自进式中空注浆锚杆在地下抗浮设计中的应用分析

周永明徐伟斌华 贝吴能文

（1.浙江省建筑设计研究院，杭州 310006；2.浙江翰城建筑设计有限公司，义乌 322000）

0 引言

当岩石地基上的地下抗浮工程采用锚固抗浮法进行抗浮治理时，考虑抗浮桩造价和工期等因素，较多采用抗浮锚杆法。对国内抗浮锚杆的调查发现，预应力抗浮锚杆或全长粘结拉力型普通抗浮锚杆等工程应用相对较多，采用中空注浆锚杆作为抗浮锚杆的工程应用相对较少，尤其针对松散、破碎岩层中的抗浮锚杆选型、设计方法的研究和工程应用鲜有相关文献报道。地下工程常遇到地质条件较差的岩体，如夹泥状软岩、松散破碎带等软弱岩体，给普通抗浮锚杆的实际承载力和耐久性设计带来一些不确定因素，增加了施工质量的离散性。主要问题有：①破碎岩体中，普通锚杆钻拔孔过程中易发生塌孔，影响施工进度；②可能存在缩径现象，减少了杆体与围岩接触面积，导致孔壁粘结力不足；③注浆不饱满，不仅弱化筋体与水泥砂浆的粘结作用，而且减少了筋体保护层厚度，影响锚杆的耐久性等。而自进式中空注浆锚杆是一种集钻进、注浆、锚固功能于一体的新型成品锚杆，不仅规避了在破碎软岩等不良地层钻拔孔所导致的塌孔问题，而且从工艺上改善普通锚杆注浆不饱满和缩径等诟病，保证了注浆密实性，故具有杆体质量可靠、施工效率高、锚固性能好等优点。

查阅相关文献，目前在软弱破碎围岩、砂性土层中的边坡加固和支护工程中自进式中空注浆锚杆得到广泛应用。部分学者对其在软弱围岩隧道支护中的锚固机理、力学模型以及数值模拟的方式进行了研究。王四巍等［1］将中空注浆锚杆应用在破碎边坡加固工程中，得到中空注浆锚杆的受力特性。王思琦［2］对在软弱围岩隧道中空注浆锚杆支护效应进行了研究。杨文平等［3］利用中空注浆锚杆加固软弱破碎围岩，详细介绍了其施工过程及优势。朱磊等［4］研究了自进式中空注浆锚在砂性地层的承载力特性，通过在破碎松散的软弱围岩边坡的加固，给出了中空注浆锚杆的应用效果。而自进式中空注浆锚杆在地下抗浮工程中的试验分析及应用也较多。袁正如等［5］将中空注浆锚杆应用在砂性土层的地下抗浮工程中，克服了锚杆在砂性土和软土中钻孔时的坍塌、缩径问题，达到较好的抗浮效果。但自进式中空注浆锚杆在破碎岩层的地下抗浮工程中的研究及应用较少，在透水性较强、易塌方的破碎岩层中抗浮锚杆施工时，普通粘结型锚杆在施工钻孔、注浆过程中易出现塌孔、缩径、注浆不饱满等现象，对锚杆成型质量和安全性有较大影响。将自进式中空注浆锚杆运用于破碎岩层的地下抗浮中，可有效改善此类现象。本文基于工程背景，对自进式中空注浆锚杆在深厚破碎带岩层中的设计方法、抗浮效果和技术特点进行了分析，并加以验证，为类似不良地质条件的地下抗浮锚杆设计提供参考。

1 工程概况

浙中地区某高层建筑，地下三层，±0.000标高相当于85国家高程66.500 m，室外区域地下顶板相对标高-0.500，底板面层相对标高-13.600，该工程地勘报告建议地下抗浮设防水位高程65.000 m。主楼采用筏板基础，多层裙楼和纯地下室采用柱下独立基础+防水板+抗浮锚杆。地基持力层为中风化钙质粉砂岩（软岩），岩体基本质量等级为Ⅴ级。地下水对混凝土中的钢筋具有微腐蚀性。抗浮锚杆采用分布式网状布置，标准间距1.35 m×1.35 m（考虑群锚效应）。地基土物理力学指标见表1。

