周永明徐偉斌華 貝吳能文
（1.浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院，杭州 310006；
2.浙江翰城建筑設(shè)計(jì)有限公司，義烏 322000）
當(dāng)巖石地基上的地下抗浮工程采用錨固抗浮法進(jìn)行抗浮治理時(shí)，考慮抗浮樁造價(jià)和工期等因素，較多采用抗浮錨桿法。對(duì)國(guó)內(nèi)抗浮錨桿的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿或全長(zhǎng)粘結(jié)拉力型普通抗浮錨桿等工程應(yīng)用相對(duì)較多，采用中空注漿錨桿作為抗浮錨桿的工程應(yīng)用相對(duì)較少，尤其針對(duì)松散、破碎巖層中的抗浮錨桿選型、設(shè)計(jì)方法的研究和工程應(yīng)用鮮有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。地下工程常遇到地質(zhì)條件較差的巖體，如夾泥狀軟巖、松散破碎帶等軟弱巖體，給普通抗浮錨桿的實(shí)際承載力和耐久性設(shè)計(jì)帶來(lái)一些不確定因素，增加了施工質(zhì)量的離散性。主要問題有：①破碎巖體中，普通錨桿鉆拔孔過(guò)程中易發(fā)生塌孔，影響施工進(jìn)度；
②可能存在縮徑現(xiàn)象，減少了桿體與圍巖接觸面積，導(dǎo)致孔壁粘結(jié)力不足；
③注漿不飽滿，不僅弱化筋體與水泥砂漿的粘結(jié)作用，而且減少了筋體保護(hù)層厚度，影響錨桿的耐久性等。而自進(jìn)式中空注漿錨桿是一種集鉆進(jìn)、注漿、錨固功能于一體的新型成品錨桿，不僅規(guī)避了在破碎軟巖等不良地層鉆拔孔所導(dǎo)致的塌孔問題，而且從工藝上改善普通錨桿注漿不飽滿和縮徑等詬病，保證了注漿密實(shí)性，故具有桿體質(zhì)量可靠、施工效率高、錨固性能好等優(yōu)點(diǎn)。
查閱相關(guān)文獻(xiàn)，目前在軟弱破碎圍巖、砂性土層中的邊坡加固和支護(hù)工程中自進(jìn)式中空注漿錨桿得到廣泛應(yīng)用。部分學(xué)者對(duì)其在軟弱圍巖隧道支護(hù)中的錨固機(jī)理、力學(xué)模型以及數(shù)值模擬的方式進(jìn)行了研究。王四巍等［1］將中空注漿錨桿應(yīng)用在破碎邊坡加固工程中，得到中空注漿錨桿的受力特性。王思琦［2］對(duì)在軟弱圍巖隧道中空注漿錨桿支護(hù)效應(yīng)進(jìn)行了研究。楊文平等［3］利用中空注漿錨桿加固軟弱破碎圍巖，詳細(xì)介紹了其施工過(guò)程及優(yōu)勢(shì)。朱磊等［4］研究了自進(jìn)式中空注漿錨在砂性地層的承載力特性，通過(guò)在破碎松散的軟弱圍巖邊坡的加固，給出了中空注漿錨桿的應(yīng)用效果。而自進(jìn)式中空注漿錨桿在地下抗浮工程中的試驗(yàn)分析及應(yīng)用也較多。袁正如等［5］將中空注漿錨桿應(yīng)用在砂性土層的地下抗浮工程中，克服了錨桿在砂性土和軟土中鉆孔時(shí)的坍塌、縮徑問題，達(dá)到較好的抗浮效果。但自進(jìn)式中空注漿錨桿在破碎巖層的地下抗浮工程中的研究及應(yīng)用較少，在透水性較強(qiáng)、易塌方的破碎巖層中抗浮錨桿施工時(shí)，普通粘結(jié)型錨桿在施工鉆孔、注漿過(guò)程中易出現(xiàn)塌孔、縮徑、注漿不飽滿等現(xiàn)象，對(duì)錨桿成型質(zhì)量和安全性有較大影響。將自進(jìn)式中空注漿錨桿運(yùn)用于破碎巖層的地下抗浮中，可有效改善此類現(xiàn)象。本文基于工程背景，對(duì)自進(jìn)式中空注漿錨桿在深厚破碎帶巖層中的設(shè)計(jì)方法、抗浮效果和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并加以驗(yàn)證，為類似不良地質(zhì)條件的地下抗浮錨桿設(shè)計(jì)提供參考。
浙中地區(qū)某高層建筑，地下三層，±0.000標(biāo)高相當(dāng)于85國(guó)家高程66.500 m，室外區(qū)域地下頂板相對(duì)標(biāo)高-0.500，底板面層相對(duì)標(biāo)高-13.600，該工程地勘報(bào)告建議地下抗浮設(shè)防水位高程65.000 m。主樓采用筏板基礎(chǔ)，多層裙樓和純地下室采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)+防水板+抗浮錨桿。地基持力層為中風(fēng)化鈣質(zhì)粉砂巖（軟巖），巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。地下水對(duì)混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性。抗浮錨桿采用分布式網(wǎng)狀布置，標(biāo)準(zhǔn)間距1.35 m×1.35 m（考慮群錨效應(yīng)）。地基土物理力學(xué)指標(biāo)見表1。
