地下室抗浮锚杆设计及工程应用要点

邹超

广州市中荔美投资有限公司 广东 广州 510760

随着我国经济水平不断提高，城市规划建设标准不断完善，各类建筑配建地下室的规模、深度也不断增大。地下室抗浮设计已经成为大部分新建建筑工程必须考虑的设计要点之一。

地下室抗浮的措施多种多样，如压重法、泄水降压法、锚杆法、桩锚法等。不同的抗浮措施应结合具体项目的场地特征而应用，因地制宜。

其中抗拔锚杆因其设计方法完善、传力路径清晰、施工工艺成熟简便、经济效益良好，在目前的地下室抗浮设计中已得到广泛应用。

本文就普通钢筋全长粘结型抗拔锚杆设计及施工常见的问题及后续处理，结合工程实例予以说明。

1 普通钢筋全长粘结型抗拔锚杆的构造特征及受力原理

普通钢筋全长粘结型锚杆构造简单，其主要受力构件仅由普通钢筋（非预应力）和注浆体组。钢筋直接锚固与地下室地底板（或筏板）中。其锚固方式施工简便，无需后张拉工艺，同时也规避了用于遮盖预应力锚杆锚头而增加的砂浆（或细石混凝土）找平层，节省了地下室净空，有利于地下室建设的经济性指标提升。

普通钢筋全长粘结型锚杆的受力原理为：地下水位产生的水压力作用于地下室底板，当水浮力大于上部结构自重时，额外的水浮力通过均匀分布在地下室底板（或筏板）内的抗拔锚杆的锚固钢筋受拉传递至其下的锚杆注浆体，最终通过注浆体与周边土（岩）层摩擦予以承担。可以看出，此传力路径中钢筋的抗拉强度、钢筋与注浆体之间的摩擦力、注浆体与周边土（岩）层的摩擦力是保证锚杆承载力的关键因素。

2 从抗拔锚杆强度的计算公示看锚杆设计的注意要点

2.1 锚杆杆体受拉承载力计算

两本规范的杆体强度计算公示中，钢筋的抗拉强度均采用标准值，但安全系数取值却有所不同：广东地基规范中，安全系数取值为2.0；锚杆规程中，普通钢筋永久锚杆的安全系数为1.6。同时，应注意到杆体的轴向拉力取值分别采用了标准值和设计值，按广东地基规范式3.0.7-3可知，作用效应的基本组合与标准组合可简化按1.25倍计算。故上述两式计算所得的杆体钢筋直径相差不大。

《锚杆检测与监测技术规程》（简称“检测规程”）（JGJ/T 401-2017）第5.1.3-1条规定“拉力型锚杆应取锚固段注浆体与岩土体之间破坏荷载预估值、杆体与锚固段注浆体之间破坏荷载预估值两者中较小者的（1.0～1.5）倍”，第5.1.3-3条规定“钢筋锚杆杆体应力不应超过杆体屈服强度标准值的0.9倍”。用于确定锚杆抗拔极限承载力的试验锚杆，除按本文中式2.1-1和2.1-2外，还应按上述两条复核杆体钢筋应力。

2.2 锚杆钢筋与注浆体之间的摩擦力计算

上式原理较为简单，即为钢筋表面与水泥浆（水泥砂浆）锚固体接触面的摩擦力总和大于杆体受拉承载力。增大钢筋直径、增加锚杆体长度、通过提高水泥浆标号提高粘结强度均可实现计算上的摩擦力增大。

同时还应验算注浆体的裂缝宽度，其最大限值应满足广东地基规范10.1.16条要求，最大裂缝宽度计算采用混凝土规范7.1.2条。

实际工程应用中，还应注意到，满足钢筋间距和保护层厚度构造要求是保证注浆体对钢筋产生有效摩擦力的前提。在锚杆构造上，可在杆体钢筋束外表面焊接图1所示构造的短钢筋，保证杆体钢筋与锚杆钻孔孔壁保持有效距离；杆体的数根钢筋之间，每隔一段距离可以采用与图2所示的短钢管焊接固定，可保证钢筋间距均匀，也便于施工过程固定注浆管。

