抗浮锚杆力学性能试验分析

第４４卷２０１６年第１期　广州１建筑ＧＵＡＮＧＺＨＯＵ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　抗浮锚杆力ｅｄｂ，Ｉ生能试验分析　唐孟华１，曹绍林　（１．广州市盛通建设工程质量检测有限公司，广州５１００００）　（２．暨南大学信息技术研究所，广州５１００７５）　摘要：抗浮锚杆施工方便快捷、经济安全，越来越多地运用于解决地下工程抗浮问题。文章针对珠三　角某一医院地下室建造实际，对抗浮锚杆的力学性能进行了试验研蕉　通过锚杆的破坏性实验，得到了　锚杆在中风化岩层中的剪应力分布规律，并给出了一种锚杆抗拔力的确定方法，为实际工程设计提供依　据，为类似工程提供可靠的参考。　关键词：抗浮锚杆；地下工程抗浮；剪应力分布；锚杆抗拔力　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ａｎｔｉ－ｆｌｏａｔｉｎｇ　Ａｎｃｈｏｒｓ　ＴＡＮＧ　Ｍｅｎｇ－ｈｕａ　，ＣＡＯ　Ｓｈａｏ—ｌｉｎ　（１．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｓｈｅｎ￣ｏｎｇ　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｏｆ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１００００）　（２．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｊｉｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１００７５）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｔｉ－ｆｌｏａｔｉｎｇ　ａｎｃｈｏｒｓ　ａｒｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ａｎｔｉ－ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｉｎ－　ｃｒｅａｓｉｎｇ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ，ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｉｎ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ，ｅｃｏｎｏｍｙ　ａｎｄ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｓ　ｆｏｃｕｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｘ—　ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ａｎｔｉ－ｆｌｏａｔｉｎｇ　ａｎｃｈｏｒｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｃｏｎ—　ｓｔｕｒｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｈｏｓｐｉｔａｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｐｅａｒｌ　Ｒｉｖｅｒ　ｄｅｌｔａ　ｒｅｇｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｎｃｈｏｒｓ　ｉｎ　ｍｏｄｅｒａｔｅｌｙ　ｄｅ—　ｃａｙｅｄ　