自進式中空注漿錨桿在地下抗浮設計中的應用分析

周永明徐偉斌華 貝吳能文

（1.浙江省建筑設計研究院，杭州 310006；2.浙江翰城建筑設計有限公司，義烏 322000）

0 引言

當巖石地基上的地下抗浮工程采用錨固抗浮法進行抗浮治理時，考慮抗浮樁造價和工期等因素，較多采用抗浮錨桿法。對國內抗浮錨桿的調查發現，預應力抗浮錨桿或全長粘結拉力型普通抗浮錨桿等工程應用相對較多，采用中空注漿錨桿作為抗浮錨桿的工程應用相對較少，尤其針對松散、破碎巖層中的抗浮錨桿選型、設計方法的研究和工程應用鮮有相關文獻報道。地下工程常遇到地質條件較差的巖體，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際承載力和耐久性設計帶來一些不確定因素，增加了施工質量的離散性。主要問題有：①破碎巖體中，普通錨桿鉆拔孔過程中易發生塌孔，影響施工進度；②可能存在縮徑現象，減少了桿體與圍巖接觸面積，導致孔壁粘結力不足；③注漿不飽滿，不僅弱化筋體與水泥砂漿的粘結作用，而且減少了筋體保護層厚度，影響錨桿的耐久性等。而自進式中空注漿錨桿是一種集鉆進、注漿、錨固功能于一體的新型成品錨桿，不僅規避了在破碎軟巖等不良地層鉆拔孔所導致的塌孔問題，而且從工藝上改善普通錨桿注漿不飽滿和縮徑等詬病，保證了注漿密實性，故具有桿體質量可靠、施工效率高、錨固性能好等優點。

查閱相關文獻，目前在軟弱破碎圍巖、砂性土層中的邊坡加固和支護工程中自進式中空注漿錨桿得到廣泛應用。部分學者對其在軟弱圍巖隧道支護中的錨固機理、力學模型以及數值模擬的方式進行了研究。王四巍等［1］將中空注漿錨桿應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］對在軟弱圍巖隧道中空注漿錨桿支護效應進行了研究。楊文平等［3］利用中空注漿錨桿加固軟弱破碎圍巖，詳細介紹了其施工過程及優勢。朱磊等［4］研究了自進式中空注漿錨在砂性地層的承載力特性，通過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用效果。而自進式中空注漿錨桿在地下抗浮工程中的試驗分析及應用也較多。袁正如等［5］將中空注漿錨桿應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的坍塌、縮徑問題，達到較好的抗浮效果。但自進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用較少，在透水性較強、易塌方的破碎巖層中抗浮錨桿施工時，普通粘結型錨桿在施工鉆孔、注漿過程中易出現塌孔、縮徑、注漿不飽滿等現象，對錨桿成型質量和安全性有較大影響。將自進式中空注漿錨桿運用于破碎巖層的地下抗浮中，可有效改善此類現象。本文基于工程背景，對自進式中空注漿錨桿在深厚破碎帶巖層中的設計方法、抗浮效果和技術特點進行了分析，并加以驗證，為類似不良地質條件的地下抗浮錨桿設計提供參考。

1 工程概況

浙中地區某高層建筑，地下三層，±0.000標高相當于85國家高程66.500 m，室外區域地下頂板相對標高-0.500，底板面層相對標高-13.600，該工程地勘報告建議地下抗浮設防水位高程65.000 m。主樓采用筏板基礎，多層裙樓和純地下室采用柱下獨立基礎+防水板+抗浮錨桿。地基持力層為中風化鈣質粉砂巖（軟巖），巖體基本質量等級為Ⅴ級。地下水對混凝土中的鋼筋具有微腐蝕性。抗浮錨桿采用分布式網狀布置，標準間距1.35 m×1.35 m（考慮群錨效應）。地基土物理力學指標見表1。

表1 地基土物理力學指標Table 1 Physical and mechanical parameters of foundation soil

本工程地質條件復雜，場地東部區域存在一條寬度20～32 m、厚度2～16.9 m的帶狀破碎帶，位于中風化粉砂巖內，破碎巖石和軟弱斷層泥混合交替出現，動力觸探試驗錘擊數平均值為41擊，抗壓強度和錨固體與巖土層之間的粘結強度均較低，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粘結拉力型抗浮錨桿，但由于破碎帶區域巖體呈碎塊或碎顆狀，裂隙較發育且富含地下水，在錨桿鉆孔過程中，易發生塌孔、卡鉆、注漿不飽滿等問題，經論證此方案實現的難度和風險較大，需采用套管護壁成孔工藝或對破碎巖層采用固結注漿法進行填充處理，增加錨桿施工工期和造價。考慮基坑支護采用放坡+噴錨支護形式，錨桿在地下室底板混凝土墊層完成后進行施工等因素，基坑支護設計單位要求基坑暴露時間不宜過長，經比較分析，破碎帶區域采用自進式中空注漿錨桿可解決傳統錨桿的諸多缺陷，其余區域仍采用全粘型抗浮錨桿。為驗證自進式中空注漿錨桿的抗浮承載效果，通過選取破碎帶范圍內錨桿布置區外2根全粘型抗浮錨桿和錨桿布置區內2根自進式中空注漿錨桿進行現場錨桿拉拔力、位移、注漿壓力和注漿量的試驗對比，分析比較兩種錨桿的加固效果。

