ABSTRACT

The experience calculation methods of the pullout capacity of anchor pile are summarized in this paper. An engineering design of 768 pieces of anti-floating anchor was adopted in Bengbu city, and all the anchoring depth is 16 m, anchorage diameter is 150 mm. 8 pieces of anchor were selected to perform the pull-out tests. The test results show that, the range of uplift displacement is from 10.35 mm to 12.69 mm when the load reaches up to 300 kN, and it can reach a stable state. The residual displacement is about 2/3 of the maximum displacement after unloading, and all the anchors meet the design requirements of uplift bearing capacity test. The Q-S fitting curve is obtained by approximate prediction of bearing capacity of anchor pullout from the test results. Meanwhile, the results were compared with different calculation methods, and it shows that there is a slight difference between different calculation methods and predictive value. Nevertheless, they are all larger than the measured maximum load value 300 kN.

Keywords:Pullout Test, The Residual Displacement, Anti-Floating Capacity, Experiment Method

地下室锚杆抗拔试验与分析

孙新成¹，邓会元²，戴国亮²

¹合肥铁建实业有限公司，合肥

²东南大学土木工程学院，南京

Email: 973730609@qq.com

收稿日期：2014年12月20日；录用日期：2015年1月4日；发布日期：2015年1月14日

摘 要

总结了抗拔锚杆桩承载力的经验计算方法。蚌埠市某住宅项目工程设计采用768根抗浮锚杆，锚固段长度是16 m，锚固直径为150 mm，对其中8根锚杆进行了抗拔试验。测试结果表明，加载至300 kN时，上拔位移为10.35 mm~12.69 mm，且能达到稳定状态，卸载后残余位移约为最大位移的2/3，试验锚杆抗拔承载力均满足设计要求。通过试验结果数据拟合得到Q-S曲线，预测了锚杆的抗拔极限承载力，并与不同经验方法计算结果进行了对比，结果表明不同方法计算结果与预测值略有差异，但均大于实测最大加载值300 kN。

关键词 :抗拔试验，残余位移，抗拔承载力，经验方法

1. 前言

近几年来，随着我国经济的发展，城市化进程越来越快，为了充分利用空间资源，城市地下建筑不断增多，对于地下工程，特别在高水位地区，其抗浮问题也就随之而来。因地下水浮力引起基础的抗浮问题没处理好而引发的质量事故时有发生，可能导致地下室隆起，底板破坏，底板与桩头脱离；也可能导致地下建筑物整体浮起，造成了严重的经济损失。现在地下室设计时特别是高水位地区越来越重视地下室抗浮问题。工程上通常采用配重法、设置抗拔桩或抗拔锚杆来解决抗浮问题。配重法主要是增加地下室的重量，依靠重量来平衡地下水的浮力，这种方法成本较高，应用较少。抗拔桩主要有预应力管桩抗拔桩、钻孔灌注桩抗拔桩、锚杆桩，抗拔桩或抗拔锚杆都是利用桩侧阻力或锚杆与土层的摩阻力来平衡浮力。实际工程中应根据场地的地质情况、施工难度、场地条件限制、经济效益等方面综合考虑选用合适的方法解决抗浮问题。预应力管桩受工厂加工、单根长度、现场焊接工艺等因素影响。在地下室底板与可锚固地层距离较近的一些情况下，抗浮锚杆较抗浮桩在工程造价、施工工期上都显示出极大优越性，在工程中得到了广泛的应用[1] -[4] 。在蚌埠地区采用抗浮锚杆也日渐增多，本文对该地区某住宅项目工程抗浮锚杆的抗拔试验做了介绍，对试验成果进行了分析，同时结合不同计算方法计算锚杆桩的极限承载力，与试验成果进行对比。

目前，国内外学者对于抗拔锚杆桩的研究较多，一般抗浮锚杆仍采用普通锚杆的设计和施工方法。但是，抗浮锚杆锚固体侧没有岩土层侧向压力作用，与普通的与水平成一定角度设置锚杆存在差别。已有很多研究者从荷载传递机理出发，研究锚杆的荷载的分布规律及影响锚杆承载力的因素。