ｒｏｃｋｓ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｄｅｓｔｕｒｃｔｉｖｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｐｕｌｌ—－ｏｕｔ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ａｎｔｉ—－ｌｆｏａｔｉｎｇ　ａｎｃｈｏｒｓ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｐｅｅｒ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｎ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｎｔｉ－ｆｌｏａｔｉｎｇ　ａｎｃｈｏｒｓ；ａｎｔｉ－ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｐｒｏｊｅｃｔ；ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ；　ｐｕｌｌ—ｏｕｔ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ａｎｔｉ—ｆｌｏａｔｉｎｇ　ａｎｃｈｏｒｓ　１引言　桩或抗拔锚杆抗浮『３］。配重抗浮一般通过设置较　珠三角地区广泛分布软土。这类土具有高含　厚的钢筋混凝土底板来平衡水的浮力，达到建筑　水量、大孔隙比、低密度、低强度、高压缩性、　地下室抗浮的效果，但会大大增加工程量，提高　低透水性等特点，由于这一类地区地下水位较高，　造价，一般不宜采用；采用抗拔桩对地下水浮力　结构荷载不能抵抗地下水浮力，在设计中必须要　进行抗浮处理，桩直径以及间距较大，使得由地　考虑地下建筑的抗浮问题ｆ１１。由地下水造成的建　下水产生的浮力对底板的弯矩和剪力都很大，这　筑结构破坏形式主要有两种：一类是地下室底板　就需要较厚的底板和较大的钢筋配筋率来平衡弯　隆起，导致底板破坏，这种破坏多发生在高层建　矩和剪力。所以采用抗浮灌注桩的造价很高，对　筑的地下室中；一类是地下建筑整体浮起，导致　施工工艺的要求也很高；抗浮锚杆间距小，底板　梁柱结点处开裂，同时底板也破坏，这种破坏多　所需要平衡的弯矩和剪力也随之变小，所以底板　发生在整个建筑均在地下的情况嘲。珠三角地区　的厚度就可变薄，造价也就大幅度的降低，又是　这两类破坏都发生过。　采用钻机的单一工艺成孔，工期也大幅度缩短。　常用抗浮措施主要有增加配重法抗浮、抗拔　２０世纪９０年代，随着锚固技术的发展。抗浮　一１７—　广州建筑ＧＵＡＮＧＺＨＯＵ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　２０１６年第１期　锚杆在地下工程中得到了应用　，例如地下停车　场、污水处理池、地下商场等。在国外，抗浮锚　杆除用于地下室的抗浮外，还用在海洋工程中嗍，　如海洋平台的抗浮等。抗浮锚杆在工程造价、施　３工程概况　广州某医院地下工程，占地约１．４万ｍ　，地　下２层，东西长约３１０ｍ，南北宽约４６ｍ，开挖深　度１２．６ｍ。考虑到该地区在历史最高水位时建筑物　自重以及地面回填土重量不能平衡地下水浮力，　所以必须在建造过程中采取抗浮措施。　根据委托单位提供该场地的岩土工程勘察报　告，该场地岩土层自上而下主要包括有回填土、　淤泥、砂质粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗　工工期上都显示出其优越性。采用抗浮锚杆来解　决地下室的抗浮问题，能够降低工程造价，但是，　由于现在地下工程的规模一般很大，地下水位很　高．锚杆长期水下浸泡腐蚀后是否能满足其力学　性能的要求，此时，抗浮锚杆是否还能保证工程　安全．这是现在大家极其关心和忧虑的问题。本　文通过工程实例，进行抗浮锚杆的力学性能试验，　为设计提供依据，为类似工程提供参考。　２抗浮锚杆力学性能简介　常用的锚杆类型可以分为拉力型锚杆和压力　型锚杆。但当锚杆受荷后，杆体始终处于受拉状　态，而拉力型与压力型锚杆的主要区别，在于锚　杆固定段内的灌浆体在受到荷载作用时，分别处　于受拉或者受压状态［９１。　