抗浮锚杆在软土地基中的应用

抗浮锚杆在软土地基中的应用
摘要：随着国民经济的日益发展，促使城市建设的发展，地下空间的开发和利用越来越多，地下结构的抗浮问题日益突出。

本文简述了地下结构物的抗浮措施，重点研究了抗浮锚杆的设计、施工过程中的质量控制及其试验结果与分析。

1、前言
近年来，随着国民经济的日益发展，促使城市建设的发展，高层及超高层建筑的涌现，基础埋置越来越深，同时，作为车库等功能的广场式建筑的纯地下室部分、裙房或相对独立的地下结构物（如下沉式广场、地下车库、地铁通道等）的开发和利用越来越广泛，由此，地下结构物的抗浮问题日益突出。

如何解决地下工程结构物的抗浮问题目前已成为一个经常面临的问题。

因地下水浮力作用或抗浮措施不当而造成地下工程的破坏，在国内已有不少的事例，如武汉果品公司舵落口地下冷库、海军航空兵上海市大场地下机库、银川及承德市的少数人防工程都因地下水浮力的作用造成不同程度的破坏。

现就济南市北刘片区B地块抗浮锚杆进行分析。

2、工程概况
济南市北刘片区B地块地下车库抗浮锚杆工程，位于济南市明湖西路南侧、北坦南街西侧，地下2层，采用框架结构，钢筋混凝土柱下独立基础。

基础底板以下地层各层情况如下：○4层粉质粘土；○5层粘土；○6碎石、碎石胶结；○7残积土；○8强风化闪长岩。

场地地下水主要属第四系孔隙潜水,勘察期间测得钻孔稳定水位标高为22.73～24.58m，丰水期南侧水位标高为26.5m。

其水化光类型分别为：Ca-SO4-HCO3型，Ca-SO4型。

PH值为7.0和7.1，其水质对砼结构胶砼中的钢筋无腐蚀性，周围无重大污染源，结合经验可不考虑地基土对混凝土结构及其中的钢筋的腐蚀性。

本场地抗浮设计水位标高南侧按26.50m考虑，北侧按25.50m 考虑。

3、抗浮锚杆设计
通过对锚杆特性、锚杆与被锚固构筑物的稳定性、经济性、可操作性考虑，给合本工程地质勘查报告，经计算之后，确定该工程采用Φ150mm锚杆孔。

锚杆杆体由3根Φ22钢筋做成钢筋骨架，采用机械连接搭接。

砂浆配合比 1:1(水泥:中砂),强度等级≥M30.加入微膨胀剂,水灰比≤0.45。

锚杆间距设置
2.20m×2.20m；钻孔孔深大于10.5m并且保证进入第八层强风化闪长岩不小于5.5m，共1426根。

单根抗浮锚杆抗拔力特征值：213KN。

在锚杆抗拔力设计中，锚杆的锚固体必须满足一定的抗拔力。

锚杆充分发挥作用时的极限抗拔力按下式确定。

P=πDLψqr
式中：
P－锚杆的极限抗拔力；
D－钻孔直径；
L－锚杆的锚固长度；
ψ－与固定长度有关的有效因子；
q r－灌浆体与土层的粘结强度。

抗拔锚杆除了极限承载力满足设计要求外，还必须使锚杆与构筑物的整体稳定性按下式验算。

该工程采用非预应力永久性锚杆，锚杆与底板的联结采用无梁板的联结形式，使结构与岩层联锁在一起形成一种共同工作的复合结构，使岩土能更有效地承受拉力和剪力。

该工程中锚杆的防护等级为Ⅱ级，单层防腐蚀，锚固段的钢筋有灌浆防腐，锚杆在底板下0.5m范围内涂防腐底漆，然后包裹塑料布，在塑料布上再涂防腐漆。

4、锚杆施工过程中的质量控制
4.1 施工准备阶段
由于抗拔锚杆属于地下隐蔽工程，为了施工的质量顺利进行，在施工前，结合现场的实际情况了解、熟悉设计图纸，地层性状，地下水状态及水质和底下埋设障碍物等基础资料。

