（岩土工程专业论文）抗浮锚杆的试验研究.pdf

中山大学硕t 学位论文 摘要 随着城市建设的高速发展，对地下空间的利用也越来越多，基坑朝着大而深 的方向发展，而在地下水位较高的沿海城市如广州、深圳、大连、上海等地由地 下水浮力引起的构筑物底板上浮、地下室破坏等事故多次发生，因此，抗浮问题 已成为现代地下空间工程中一个不可忽视的问题，应引起工程界的高度重视。本 文的研究旨在为抗浮锚杆的设计提出一些参考建议，并对抗浮锚杆的研究进行一 些补充。本文内容包括： 1 、搜集了国内多项抗浮事故的工程实例，并对部分工程事故的原因进行了 分析。 2 、通过对两组抗浮锚杆基本试验数据的分析，对抗浮锚杆的受力机理进行 了研究，对抗浮锚杆在受荷过程中出现塑性位移的明显增长以及弹性位移出现突 变等现象进行了分析，对抗浮锚杆在调用自身承载力时的协调变形作用进行了研 究。 3 、通过对试验抗浮锚杆承载力的计算研究，对现在采用的抗浮锚杆的极限 承载力的计算方法进行了修正。该方法将抗浮锚杆自重计算在内，对于大批量使 用抗浮锚杆时有一定的指导意义。 4 、通过两项工程实例，介绍了抗浮锚杆用于建筑物整体抗浮时的应如何设 计，对用于建筑物局部抗浮时的设计应如何进行优化。 关键词：抗浮锚杆，承载力机理，承载力计算方法，优化设计 中山大学硕i ：学位论文 a b s t r a c t a l o n ew i t ht h es u p e r d e v e l o p m e n to ft h ec i t yc o n s t r u c t i o n ，t h eu s eo f u n d e r g r o u n d s p a c eb e c a m em o r ea n dm o 咒t h ef o u n d a t i o np i tb e c o m e sm o r ed e e p e ra n db i g g e r , i n t h ec i t yw i t hh i g h e rg r o u n d w a t e rl e v e ls u c ha sg u a n g z h o u ，s h e n z h e n , d a l i a na n d s h a n g h a i ，m a n ys o l e p l a t e sa n db a s e m e n t so ft h eb u i l d i n gw e t ed e s t r o y e db yt h e f l o t a g ec a u s e db yg r o u n d w a t e r , t h e r e f o r e ，t h ep r o b l e mo fr e s i s t a n c et h ew a t e rm e a s u r e s h o u l dn o tb ei g n o r e di nm o d e r ne n g i n e e r i n go fu n d e r g r o u n ds p a c e ，i ts h o u l db et a k e n m o r er e c o g n i t i o nb yt h ee n g i n e e r i n gf i e l d t h ep a p e ra i m sa t p r o v i d i n gs o m e g u i d a n c ea n da d v i c e f o rt h e d e s i g no fa n t i f l o a ta n c h o r ,a n do f f e r i n gs o m e c o m p l e m e n t a r i l yf o rt h er e s e a r c ho fa n t i - f l o a ta n c h o r f i r s t l y , t h ep a p e rc o l l e c t ss o m ei n s t a n c e so ft h ea c c i d e n ta b o u ta n t i f l o a tp r o j e c t s ， a n da n a l y s e st h er e a s 0 1 so fs o m eo fw h i c h s e c o n d l y , t h ep a p e ra n a l y s e st h el o a dm e c h a n i s mo ft h ea n t i f l o a ta n c h o rb y a n a l y z i n gt h et w og r o u p sd a t ao ft h eb a s i ct e s t ，a n a l y s e st h eo b v i o u sr i s i n go fp l a s t i c d i s p l a c e m e n ta n dt h es a l t a t i o no fe l a s t i cd i s p l a c e m e n to fa n t i f l o a ta n c h o rw h e ni