表1 地基土物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical parameters of foundation soil
本工程地質(zhì)條件復(fù)雜，場(chǎng)地東部區(qū)域存在一條寬度20～32 m、厚度2～16.9 m的帶狀破碎帶，位于中風(fēng)化粉砂巖內(nèi)，破碎巖石和軟弱斷層泥混合交替出現(xiàn)，動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)平均值為41擊，抗壓強(qiáng)度和錨固體與巖土層之間的粘結(jié)強(qiáng)度均較低，破碎帶分布見圖1。
圖1 地下室平面布置圖及破碎帶平面分布示意圖Fig.1 Layout of bottom and Schematic of fractured rock
錨桿初始方案均采用全長(zhǎng)粘結(jié)拉力型抗浮錨桿，但由于破碎帶區(qū)域巖體呈碎塊或碎顆狀，裂隙較發(fā)育且富含地下水，在錨桿鉆孔過(guò)程中，易發(fā)生塌孔、卡鉆、注漿不飽滿等問題，經(jīng)論證此方案實(shí)現(xiàn)的難度和風(fēng)險(xiǎn)較大，需采用套管護(hù)壁成孔工藝或?qū)ζ扑閹r層采用固結(jié)注漿法進(jìn)行填充處理，增加錨桿施工工期和造價(jià)。考慮基坑支護(hù)采用放坡+噴錨支護(hù)形式，錨桿在地下室底板混凝土墊層完成后進(jìn)行施工等因素，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)單位要求基坑暴露時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，經(jīng)比較分析，破碎帶區(qū)域采用自進(jìn)式中空注漿錨桿可解決傳統(tǒng)錨桿的諸多缺陷，其余區(qū)域仍采用全粘型抗浮錨桿。為驗(yàn)證自進(jìn)式中空注漿錨桿的抗浮承載效果，通過(guò)選取破碎帶范圍內(nèi)錨桿布置區(qū)外2根全粘型抗浮錨桿和錨桿布置區(qū)內(nèi)2根自進(jìn)式中空注漿錨桿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)錨桿拉拔力、位移、注漿壓力和注漿量的試驗(yàn)對(duì)比，分析比較兩種錨桿的加固效果。
自進(jìn)式中空注漿錨桿構(gòu)造由中空錨桿體、自進(jìn)鉆頭、連接套、對(duì)中器、墊板和螺母組成［6］，屬被動(dòng)型錨桿，見圖2。
圖2 自進(jìn)式中空注漿錨桿構(gòu)造Fig.2 Structure of self-drilling hollow grouting anchor
其中中空錨桿體采用全螺紋中空錨桿體，具有注漿孔功能。
自進(jìn)鉆頭采用十字鉆頭或砂土鉆頭，十字鉆頭適用于破碎巖層，砂土鉆頭適用于松散沙土層。
螺母和墊板分別為外部鎖定緊固件和傳遞荷載的構(gòu)件，墊板上留設(shè)注漿（或排氣）孔。
專用連接套用于錨桿體加長(zhǎng)連接。
目前自進(jìn)式中空注漿錨桿的常用型號(hào)有φ25/6～φ51/8（Q420），錨桿體極限拉力為210～640kN，桿體標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度3 m/4 m/6 m，根據(jù)桿體不同規(guī)格，其最大長(zhǎng)度達(dá)8～16 m以上，自進(jìn)鉆頭規(guī)格可根據(jù)孔徑和鉆進(jìn)扭矩綜合確定。技術(shù)特點(diǎn)有：
（1）通過(guò)中空錨桿體做鉆桿加鉆頭實(shí)現(xiàn)鉆桿與錨桿合一、鉆進(jìn)與注漿合一，具有邊鉆邊注漿功能，注漿質(zhì)量可靠。
（2）通過(guò)對(duì)中器的定位作用實(shí)現(xiàn)桿體對(duì)中，桿體周邊漿體保護(hù)層厚度可控，避免降低桿體與漿體的粘結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)可有效防止桿體銹蝕，提高耐久性。