Lutz (1967)等[5] 研究荷载从锚杆传递到灌浆体的力学机制，认为锚杆体本身强度很高，且锚杆表面粗糙，与灌浆体之间的粘结力足以保证设计锚杆不会在脱离岩土体前破坏。因此锚杆的荷载传递机制的研究重点应放在灌浆体与周围岩土体界面的性质上。Evangelista [6] (1977)等对粘性土和粒状土中的锚杆进行拉拔试验，测出灌浆体表面摩阻力沿锚固长度呈非均匀分布。1970年Philips [7] 提出了摩阻力沿锚杆长度按幂函数分布的公式；Fujita [8] 等总结了30例现场试验成果，认为增加锚杆长度对锚杆承载力的影响是有限的。Kaiser 等[9] 通过现场和室内试验，认为影响锚杆承载力的主要是水泥砂浆性质、锚固长度、围压这三个因素。灌浆体外侧压力越高，锚杆承载力越高。1996年程良奎等[10] 对上海太平洋饭店和北京京城大厦基坑工程的拉力型锚杆锚固段粘结应力的分布形态进行了测定，得到锚杆应力分布规律。

针对抗浮锚杆的力学传递机理的研究有：王贤能[11] 等在总结深圳地区抗浮锚杆的应用现状的基础上，总结得到抗浮锚杆在花岗岩和粘土层中破坏的特点。贾金青[12] 对大连滨海地下工程的抗浮锚杆进行试验研究，认为灌浆体与岩土间剪应力在孔口最大，分布不均匀，沿锚杆长度衰减；增加锚杆长度对提高承载力是有限的。陈棠茵[13] 在假设锚杆受力状态为弹性的条件下，建立了粘性土中线弹性模型基础上的位移、剪应力、轴力公式。认为抗浮锚杆主要集中在端部，锚土截面处变形是土层抗浮锚杆的主要部分。

以上研究从力学机理方面分析了抗拔锚杆的特性，提出了有价值的计算模型，虽然没有在实际工程中没有广泛应用，但是对研究锚杆抗拔特性，估测锚杆抗拔极限承载力有一定的意义。

2. 抗拔锚杆桩承载力计算方法介绍

鉴于锚杆桩的抗拔承载力计算方法较少，现将抗拔桩计算方法应用于抗拔锚杆桩，计算分析对比不同计算方法应用于抗拔锚杆桩的抗拔极限承载力，现将各个行业几种规范方法做简要的介绍，并同国外的规范方法做个简要的比较。

2.1. 《建筑地基基础设计规范》计算法

《建筑地基基础设计规范》[14] 认为；岩石锚固段的抗拔承载力特征值，对于永久性锚杆的初步设计或对于临时性锚杆的施工设计阶段，按下式计算：

(1)

式中为砂浆与岩石间的粘结强度特征值，MPa，由试验确定，当缺乏试验资料时，可按表1选用；为锚杆周长；为锚杆锚固段嵌入岩层中的有效锚固长度，按地区经验确定；经验系数，对于永久性锚杆取0.8。

2.2. Phillips公式改进计算法

Phillips [15] 根据锚杆体与周围土体粘结特性，提出的摩阻力沿锚杆长度幂函数分布的公式。但是这些分布函数得出的最大剪应力在锚固段外端，与很多现场试验不相符。尤春安[16] 基于Mindlin的位移解，将锚杆体与岩土体假设为弹性材料，推导出了全长粘结式锚杆剪应力分布弹性解，Mindlin解计算简图如图1所示。

(2)

式中：——岩土体的弹性模量和泊松比。

孔口处，位移为0，则上式简化为：

(3)

在只考虑弹性变形状态下锚杆变形，孔口处，岩土体位移与杆体伸长量相等，锚杆无限长的情况下，导出：

(4)

式中，D为锚杆半径。

根据Phillips提出的假定摩阻力长度按幂函数分布的公式：

表1. 砂浆与岩石间的粘结强度特征值(MPa)

图1. Mindlin解计算简图

(5)

上式可变换为：

(6)

式中为土侧压力系数，。

(7)

将上面两个等式采用韦伯方程和考虑边界条件最后解出剪应力为：

(8)

(9)

将上式沿杆长积分，可得轴力：

(10)