ti s l o a d i n g , a n a l y s e st h ea c t i o no ft h ec o n s i s t e n td e f o r m a t i o no fa n t i - f l o a ta n c h o rw h e ni t i st r a n s f c ri t sb e a r i n gc a p a c i t y t h i r d l y , t h ep a p e rm o d i f i e st h em e t h o do fc a l c u l a t i n gt h eb c a r i n gc a p a c i t yo f a n t i - f l o a ta n c h o rw h i c hi su s e da tp r e s e n tb yc a l c u l a t i n gt h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h e t e s ta n c h o r s ，t h i sm e t h o di n c l u d e st h ed e a d w e i g h to ft h ea n c h o rw h e nc a l c u l a t i n g , i t h a ss o m eo fg u i d a n c es i g n i f i c a n c e sw h e nt h ea n t i f l o a ta n c h o ra r eu s i n gi nb a t c h f i n a l l y , t h ep a p e ru s e st w op r o j e c t st ot e l lh o wt od e s i g nt h ea n t i f l o a ta n c h o r w h e ni ti su s i n gi nw h o l eb u i l d i n ga n t i - f l o a t , a n dh o wt oo p t i m i z et h ea n t i f l o a ta n c h o r w h e ni ti su s i n gi np a r ta n t i f l o a t k e yw o r d s ：a n t i f l o a ta n c h o r , l o a dm e c h a n i s m ，m e t h o do fb e a r i n gc a p a c i t y c a l c u l a t i n g , o p t i m i z ed e s i g n 中山大学硕t 学位论文 1 1 研究意义 1 1 1 研究背景 第1 章前言 随着城市建设的飞速发展及大中城市人口的不断增加，对高层建筑和地下空 间的建设需求越来越大，地下车库、下沉式广场、地铁工程的建设越来越多，随 之而来的问题便是基坑开挖深度越来越大，基础的埋深不断增加。在地下水丰富 的城市，尤其像广州、上海、深圳沿海发达城市等地，地下水位很高，而地下水 对埋置于土体中的结构会产生上浮力，如果结构的自重小于上浮力，则会在上浮力 的作用下发生构筑物底板拱起、开裂甚至是整个结构发生上浮现象，使得结构破 坏，从而影响构筑物的正常使用。类似的现象多年来时有发生，而且近年在数量上 呈上升趋势，因此，地下结构物的抗浮问题日益突出。 地下室因地下水浮力而破坏通常有两种形式：一种是局部的破坏，即地下室 底板受地下水浮力不均匀而导致底板局部拱起、开裂，导致底板破坏，使地下水 渗入；另一种是整体失稳，即地下建筑整体浮起，导致粱柱结点处开裂，同时底 板也被破坏。表1 1 中列举了近年国内部分工程因地下水浮力而引发事故的实例。 表1 1 国内部分工程因地下水浮力破坏实例”m 1 工程名称破坏现象 深圳中旅丈 其地下室开工季节为冬季，次年存季地下室及一层接面旌工结束时地下水位升高，发现地下室 酒店 出现开裂，渗水且隆起上浮，最大隆起上浮达1 6 c m 苏州新区污底板旅工完毕后。在底部压重层尚未拖工的情况下，因暴雨猛降、河水猛涨溢过河道驳岸浸入 水厂施工现场，场地内河水相对高程达- 0 2 0 m 使其二沉池造成上浮约1 5 m 的严重事故 海口市梦幻分别因1 9 9 4 和1 9 9 9 年的两次暴雨造成地下室的二次上浮事故其中二次上浮量达到4 , 5 m 园商住小区 顺德市某大 地下水渗入底板，并伴随出现裂缝并不断扩展，造成该工事整体上浮。在初步处理时将底板加 厦地下室人厚5 0 0 m m ，并在附近开凿一降水井捧承后仍然出现上浮，上浮量达到2 0 0 5 7 0 m m ，伴随工事 防工程 上浮，地面出现大范围隆起，花坛，栏杆拉裂，工事内墙可见裂缝 佛山市某大 由于地下水浮力使底板上浮，在构件交接处出现裂缝，并在内庭范围内出现上拱等现象 厦地下室 深圳两乡镇在顶板朱覆t 之前做充水试验，放水后发现沉降缝两侧发生不均匀k 浮，一无内局部屉丈卜浮量 朱坳水j 三达5 0 0 m m 之多 期地下水池 中山大学硕士学位论文 厦门大厦 在地下室外墙施工过程中，受台风影响连降大到暴雨，台风过后地下室顶板中部有明显凸起 现象，并发现顶板的粱板有轻微的裂缝，一周后，粱板裂缝数量增加，宽度加大，广场顼板中 央最大上浮量达2 1 7 m m 深圳阳光花地下室旌工过程中发现地下室出现明显上浮和整体倾斜现象南侧上浮量达6 8 c m 北侧王：浮 园量为1 3 a m 。