（岩土工程专业论文）土层抗浮锚杆受力机理研究分析.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着城市建设的高速发展，大量带有地下室的高层建筑物、地下车库、下沉 式广场以及地铁、地下商场等地下建构筑物对地下空间的利用不断向深度方向发 展。在地下土层含水丰富的沿海城市如深圳、大连以及青岛等，由地下水水浮力 所造成的建筑物、构筑物等上部结构发生倾斜、倒塌的事故屡屡出现，使得抗浮 问题日益突出。促使工程界对地下水所产生的浮力对建构筑物的影响引起足够的 重视，对地下水浮力的处理也提上同程。本论文的研究旨在为抗浮锚杆的设计提 供一定程度的指导作用，为抗浮锚杆的研究起到抛砖引玉的作用。 本论文主要研究一种新型的处理地下水浮力的抗浮措施抗浮锚杆在沿海 软土地区的应用。 一、介绍了抗浮锚杆在国内外的发展状况和应用现状、与传统处理地下水浮 力的抗浮措施进行对比、并叙述了抗浮锚杆具有的一些优点及现今所要解决的问 题。 二、简要的介绍了处理地下水浮力的传统措施抗拔桩在地下水浮力作用 下的破坏类型及受力机理：并对与抗浮锚杆相似的普通锚杆的受力机理进行分析。 三、通过现场原位试验，由于在不同杆体部位设置钢筋应力计，在外荷载作 用下，对杆体钢筋受力进行测试，从而对抗浮锚杆的受力机理及破坏现象进行了 分析，为今后抗浮锚杆设计提供一定程度上的参考。 四、应用有限单元法软件h n s y s 对几种不同工况下抗浮锚杆进行了模拟分析， 并与原位试验结果进行比较分析；同时考虑到群锚效应，同样采用a n s y s 软件对 抗浮锚杆群进行模拟分析，与相同条件下的单独抗浮锚杆进行对比分析，为工程 界在小间距、大面积上的抗浮锚杆的设计提出了一定程度上的参考。 关键词：抗浮措施，抗浮锚杆，抗拔桩，抗拔试验，有限元单元法，群锚 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w 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 , al o to ft a l ls m l c n l r e sw i t h b a s e m e n t ，u n d e r g r o u n dg a r a g e s ，s u b s i d e n c a lp l a z a sa n ds u b w a y s ，u n d e r g r o u n dm a r k s a n ds oo ne x p l o i tt h eu n d e r g r o u n ds p a c ea n dw i l ld e v e l o pt h ed e p t hu n c e a s i n g l y t h e r e a r em a n yb u i l d i n g st h a tw e r es l a n t e da n db r o k e nd o w nb e c a u s eo ft h eu n d e r g r o u n d w a t e r sb u o y a n c ep r e s s u r ei nt h es e ac i t i e ss u c ha ss h e n z h e n ，d a l i a na n dq i n g d a o ， w h e r et h e r ea r ep l e n t yo f w a t e ri nt h eu n d e r g r o u n d s ot h a t ，t h ee n g i n e e r i n gf i e l dr e g a r d t h eu n d e r g r o u n dw a t e r sb u o y a n c ep r e s s u r ea n dd i s c u s sh o wt od e a lw i t hu n d e r g r o u n d w a t e r sb u o y a n c ep r e s s u r ei nt h en e a rf u t u r e t h ep a p e ra i m sa tp r o v i d i n gs o m e g u i d a n c ef o r t h ea n t i f l o a ta n c h o r , a n do f f i n gaf e wc o m m o n p l a c er e m a r kb yw a yo f i n t r o d u c t i o ns ot h a to t h e r sm a yc o m eu pw i lv a l u a b l eo p i n i o n sa b o u tt h es