拉力型锚杆（如图１ａ）：荷载是依赖其固定段　杆体与灌浆体接触界面上的剪应力由顶端向底端　传递。锚杆工作时，固定端的灌浆体容易出现张　拉裂缝．防腐性能差。　压力型锚杆（如图１ｂ）：借助特制的承载体，　承载体和无黏结钢绞线或带套管钢筋使之与灌浆　体隔开，将荷载直接传至底部的承载体，从而由　底端向固定端的顶端传递荷载。由于其受荷时，　固定端的灌浆体受压，不易开裂，防腐性能好，　适用于永久性锚固。　摩阻应力　浆体　受拉杆体　１ａ）拉力型锚杆　１ｂ）压力型锚杆　图１拉力型与压力型锚杆示意图　一１８—　岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩，各土层厚度　分布不均。该建筑物地下室坐落在强风化花岗岩　上。抗浮锚杆锚固在中风化花岗岩中，场区内地　下水位在自然地面下１．４ｍ左右，主要的含水层为　砂质粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中　风化花岗岩、微风化花岗岩，地下水主要为孔隙　水和基岩裂隙潜水。局部有微承压作用。经过方　案比选，采用非预应力抗浮锚杆作为地下室永久　性抗浮措施。杆体采用螺纹钢，将锚杆顶部预留　部分直接浇入混凝土地板中。　４锚杆的抗拔试验　锚杆在受力破坏时，主要表现为以下四种形　态：　（１）注浆体与岩体间剪切破坏；　（２）锚杆杆体抗拉强度破坏；　（３）锚杆杆体与注浆体界面破坏；　（４）锚杆埋人稳定地层使地层呈锥体拔出。　在一般情况下，第四种破坏形态很少出现，　杆体强度也比较容易控制，对土层和软岩，锚杆　极限承载力不由杆体与注浆体之间的包裹力来控　制，故锚杆在受力时，一般较易发生剪切破坏，　所以，锚杆极限承载力通常由注浆体和岩土体极　限剪切强度确定。根据《土层锚杆设计与施工规　范》［４】，对抗浮锚杆进行抗拔试验，确定锚杆的　抗拔力。根据建筑场地的岩土工程勘察报告，分　别取２组共６根抗拔锚杆进行破坏性试验，分布　在建筑场地不同区域，锚杆详细参数如下表１所　示　唐孟华等：抗浮锚杆力学性能试验分析　表１锚杆详细参数表　本次试验，主要包括两方面内容：　（１）沿锚杆长度方向，以固定的间距在杆体　粘贴电阻应变片，用以测定剪应力沿杆长分布。　（２）通过数据处理，得到锚杆荷载位移Ｑ～ｓ　曲线，从而确定锚杆的有效抗拔承载力。　本次试验采用ＹＤＣ１０００Ｂ一２００型千斤顶　（ＤＪ０２６）配合电动油泵，０．４级压力表控制对测试　锚杆施加轴向拉力，用百分表（ＤＪ１２６、ＤＪ１２７）　测读锚头位移。试验采用分级加载，荷载分８级，　每级荷载５７ｋＮ。每级荷载施加完毕后，应立即测　读位移量，以后每隔５ｍｉｎ测读一次。连续４次测　Ｂｄ矾，　欷　读出的锚杆拔升值小于０．１ａｒｍ时，可认为在该级　荷载下的位移已达到稳定状态。可继续施加下一　蛳　㈣　级上拔荷载。锚杆上拔量观测：在锚杆锚头标高　位置对称安装２个百分表，按规定时间测读上拔　量。加载设备装置图如图２所示。　钢筋（绑焊）　试验锚杆　广Ｔ　／　　｛／　ｌ　－ｑ　，　……　惶撼铜　；／　★｝＋／　图２加载设备装置图　４．１剪应力分布规律　由图１可知。拉力型锚杆在外荷载作用下，　任一截面上的内力等于钢筋内力与注浆体内力之　和．而两截面内力之差即为该区域所受的剪应　力【加】。其用下列公式计算：　，ｒ＝（Ｅ　ｇ＋Ｅ　）（８ｉ一￡ｉ—１）／￣ｒｄＡｆ　式中：Ｅ　、Ｅ。分别为钢筋和注浆体的弹性模量；　Ａ　、Ａ。分别为钢筋和砂浆体的截面面积；８ｉ为任　一截面ｉ的应变值；△　为两测点间的间距；ｄ为　锚孔直径。　将试验所得数据整理，代人锚杆剪应力公式，　得到锚杆各区间在各级加载条件下的剪应力。如　图３～图５所示。　４　５　６　０　７　５　９０　１０　５　１２０　锚杆杆体深度／ｌ１Ｉ／　钕　ｍ　　㈣　１≠≠锚杆剪应力分布图　蚴　㈣　㈣　㈣　４与　ｅ０　７．５　９　１Ｏ．５　１２，０　锚杆杆体深度，ｍ　２＃锚杆剪应力分布图　１　５　３　０　４５　日０　７　５　９．