整个地下室呈由南向北倾侧状，同时其南侧、东西两侧的回填土出现多处塌陷， 部分地下室外墙的柔性防水涂膜，砖砌体保护层与建筑物主体脱离剥落，露出外墙混凝土基层 上海市榱汇 区某住宅小 地下车库混凝土2 0 0 0 年8 月浇筑完毕后，上部覆t i = 作由于某种原因一直未进行，2 0 0 1 年2 月1 2 日发现地下车库柱头出现裂缝，其后柱开裂情况相当严重，地下车库底板、顶板中部明 区显隆起，最丈隆起量估计达3 ( o m m ，地下车库顶板佃周变形不明显 某公司消防该水池施工期正逢夏季，园大雨造成基坑丈量积水，导致水池部分区域垫层与水池底板脱离水 水池池上浮，池壁出现部分裂缝 某工程地下混凝土浇筑完毕并浇水保养后发现池壁出现竖向裂缝，裂缝最大离池底端1 2 0 0 = = 消防水池 江门水质净该接触消毒池底板和池壁混凝土浇筑完成后，突遇连日暴雨池壁外围基坑的积水未能及时 化厂接触消捧出，导致池体浮力超过自重而上浮。池底中部拱起，最大拱起达到3 3 8 m 。原池壁变形缝也 毒池向上拱起呈v 字形缝顶向两边张开达1 6 0 m m 某广场地下在建成后一年多来投入使用，后因普降大雨，地下室上浮2 0 0 = = 3 0 0 = = ，由于与综合楼相连处 室 电梯基础为由1 2 0 哪人工挖孔桩，差异变形使地下室的剪力墙及柱出现裂缝 某污水处理北沉淀池已施工完毕南沉淀池池壁约建至2 3 高度处时，突降暴雨，厂区围墙外水位高于围墙 厂一期内水位5 0 c = - 6 0 c = 左右，导致厂区内捧水沟倒涌水。由于外来水特别大，瞬间造成厂区内水位迅 速h 涨3 0 c m ，使南、北沉淀池及消毒池基坑内水暴满，南、北沉淀池浮起 某贮水池水池底板蘑菇状隆起，地下水从中部裂缝处渗入，底板与池壁连接出现大量裂缝，项板由于受 池壁和柱的连接，破坏情况和底板的基本一致 浙江某地区台风过后，外部积水高出自然地坪5 0 0 = = 左右，即高出车库顶面约9 0 ( 】l m 4 天后发现顶扳呈 某小区大型拱形鼓起，最高处拱起约4 6 0 = = ，中问沉降缝处的橡胶止水带丈部分被拉断，车库里面底板星 地下车库拱形鼓起，粱根部约有2 0 6 = = 长左右砼损坏，柱的上、下部也有1 5 0 岫长段左右的砼破坏 某厂车库车库投入使用后，因暴雨造成地面大面积积水，地表积水深3 0 0 = m 左右，造成地下车库上浮，经 观测发现车库西南角上浮8 5 叫，东南角3 2 5 = = ，西北角l i o n = ，东北角3 2 8 = = ，墙体、底扳及 柱在车库中部，相继出现多处水平向、斜向裂缝 武昌某花园该工程完工后因利用地下室顶板作为掩工硬化场地而未及时覆土受连续暴雨的影响，积水淹 小区没地下室顶扳。以至发生地下室不均匀上浮事故，地下室东南角最大上浮达3 0 0 m s 茂名3 0 万t因茂名地区连降暴雨。降水达到4 0 0 咖，在其中的调节一匀质池北侧，放钎卜调峰池东、南，北 乙烯工程污侧尚来回填土的时候由于未采取有效捧水措施，致使基坑内积满水两池底扳上拱开裂， 承处理场池外积水漏入池内 某矿井地面在顶板尚未施t 的情况下，受暴雨影响，两池均出现不同程度的漂浮现象，水池东北角上浮 t 程的2 座9 2 8 衄，西南角j ：浮3 7 5 m 平均卜浮6 5 0 = m 以e 且底板存在不耐程度的裂缝漏水现象较严 阋形水池重，内部9 根钢筋混凝十柱j 底扳连接处也存在小i 司程度的水中裂缝 某住宅小区当水池主体结构完工后，未开始放水之前，空水池池体即开始上浮池体的西端七浮9 0 0 m , 室外清水池东端上浮2 0 0 m m 2 中山大学顾学位论文 在表中所提到的近年发生的多起地下室上浮事故中，比较有代表性的有： l 、海南省海口市梦幻园商住小区裙房地下室基础上浮事故。该住宅区裙房为 中层，地下两层，占地面积约3 0 0 0 n f ，位于已建成的2 2 层和1 8 层两幢主楼的中间， 裙房基础采用梁板式筏基，埋置在粘土隔水层上，而基础的大部分处于中砂和中 粗砂中。该裙房基础曾于1 9 9 4 年8 月1 3 日施工到o 0 0 0 时，上部结构因故未能继 续施工，且未及时实施回填和向箱内灌水等措施而停止坑内降水。两个月后，因 连续降雨，地下水位上升导致基础上浮，最大达7 0 c m ，后采用井点降水的方法， 使上浮基础下降t 4 0 c m ，可惜本次事件并未引起足够重视，事故处理完毕后并未 采取其它措施，箱基继续长期未回填。1 9 9 6 年9 月2 0 日，大暴阿再次袭击海口市， 海水猛涨，超出地面，使得海水倒灌，基础的排水系统失效，导致基础再次发生 上浮，上浮量最大达n 4 5 m ，成为国内外罕见的事故。 2 、上海市徐汇区某住宅小区上浮事故。该小区地处上海市徐汇区，由多幢高 层住宅和地下车库组成，地下车库位于两幢1 8 层住宅之间，为全现浇钢筋混凝土 结构，底板厚6 0 0 m m ，无梁楼盖项板厚3 0 0 m ，柱截面4 0 0 m m x 4 0 0 m m ，墙厚3 0 0 m ， 埋置深度在常年稳定水位以下3 6 5 m ，上部覆土1 o m ，所在土层主要为杂填土、粘 土及砂土。