t u d ya n d d e v e l o p m e n to f t h ea n t i - f l o a ta n c h o r a san e wk i n do fm e a s u r eo fd e a l i n gw i mt h eu n d e r g r o u n dw a t e r , t h i sp a p e r m o s t l ys t u d i e sa p p l i c a t i o no f a n t i f l o a ta n c h o ri nt h es o f ta r e a f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt h ea p p l i c a t i o na c t u a ls t a t e o fa n t i f l o a ta n c h o ri nc i v i la n de x t e r n a l ，c o n s t r a t e st ot h et r a d i t i o n a lm e a s u r e st h a ta r e u s e dt od e a lw i mt h eu n d e r g r o u n dw a t e r , r e l a t e st h em e r i t so fa n t i f l o a ta n c h o ra n d q u e s t i o n sw h i c ho r es o l v e da tp r e s e n tt i m e s e c o n d l y , t h ep a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h et r a d i t i o n a lm e a s u r e l u p l i f tp i l et h a t h o wi su p l i f tp i l ed e s t r u c t e db yt h el o a d ，t h em e c h a n i s mw h i c ht r a n s f e rt h ef o r c ea l o n g t h ed e p t h a n da n a l y s et h ec o m m o na n c h o rw h i c hr e s e m b l ea n t i f l o a ta n c h o r t h i r d l y , b yt h es i t ut e s to fa n t i f l o a ta n c h o r , c h e c k o u ta n da n a l y s et h es t e e l sf o r c e b yt h es t r e s sm e t e rw h e nt h ea n t i - f l o a ta n c h o r st o pu n d e r g o n et h ee x t r i o rl o a d s ot h a t ， d r a wt ot h ec o n c l u s i o nw h i c hp r o v i ds o m eg u i d a n c ea n dr e f e r e n c ef o rt h ea n t i - f l o a t a n c h o ri nt h en e a rf u t u r e f i n a l l y , a n a l y s eb yt h ea n s y so ft h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n t i f l o a ta n c h o r w h i c hi sl o c a t e di ns e v e r a lo p e r a t i n gm o c k a n dc o n t r a s tw i 也t h et e s tr e s u l t s a tt h e s a m et i m e , a n a l y s eb yt h ea n s y st h ec l u s t e ra n t i f l o a ta n c h o r s ，a n dc o n t r a s tw i t ht h e r e s u l t so ft h es o l ea n c h o ri nt h es a m ec o n d i t i o n a n dd r a wt oc o n c l u s i o n sw h i c hp r o v i d s o m eg