在施工前组织编写详细的施工组织设计，确定施工方法、施工程序、质量控制、进度计划、安全管理事项；并对施工现场用水及排水设施，供电，作业空间做出具体的实施计划。

做好锚杆用料在施工前的检验工作。

做好锚杆桩轴线定位与复核。

4.2 锚杆钻孔
本工程锚杆成孔施工的难点是碎石层中成孔。

根据本工程锚杆设计、成孔地质条件和以往成功的工程经验，确定两种锚杆钻孔成孔工艺，即地质钻机泥浆护壁成孔工艺和套管跟进护壁冲击成孔工艺。

由于本工程地质条件和锚杆工艺特点，锚杆孔内清孔和注浆是最为关键的环节。

对套管成孔锚杆，成孔过程中用水冲去渣，套管跟进，成孔注浆后，与土层的通透性较好，容易受地层渗透性和地下水动态影响。

本工程基地以下6.0～10.0m范围内主要为碎石层，渗透性极强，为承压含水层，且一直持续进行降水作业，形成动态水，容易造成锚杆注浆流失，形成空洞，或受流砂影响，产生夹砂。

对泥浆护壁锚杆，成孔护壁泥浆密度较大，以满足成孔护壁及排砂要求。

由于多个承载体相连，对泥浆置换及注浆形成一定的阻力，容易造成锚杆浆体夹砂和夹泥情况，直接影响锚杆杆体质量和承载力。

针对以上情况，通过工艺试验采取了以下技术措施，取得了很好的效果：（1）通过多次间歇补浆，减少和补充杆体流失浆体，避免出现空洞。

（2）对于泥浆护壁锚杆，除以上措施以外，还要通过自下而上，不同深度，特别对承载体附近的反复补浆，减少杆体缺陷。

（3）在钻进过程中，经常检查孔的准直度，将偏离轴线的钻孔误差控制在钻孔长度的1％以内，为纠偏斜，在钻杆距钻孔顶处设支点固定导向器。

在不同土层采用不同的钻进方法。

在粘性土中，以中等速度，稀泥浆钻进尺寸，不得太快；在砂土和软土中，钻进时要控制进尺，低挡慢速,稠泥浆钻进,防止泥浆排量不足；在岩层中用套管钻进时，低挡慢速稠泥浆钻进。

经常注意泥浆指标变化情况，并掌握好孔内泥浆面高度，进
尺变化情况，发现变化后即时调整。

上下钻孔有时有很大阻力的易缩径孔段，采取上下来回反复划圆，扫孔以保证孔径要求。

套管钻进抽芯以钻杆长度和岩样控制入岩深度，由现场各专家检验岩层类别及入岩深度。

经确定达到设计深度时方可终孔。

一般情况下，在孔深达到设计后超钻300～500mm以便收容冲洗残留的沉渣和防止杆体腐蚀。

钻孔深度达到设计要求，对孔深、孔径、孔的垂直度等进行检查，符合规范要求后，进行第一次清孔。

清孔过程中，不断测量孔底的沉渣厚度，使其厚度控制在100mm以内，泥浆比重、含砂率、PH值等各项指标达到规定要求。

4.3 锚杆杆体制作与安装
本工程锚杆杆体由技术熟练工人专门加工制作。

其制作流程如下：本工程锚杆体因地质岩层深浅不一,其长度由成孔深度及杆体承台面标高确定。

3根Φ22钢筋杆体单面焊接在连接件上，每1m设置一个连接件，长锚杆骨架应分段制作并相互单面焊缝焊接，焊缝质量及搭接满足《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB 50204－2002)。

使锚杆杆体不偏离钻孔的几何中心，有足够的保护层，在杆体上每隔2～3m设置一支架，确保杆体的保护层。

安装杆体时重新对钻孔进行检查，防塌孔、掉块，将注浆塑料管绑扎在锚杆体上, 并距钻孔底部150～250mm处，推送杆体到钻孔底部将杆体安装在钻孔内中心，防止产生过大挠度和插入钻孔时搅动土壁。