地下车库混凝土2 0 0 0 年8 月浇筑完毕后，上部覆土工作由于某种原因一 直未进行，2 0 0 1 年2 月1 2 日发现地下车库柱头出现裂缝，其后柱开裂情况相当严重， 地下车库底板、顶板中部明显隆起，最大隆起量估计达3 0 0 咖，地下车库顶板四周 变形不明显。 3 、深圳市宝安区中旅地下室施工过程中的上浮事故。位于深圳宝安区前进路 与创业路交汇处东侧的深圳中旅大酒店，设计的主楼高为2 0 层，裙楼4 层，地下室 一层，深为5 6 m ，基础形式为人工挖孔桩加箱型基础，桩端持力层为微风化粗粒 花岗岩，建筑占地面积为：6 0 x 3 8 5 m ，其地下室开工季节为冬季，次年春季地 下室及一层楼面旌工结束时地下水位升高，发现地下室出现开裂，渗水且隆起上 浮，最大隆起上浮达1 6 c m ，严重影响工程进度和工程质量。 从以上提到的多例抗浮事故中我们可以发现，导致建筑结构发生上浮破坏的 因素主要有两大方面，一是对抗浮问题重视程度不够，对地下水浮力认识不足， 在底板施工过程中不注意及时排水，或是在底板施工结束后未及时进行覆土压重， 导致上部结构的重力小于地下水浮力而发生上浮事故；二是遭遇突然的暴雨使得 3 中山大学硕士学位论文 地下水位迅速升高，地下水浮力迅速增大而导致上浮事故。除此之外，建筑物设 计荷载分布不均匀，地下水位的季节变化，施工不当因素也可能导致上浮事故的 发生，因此，建筑物发生上浮破坏的意外事件在很多时候较难遇测，而上浮事故 一旦发生，则会影响建筑物的正常使用，甚至造成相当大的工程事故。因此，地 下结构的抗浮问题目前已成为影响工程投资和工程设计的主要问题之一，应该引 起设计施工人员的高度重视。 1 1 2 目前采取的抗浮措施 1 、压载 建筑结构发从目前发生的上浮破坏的所有实例来看，其发生上浮破坏的根本 原因就是建筑结构的自重小于地下水的浮力，因此采用增加建筑结构的自重，使 其大于地下水浮力的方法来达到抗浮的目的是最直接也是最简单的方法。对于压 载，目前较多的做法就是增加底板的厚度。如江门某客运码头啪1 基底土层为厚3 0 m 以上的淤泥质粘土，往下为残积土和基岩，地下室地处江边，江水位落差大所受浮 力变化大。因此需要考虑结构的抗浮，在施工过程中采用了双层底板内填毛石压浮 方案，节省了造价近百万元。江苏利港电厂废水处理滞留池”，在设计时对抗浮 考虑不足，使得墙板上产生1 4 条裂缝，最大缝宽4 4 r a m ，局部上浮2 6 3 5 m m ，墙板上部 水平钢筋被拉断，后采用加厚底板以及加水预压等措施进行加固了处理。 采用压载的方法进行抗浮施工方法相对简单且灵活，当因地下水浮力不均匀 而产生局部上浮的时候，可以在局部进行堆载以达到抗浮目的，因此施工技术要 求不高，但由于压载抗浮很多时候是依靠增大地下室底板的厚度来提供足够的自 重以平衡浮力，而在地下室底板的顶标高不变的情况下就需要增加基础的深度， 从而一定程度上加大了水位差，也就是说地下水的设计浮力会因此而加大，从而 需要底板的厚度加大更多来抵抗因此而增大的浮力，直至两者达到平衡；此外， 采用压载的方法对地基土的要求也较高，增加底板重量使建筑物荷载加大，如地 基土承载力很差的话，将会导致地基变形加大或变形不均匀等意想不到的问题发 生：再者，我们知道混凝土对温度是比较敏感的，过厚的混凝土会使得在温度的 影响下产生的膨胀或收缩量更大，很容易引起地下室底板的拱起、开裂等事故发 生，而且过厚的混凝土在施工过程中的保养也相对困难，因此，在较大型的工程 中单独使用压载抗浮的较少噙1 。 4 中山大学硕l 学位论文 2 、降排截水 对比压载抗浮的方法，降排截水的方法更为直接，因为建筑结构发生上浮破 坏是因为地下水浮力所引起，因此，只要降低地下水位，减小地下水的浮力便可 以直接达到抗浮的目的。其施工方法主要是采用通过布置系统性的盲沟及降排水 设备使场地地下水位维持在较低的高度而对底板产生很小的上浮力或不产生上浮 力，从而达到抗浮的习的。 与前面提到的以及后面将要提到的几种抗浮方法相比，降排截水法应该说是 一种主动的抗浮方法，因为这种方法是主动地从减小浮力方面入手，而其它几种 方法均是被动地抵抗浮力。采用降排截水的方法进行抗浮，由于其低廉的施工成 本，在工程界使用较多，有人曾根据预算，在同一工程中比较过抗浮桩、降排载 水和压载三种抗浮方法的成本，发现采用降排截水是成本最低的1 ，浙江某热电 厂的一个容量达1 2 万m 3 的大型备用水池，结合土工膜，采用棋盘形排水降压系统主 动抗浮方案，在池边2 1 ：3 集水井用水泵抽水，除抗浮效果理想外，还比原计划使用 防渗墙节省投资近4 0 0 万元啪1 。 降排截水法虽然造价低廉，但由于其使用的是长期排水方案，在施工过程中 不能停止排水，因此一定程度上增加了施工量，降排截水法因为涉及到抽排地下 水，在施工工程中也会受到场地条件、地下水赋存状态的限制，另外如果单独使 用降排截水法进行抗浮，一旦排水设施发生故障，地下水位将会迅速回升，抗浮 效果将有可能完全失去，因此为保证建筑结构的安全，此方法多与其它方法联合 使用。