根据朱焕春的试验[17] 分析，全长粘结型锚杆在弹性状态下最大剪应力较大而分布范围小。因此，假设锚杆拉力达到一定数值时，锚杆的塑性区不断增长时，塑性区剪应力为一定值。此时，剪应力与位移关系如图2所示。

(11)

(12)

将上式中的取为灌浆体与岩土体间的极限粘结应力，则锚杆的极限承载力为：

(13)

式中，La为锚杆进入锚固体地层深度。

2.3. 魏新江极限承载力计算法

魏新江 [18] 假设灌浆体与岩土为锚杆的薄弱面，采用剪切刚度系数k [19] 来表示锚固体在单位位移时的剪应力。并根据锚固地层是土层或岩层采用不同的影响系数来考虑施工质量、地层特性等对k值的影响 [20] [21] ，推导出基于浆体与岩土体界面强度的锚杆最大剪应力公式：

锚杆承受拉力P，取长度为dx的单元体分析，计算简图如图3所示，根据单元平衡条件、静力学平衡条件，变形协调条件分析得到：

(14)

其中，

(15)

(16)

图2. 锚杆剪应力–位移关系图

图3. 计算简图

(17)

式中，L_a为锚杆进入锚固地层深度。

2.4. 《送电线路基础设计的技术规范》计算法

我国水利电力部电力规划设计院标准《送电线路基础设计的技术规范》(SDGJ62-84) [22] 中第9.6条规定：单桩轴向上拔力应符合下式的要求：

(18)

式中为桩周土与桩之间极限摩阻力的上拔折减系数，当无经验资料，且桩入土深度不小于 6.0 m 时，取为0.6~0.8；U为桩设计周长(m)；L为自设计地面算起的桩入土深度(m)；为桩周土与桩之间的加权平均极限摩阻力；为桩身有效重量(N)；P为桩顶轴向上拔力(N)；为与土抗力有关的基础上拔稳定设计安全系数。

该规定认为：由于受到上拔荷载与承受下压荷载的桩的破坏机理不同，在选定上拔折减系数值时，应考虑桩长这一重要的因素。当桩长不大于6.0 m时，取；当桩长不小于20.0 m时，取；当桩长介于6.0 m~20.0 m之间时，可按线性插入计算取值。还指出，值主要适用于钻孔灌注桩。

2.5. 《公路桥涵地基与基础设计规范》计算法

《公路桥涵地基与基础设计规范》[23] 所提出的桩的抗拔承载力公式是建立在经验和相关统计资料的基础上的，对灌注桩所采用的计算公式为：

(19)

式中，为抗拔桩容许上拔荷载(N)；W为桩自重(N)。

2.6. 日本港湾协会编《港口建筑物设计标准》

该标准所提出的桩的抗拔承载力公式同时考虑土层强度中的粘聚力和内摩擦角，计算公式如下：

(20)

(21)

式中，为抗拔桩的抗拔承载力；分别为桩的周长和入土深度；为桩侧土压力系数，一般取值为0.3~0.7；为桩与土之间的摩擦系数，可取；为i土层处平均有效上覆荷载；为i土层的厚度；为i土层与桩间的粘聚力。

3. 试验锚杆工程概况

3.1. 项目概况

拟建场地规划1幢26层公寓式住宅楼并附3层群楼、2幢28层住宅楼、5幢18层住宅楼、1幢3层社居委及物管、及3层幼儿园一所。拟采用框架、框剪结构，基础型式拟采用筏板或桩基础，场区并设置了大面积的地下室，地下室一层。根据区域水文地质资料和场地条件，建议建筑抗浮设防水位可按埋深1.0 m左右，即标高22.50 m进行设计。

根据抗拔锚杆试验场地的ZK22钻孔地勘资料，统计各土层物理力学性质如表2所示。

3.2. 试验锚杆施工概况

该工程在2014年5月开始施工。抗浮锚杆锚固体直径150 mm，单根锚杆抗拔力特征值150 kN，锚

筋采用HRB400级钢筋3Φ20，锚杆钢筋锚入底板40 d。锚杆锚固段长度L = 16 m，锚杆顶部标高为设计地下室底板位置。锚固体直径150 mm，灌注纯水泥浆体并加微膨胀剂，二次高压注浆工艺。注浆材料：采用普通硅酸盐水泥，强度等级42.5，水灰比0.55；采用二次注浆工艺，第二次注浆掺入水泥用量10%的微膨胀剂。锚固体强度等级为>M30。有关参数见表3。