安装杆体就绪后，重新对钻孔从底部向上继续二次清孔，确保杆体与孔壁的粘结力。

4.4 锚杆注浆
本工程灌注锚杆的水泥浆采用新鲜42.5普通硅酸盐水泥和饮用水，掺入细砂配制而成。

水泥龄期不超过一个月，细砂采用粒径不大于2mm的泰安砂，含泥量按重量计不大于3％，有机质含量不大于1％，砂与水泥的重量比为1:1～1:3，水泥浆水灰比为0.45。

水泥浆浆体以取样试验，浆体强度均满足7d，28d 抗压强度。

在水泥浆的拌制过程中采用自循环搅拌机，搅拌时间不少于20min，并且连续搅拌，至全部灌浆完毕。

拌好的浆液存放时间不得超过120min。

开始注浆与第二次清孔的时间间隔不宜大于30min。

水泥浆采用活塞式注浆泵，通过高压胶管将水泥浆从开始注入至钻孔注满浆液。

5、试验结果与分析
为确定锚杆极限承载力，验证锚杆设计参数及施工工艺的合理性，检验锚
杆的工程质量是否满足设计要求，本工程选取72根(锚杆总数的5％)锚杆做锚杆抗拔试验。

用作试验锚杆的参数及检测结果见表1。

试验锚杆号：1430，锚杆长：18m
试验锚杆号：1290，锚杆长：18.2m
由上表及图可以看出，泥浆护壁成孔锚杆：桩长为18m、17.5m、16.9m、16.5m、16.2m、15.7m、15.3m的1430#、1129#、269#、435#、401#、525#、164#抗拔锚杆，当上拔荷载加至320kN时，累计上拔量分别为12.12mm、12.51mm、12.29mm、12.34mm、12.38mm、12.55mm、12.60mm；套管跟进护壁冲击成孔锚杆：桩长为18m、17.5m、16.9m、16.5m、16.2m、15.7m、15.3m的1290#、1422#、782#、1066#、414#、733#、552#抗拔锚杆，当上拔荷载加至320kN时，累计上拔量分别为11.46mm、11.92mm、11.80mm、11.50mm、12.17mm、10.83mm、
12.38mm。

上拔量均没有明显的拐点，上拔极限承载力大于试验的最大荷载，满足设计要求。

由于锚杆终孔控制以入岩为准，基岩上部抗拔力较小，上拔摩擦力主要由埋入基岩的深度控制。

在从表1可以看出，显然上拔变形量与杆体长不是成正比例增长；套管跟进护壁冲击成孔相对泥浆护壁成孔上拔变形量小。

另外，上拔变形量与材料的拉伸率有关，同等荷载下同种材料上拔变形量与上拔杆体长成正比。

从表1可以看出，显然上拔变形量与杆体长不是成正比例增长，因而进入持力层的深度对上拨变形量影响较大，钢筋的拉伸对上拔变形量影响较小。

而一般锚杆的破坏标准为：
①后一级荷载作用下锚头位移增量达到或超过前一级荷载作用下锚头位移增量的2倍；
②锚头位移不收敛；
③锚头总位移超过设计允许值。

经过试验，72根锚杆均无出现以上现象，并且72根锚杆也满足规范规定的徐变、位移要求。

P－S曲线都没有明显的拐点，抗拔极限承力大于最大试验荷载320KN值，满足设计要求。

6、小结
锚杆以其用料省，工效快，施工方便，在国内外已被广泛应用于边坡稳定工程、重力坝加固工程、桥梁工程、深基坑工程、隧道与地下工程，同时也被应用于加固、抢修出现病害的结构物等，但锚杆在低洼结构物中的应用却很少。

随着深基础工程不断增多，特别是对于底板面积大的低洼结构物的抗浮要求，抗拔锚杆的应用给施工带来极大的方便。

由于抗拔锚杆的设计、规范还不完善，其在岩土锚固工程中的应用在我国还处在初级阶段。

但随着沿海地区高层建筑的蓬勃发展，抗拔锚杆对于一大批软土深基坑工程却有着广阔的发展前景。

参考文献
1. 程良奎、李象范《岩土锚固·土钉·喷射混凝土-原理、设计与应用》中国建筑工业出版社，2008。