如前面提到的深圳中旅大酒店，在上浮事故发生后便是用井点降水结合沙 包加载的方法进行地下室的加固 3 、抗浮桩 抗浮桩不同于一般的基础桩，有其自身的独特性能，与一般基础桩的最大区 别在于：基础桩通常为抗压桩，桩体承受建筑荷载压力，受力自桩项向桩底传递， 桩体受力大小随着建筑荷载的变化而变化；而当桩作为抗浮结构的时候则为抗拔 桩，其受力也是自桩顶向桩底传递，桩体受力大小随着地下水位的变化而变化， 但桩体承受的为拉力，两者受力机制恰好相反哺1 。用抗拨桩进行抗浮时，所使用 的桩型多为人工挖孔灌注桩、机械钻孔灌注桩和预应力管桩三种型式。 使用抗拔桩进行抗浮有其特有的优点：桩径大，单桩承载力大，桩作为抗浮 5 中山大学硕士学位论文 结构时，各桩多与承台或者上部结构直接相连，因此在实际工程中使用也比较广 泛，如安徽省城西湖进洪闸消力池即是使用直径为1 0 0 0 m ，桩长l o 5 1 3 0 m ，桩距 5 9 m ，单桩设计抗拔力6 0 0 k n 的抗拔桩进行抗浮，使其安全系数从原来的不n o 8 提高n 3 6 以上”。用桩进行抗浮除其具有单桩承载力大之外，从桩本身的受力特 点来看，在地下水位较高，地下水浮力较大的情况下，桩承受地下水浮力而作为 抗浮桩，当地下水位降低，地下水浮力减小的时候，桩也可以承受上部结构的压 力，作为抗压桩，正是因桩基的这一特点，广东奥林匹克体育场。1 即是采用了截 面为+ 5 0 0 x1 2 5 及4 , 4 0 0 9 0 两种规格的高强混凝土管桩作为基础，取得了良好的效 果。由此看来，用桩作地基基础可以达到一桩二用的效果。实际上，同一根桩除 可作抗压、抗拔( 抗浮) 之用外，还可以作为抗倾覆的围护桩，起到一桩三用的 功效。浙江大学夏江等人就对一桩三用技术进行过相关研究，提出对基坑的围 护桩提高设计施工规格后便可以在基坑施工完毕后直接将围护桩作为抗压桩或者 抗拔桩使用，并将这一技术用于温岭金融大厦、萧山众安花园1 0 号和1 1 号楼以及 温岭繁昌花园地下车库等工程当中，收到了良好的效果。 从使用功能来讲，桩基无疑是最丰富的，但从单一的抗浮效果来讲，由于桩 基通常直接与上部的结构柱相连，而上部结构的柱距一般都不小于4 m ，因此抗浮 桩的桩间距也很大，使得由地下水产生的浮力对底板的弯矩和剪力都很大，这就 需要较厚的底板和较大的钢筋配筋率来平衡弯矩和剪力；而且每根灌注桩所分担 的浮力较大，即承受很大的上拔力，如果某一根抗拔桩发生破坏，势必会发生连 锁反应，而使其它抗拔桩也相继发生破坏，致使地下室的抗浮发生整体性破坏。 另外，桩基本身造价较高，对施工工艺的要求也比较高。 4 、抗浮锚杆 土层锚杆设计与施工规范( c e c 2 2 ：9 0 ) 中规定：土层锚杆是一种埋入 土层深处的受拉杆件，它一端与工程构筑物相连，另一端锚固在土层中，通常对 其施加预应力，以承受由土压力、水压力或风荷载等所产生的拉力，用以维护构 筑物的稳定。当土层锚杆用于构筑物的抗浮设计的时候我们通常将其称为抗浮锚 杆，其锚固机理与抗浮桩相似，也是通过与锚杆周边的土层的摩擦阻力来提供抗 拔力，从这一点来看，我们也可以说抗浮锚杆是在抗浮桩的基础上改进而来的， 其与抗浮桩的区别主要在于锚杆直径以及杆间距更小，分布密度更大。由于其区 6 中山大学硕士学位论文 别于抗浮桩的特殊构造，使其有了更多抗浮桩无法比拟的优点：一是抗浮锚杆间 距小，通常为1 5 m ，假设地下水压力为5 0 k p a ，使用间距为5 m 的抗浮桩与使用间距 为1 5 m 的抗浮锚杆相比较，其剪力和弯矩的差别相当大( 图2 1 ，图2 2 ) ，因此， 使用锚杆抗浮，构筑物底板厚度可以做得薄一些，相应会在工程造价上有所降低； 二是其成孑l 工艺较单一，施工方法相对简单，可以大大缩短工期；此外，由于抗 浮锚杆分布密度大，在一定程度上还可以起到加固地基土的作用。 1 2 抗浮锚杆的应用及研究现状 1 2 1 抗浮锚杆的应用现状 鉴于前面所述抗浮锚杆的这些优点，因此在国内外被广泛地应用于地下室、 下沉式广场、地下加库、消力池以及干船坞等结构的抗浮工程，并且取得了很好 的效果。文献。”中提到了国内外的多项工程均采用锚杆进行抗浮，效果良好，其 中国内的有： ( 1 ) 上海龙华污水处理广地下水池抗浮锚杆工程 龙华污水处理厂为日处理污水1 0 5 1 0 4 t d 的大型污水处理工程。由于其二 次沉淀池直径大，埋置较深，地下水位高，地基持力层容许承载力低，压缩性大， 因此给该池在抗浮及地基稳定设计上提出了通常用压载抗浮所难以解决的问题。 后该工程使用长度1 8 m ，直径1 8 ( h m 的锚杆进行抗浮，每个二次沉淀池使用了抗浮 锚杆2 5 7 根，四个池共用锚杆1 0 2 8 根，杆体a h 3 根, 2 0 钢筋，设计单根锚杆的极限抗 拔力大于3 0 0 k n 。施工完成投入使用至今1 0 多年来非常稳定。 ( 2 ) 首都机场地下车库底板抗浮锚杆工程 首都机场扩建工程的地下车库，深约2 0 m ，地下水位在地表以下1 砣m 使用 了1 0 0 0 多根预应力压力分散型锚杆与底板相连接以抵抗地下水浮力，锚杆长6 m ， 锚固端2 m ，直径2 0 0 m m ，设计承载力2 0 0 0 k n 。地下车库底板采用锚杆抗浮至今，使 用效果良好。 ( 3 ) 厦门邮电大厦底板抗浮锚杆 厦门邮电大厦紧临海边，基坑深1 8 3 m ，基坑面积1 5 0 0 0 m 2 ，地下水位位于地表 以下l m ，底板自重无法满足抗浮要求，使用了1 7 4 8 根长度7 勰m ，直径1 0 0 和1 3 0 m m 的锚杆进行抗浮，效果良好。 7 中山丈学硕：e 学位论文 国外的有： ( 1 ) 巴黎的法国科研中心大楼地下水位很高，基坑底板的上浮力达到8 0 k p a ， 基坑底板由钻孔灌注桩支承。由于地下水的波动，使某些桩交替承受压力和拉力， 在基坑底板上使用锚杆通过桩身锚入石灰岩层，对锚杆施加预应力2 5 0 - - 4 0 0 k n 以达 到抗浮的目的。 ( 2 ) 前捷克斯洛伐克奥特罗科维策新轮胎厂使用p h 2 4 根巾7 舢的钢丝组成的， 孔径1 5 6 m m 的锚索对其热水池的底板进行加固，对锚杆施加的预应力达1 m n 。 除此之外国内的还有深圳市的锦绣苑会所，安柏丽晶园，游泳跳水馆，松泉 山庄、广州的琶洲交易会所二期、北京市高碑店酒仙桥污水处理厂等；国外的还 有瑞士苏黎世地区的退休者大楼、英国利物浦桑登多克废水处理工程的抽水竖井、 法国4 0 m 高的s o u l a g es u rl eg i e r 大坝的消力池底板、巴基斯坦t a r b e l a 坝的消力 池底板、俄罗斯叶尼塞河上s a y a n e - s h u s h e n s kh p s 工程的消力池底板、原联邦德 国的伊登船坞、贝尔伐斯特的干船坞的底板、英国普来姆斯核潜艇综合基地干船 坞基地的确改建工程、苏格兰凯绍思海湾尼南中心工作平台建筑的干船坞等等 项目均是使用类似的锚杆进行抗浮，并获得成功。 随着国内建设事业的发展，国内使用锚杆进行抗浮的工程越来越多，本文搜 集了近年使用锚杆抗浮的多项工程实例，见表1 2 。而广州市作为国内为数不多的 几个大城市之一，其建设事业发展尤为迅速，使用抗浮锚杆的工程也相当之多， 本文搜集整理了广州市近年来使用锚杆进行抗浮的部分工程实例，见表1 3 。 表1 2 国内抗浮锚杆应用实例h 州 8 中山大学硕士学位论文 表1 3 广州市抗浮锚杆应用实例 本表数据来源于广州建设t 程质量安全检测中心相关榆测试验 9 中山大学硕士学位论文 1 2 2 抗浮锚杆研究现状 1 、地下水位及地下水浮力大小的确定 工程抗浮问题的产生，归根结底是因为地下水浮力的存在，地下水浮力的大 小，直接决定了工程中抗浮问题的重要程度，因此，地下水浮力的计算是抗浮锚 杆研究的首要问题，地下铁道设计规范1 4 5 1 ( g b 5 0 1 5 7 9 2 ) 、铁路桥涵设计基本 规范 4 6 1 ( t a1 0 0 0 2 1 2 0 0 5 ) 等都对地下水的处理问题有相关规定。地下水浮力是 因为建筑物内底板内外的水头差而产生的，根据这一原理，目前工程上普遍使用 的计算地下水浮的方法如公式( 1 - 1 ) ： p 一珊 ( 1 - 1 ) 才手p地下水浮力 f基底面积 h 构筑物底扳内外水头差 伸水的重度 按公式( 1 - 1 ) 所表示的，地下水浮力的大小与地下水位的情况直接相关，因 此岩土工程勘察规范m ( g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 中明确规定了岩土工程勘察应根据 工程要求，提供勘察时的地下水位、历史最高地下水位、近3 5 年最高地下水位、 水位变化趋势和主要影响因素。北京地区建筑地基基础勘察设计规范l 蚰】 ( d j b 0 1 - 5 0 1 9 2 ) 对此也有相关规定：勘察单位在勘察报告中要按照规范要求提 供场区历年最高水位和近3 5 年的最高地下水位。但抗浮设计水位并不等于历史 最高水位，地下水位的确定必须通过对长期观测资料的分析来确定。 此外，公式( 1 - 1 ) 使用的基本原理是静水压力的基本原理，用于计算地下水 浮力的计算也不合理，这是因为：其一，地下水赋存于地下岩土层的孔隙、裂隙 中，具有多种赋存状态，张在明【4 9 1 等人曾在其文献中指出无论是上层滞水、潜水 还是承压水对地下水浮力的影响都不同；其二、地下水赋存于岩土体中并不是静 止的，而是以渗流的形式在运动，由于渗流的影响，地下水所产生的浮力又有不 同；其三，即使地下水存赋存类型相同，但由于岩土体的渗流系数不同，使地下 水的运动速度不同，所产生的浮也有偏差，吴建虹f 刎曾对不同透水层情况下的地 下水浮力计算应注意的问题提出过讨论。由以上几点可以看出，地下水水位的确 定以及地下水浮力的计算是抗浮设计中的一个关键问题。 1 0 中山大学硕l 学位论文 张在明例曾在其著作中提出利用渗流理论对地下水浮力进行验算，通过渗流 理论得出的地下水浮力与使用传统静水压力计算方法得出的结果相比明显偏小， 但通过实践研究表明利用渗流理论得出的结果更接近实际，说明将水压力按传统 静水状态确定的做法，估计过高，造成浪费，因此，在实际工程中如采用传统方 法进行地下水浮力的简要计算时，应对计算结果进行计算时，应对计算结果进行 折减，岩土工程手册1 5 l l 规定了地下水浮力的折减方法：当建筑物位于粉土、砂 土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基时、按设计水位1 0 0 计算浮托力；当建筑 物位于节理裂隙不发育的岩石地基时，按设计水位5 0 计算浮托力；当建筑物位 于粘性土地基时，其浮托力较难确定，应结合地区的实际经验考虑。 