3.3. 试验加载装置

本次试验采用CH-600型油压千斤顶分级加载，利用支墩承受荷载反力，支墩由工字钢梁组成，千斤顶置于支墩上，对试验锚杆施加抗拔力，用百分表测读锚头位移，试验设备经核定，均满足要求。现场加载装置如图4所示。八根试验锚杆平面布置图如图5所示，锚杆剖面图及土层分布如图6所示。

4. 测试结果分析

4.1. 试验结果

本次试验对抗浮锚杆1#~8#这八根锚杆进行抗拔试验，试验时均分级加载至300 kN，然后进行分级卸载至零。最终加载值累计上拔量和卸载后残余累计上拔量测试结果如表4所示。不同等级荷载作用下，荷载—上拔位移关系曲线如图7所示。

表2. 土层物理力学性质

表3. 试验锚杆工程参数表

图4. 现场加载示意图

图5. 试验锚杆平面布置图

图6. 锚杆设计图及土层剖面图

表4. 试验结果汇总表

图7. 抗浮锚杆Q-S关系曲线图

4.2. 分析结果

4.2.1. 试验Q-S分析

从试验锚杆的荷载—位移(Q-S)曲线可以看出，8根试验锚杆的竖向位移与荷载近似线性关系，在各级荷载作用下，各受检锚杆的锚头位移均能保持相对稳定，表明8根试验锚杆在各级荷载阶段均未达到承载能力极限。根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)中有关基础锚杆抗拔试验的规定判定：8根抗浮试验锚杆的极限抗拔力均满足设计要求。

此外，从测试结果图8可以看出，试验加载至300 kN时，八根锚杆锚头最大上拔位移在10.35 mm~12.69 mm区间范围内变化，平均最大上拔位移为11.69 mm，其中试验锚杆1#上拔位移最大，试验锚杆8#上拔位移最小；当卸载至零时，八根锚杆的上拔位移并没有完全回弹，存在较大的残余位移，锚头上拔位移残余值在5.85 mm~9.35 mm范围，残余值均值为7.78 mm，各试验锚杆残余值占最大加载位移值的比值为56.4%~78.7%，平均比值为66.4%，其中试验锚杆6#残余值最大，试验锚杆8#残余值最小；各锚杆卸载后回弹值在2.51 mm~5.53 mm，平均回弹3.91 mm，但是锚杆1#回弹最大，试验锚杆4#回弹最小。上述分析结果表明，各试验锚杆最大上拔位移、残余值、回弹值均存在一定的差异，可能锚杆所处地质地层差异、锚杆实际施工长度差异、相邻锚杆试验影响、以及注浆量不同，都可能影响测试结果存在差异，但是总体结果差别不大，特别是从零加载至200 kN过程，各锚杆位移基本是近似相同的。总体而言，本工程设计锚杆在300 kN荷载加载后再卸载，回弹了1/3位移，存在2/3的残余位移值。

4.2.2. 抗拔极限承载力预测

根据8根锚杆试验结果，将加载阶段即从0分级加载到300 kN过程，取8根锚杆的位移平均值，绘出荷载-位移曲线如图9所示。

由图9可以看出，将平均值的荷载-位移结果近似拟合成二项式方程为，y为加载对应的位移，x为加载值，写成Q-S形式为：。

由于本次试验加载到300 kN未达到锚杆的抗拔极限承载力，为了预测抗拔极限承载力，首先需确定极限荷载下锚头位移的允许值。目前各相关规范对锚杆极限荷载下的锚头位移没有明确的规定，贾金青和宋二祥 [12] 指出根据Q-S曲线找出位移变化较大的拐点，以此对应的荷载为每根抗浮锚杆的极限抗拔力。王贤能等 [24] 建议可取锚头位移达到20~30 mm时对应的拉拔荷载作为极限抗拔力，对于岩石抗浮锚杆可取低值，对于土层抗浮锚杆可取高值。Fecia [25] 建议取上拔量10~20 mm时对应的荷载为极限抗拔力。参考桩基的上拔位移量，在国内，桩顶上拔位移控制在10~20 mm范围内；在深圳地区，锚固地层为砾粘性土、砂砾混粘土和砾质粘土中的土层锚杆，锚固体直径小于180 mm，认为设计极限抗拔力所对应的锚头位移应小于25 mm [25] 。在英国，对较小直径(不大于178 mm)的钻孔灌注桩，相应于最大上拔荷载时规定的桩顶位移为6 mm，而相应于极限抗拔承载力的桩顶位移为25 mm [26] 。