2 自進式中空注漿錨桿的構造原理和技術特點

自進式中空注漿錨桿構造由中空錨桿體、自進鉆頭、連接套、對中器、墊板和螺母組成［6］，屬被動型錨桿，見圖2。

圖2 自進式中空注漿錨桿構造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件，墊板上留設注漿（或排氣）孔。

專用連接套用于錨桿體加長連接。

目前自進式中空注漿錨桿的常用型號有φ25/6～φ51/8（Q420），錨桿體極限拉力為210～640kN，桿體標準長度3 m/4 m/6 m，根據桿體不同規格，其最大長度達8～16 m以上，自進鉆頭規格可根據孔徑和鉆進扭矩綜合確定。技術特點有：

（1）通過中空錨桿體做鉆桿加鉆頭實現鉆桿與錨桿合一、鉆進與注漿合一，具有邊鉆邊注漿功能，注漿質量可靠。

（2）通過對中器的定位作用實現桿體對中，桿體周邊漿體保護層厚度可控，避免降低桿體與漿體的粘結強度，同時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鋼材制成，采用工廠化生產，屬裝配式成品構件，連接構造簡單，錨桿體質量易保證。

（4）適用條件：在宜塌孔的破碎巖層中，自進式中空注漿錨桿長度不宜大于12m［7］。

3 中空注漿抗浮錨桿計算

錨桿孔直徑D=130 mm，按錨固段有效錨固長度Ld=4 m進行計算，參照《建筑地基基礎設計規范》（DB33/T 1136—2017）［8］附錄J，則有：

1）巖石錨桿豎向抗拔承載力標準值Rt

式中：Ld為錨桿錨固段有效錨固長度；frbk為錨固體與巖石間極限粘結強度標準值，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為鋼材抗拉強度設計值，取f=375 MPa；ξ1為鋼材抗拉工作條件系數，取0.69。

3）錨桿體鋼材與注漿體之間錨固長度Ld

式中：fb為鋼材與注漿體之間的粘結強度設計值，按注漿體水泥砂漿強度等級M30取fb=2.4 MPa；ξ2為鋼材與注漿體粘結強度工作條件系數，取0.6。

4）錨固漿體中最大裂縫寬度驗算

參照《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）［10］（以下簡稱《砼規》）公式（7.1.2-1）進行裂縫寬度估算：

（1）當將浮力作為永久荷載對待［9］（偏安全），采用抗浮設防水位確定的浮力最大值作為浮力標準值時，按荷載短期效應的標準組合進行裂縫寬度驗算，則有：

最大軸力：Nk=200 kN

鋼材應力：σs=Nk/AS=200000/1080=185 MPa

鋼材混凝土保護層厚度：cs=30 mm［11］

裂縫間鋼材應變不均勻系數：ψ=1.0

最大裂縫寬度：Wmax=0.26 mm

注：基于中空桿體保護層厚度較大且外觀不作要求，Wmin限值可作適當放大［10］。

（2）考慮浙江地區雨水較豐富，地下水位隨季節變化較大，也可將水浮力作為可變荷載對待，錨桿構件裂縫寬度驗算可取常年平均水位［8］，故可采用正常使用極限狀態下，按荷載長期效應的準永久組合值進行裂縫寬度驗算，其中常年平均水位取常年穩定水位+潛水水位年變化幅度（Δ=2 m），結合本工程地勘報告，按常年平均水位高程62.700 m進行裂縫寬度估算，則有：

最大軸力：Nk=150 kN

鋼材應力：σs=139 MPa

最大裂縫寬度：Wmax（0.19 mm）＜Wlim（0.2 mm）

4 中空注漿抗浮錨桿合理長度取值

全長粘結型抗浮錨桿荷載傳遞機制的試驗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應力沿錨固長度的分布是很不均勻的，在往復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，粘結應力向錨固體遠端轉移，錨固體近端粘結應力急劇下降至較低水平甚至出現零應力，同時周圍巖土體產生塑性變形，此時按錨桿全長計算承載力是不符合實際受力狀況和不安全的，實際設計時應預留一定長度的錨固段不參與或部分參與承載力計算是合理的，預留一定的安全儲備是必要的，同時抗浮錨桿一般在基坑底進行施工，坑底破碎巖層或松散土層因應力釋放通常會產生隆起而引起錨桿錨固段注漿體與地層間的粘結強度降低，參照《抗浮錨桿技術規程》（YB T4659—2018）［13］第5.2.3條，對破碎巖層錨桿自由段長度Lf取1 m，則抗浮錨桿總長度L=Lf+Ld=5m。