u i d a n c ea n dr e f e r e n c ef o rt h el i t t l es p a c i n ga n t i - f l o a ta n c h o ri nt h el a r g ea r e a k e y w o r d ：r e s i s t a n c ew a t e rm e a s u r e ，t h ea n t i f l o a ta n c h o r , t h eu p l i f tp i l e , t h e d r a w i n gt e s t , t h ef i n i t ee l e m e n t ，t h ec l u s t e ra n t i f l o a ta n c h o r s i i 重庆大学硕士学位论文1 前言 1 前言 1 1 论题的意义 随着城市经济建设高速发展及大中城市人口密度不断增大，在有限的可利用 地资源情况下，人们对地下空间的开发利用越来越重视，投入的资金比重也大 幅度增加，地下室正朝着多层及超深的方向发展。在地下土层含水丰富的沿海城 市，如深圳、大连、上海和厦门等沿海大中城市，地下土体豹空隙及岩体的裂隙 赋存有大量的地下水，地下水对埋置于岩土体之中或之上的地下结构或洼式结构 会产生浮托力，若结构的自重小于浮托力时将发生上拱或上浮失稳破坏。因地下 水浮力所造成的建筑物、构筑物等上部结构发生倾斜、倒塌的事故屡屡发生，如 深圳宝安中旅大酒店地下室最大隆起1 6 0 m m ；深圳西乡镇的康达尔花园地下水 池在放水时因未及时覆土而造成游泳池底板开裂、上浮：佛山市永丰大厦地下室 底板上拱2 0 c m 多；深圳市布吉镇新鑫仓储蓄水池发生不均匀上浮，一侧上浮 1 8 m ，而另一侧上浮o 5 r n ，如下图1 1 、1 2 所示。下表1 1 列举了一部分建( 构) 筑物因对地下水浮托力未考虑或考虑不周全而发生破坏的工程实例，由于地下水 浮力致使建( 构) 物发生破坏而造成的经济损失很大，使得工程界对地下水所产 生的浮力对建筑物的影响引起重视，对地下水所产生的水浮力的处理也提上日 程。 表1 1 囡地下水而破坏的丁程实例 t a b l 1i n s t a n c e so f t h ed e s t o r i e dp r o j e e tb e c a u s eo f t h eg r o u n d w a t e r 工程名称破坏现象 顺德市某大厦地下室 地下水渗入，出现裂缝并不断扩展。 该工事整体上浮，初步将底板加厚5 0 0 r a m 并在附近开凿一降水井 某人防工事排水后仍然出现上浮，上浮量达到2 0 0 5 7 0 m m ，伴随工事上浮， 地面出现大范围隆起，花坛，栏杆拉裂，工事内墙可见裂缝。 佛山市某大厦地下室在构件交接处出现裂缝，并在内庭范围内出现上拱等现象。 某一污永处理厂的整个排放池被顶起并发生倾斜。 事故排放池 海口市“梦幻”花园地下室基础上浮，上浮量达4 5 m 。 深圳布吉镇某花同池底底板发生不同程度的上浮，产生倾斜和纵横交错的裂缝。 三期游泳池 在所设置的撬工缝两侧产生上拱，并出现一系列的裂缝；处理措施： 深圳市某水厂三期 采用地面填土压重抗浮处理。 江苏利港电厂废水处 在池底底板出现1 4 条裂缝，最大缝宽达4 4 m m ，裂缝上宽下窄， 理滞留池 并出现一定程度上浮。 重庆大学硕士学位论文1 前言 图1 1 康达尔花吲游泳池破坏图图1 2 新鑫仓储蓄水池破坏图 f i g l 一1t h ed e s t o r i e c ln a t a t o r i u mo f t h ek a n gd a - e r f i g l - 2t h ed e s t o r e dt a n ko f t h ex i nx i n 在工程上，对地下水浮力进行处理的传统措施有：压载混凝土、抗浮灌注桩 ( 人工挖孔灌注桩、机械转孔桩或预应力管桩) 、系统性的盲沟排水法。由于采 用压载混凝土对浮力进行处理的原理是依靠混凝土本身的自重来平衡浮力，这就 需要增大地下室底板的厚度来提供足够的自重，而在地下室底板的顶标高不变原 则下就加深了室内与室外的水位差，所需要底板的厚度也随之要加大，直至两者 达到平衡为止；再有，如果该场地的地质土层很差，由于压载荷重会使该场地的 地基变形增大，各部位的变形差异也将增大，这就需要较大的上部结构的整体刚 度来平衡地基所产生的不均匀沉降，所以用压载混凝土处理浮力的措施既不实用 也不经济；又由于浇注厚底板是大体积混凝土，对温度的影响比较敏感，养护起 来比较困难，稍有不甚就容易出现裂缝，对地下室底板防水增大难度，鉴于这几 种缺点，在工程界很少采用压载混凝土法。 至于采用灌注桩对地下水浮力进行抗浮处理，一般工程上都是采用人工挖孔 灌注桩、机械钻孔灌注桩和预应力管桩三种型式的桩进行处理。