０　１ｕ　５　１ｚ　ｕ　锚杆杆体深度，ｍ　图５　３≠≠锚杆剪应力分布图　从图３　图５中可以得到如下规律：　（１）在荷载作用下，锚杆杆体各区间所受的剪　应力沿杆体长度是不均匀分布的，在孔口（即靠　近施加荷载处）处最大，在锚杆末端最小，沿杆　一１９一　Ｂｄ芝㈨　哪喵　㈣　晒广州建筑ＧＵＡＮＧＺＨＯＵ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　２０１６年第１期　长呈现不同程度的衰减。　（１）锚杆杆体各区间所受的剪应力沿杆体长　度是不均匀分布的，在孔口处最大，沿杆长呈现　不同程度的衰减。　（２）极限剪应力随着外荷载不断增加也不断　趋于稳定，并且向深度方向发展；外荷载极限状　态时，剪应力沿杆长变化梯度比之前各级荷载作　用下变化梯度小，剪应力分布不均匀性依旧存在。　对于拉力型锚杆，一味地增加锚杆长度，对锚杆　的抗拉承载力的增加是有限的。　（２）当外荷载不断增加，达到极限状态时，　极限剪应力也不断趋于稳定，并且向深度方向发　展；由于外荷载极限状态时，剪切变形不断增大　舌堇　并向深度传递．导致剪应力沿杆长变化梯度比之　前各级荷载作用下变化梯度小，但是，剪应力分　布不均匀性依旧存在。　综上所述可知．对于拉力型锚杆，一味地增　加锚杆长度，对锚杆的抗拉承载力的增加是有限　的。可以通过改变杆体组成材料或者使用压力分　散型锚杆技术，通过改变杆体自身荷载传递机制　来提高锚杆承载力。　４．２荷载～位移（Ｑ　）曲线　将现场进行的破坏型试验所得到的荷载以及　位移数据绘于图６与图７，得到ｐ～ｓ曲线。曲线　中位移变化的拐点所对应的荷载即为每根抗浮锚　杆的抗拔承载力，取每组三根抗拔锚杆的抗拔承　载力的平均值作为该组的平均值．继而求出各组　的平均值即可作为锚杆在中风化花岗岩中的平均　抗拔力，从而可以作为锚杆的抗拔承载力的设计　依据，为类似工程提供参考。　５ｏｏ　４∞　３∞　Ｚ　２ｏｏ　图６　１≠≠一３≠≠锚杆Ｑ　曲线　ｓ／ｍｍ　图７　４＃－６＃锚杆Ｑ　曲线　５结论　经过一系列的现场试验，得出如下结论：　－２０－　（３）ｐ～ｓ曲线中位移变化的拐点所对应的荷　载即为每根抗浮锚杆的抗拔承载力，可以作为锚　杆的抗拔承载力的设计依据，为类似工程提供参　考。　（４）现场试验以及大量工程实践证明，抗浮　锚杆能有效地用于地下结构抗浮．并且施工方便　快捷、安全经济。　参考文献　【１】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Ⅱ】建筑结构，２００１（８）：６０—６２．　【２】彭涛，武威．复杂地质条件下预应力康复锚杆的应用　Ｕ１．工程勘察，２０００（２）：３１—３３．　［３】崔京浩，崔岩．锚固抗浮问题的几个关键问题唧．特种　结构，２０００，１７（１）：９－１７．　［４］ＣＥＣＳ２２．９０土层锚杆设计与施工规范Ｉｓ】，１９９１．　【５］Ｆｏｘｔｏｎ，Ｐｅｔｅｒ．Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ　ｌｏａｄｅｄ　ａｎｃｈｏｒｓ　ｆｏｒ　ｄｅｅｐ　ｗａｔｅｒ明．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＯｆｆｓｈｏｒｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．１９７７，５（３）：４０—４３．　［６贾金青，陈进杰．大型地下建筑抗浮工程的设计与施工　６】技术Ⅱ】．建筑技术，２００２，３３（５）：３５２—３５４．　【７】张在明．地下水与建筑基础工程［Ｍ］．北京：中国建筑　工业出版社，２００１．　［８徐祯祥，等．岩土锚固技术与西部开发［８］Ｍ］．北京：人　民交通出版社，２００２．　【９］ＪＧＪ６—９９高层建筑箱型及筏形基础技术规程【ｓ】．北　京：中国建筑工业出版社，１９９９．　［１　ｏ］杨翠珠．建筑物基础抗浮设防水位之我见【Ｊ】．岩土工　程技术，２００７，２１（４）：１７６—１７８．