（3）中空錨桿體和配件使用高強(qiáng)鋼材制成，采用工廠化生產(chǎn)，屬裝配式成品構(gòu)件，連接構(gòu)造簡(jiǎn)單，錨桿體質(zhì)量易保證。
（4）適用條件：在宜塌孔的破碎巖層中，自進(jìn)式中空注漿錨桿長(zhǎng)度不宜大于12m［7］。
錨桿孔直徑D=130 mm，按錨固段有效錨固長(zhǎng)度Ld=4 m進(jìn)行計(jì)算，參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB33/T 1136—2017）［8］附錄J，則有：
1）巖石錨桿豎向抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值Rt
式中：Ld為錨桿錨固段有效錨固長(zhǎng)度；
frbk為錨固體與巖石間極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，按極軟巖類別取下 限 值frbk=300 kPa［9］；
D為 錨 桿 錨 固 段 注 漿 體直徑。
2）Q420錨桿體截面積As
選用φ51X8（As=1080 mm2）
式中：f為鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取f=375 MPa；
ξ1為鋼材抗拉工作條件系數(shù)，取0.69。
3）錨桿體鋼材與注漿體之間錨固長(zhǎng)度Ld
式中：fb為鋼材與注漿體之間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，按注漿體水泥砂漿強(qiáng)度等級(jí)M30取fb=2.4 MPa；
ξ2為鋼材與注漿體粘結(jié)強(qiáng)度工作條件系數(shù)，取0.6。
4）錨固漿體中最大裂縫寬度驗(yàn)算
參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）［10］（以下簡(jiǎn)稱《砼規(guī)》）公式（7.1.2-1）進(jìn)行裂縫寬度估算：
（1）當(dāng)將浮力作為永久荷載對(duì)待［9］（偏安全），采用抗浮設(shè)防水位確定的浮力最大值作為浮力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，按荷載短期效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算，則有：
最大軸力：Nk=200 kN
鋼材應(yīng)力：σs=Nk/AS=200000/1080=185 MPa
鋼材混凝土保護(hù)層厚度：cs=30 mm［11］
裂縫間鋼材應(yīng)變不均勻系數(shù)：ψ=1.0
最大裂縫寬度：Wmax=0.26 mm 注：基于中空桿體保護(hù)層厚度較大且外觀不作要求，Wmin限值可作適當(dāng)放大［10］。 （2）考慮浙江地區(qū)雨水較豐富，地下水位隨季節(jié)變化較大，也可將水浮力作為可變荷載對(duì)待，錨桿構(gòu)件裂縫寬度驗(yàn)算可取常年平均水位［8］，故可采用正常使用極限狀態(tài)下，按荷載長(zhǎng)期效應(yīng)的準(zhǔn)永久組合值進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算，其中常年平均水位取常年穩(wěn)定水位+潛水水位年變化幅度（Δ=2 m），結(jié)合本工程地勘報(bào)告，按常年平均水位高程62.700 m進(jìn)行裂縫寬度估算，則有： 最大軸力：Nk=150 kN 鋼材應(yīng)力：σs=139 MPa 最大裂縫寬度：Wmax（0.19 mm）＜Wlim（0.2 mm） 全長(zhǎng)粘結(jié)型抗浮錨桿荷載傳遞機(jī)制的試驗(yàn)研究與理論分析表明［12］，基于錨桿與周邊松散破碎巖層的彈性模量存在明顯差異，錨桿在拉力作用下，錨桿錨固段注漿體與地層間的粘結(jié)應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度的分布是很不均勻的，在往復(fù)變化的水浮力作用下，隨著拉力的增大，錨桿錨固體近端傾向于逐步與周圍巖土體脫開，粘結(jié)應(yīng)力向錨固體遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移，錨固體近端粘結(jié)應(yīng)力急劇下降至較低水平甚至出現(xiàn)零應(yīng)力，同時(shí)周圍巖土體產(chǎn)生塑性變形，此時(shí)按錨桿全長(zhǎng)計(jì)算承載力是不符合實(shí)際受力狀況和不安全的，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)預(yù)留一定長(zhǎng)度的錨固段不參與或部分參與承載力計(jì)算是合理的，預(yù)留一定的安全儲(chǔ)備是必要的，同時(shí)抗浮錨桿一般在基坑底進(jìn)行施工，坑底破碎巖層或松散土層因應(yīng)力釋放通常會(huì)產(chǎn)生隆起而引起錨桿錨固段注漿體與地層間的粘結(jié)強(qiáng)度降低，參照《抗浮錨桿技術(shù)規(guī)程》（YB