这三种桩直径均 较大，并与上部建筑的柱子一一对应，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( 地下水所产生的) ，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。所以采用抗浮灌注桩的造价也很高，对旌工工艺的 要求也很高。而采用系统性盲沟排水法进行地下水浮力的处理是通过布置系统性 的盲沟及降排水设备使场地地下水位维持在某一高度而对该工程产生很小的浮 托力或不产生浮托力，从而达到抗浮目的，由于采用该法是长期进行降排截水， 2 重庆大学硕士学位论文 所以存在很多不可预见的因素及经济上也不是很合理，只适合于某些特殊的场地 条件及周期长，所以在工程上很少采用。只是在对由于地下水浮力造成的上浮、 上拱事故进行处理过程中，常采用系统性盲沟排水进行临时性处理。 鉴于上述几种处理地下水浮力措施的一些优缺点，对抗浮灌注桩进行一些改 进，把大直径桩改为小直径桩，间距也变小，并采用机械成孔的小直径抗浮桩来 处理地下水浮力，由于孔径小( 一般1 0 0 m m 3 0 0 m m ) ，与基坑支护及边坡处理 所采用的锚杆很相似，所以在工程上称这种小直径抗浮桩为“抗浮锚杆”。采用 抗浮锚杆处理地下水浮力具有一系列优点： ( 1 ) 由于抗浮锚杆间距小，底板所需要平衡的弯矩和剪力也随之变小，所 以底板的厚度就可变薄，造价也就大幅度的降低，又是采用钻机的单一工艺成孔， 工期也大幅度缩短。同时，抗浮锚杆一般都是均匀布置，所以能够很好的解决在 浮力或其他外力作用下所产生的弯矩和剪力，一般将抗浮锚杆与底板的交接认为 是一固定节点。如取某方向( 如y 轴) 上的抗浮锚杆中到中为梁宽进行分析， 则另一方向( x 轴) 上的抗浮锚杆将原单跨或几跨且跨度大的梁分化成跨距小的 多跨的连续梁，又由于抗浮锚杆与底板的交接是固定节点，所以该梁被抗浮锚杆 处理后变为超高次静定结构，具有很多超静定结构所具有的特点：跨度减小， 正负弯矩也相应的减小；在一定程度上可调节各跨跨中及各个端结点处正负弯 矩的大小，起到协调作用；由于该结构是超高次静定结构，能够在一定要求下 形成多个塑性铰，这样就能够很好的将弯矩等内力进行重分布，使内力达到很好 的调节，受力也进一步合理。 现以深圳市福民佳园为例，该工程由两栋塔楼组成，并设3 层地下室，地下 水净浮力为6 2 k n m 2 ，采用了2 0 m 2 0 m 方形布置的抗浮锚杆进行锚固处理。 该场地地层为第四系海陆交互相的粘土及中粗砂砾砂、第四系残积砂质粉土及燕 山期花岗岩，而场地西侧砂层较厚，一般厚度5 6 m 6 6 m ，并向东侧逐渐减薄， 场地东南角基岩埋藏较浅。 取纵向l m 宽，横向长1 0 m 的单跨和每跨长2 m 的五跨连续梁为计算单元， 通过计算，将梁所受到内力大小表示在图中，具体见下图1 3 、图1 4 所示。从 图中可知，在同样大小的地下水浮力作用下，图1 3 中单跨所受到的弯矩和剪力 最大值都很大：其中最大正弯矩出现在两端部，均为5 1 6 6 k n * m ，最大负弯矩出 现在中部，为一2 5 8 3 k n * m ，最大剪力也出现在端部，为3 1 0 k n ，梁高需要4 5 0 m m 左右才能达到截面要求，配筋率也很大；而对于图1 4 中五跨所受到的弯矩和剪 力的最大值都很小：其中最大正弯矩和剪力也均出现支座处，最大正弯矩为2 0 6 k n * m 、最大剪力为6 2 k n ，最大负弯矩出现在近每跨的中点处，为一l o 3k n 4 m ， 梁高只需要1 5 0 m m 左右就可达到截面要求，配筋率也很小。 3 重庆大学硕士学位论文l 前言 通过对深圳市福民佳园工程的抗浮计算，并对各底板所需要截面高度和钢筋 的配筋率进行比较可知，在抗浮锚杆作为对地下结构底板的支座时，能够很好减 小跨度并起到调配正负弯矩的作用，使之大幅度的减小，所需要的底板厚度很小， 底板受力也很均匀合理，在大面积的抗浮处理工程中，工程造价在很大程度上得 到节省。再如1 0 5 万吨的上海龙华污水处理厂因二次沉淀池直径大，埋置深度 较深，地下水位高，而地基土持力层允许承载力低，如果采用压载抗浮措施，不 仅在池内需要浇筑大量的压载混凝土，而且因压载加深了水池的深度，造成大面 积深基坑的开挖，同时压载会引起地基变形增加；而采用抗浮锚扦进行抗浮，可 比压载抗浮节约5 0 的投资； 往百i 王互日i 君 水浮力6 2 k n i m 剪力图 图1 3 抗拔桩受力示意图 f i 9 1 3t h ef o r c ec h a r to f t h eu p - l i f t p i l e 6 2弯矩图6 26 2 伊等专岛每每 6 25 895 8 95 895 89 剪力图 图1 4 抗浮锚杆受力示意图 f i 9 1 4t h ef o r c ec h a r to f t h ea n t i - f l o a ta n c h o r ( 2 ) 同时，采用抗浮锚杆除了平衡地下水浮力作用外，还可起到加固地基 的作用，从而减小地基变形及不均匀沉降； ( 3 ) 另外，由于抗浮锚杆之间的间距小，相对于大直径的抗拔桩，抗浮锚 杆的数量很多，分担到每根抗浮锚杆上的浮力也就很小，所以即使其中一根或几 根抗浮锚杆发生破坏也不会引起整体抗浮失效，安全性也得到大大的提高。 