗浮技术标准（JGJ 476—2019）》［1］的要求，特别适合抗浮等级为甲级、乙级不允许出现裂缝的地下室锚杆。

针对以上问题，本文提出的一种压力分散型抗浮锚杆，不但耐久性好、施工工艺相对简单，而且经济性好，具有很大的发展潜力。

2 抗浮锚杆的受力机理

国内外学者对压力型、压力分散型锚杆粘结应力的分布规律已经开始研究。1970年，Phillips最早对锚杆锚固段粘结应力分布规律进行了描述，并指出锚固段长度上粘结应力成指数形式分布［2］。

尤春安［3］对压力型锚索锚固段推导了受力理论解：在此基础上还讨论了压力型锚杆锚固段应力分布的影响因素，他指出压力型锚索锚固段所受剪应力与锚固力成正比，但剪应力分布形式不变。此外，地质体的弹模值越高，最大剪应力越大，分布越集中。

卢黎［4］通过理论分析和试验验证，分析了岩土体参数对锚固段应力分布的影响，得出围岩模量较高时，上下承载板之间剪应力分区相对独立；内锚固段长度主要与围岩弹性模量、接触面粘结力和内摩擦角等有关，压力型锚索需要的内锚固段长度明显小于拉力型锚索等结论。

张健超等［5］根据压力型锚杆的实际工作状态建立均布力作用下的力学模型，假定在空间无限体内一截面上圆形区域内受均匀分布压力作用，圆形区域半径为a，单位面积上的压力为q，得到压力型锚杆锚固段应力（式1）、位移分布的理论解，并通过试验验证了压力型锚杆锚固段应力分布的影响因素：1）在靠近承压板处锚固段轴向应变最大，轴向应变分布在距承压板很小的范围内，峰值位置不随张拉荷载的变化而变化。2）锚固体孔径增大，剪应力峰值越小，且剪应力峰值所处位置越远离承压板。

基于以上理论与试验研究，本文设计的压力分散型锚杆的受力机理见图1。

图1 新式压力分散型抗浮锚杆机理示意

当该锚杆受预应力张拉时，锚固段粘结应力呈双曲线形式（图2），其主要原理如下：

图2 压力分散型抗浮锚杆锚固段应力分布示意

1）通过设置一个或多个锚固体为抗浮提供锚固作用。对锚杆施加预压力时，依据锚固体与岩土间的粘结力，保证锚杆能有效施加预应力和工作。此外，锚固体受压径向膨胀亦可进一步提高锚固体与岩体之间的粘结力极限值。

2）根据土层情况和抗浮力大小，设置一个或多个承载体。施加预应力后，各承载体将对锚固体产生压应力。为避免局部压力过大形成应力集中导致锚固体破坏，提高锚杆承载力，可设置多个承载体分散压力，使粘结应力较均匀地分散在整个锚固区。

3）上部设置自由段。自由段经周边灌浆形成，可固定预应力钢筋，并使该范围的预应力筋免受土体腐蚀，从而提升锚杆的耐久性。

本文提出的抗浮锚杆相较传统压力分散型锚杆的创新之处在于：

1）预应筋张拉区设置了轴压变形区：此区域离锚固体和岩体的位置最远，承载体对锚固单元施加预压力时，主要为轴心受压。故此区域可作为预应力筋保护区，使预应力筋免受土体侵蚀，满足耐久性要求。

2）注浆加强区：此区域为锚固段主要受力区。在波纹钢管外侧，通过一次性压力注浆至锚固段全长，在锚固段形成圆柱体注浆扩大区。在完成锚固体的同时，对轴压变形区周边的土体也进行了加强，使得锚固体与岩体的接触面得到强化，粘结锚固性能得到提高，故可更好地达到增加抗拔力的目的。

3）波纹钢管内保护区：此区域为预应力筋保护区。在波纹钢管内进行简单的灌浆封闭即可。可区别于钢管外侧，并采用耐久性好的砂浆，能对钢筋起到更好的保护作用。

3 抗浮锚杆的构造与设计方法

本文提出的一种压力分散型锚杆构造见图3。

由图3可见，该锚杆锚固体由多个承载体和波纹钢管焊接而成，从而形成多个基本锚固段。每个钢管内有带光滑PVC套管的预应力筋通过，但只有2根对称锚固在承载体钢板上。预应力筋用光滑的PVC套管与注浆体隔离。钢管连同其中的预应力筋和砂浆，组成了轴压变形区。

图3 新式压力分散型锚杆构造

图4 新式压力分散型锚杆加载装置示意图

施工成孔后，先放入钢管和承载体，然后在波纹钢管外周进行压力注浆。待砂浆体强度达到标准值90%，底板到达设计强度时，根据承载体数量，按从上往下的顺序分批逐步施加预应力P，最终到达设计要求的有效预应力值。待以上工序完成后，在钢管内应对预应力筋进行灌浆封闭。这起到了保护预应力钢筋和增强地下室底板防水的作用。