T4659—2018）［13］第5.2.3條，對(duì)破碎巖層錨桿自由段長(zhǎng)度Lf取1 m，則抗浮錨桿總長(zhǎng)度L=Lf+Ld=5m。 為驗(yàn)證自進(jìn)式中空注漿錨桿的錨固效果，在破碎巖層區(qū)域共進(jìn)行2根自進(jìn)式中空注漿錨桿和2根全長(zhǎng)粘結(jié)型抗浮錨桿的拉拔試驗(yàn)，錨桿直徑均為Φ130，錨桿總長(zhǎng)度均為5 m，注漿體水泥砂漿強(qiáng)度等級(jí)均為M30，中空錨桿體規(guī)格φ51/8（Q420），編號(hào)分別為1#、2#，全粘型錨桿體鋼筋3φ 22（HRB400），編號(hào)分別為3#、4#。 各錨桿最大試驗(yàn)荷載取2倍抗拔承載力特征值，同時(shí)將錨頭累計(jì)總位移量不大于10 mm及不超過(guò)桿體抗拉極限強(qiáng)度值（考慮工作條件系數(shù)）作為終止加載控制條件，結(jié)果見圖3。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，自進(jìn)式中空注漿錨桿拉拔最大試驗(yàn)荷載值均明顯大于全粘型錨桿。 圖3 錨桿拉拔結(jié)果對(duì)比圖Fig.3 Contrast of results of pull testing 1#、2#自進(jìn)式中空錨桿與3#、4#全粘型錨桿的荷載-位移曲線，見圖4。圖中顯示，2#中空錨桿的最大位移3.53 mm，最終位移2.43 mm； 圖4 1#、2#自進(jìn)中空錨桿與3#、4#全粘型錨桿荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves of anchor No.1、2 and No.3、4 錨桿注漿效果是錨桿承載力的重要保證，而注漿壓力和注漿量是衡量注漿效果的重要指標(biāo)。中空注漿錨桿錨固機(jī)理研究表明［2］，通過(guò)壓密注漿和劈裂注漿，可顯著增大破碎巖體的彈性模量、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)，從而提高其錨固力。注漿壓力和注漿量越大，提高效果越明顯。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，全粘型錨桿注漿壓力值約在1.0 MPa，而中空錨桿注漿壓力達(dá)到1.3 MPa左右，提高了30%； 對(duì)抗拔承載力不高的自進(jìn)式中空注漿錨桿，可根據(jù)設(shè)計(jì)需要施加預(yù)應(yīng)力，形成拉力型預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿，使錨桿注漿體處于零拉應(yīng)力或控制拉應(yīng)力小于注漿體軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，可按不出現(xiàn)裂縫或按裂縫控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。 自進(jìn)式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿由內(nèi)錨（錨固段注漿體）、拉桿（自由段桿體）、外錨（螺母墊板）組成，自由段桿體采用外包PE套管形式。注漿完成后利用自由段的彈性伸長(zhǎng)，建立低預(yù)應(yīng)力。為避免預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大，確保有效預(yù)應(yīng)力，自由段長(zhǎng)度不應(yīng)小于3 m，不宜小于4 m［14］。預(yù)張拉力根據(jù)中空桿體的抗拉強(qiáng)度確定，張拉應(yīng)力宜控制在0.5fyk～0.7fyk范圍內(nèi)，允許超張拉力值可取預(yù)張拉力的1.2倍［14］。