图1 锚杆钢筋外侧焊接折形短钢筋构造

图2 固定锚杆钢筋的短钢管构造

但此类全长粘结型的钢筋抗拔锚杆，总长度切记不可过长。在实际工程中，普遍锚杆长度在10～20m时，通常承载力发挥良好，经济性也较抗拔桩有明显优势。但随着锚杆长度增加，成孔施工难度急剧增大，杆体钢筋偏位、扭转、弯曲，锚杆体浇筑质量下降。当锚杆长度大于30m后，检测合格率不易保证。

在实际工程案例计算中发现，本条所计算的锚杆长度远小于本文2.3条的计算结果，故广东地基规范中已不在要求计算本条内容。

2.3 注浆体与周边地基岩土层的摩擦力计算

两本规范公式不同，但计算原理一致，即为注浆体表面与周边岩土层接触面的摩擦力总和大于杆体抗拔承载力。

广东地基规范中，用锚杆抗拔承载力采用标准值并乘以1.1的安全系数，而锚杆规程中则采用设计值并乘以不小于2的安全系数。看似两者差异较大，实则计算所得锚杆长度差异并不大，主要是广东地基规范中采用的土体与锚固体摩阻力特征值和锚杆规程中土体与水泥砂浆的粘结强度标准值推荐值差异较大所致。如广东地基规范中，中密粉土的摩擦力特征值为20～30kPa；而锚杆规程中，同样土层的建议标准值为70～125kPa。

实际工程中，勘察报告多数提供岩土层侧摩阻力特征值，可与广东地基规范中的建议摩阻力特征值进行比较。故对于广东省内工程，广东地基规范的计算公式较为实用。

需要特别注意的是，广州的花岗岩地质，属遇水极易软化岩层，花岗岩风化形成的残积土层亦存在明显遇水软化的特性。根据笔者的工程经验，风化花岗岩土层的侧摩阻力特征值取值不高于表1时，采用得当的施工工艺，锚杆的可靠度是可接受的。

表1 风化花岗岩土层的侧摩阻力特征值取值建议表

但同时对地勘资料也应特别留意，因花岗岩风化残积形成的粉质粘土与全风化岩的判定容易出现偏差，而粉质粘土与全风化岩的侧摩阻力特征值相差甚远，若相邻钻孔资料揭示全风化岩层面高差过大，则应及时加密补充探勘孔，确保地勘资料无误，亦提供锚杆定长的依据。

从笔者接触的工程项目的前期检测结果看，锚固于中微风化岩中的锚杆检测的合格率相对高于锚固于全、强风化岩或土层中的锚杆。笔者认为这与锚杆施工工艺在岩层中成孔的效果更易于控制有关。

3 锚杆施工过程中应注意把控的重点和难点

在施工良好的锚杆中，进行试锚时，可能出现杆体钢筋屈服的现象；而试锚或检测中，出现的破坏或不合格锚杆，出问题的原因更多来自于注浆体质量缺陷或注浆体与周边土体摩擦失效。

笔者曾目睹实际工程中，设计锚杆抗拔承载力特征值470kN，实际检测仅25kN的情况（图3）。原锚杆设计长度约13m，最终此失效锚杆从土层中拔出后，杆体钢筋除底端有少量注浆体残存（约50cm），其余全部为裸露钢筋（图4）。

图3 某项目锚杆承载力极限值检测结果

图4 失效锚杆拔出呈现的严重注浆体质量缺陷

可见，抗拔锚杆虽然已广泛应用于地下室抗浮设计中，但若施工过程不严格把控好每一环节，也会出现威胁工程质量安全的严重问题并造成成本的极大浪费。

3.1 成孔工艺

在土质较稳定，且含水率不高的土层中，当锚杆深度不大时，可采用风动潜孔钻机直接钻进，并且利用空压机产生的高压空气进行排渣。而实际上，满足此类地质要求的场地在广东地区并不多见。广东省内常遇到地下室水位较高、地下水充盈、土体含水量大、或砂质土层的地质，此时可采用套管护壁，成孔过程中跟管钻进，避免塌孔或造成周边水土流失。锚杆规程8.2.2条，《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（简称“锚杆规范”）（GB 50086-2015）4.7.5条，均有提及套管护壁成孔工艺。