表1 地基土物理力学指标Table 1 Physical and mechanical parameters of foundation soil

本工程地质条件复杂，场地东部区域存在一条宽度20～32 m、厚度2～16.9 m的带状破碎带，位于中风化粉砂岩内，破碎岩石和软弱断层泥混合交替出现，动力触探试验锤击数平均值为41击，抗压强度和锚固体与岩土层之间的粘结强度均较低，破碎带分布见图1。

图1 地下室平面布置图及破碎带平面分布示意图Fig.1 Layout of bottom and Schematic of fractured rock

锚杆初始方案均采用全长粘结拉力型抗浮锚杆，但由于破碎带区域岩体呈碎块或碎颗状，裂隙较发育且富含地下水，在锚杆钻孔过程中，易发生塌孔、卡钻、注浆不饱满等问题，经论证此方案实现的难度和风险较大，需采用套管护壁成孔工艺或对破碎岩层采用固结注浆法进行填充处理，增加锚杆施工工期和造价。考虑基坑支护采用放坡+喷锚支护形式，锚杆在地下室底板混凝土垫层完成后进行施工等因素，基坑支护设计单位要求基坑暴露时间不宜过长，经比较分析，破碎带区域采用自进式中空注浆锚杆可解决传统锚杆的诸多缺陷，其余区域仍采用全粘型抗浮锚杆。为验证自进式中空注浆锚杆的抗浮承载效果，通过选取破碎带范围内锚杆布置区外2根全粘型抗浮锚杆和锚杆布置区内2根自进式中空注浆锚杆进行现场锚杆拉拔力、位移、注浆压力和注浆量的试验对比，分析比较两种锚杆的加固效果。

2 自进式中空注浆锚杆的构造原理和技术特点

自进式中空注浆锚杆构造由中空锚杆体、自进钻头、连接套、对中器、垫板和螺母组成［6］，属被动型锚杆，见图2。

图2 自进式中空注浆锚杆构造Fig.2 Structure of self-drilling hollow grouting anchor

其中中空锚杆体采用全螺纹中空锚杆体，具有注浆孔功能。

自进钻头采用十字钻头或砂土钻头，十字钻头适用于破碎岩层，砂土钻头适用于松散沙土层。

螺母和垫板分别为外部锁定紧固件和传递荷载的构件，垫板上留设注浆（或排气）孔。

专用连接套用于锚杆体加长连接。

目前自进式中空注浆锚杆的常用型号有φ25/6～φ51/8（Q420），锚杆体极限拉力为210～640kN，杆体标准长度3 m/4 m/6 m，根据杆体不同规格，其最大长度达8～16 m以上，自进钻头规格可根据孔径和钻进扭矩综合确定。技术特点有：

（1）通过中空锚杆体做钻杆加钻头实现钻杆与锚杆合一、钻进与注浆合一，具有边钻边注浆功能，注浆质量可靠。

（2）通过对中器的定位作用实现杆体对中，杆体周边浆体保护层厚度可控，避免降低杆体与浆体的粘结强度，同时可有效防止杆体锈蚀，提高耐久性。

（3）中空锚杆体和配件使用高强钢材制成，采用工厂化生产，属装配式成品构件，连接构造简单，锚杆体质量易保证。

（4）适用条件：在宜塌孔的破碎岩层中，自进式中空注浆锚杆长度不宜大于12m［7］。

3 中空注浆抗浮锚杆计算

锚杆孔直径D=130 mm，按锚固段有效锚固长度Ld=4 m进行计算，参照《建筑地基基础设计规范》（DB33/T 1136—2017）［8］附录J，则有：

1）岩石锚杆竖向抗拔承载力标准值Rt

式中：Ld为锚杆锚固段有效锚固长度；frbk为锚固体与岩石间极限粘结强度标准值，按极软岩类别取下 限 值frbk=300 kPa［9］；D为 锚 杆 锚 固 段 注 浆 体直径。

2）Q420锚杆体截面积As

选用φ51X8（As=1080 mm2）

式中：f为钢材抗拉强度设计值，取f=375 MPa；ξ1为钢材抗拉工作条件系数，取0.69。

3）锚杆体钢材与注浆体之间锚固长度Ld

式中：fb为钢材与注浆体之间的粘结强度设计值，按注浆体水泥砂浆强度等级M30取fb=2.4 MPa；ξ2为钢材与注浆体粘结强度工作条件系数，取0.6。

4）锚固浆体中最大裂缝宽度验算

参照《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［10］（以下简称《砼规》）公式（7.1.2-1）进行裂缝宽度估算：