2 、抗浮锚杆的受力机理研究 随着抗浮锚杆的应用日趋广泛，对其受力机理的研究也更多。主要的研究内 容在于抗浮锚杆极限承载力、抗浮锚杆注浆体粘结强度、荷载的传递机理、应力 应系随锚杆深度的变化而变化的规律等方面。锚杆承载力主要由锚筋的强度和锚 固体与杆体周围土体的粘结强度组成，通常抗浮锚杆破坏都不会发生在钢筋强度 问题上，而主要是由于锚固体与杆体周围土体的粘结强度不够而发生破坏。 国夕t b a r l e y a d 【镏、w o o d sri 【5 3 l 等人在锚杆粘结应力分布特征研究与改善锚 杆荷载传递机制方面有很大创新，他们采用现场锚固试验与数值模型等方法对锚 杆的粘结应力分布特征进行较系统深入的研究，证实了锚杆锚固段粘结应力分布 的严重不均匀性，平均粘结应力随着锚固段长度的增加而减小。b a r l e y a d 【5 2 l 更是 在长期研究中得到了伦敦粘土及冰积粘土中随锚杆锚固段的增长，其有效调用土 层抗剪强度的效率急剧降低的关系曲线，并成功研究了单孔复合锚固法( 荷载分 散型锚固体系) ，大大提高了土层锚杆的极限抗拔力。 而国内的研究目前主要还在于对力和位移性状的一般性的测试研究上，如陈 棠茵等人通过试验得出了深圳地区多例抗浮锚杆的荷载一位移的一般性状例，并对 其应力应变特征进行了线弹性分析【5 5 1 ，曾国机1 5 6 1 等人通过在抗浮锚杆杆体埋设应 力应变计，对抗浮锚杆的抗拔做过类似研究，得出抗浮锚杆的受力随深度的变化 情况。 3 、抗浮锚杆场地适应性的研究 有机质土层作为永久锚固地层，会引起锚固体的腐蚀破坏；液限大于5 0 的土 1 1 中山大学硕士学位论文 层，由于其高塑性会引起明显的蠕变，不能长久地保持恒定的锚固力；而相对密 度小于0 3 的松散地层，锚固体单位面积上的摩阻力很低，因此，土层锚杆设计与 施工规范p o l ( c e c 2 2 ：9 0 ) 中规定：永久性锚杆的锚固段不应埋设在未经处理 的有机质土、液限大于5 0 的土层以及相对密度小于0 3 的土层中。这给软土地区， 特别是沿海发达城市淤泥质土覆盖面积较广的地区抗浮锚杆的使用带来了许多问 题。由于抗浮锚杆的许多优点，应对抗浮锚杆在各种土层条件下的锚固情况都有 较细致的研究，以使抗浮锚杆能适应各类土层，使其应用更为广泛。 目前国内已有部分人在对抗浮锚杆在软土条件下的锚固进行试验研究，其中 李象范【5 7 1 等人在同济大学校园内所做的试验场地已接近规范所限制的土层条件， 其试验场地的粘土层厚达1 8 m ，含水量达到4 2 4 ，而点土层内聚力最大仅有 4 9 k p a ，经试验后发现其锚固力仍然可以达到3 0 0 l ( n 以上，由此证明，在软土地区 也并非不能使用锚杆进行抗浮，只是需要对锚杆进行一些特殊的处理，至于对锚 杆如何处理以及在规范以外的土层到底是否适合使用锚杆进行抗浮，仍然是以后 应深入研究的内容。 4 、抗浮锚秆的防腐蚀问题 抗浮锚杆杆体由钢筋制成，钢筋的寿命直接决定了抗浮锚杆的使用寿命。作 为金属的钢筋在地下水以及地下水中的氧的作用下，将会被氧化，长时间的氧化 则会导致钢筋的磨损，最终使得抗浮锚杆破坏。因此做好抗浮锚杆杆体的防腐蚀 处理对延长抗浮锚杆的使用寿命是至关重要的。 国内外曾发生过多起因锚杆腐蚀而破坏的现象1 3 1 1 。如法国朱克斯坝有几根承 载力为1 3 0 0 州的锚杆预应力钢丝仅使用几个月就腐蚀而发生断裂，泰晤士河畔的 一个码头，采用预应力锚杆背拉的钢板桩工程，在使用2 1 a 后因预应力筋绣蚀发生 断裂并导致钢板桩向外倾斜3 0 m 的严重事故。我国安徽梅山水库的预应力锚杆使用 8 a 后，发现3 个孔内部分钢丝因应力腐蚀而断裂。西南地区某边坡的预应力锚杆使 用1 0 a 后也发现部分锚杆的锚头处预应力筋出现锈迹。因此抗腐蚀问题已成为抗浮 锚杆设计应引起高度重视的问题。目前通常的做法是在锚杆钢筋上加上套管或是 在钢筋上涂上防腐油膏，也有通过灌浆对锚杆进行防护的。此外，对于不同安全 等级的工程采用的防护等级也有不同；除对锚杆本身进行处理达到防腐蚀的目的 外，在工程勘察中还应仔细考察场地条件，了解场地条件对锚杆的腐蚀可能性， 1 2 中山大学硕七学位论文 有针对性地进行防护措施设计。在对锚杆防腐蚀系统完善性的检验方面，瑞士还 开发应用了锚杆的电隔离( 电阻法) 测定技术【堋，并列入了全欧洲锚杆检测标准。 5 、抗浮锚杆的施工工艺 抗浮锚杆施工主要工序有：锚杆制作、成孔、注浆、养护及清渣等。每道工 序的合理采用与否都对锚杆的承载力和使用寿命有很大影响，而其中目前研究较 多的主要是在锚杆制作、成孔和注浆方面。 锚杆制作实际上是对杆体的设计，包括杆体材料的选择、钢筋和钢丝的捆扎、 主筋数量的取用等方面；而成孔工艺主要有两种，即所谓的水成孔法( 又叫循环 浆液排屑成孔压浆法) 和干成孔法( 长又叫螺杆成孔压浆法) ，陈根全【5 9 1 曾对两种 工法进行过比较，发现水成孔法施工工艺适合地下水丰富的地层，但具有孔底清 渣不彻底，孔壁存有泥皮，成孔效率低等缺点；而干成孔法工艺具有孔底清孔较 彻底，孔壁无泥皮，成孔效率高等特点。