5 現場試驗及結果分析

為驗證自進式中空注漿錨桿的錨固效果，在破碎巖層區域共進行2根自進式中空注漿錨桿和2根全長粘結型抗浮錨桿的拉拔試驗，錨桿直徑均為Φ130，錨桿總長度均為5 m，注漿體水泥砂漿強度等級均為M30，中空錨桿體規格φ51/8（Q420），編號分別為1#、2#，全粘型錨桿體鋼筋3φ 22（HRB400），編號分別為3#、4#。

5.1 強度對比

各錨桿最大試驗荷載取2倍抗拔承載力特征值，同時將錨頭累計總位移量不大于10 mm及不超過桿體抗拉極限強度值（考慮工作條件系數）作為終止加載控制條件，結果見圖3。對比發現，自進式中空注漿錨桿拉拔最大試驗荷載值均明顯大于全粘型錨桿。

圖3 錨桿拉拔結果對比圖Fig.3 Contrast of results of pull testing

5.2 變形對比

1#、2#自進式中空錨桿與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；4#全粘型錨桿的最大位移7.57 mm，最終位移5.67 mm。加載過程中，中空錨桿最大位移明顯小于全粘型錨桿，卸載過程中，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。

圖4 1#、2#自進中空錨桿與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

5.3 注漿效果對比

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。中空注漿錨桿錨固機理研究表明［2］，通過壓密注漿和劈裂注漿，可顯著增大破碎巖體的彈性模量、內聚力、內摩擦角等力學參數，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。對比發現，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到1.3 MPa左右，提高了30%；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。

6 自進式中空注漿錨桿裂縫控制方法

對抗拔承載力不高的自進式中空注漿錨桿，可根據設計需要施加預應力，形成拉力型預應力中空注漿錨桿，使錨桿注漿體處于零拉應力或控制拉應力小于注漿體軸心抗拉強度標準值，可按不出現裂縫或按裂縫控制進行設計。

自進式預應力中空注漿錨桿由內錨（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，建立低預應力。為避免預應力損失過大，確保有效預應力，自由段長度不應小于3 m，不宜小于4 m［14］。預張拉力根據中空桿體的抗拉強度確定，張拉應力宜控制在0.5fyk～0.7fyk范圍內，允許超張拉力值可取預張拉力的1.2倍［14］。預應力損失主要因桿體應力松弛與螺母墊板回縮變形引起，可根據現行《砼規》第10.2節規定進行計算，初步設計時可按張拉力的20%～30%進行估算，最后應通過現場試驗確定。對錨桿體施加預應力有以下兩種方式：

（1）扭力扳手施加預應力：通過扳手擰緊六角螺母產生預緊力（即預應力），預緊力根據扭力扳手對應的扭矩確定，適用于施加預應力小于或等于200 kN的錨桿體，工藝簡單，較常用。

（2）千斤頂張拉錨桿施加預應力：通過千斤頂張拉并用扳手擰緊螺母鎖定，當設計需施加預應力大于200 kN時，宜采用千斤頂張拉方式，張拉力直觀準確，工藝較繁瑣，不常用。

7 結論

（1）自進式中空注漿錨桿是一種集鉆進、注漿、錨固功能于一體的新型錨桿。自進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新應用不僅解決了普通全粘型錨桿施工中常出現的塌孔、縮徑和注漿不密實等弊端，而且避免了采用套管護壁成孔工藝或增加固結注漿處理措施。經過實踐證明其抗浮錨固承載力安全可靠的，且施工簡便、快捷，達到節省工期和減少造價預期目標。相比較普通錨桿其優勢明顯，適用范圍廣。

（2）非預應力中空注漿抗浮錨桿可參照全粘型普通錨桿相關公式進行錨固承載力計算和群錨效應穩定性、裂縫驗算。中空注漿錨桿可按現行《中空錨桿技術條件》［6］和《建筑工程抗浮技術標準》［9］進行檢驗與驗收。

（3）試驗表明，在相同錨固長度下自進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從嚴）。同時自進式中空注漿錨桿相比同直徑、長度普通錨桿，其注漿壓力提高了30%，注漿量增加了20%左右，可有效增強桿體周圍破碎巖體的力學參數，錨固能力得到明顯提高。

（4）通過中空桿體對中器的定位作用可實現桿體對中，保證了桿體周邊漿體保護層厚度滿足設計要求，避免降低桿體與漿體的粘結強度，提高桿體耐久性。

（5）可根據設計需要施加預應力，使錨桿注漿體處于零拉應力或控制拉應力小于注漿體軸心抗拉強度標準值，可按不出現裂縫或按裂縫控制進行設計，適用于抗浮設計等級為甲（乙）級的地下工程。

（6）對采用水泥砂漿注漿體的圓形截面的非預應力中空注漿錨桿，采用現行《混凝土結構設計規范》公式（7.1.2-1）計算注漿體最大裂縫寬度，其結果往往偏大，是否合理，值得商榷。