图8. 试验锚杆上拔位移曲线图

图9. 试验结果的平均值荷载–位移曲线

根据相关文献资料以及本工程设计要求，建议取锚头位移为25 mm时对应的拉拔荷载作为极限抗拔承载力，根据上述Q-S公式计算得到，极限承载力Q_u为373 kN。极限值比测试最大值300 kN大24.3%，根据测试结果推测的极限值可作为本地区锚杆抗拔极限承载力。

5. 不同方法理论计算分析

根据第二部分介绍的不同理论计算方法，结合安徽蚌埠抗拔锚杆桩试验资料，取μ = 0.35，钢筋弹性模量Ea = 2.0 ´ 10⁵ MPa，灌浆体Eg = 3.0 ´ 10⁴ MPa，计算出锚固长度为16 m的锚杆桩的抗拔极限承载力，计算结果统计如表5所示。

从表5可以看出，不同计算方法计算出的锚杆抗拔极限承载力大小略有差异，地基基础规范计算结果相对实测预测结果偏小10.67%，相对保守一些，可以满足设计要求；Phillips公式改进计算法和《送电线路基础设计的技术规范》计算结果分别比实测预测值小3.49%、3.16%；魏新江极限承载力计算法、《公路桥涵地基与基础设计规范》计算结果、日本港湾协会编《港口建筑物设计标准》计算结果分别比实测预测值大1.80%、16.22%、36.17%，魏新江极限承载力计算结果与实测预测结果较接近，可用来近似计算锚杆桩的抗拔极限承载力，但是《公路桥涵地基与基础设计规范》和日本港湾协会编《港口建筑物设计标准》计算结果均比实测预测结果偏大较多，相对不安全，说明这两种抗拔桩的计算方法不宜用于锚杆的抗拔极限承载力计算当中。因此，为了经济和安全考虑，在锚杆抗拔承载力设计当中，可以利用Phillips公式改进计算法、魏新江极限承载力计算法、以及《送电线路基础设计的技术规范》计算法来计算锚杆的抗拔极限承载力。

6. 结论

本次试验对抗浮锚杆1#~8#这八根锚杆进行抗拔试验，试验时均分级加载至300 kN，上拔位移较稳定，未出现破坏状态，荷载未到达极限承载力。说明满足极限承载力特征值150 kN抗浮力的设计要求。

(1) 本工程锚杆抗拔试验中，锚杆锚固长度16 m情况下，分级加载至300 kN，各锚杆在0~200 kN加载范围内，荷载位移近似相同，在200 kN~300 kN加载范围内，荷载位移近似呈线性关系增加。

(2) 本工程设计锚杆在300 kN荷载加载后，平均上拔位移为11.69 mm，卸载后，回弹了1/3位移，但仍存在2/3的残余位移。说明上浮力对地下室及其锚杆的位移影响很大，上浮力引起地下室及锚杆的位移很难完全恢复，设计时应控制上浮力引起结构的上浮位移以及残余位移影响。

(3) 结合不同计算方法计算锚杆桩的抗拔极限承载力，《建筑地基基础设计规范》计算结果相对较保守，在实际设计当中，可以利用Phillips公式改进计算法、魏新江极限承载力计算法、以及《送电线路基础设计的技术规范》计算法来计算锚杆的抗拔极限承载力。

表5. 不同方法计算结果统计表

文章引用

孙新成,邓会元,戴国亮, (2015) 地下室锚杆抗拔试验与分析
Experiment and Analysis of Anti-Floating Anchor Pullout Test of Basement. 土木工程,01,37-48. doi: 10.12677/HJCE.2015.41005

参考文献 (References)