并认为：采用干成孔法施工桩的数值较 集中，而采用水成孔法的数值较离散。在具体工程施工过程中，可依据不同的地 质条件采用不同的施工工艺。随着抗浮锚杆技术的发展，出现了带扩大头端的锚 杆和锚固段为连续球体的锚杆，施工工艺有所改进，台湾久耀地锚工程技术股份 有限公司开发了用旋转的叶片将锚杆底端扩成直径为0 6 m 的锥体的新成孔技术 l e o 。在注浆方面，目前常使用的有一次注浆，二次高压注浆等，对承载力要求较 高的抗浮锚杆，通常采用二次注浆方法。 6 、抗浮锚杆的承载力计算 抗浮锚杆的承载力主要取决于杆体与周边土层的粘结力( 或称为摩阻力) ，因 杆体形态的不同，其承载力的计算方法也有所不同。 幻圆柱形锚杆， 圆柱形锚杆的承载力主要是由杆体与周边土体的摩阻力构成，其计算方法公 式( 1 - 2 ) 所示， p - - t t 厶d 孕 ( 1 - 2 ) 式中p锚杆的极限承载力 厶锚固段长度 d 锚固段直径 口， 锚固体与其周边土体的粘结强度 中山大学硕士学位论文 当锚杆位于岩层中的时候还应加上经验系数，建筑地基基础设计规范1 6 1 1 ( g b5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 中对此作了相关规定，其计算公式如公式( 1 - 3 ) 所示 r 一铷，以 ( i - 3 ) 式中 风锚杆抗拔承载力特征值 脚锚杆的周长 h ，锚杆锚固段嵌入岩层中的有效锚固长度，按地区经验确定 ，水泥砂浆和混凝土与岩石间的粘结强度特征值 e 经验系数，对于永久性锚杆取0 8 ，对于临时性锚杆取1 0 。 m 带扩大头端锚杆 带扩大头端锚杆的承载力的构成分三部分，一是锚固段杆体与周边土体的粘 结强度，二是扩头端对土的挤压力，三是扩大头部分周边土体的摩阻力，其承载 力计算方法如公式( 1 - 4 ) 所示 p 。石工。d 。+ 牮犀。+ 玎工：d 9 c - 4 ， 式中p锚杆的极限承载力 工j 锚固段长度 乜扩大头长度 d 锚固段直径 d扩大头直径 辟锚固力因素，取9 0 g l 锚固体与其周边土体的粘结强度 “土体不排水抗剪强度 以上计算方法在土层锚杆设计与旌工规范p o ! ( c e c 2 2 ；9 0 ) 中均有相关规定， 从以上公式看出，抗浮锚杆承载力主要取决于锚固段长度、土体粘结强度以及锚 杆的直径，由于锚杆本身的特点以及钻孔工艺的影响，以扩大锚杆直径的方法来 提高承载力的方法并不可取，而多项工程实践表明，在一定长度范围内，锚杆的 承载力是随锚固段长度的增加而增加，但超过这一范围后，锚固段长度的增加便 对其承载力的影响很小了，针对这一现象，程良奎1 3 1 j 等人特别提出了锚固段长度 中山人学硕士学位论文 有效因子的概念，将锚杆承载力计算公式进行了修正，见公式( 1 - 5 ) 。由于在改变 抗浮锚杆尺寸方面对提高承载力效果并不是很明显，因此，目前在工程中多采用 二次注浆等方法，通过改善杆体与土体的粘结强度以达到提高承载力的目的。 p 一, f f 厶妒d 孕 ( 1 - 5 ) 式中p锚杆的极限承载力 l 锚固段长度 d 锚固段直径 毋锚固段有效因子 9锚固体与其周边土体的粘结强度 1 3 本文研究内容 抗浮锚杆由于其独特的优点，现在抗浮结构中使用日益广泛。抗浮锚杆作为 抗拔杆件，与普通抗拔锚杆在受力方式上是一致的，即都是承受的拉力，但抗浮 锚杆做为抗浮结构，长期埋于地下水中，因此其荷载位移的关系应与普通抗拔锚 杆有所不同，本文将着重研究抗浮锚杆的荷载与位移的关系，对其荷载位移的特 征进行描述；通过对其荷载位移曲线特征的分析，对其承载力机理进行相关研究； 再有抗浮锚杆的锚固方向通常是竖直向下的，其承载力除由锚杆与杆体周围土体 的侧摩擦力组成外，还应包括杆体的自重，虽然单根锚杆的自重较小，但因抗浮 锚杆施工密度大，通常间隔都在2 m 左右，通常一项工程中锚杆的施工数量是很 大的，多根锚杆的自重对抗浮的影响还是不应该忽视的，此处所讲的多根锚杆的 自得影响有别于抗浮锚杆的群锚效应，通常意义上讲的群锚效应主要是指多根锚 杆对岩土体在整体性上的影响，此处所讲仅仅是从锚杆本身重力考虑。理论上来 讲抗浮锚杆与普通抗拔锚杆在承载力方面也会有较大差别，而对于抗浮锚杆承载 力的计算方法研究也是本文的一个主要方面。在最后本文将结合工程实例，利用 抗浮锚杆对结构抗浮进行设计与优化。 1 4 研究思路 本文拟通过对抗浮锚杆的基本试验数据的分析，得出抗浮锚杆在荷载作用下 中山大学硕：匕学位论文 的位移变化特征；利用现有公式对抗浮锚杆的承载力进行计算，并在计算过程中 讨论锚杆自重对极限承载力的影响，对目前使用的抗浮锚杆承载力计算方法进行 修正，最后结合工程实例，对抗浮锚杆的设计进行优化。研究思路框图见图i - i 。 1 5 本章小结 图i - i 研究思路框图 本章介绍了本文的研究背景，简要介绍了国内外因地下水而导致结构破坏的 一些工程实例，对现阶段所采用的一些抗浮措施进行了分析，介绍了各种方法主 要的优缺点，对抗浮锚杆这种新型的抗浮措施的应用及研究现状进行了介绍，介 绍了本文的主要研究内容及研究思路。 中山人学碗l 学位论文 第2 章抗浮锚杆基本试验情况及其荷载位移特征 本章将介绍两组工程中对抗