关于单根锚杆抗拔力的计算，相关现行规范、规程和技术措施主要有《锚杆规程》《边坡规范》《技术措施》和《建筑工程抗浮技术标准（JGJ 476—2019）》等。上述规范和技术措施中，锚杆抗拔承载力的计算公式虽有不同，但原理基本相同，且均针对非预应力受拉型锚杆，即锚杆的抗拔拉力通过杆体传到锚固段的注浆体，并通过注浆体与岩体间的摩阻力传递到稳定岩层中，而压力分散型锚杆由于各基本锚固单元分部在数值相同的预应力作用下，锚固体与岩体间产生了向下的摩阻力，因此，锚固段从上到下摩阻力较为均匀。

当锚杆受拉时，由于杆体不同长度的钢筋各自锚固于某个锚固段钢板上，故可将拉力分散传递于各锚固段，与非预应力锚杆相比可获得较大的锚杆抗拔力。故设计时，可先根据抗浮工况需要，初定抗拔承载力特征值Nka。考虑预应力损失，且为提高锚杆耐久性，取各分段有效预应力总和nP＝1.35Nka（其中，Nka为锚杆极限抗拔承载力特征值，n为锚杆锚固段分段数，P为单元锚固体所受预应力标准值）Nt≤Nka＜nP＝1.35Nka。设计时需满足每个锚杆拉力标准值，此时，锚固体受压，可满足抗浮等级为甲级的锚杆锚固体：

σck－σpc≤0（《建筑工程抗浮技术标准（JGJ 476—2019）》式7.5.8－1）

单元锚固体有成对的预应力筋锚固于承载体，因此单根预应力锚杆筋体受到的荷载标准值Nt1取预应力标准值P／2，取：

其中Kt为锚筋体抗拉安全系数，一般取2。

因此设计时，可先确定锚杆锚固体总长度la：

Nt为锚杆承担的荷载标准值，可取Nt＝Nka。

根据锚固体长度la确定分段数，一般可分为2～4段。这样就可以大概地求出截面的主要参数，基本完成截面的初选。通常情况下，因为锚固体分段，抗浮锚杆的预应力筋受到的预应力值不大，也可采用螺纹钢（四级钢）或钢绞线。

根据《建筑工程抗浮技术标准（JGJ 476—2019）》7.5.5得到锚杆承载力标准值Rt，并复核并满足Nka≤Rt／2。当抗浮设计等级为甲级时，须通过现场载荷试验最终确定锚杆抗拔承载力特征值Nka。

4 工程案例

4.1 工程概况

杭州某拟建住宅由高层住宅和附属商业裙房组成，高层主楼22层，附属裙房2层，设置2层地下室，抗浮设计等级为甲级。该建筑地下2层纯地库部分底板面标高为－10.700 m，抗浮设计水位为－1.500 m。水浮力较大，经综合考虑，基础采用筏板加抗浮锚杆，其中筏板厚700 mm。

根据勘察报告，拟采用卵石层作为锚杆持力层，结合地库工程实际情况，初步取锚杆抗拔承载力特征值Nka为300 kN，有效预应力值nP取：1.35×300＝405 kN。初步分锚固体为三段，此时每段有效预应力值P＝405／3＝135 kN。

4.2 抗浮锚杆设计施工

每个锚固段钢筋总面积：

卵石层持力层的锚杆为土层锚杆，取锚杆直径d＝200 mm，qsia＝250 kPa，则：5．2 m。取la＝5.4 m，分三段。

初步估计：Rt＝πd∑λiqsiali＝3．14×0．2×0．8×250×5．4＝678 kN≥2Nka＝600 kN。

最后，通过现场载荷试验最终确定锚杆抗拔力承载力特征值Nka。实际锚杆设计大样见图5。

图5 新式压力分散型锚杆大样

5 结 语

本文提出的一种压力分散型抗浮锚杆设置了多个承载力，其受力均匀，预应力损失小，承载力高，可使用阶段锚固体内无拉应力，不会产生裂缝，耐久性良好，受力机理合理。

1）相比传统预应力锚杆，预应力筋可采用螺纹钢，延性较好，具有良好的抗震性能。

2）施工方式上，可在底板完成后再打预应力锚杆，这样不但缩短了工期，而且可应用于抗浮加固工程等。

3）对土体的要求不高，只要有一定的侧阻力均可使用，因此，可广泛应用于岩体或其他土体。

4）考虑承载体本身也类似管桩中的竹节桩，具有较大的侧阻力，实际上，即使预应力失效，也能起到良好的抗拔效果。因此，具有多道防线，可保证该体系的安全性。

未来还可以作进一步研究，优化该锚杆，为该锚杆的实际应用和将来发展提供更广阔的空间。主要结论如下：

1）规范计算时，按照直锚筋计算锚杆的锚固段计算长度。但新式锚杆承载体实际上是带波纹钢管的竹节桩受拉力。不光钢筋面积增大，而且端部还加了端板，可以大大减少锚固段长度。另外，根据理论研究，压应力集中的范围主要在离承载板不远处。笔者认为，规范按受拉模式计算的锚固段余量有点大，且实际上发挥作用的长度也不大。

2）钢管侧壁高压注浆，类似于灌注桩后注浆工艺，可以增加卵石层与锚固体的粘结性，从而进一步提高锚杆的抗拔承载力。