（1）当将浮力作为永久荷载对待［9］（偏安全），采用抗浮设防水位确定的浮力最大值作为浮力标准值时，按荷载短期效应的标准组合进行裂缝宽度验算，则有：

最大轴力：Nk=200 kN

钢材应力：σs=Nk/AS=200000/1080=185 MPa

钢材混凝土保护层厚度：cs=30 mm［11］

裂缝间钢材应变不均匀系数：ψ=1.0

最大裂缝宽度：Wmax=0.26 mm

注：基于中空杆体保护层厚度较大且外观不作要求，Wmin限值可作适当放大［10］。

（2）考虑浙江地区雨水较丰富，地下水位随季节变化较大，也可将水浮力作为可变荷载对待，锚杆构件裂缝宽度验算可取常年平均水位［8］，故可采用正常使用极限状态下，按荷载长期效应的准永久组合值进行裂缝宽度验算，其中常年平均水位取常年稳定水位+潜水水位年变化幅度（Δ=2 m），结合本工程地勘报告，按常年平均水位高程62.700 m进行裂缝宽度估算，则有：

最大轴力：Nk=150 kN

钢材应力：σs=139 MPa

最大裂缝宽度：Wmax（0.19 mm）＜Wlim（0.2 mm）

4 中空注浆抗浮锚杆合理长度取值

全长粘结型抗浮锚杆荷载传递机制的试验研究与理论分析表明［12］，基于锚杆与周边松散破碎岩层的弹性模量存在明显差异，锚杆在拉力作用下，锚杆锚固段注浆体与地层间的粘结应力沿锚固长度的分布是很不均匀的，在往复变化的水浮力作用下，随着拉力的增大，锚杆锚固体近端倾向于逐步与周围岩土体脱开，粘结应力向锚固体远端转移，锚固体近端粘结应力急剧下降至较低水平甚至出现零应力，同时周围岩土体产生塑性变形，此时按锚杆全长计算承载力是不符合实际受力状况和不安全的，实际设计时应预留一定长度的锚固段不参与或部分参与承载力计算是合理的，预留一定的安全储备是必要的，同时抗浮锚杆一般在基坑底进行施工，坑底破碎岩层或松散土层因应力释放通常会产生隆起而引起锚杆锚固段注浆体与地层间的粘结强度降低，参照《抗浮锚杆技术规程》（YB T4659—2018）［13］第5.2.3条，对破碎岩层锚杆自由段长度Lf取1 m，则抗浮锚杆总长度L=Lf+Ld=5m。

5 现场试验及结果分析

为验证自进式中空注浆锚杆的锚固效果，在破碎岩层区域共进行2根自进式中空注浆锚杆和2根全长粘结型抗浮锚杆的拉拔试验，锚杆直径均为Φ130，锚杆总长度均为5 m，注浆体水泥砂浆强度等级均为M30，中空锚杆体规格φ51/8（Q420），编号分别为1#、2#，全粘型锚杆体钢筋3φ 22（HRB400），编号分别为3#、4#。

5.1 强度对比

各锚杆最大试验荷载取2倍抗拔承载力特征值，同时将锚头累计总位移量不大于10 mm及不超过杆体抗拉极限强度值（考虑工作条件系数）作为终止加载控制条件，结果见图3。对比发现，自进式中空注浆锚杆拉拔最大试验荷载值均明显大于全粘型锚杆。

图3 锚杆拉拔结果对比图Fig.3 Contrast of results of pull testing

5.2 变形对比

1#、2#自进式中空锚杆与3#、4#全粘型锚杆的荷载-位移曲线，见图4。图中显示，2#中空锚杆的最大位移3.53 mm，最终位移2.43 mm；4#全粘型锚杆的最大位移7.57 mm，最终位移5.67 mm。加载过程中，中空锚杆最大位移明显小于全粘型锚杆，卸载过程中，中空锚杆残余变形也明显小于全粘型锚杆，但两者回弹率相差不大。

图4 1#、2#自进中空锚杆与3#、4#全粘型锚杆荷载-位移曲线Fig.4 Load-displacement curves of anchor No.1、2 and No.3、4