3.2 安放锚杆

成孔后，用塔吊或汽车吊吊起锚杆缓缓地放入孔内，锚杆与注浆管应同时插入钻孔底部，直到孔底。下放过程中要保持平稳、均速、垂直、不要偏斜和碰撞孔壁。

要求杆体插入孔内深度不宜小于锚杆长度，锚杆下端与孔底应有50mm的预留空间（避免注浆管触底堵塞）。取出钻杆及护筒立即将锚杆钢筋插入孔内，以免塌孔。

3.3 洗孔

常规洗孔工艺为清水洗孔，锚杆体安放到位后，将注浆管连通清水管，开大泵量冲水，直至孔口稳定流出清水。但实际工程中，可直接采用水泥浆洗孔，至孔口排出的水泥浆无残渣或黄泥水即可。因水泥浆重度更大，注浆压力更大，更容易排出孔内残渣，从而提高注浆体质量。

3.4 一次注浆

若采用水泥浆洗孔，洗孔结束后，继续将注浆压力稳压在0.6～0.8MPa，完成一次注浆。

3.5 拔套管

一次注浆完成后，才能拔出护壁套管。套管拔出后，通常会出现孔口浆液液面下降的现象。若孔口液面下降一定深度后相对稳定，此时应继续按一次注浆压力进行补浆；若液面下降严重且无法稳定，很有可能钻孔下部已出现塌孔，此锚杆可按作废处理。

若在一次注浆前拔出套管并采用清水洗孔工艺，极易导致钻孔塌孔，锚杆体无法下锚，或即使下锚，也无法形成有效注浆体。前文中图4所示的不合格锚杆极有可能为如是原因导致。

3.6 二次注浆

在一次注浆初凝时（约2～4小时），进行二次注浆，注浆压力控制在2.0～2.4MPa。二次注浆管因注浆体已初凝，是无法拔出的。

4 锚杆基本试验

4.1 锚杆基本试验的必要性

锚杆规程9.2.1条规定，“对任何一种新型锚杆，或锚杆用于未应用过的地层时，必须进行极限抗拔试验。”其它锚杆相关规程及地基规范中均有类似规定。因此，各项目在锚杆施工前进行锚杆极限抗拔试验，是十分必要的。试验结果既是锚杆承载力设计取值的依据，同时也是施工工艺验证和后续施工检测的参考标准。

4.2 试验锚设计注意事项

通常考虑到锚杆工程经济性因素，锚杆承载力极限值与锚杆钢筋强度基本匹配，这样可以发挥材料的最大效能。但在进行锚杆基本试验时，主要需要验证的是岩土层能提供给锚杆注浆体的最大摩擦力，为避免钢筋屈服破坏先于注浆体发生位移，试验锚可适当增大配筋。

5 锚杆的检测

锚杆检测规范7.1.3条，验收荷载应等于抗拔承载力特征值与锚杆安全系数的乘积。

锚杆检测规范3.2.8条，锚杆检测数量不应少于锚杆总数的5%，且不应少于5根。3.2.9条，当验收试验出现不合格锚杆时，应扩大抽检。扩大抽检的数量应为不合格锚杆数量的2倍。

锚杆检测在混凝土垫层上进行，当表层地基土承载力较差时，可通过在垫层面上铺设钢板或架设钢梁作为检测设备反力架，避免表层地基破坏，影响试验结果。

6 总结与思考

抗拔锚虽杆设计原理简单，施工工艺成熟；但仍有诸多细节需要注意。设计过程中应充分了解施工工艺与地质特征，施工单位也应全面了解设计图纸及设计意图，现场实施过程中出现与设计图纸或地勘资料不符的任何情况，各单位之间均应及时沟通，施工过程全程监管到位，才是保证锚杆可靠有效的根本。