預(yù)應(yīng)力損失主要因桿體應(yīng)力松弛與螺母墊板回縮變形引起，可根據(jù)現(xiàn)行《砼規(guī)》第10.2節(jié)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，初步設(shè)計(jì)時(shí)可按張拉力的20%～30%進(jìn)行估算，最后應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。對(duì)錨桿體施加預(yù)應(yīng)力有以下兩種方式： （1）扭力扳手施加預(yù)應(yīng)力：通過(guò)扳手?jǐn)Q緊六角螺母產(chǎn)生預(yù)緊力（即預(yù)應(yīng)力），預(yù)緊力根據(jù)扭力扳手對(duì)應(yīng)的扭矩確定，適用于施加預(yù)應(yīng)力小于或等于200 kN的錨桿體，工藝簡(jiǎn)單，較常用。 （2）千斤頂張拉錨桿施加預(yù)應(yīng)力：通過(guò)千斤頂張拉并用扳手?jǐn)Q緊螺母鎖定，當(dāng)設(shè)計(jì)需施加預(yù)應(yīng)力大于200 kN時(shí)，宜采用千斤頂張拉方式，張拉力直觀準(zhǔn)確，工藝較繁瑣，不常用。 （1）自進(jìn)式中空注漿錨桿是一種集鉆進(jìn)、注漿、錨固功能于一體的新型錨桿。自進(jìn)式中空注漿抗浮錨桿在軟弱、破碎、松散及夾泥斷層巖層中的創(chuàng)新應(yīng)用不僅解決了普通全粘型錨桿施工中常出現(xiàn)的塌孔、縮徑和注漿不密實(shí)等弊端，而且避免了采用套管護(hù)壁成孔工藝或增加固結(jié)注漿處理措施。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明其抗浮錨固承載力安全可靠的，且施工簡(jiǎn)便、快捷，達(dá)到節(jié)省工期和減少造價(jià)預(yù)期目標(biāo)。相比較普通錨桿其優(yōu)勢(shì)明顯，適用范圍廣。 （2）非預(yù)應(yīng)力中空注漿抗浮錨桿可參照全粘型普通錨桿相關(guān)公式進(jìn)行錨固承載力計(jì)算和群錨效應(yīng)穩(wěn)定性、裂縫驗(yàn)算。中空注漿錨桿可按現(xiàn)行《中空錨桿技術(shù)條件》［6］和《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［9］進(jìn)行檢驗(yàn)與驗(yàn)收。 （3）試驗(yàn)表明，在相同錨固長(zhǎng)度下自進(jìn)式中空注漿錨桿在破碎巖層中的拉拔承載力明顯高于同規(guī)格全粘型普通錨桿。同一荷載下，中空注漿錨桿變形量均小于全粘型錨桿，最大變形量減少了約50%，容易滿足底板允許變形值要求（底板變形限值宜適當(dāng)從嚴(yán)）。同時(shí)自進(jìn)式中空注漿錨桿相比同直徑、長(zhǎng)度普通錨桿，其注漿壓力提高了30%，注漿量增加了20%左右，可有效增強(qiáng)桿體周圍破碎巖體的力學(xué)參數(shù)，錨固能力得到明顯提高。 （4）通過(guò)中空桿體對(duì)中器的定位作用可實(shí)現(xiàn)桿體對(duì)中，保證了桿體周邊漿體保護(hù)層厚度滿足設(shè)計(jì)要求，避免降低桿體與漿體的粘結(jié)強(qiáng)度，提高桿體耐久性。 （5）可根據(jù)設(shè)計(jì)需要施加預(yù)應(yīng)力，使錨桿注漿體處于零拉應(yīng)力或控制拉應(yīng)力小于注漿體軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，可按不出現(xiàn)裂縫或按裂縫控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，適用于抗浮設(shè)計(jì)等級(jí)為甲（乙）級(jí)的地下工程。 （6）對(duì)采用水泥砂漿注漿體的圓形截面的非預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿，采用現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》公式（7.1.2-1）計(jì)算注漿體最大裂縫寬度，其結(jié)果往往偏大，是否合理，值得商榷。5.1 強(qiáng)度對(duì)比
5.2 變形對(duì)比
4#全粘型錨桿的最大位移7.57 mm，最終位移5.67 mm。加載過(guò)程中，中空錨桿最大位移明顯小于全粘型錨桿，卸載過(guò)程中，中空錨桿殘余變形也明顯小于全粘型錨桿，但兩者回彈率相差不大。
5.3 注漿效果對(duì)比
中空錨桿注漿量較全粘型錨桿增加了約20%。中空錨桿注漿壓力和注漿量均高于全粘型錨桿。