5.3 注浆效果对比

锚杆注浆效果是锚杆承载力的重要保证，而注浆压力和注浆量是衡量注浆效果的重要指标。中空注浆锚杆锚固机理研究表明［2］，通过压密注浆和劈裂注浆，可显著增大破碎岩体的弹性模量、内聚力、内摩擦角等力学参数，从而提高其锚固力。注浆压力和注浆量越大，提高效果越明显。对比发现，全粘型锚杆注浆压力值约在1.0 MPa，而中空锚杆注浆压力达到1.3 MPa左右，提高了30%；中空锚杆注浆量较全粘型锚杆增加了约20%。中空锚杆注浆压力和注浆量均高于全粘型锚杆。

6 自进式中空注浆锚杆裂缝控制方法

对抗拔承载力不高的自进式中空注浆锚杆，可根据设计需要施加预应力，形成拉力型预应力中空注浆锚杆，使锚杆注浆体处于零拉应力或控制拉应力小于注浆体轴心抗拉强度标准值，可按不出现裂缝或按裂缝控制进行设计。

自进式预应力中空注浆锚杆由内锚（锚固段注浆体）、拉杆（自由段杆体）、外锚（螺母垫板）组成，自由段杆体采用外包PE套管形式。注浆完成后利用自由段的弹性伸长，建立低预应力。为避免预应力损失过大，确保有效预应力，自由段长度不应小于3 m，不宜小于4 m［14］。预张拉力根据中空杆体的抗拉强度确定，张拉应力宜控制在0.5fyk～0.7fyk范围内，允许超张拉力值可取预张拉力的1.2倍［14］。预应力损失主要因杆体应力松弛与螺母垫板回缩变形引起，可根据现行《砼规》第10.2节规定进行计算，初步设计时可按张拉力的20%～30%进行估算，最后应通过现场试验确定。对锚杆体施加预应力有以下两种方式：

（1）扭力扳手施加预应力：通过扳手拧紧六角螺母产生预紧力（即预应力），预紧力根据扭力扳手对应的扭矩确定，适用于施加预应力小于或等于200 kN的锚杆体，工艺简单，较常用。

（2）千斤顶张拉锚杆施加预应力：通过千斤顶张拉并用扳手拧紧螺母锁定，当设计需施加预应力大于200 kN时，宜采用千斤顶张拉方式，张拉力直观准确，工艺较繁琐，不常用。

7 结论

（1）自进式中空注浆锚杆是一种集钻进、注浆、锚固功能于一体的新型锚杆。自进式中空注浆抗浮锚杆在软弱、破碎、松散及夹泥断层岩层中的创新应用不仅解决了普通全粘型锚杆施工中常出现的塌孔、缩径和注浆不密实等弊端，而且避免了采用套管护壁成孔工艺或增加固结注浆处理措施。经过实践证明其抗浮锚固承载力安全可靠的，且施工简便、快捷，达到节省工期和减少造价预期目标。相比较普通锚杆其优势明显，适用范围广。

（2）非预应力中空注浆抗浮锚杆可参照全粘型普通锚杆相关公式进行锚固承载力计算和群锚效应稳定性、裂缝验算。中空注浆锚杆可按现行《中空锚杆技术条件》［6］和《建筑工程抗浮技术标准》［9］进行检验与验收。

（3）试验表明，在相同锚固长度下自进式中空注浆锚杆在破碎岩层中的拉拔承载力明显高于同规格全粘型普通锚杆。同一荷载下，中空注浆锚杆变形量均小于全粘型锚杆，最大变形量减少了约50%，容易满足底板允许变形值要求（底板变形限值宜适当从严）。同时自进式中空注浆锚杆相比同直径、长度普通锚杆，其注浆压力提高了30%，注浆量增加了20%左右，可有效增强杆体周围破碎岩体的力学参数，锚固能力得到明显提高。

（4）通过中空杆体对中器的定位作用可实现杆体对中，保证了杆体周边浆体保护层厚度满足设计要求，避免降低杆体与浆体的粘结强度，提高杆体耐久性。

（5）可根据设计需要施加预应力，使锚杆注浆体处于零拉应力或控制拉应力小于注浆体轴心抗拉强度标准值，可按不出现裂缝或按裂缝控制进行设计，适用于抗浮设计等级为甲（乙）级的地下工程。

（6）对采用水泥砂浆注浆体的圆形截面的非预应力中空注浆锚杆，采用现行《混凝土结构设计规范》公式（7.1.2-1）计算注浆体最大裂缝宽度，其结果往往偏大，是否合理，值得商榷。