由于上述诸多优点，所以这种新型的“抗浮锚杆”在工程上得以广泛应用。 目前，这种新型的“抗浮锚杆”的设计和施工还处在探索和研究阶段，还没 有现成的规范可依，大多数就凭借已往的工程经验进行设计和施工的，对“抗浮 锚杆”理论上的研究远远不及工程方面的应用，这无疑成了工程界广泛应用抗浮 锚杆来处理地下水浮力的绊脚石。为此有必要对抗浮锚杆进行系统、全方位的研 究，为今后广泛应用“抗浮锚杆”来处理地下水浮力提供科学依据和理论指导。 1 2 国内外抗浮锚杆的应用及研究现状 1 2 1 抗浮锚杆的应用现状 4 重庆大学硕士学位论文1 前言 在国内沿海城市如深圳、大连、上海、厦门等，对地下水所产生的浮力问题 有很多是采用抗浮锚杆迸行处理的，而且获得成功，使用多年后也没有出现问题， 下表1 2 列举了采用抗浮锚杆进行锚固处理的部分工程。 1 h 5 ( 1 ) 如深圳市的锦锈苑会所，采用孔径1 5 0 r a m 的土层锚杆进行抗浮处理； 安柏丽晶园，采用孔径1 3 0 r a m 的岩石锚杆进行处理；深圳游泳跳水馆，采用孔 径1 8 0 m m 的土层锚杆进行处理：松泉山庄，采用孔径l1 5 r a m 的岩石锚杆进行处 理等一系列的成功实例；广州地铁一号线工程东山口车站也是采用锚杆进行地下 水抗浮锚固处理川； ( 2 ) 如大连市体育场东外场工程，地下三层，地上为运动场，东西长2 8 5 m ， 南北宽8 5 m ，因该地区在历史最高地下水位是建筑物及地面回填土的自重不能平 衡地下水浮力，也是采用了杆长6 0 m ，2 1 m 2 1 m 方形布设的抗浮锚杆对地下 水浮力进行锚固处理； ( 3 ) 如上海龙华污水处理厂的日处理污水l o 5 万吨大型污水处理工程二期 沉淀池，因池底在地下水位以下3 0 3 5 m ，也采用1 0 2 8 根长1 8 m ，2 4 m 2 4 m 方形布设的抗浮锚杆进行锚固处理； ( 4 ) 如北京高碑店酒仙桥污水处理厂也是采用抗浮锚杆进行池底抗浮；天 津某污水厂也是采用1 3 8 8 根长1 2 m 左右的抗浮锚杆进行沉淀池抗浮；亚龙湾国 际旅游度假区生活污水处理池，也是采用4 8 根预应力抗浮锚杆进行锚固； ( 5 ) 再如厦门邮电大厦的地下室，因该工程紧邻海边，地下水位位于地表 以下1 0 r n ，二基坑深1 8 3 m ，所以该工程采用了2 2 5 m x 2 2 5 m 方形布设、不同 杆体钢筋的a 、b 两种抗浮锚杆进行抗浮锚固处理。 另外在工程上，也常采用抗浮锚杆对因地下水浮力而造成建构筑物上浮的工 程事故进行抗浮加固处理。如上图1 1 的深圳西乡镇地下康达尔花园水池池底板 开裂上浮；佛山市永丰大厦地下室底板上拱等工程事故均是采用抗浮锚杆进行处 理的，并收到了很好的抗浮效果。 在国外也有不少工程也是采用抗浮锚杆对地下室及大量坑洼结构物进行抗 浮加固处理，如位于巴黎的法国科研中心大楼的基坑，由于地下水水位很高，使 得基坑底板受到8 0 k p a 的水浮力，采用了预加2 5 0 4 0 0 k n 的预应力抗浮锚杆进 行抗浮锚固处理：英国利物浦桑登多克废水处理工程，也因地下水位较高，采用 了6 5 根预应力抗浮锚杆进行锚固处理。另外，国内外还将此技术运用于海洋工 程f 6 j q l o 中，如苏格兰凯绍恩海湾尼南中心工作平台减灾的干船坞地锚，该作业 平台区由1 7 0 m 长的船坞闸门同海湾分开，位抵抗闸门结构的水平力，修建了三 个钢筋混凝土强固墩座，每个墩座采用了8 5 根承载力为2 0 0 0 k n 的预应力锚杆 进行锚固的；英国核潜艇综合基地干船坞基地的改建也采用了直径1 5 2 m m 钢绞 5 重庆大学硕士学位论文1 前言 线为杆体材料的抗浮锚杆，并在自由段上涂油脂，同时套上了1 s m m 厚的塑料 管以防腐蚀。 n 】 表1 2 抗浮锚杆应用工程实例 t a b l 2t h ei n s t a n c e so f t h ea u f i - f l o a ta n c h o r 长度椭 工程名称地层岩性锚筋 l 寸l 。 大连市体育场东外场碎石士、强一中风化板岩2 巾2 50 0 + 52 韶关市两河污水处理厂生化池砂卵石层、糟质粘七、灰岩 1m3 2 4 o + 8 0 福建某供水工程清水池碎石层、砂质粘土 2 中2 57 o + 4 3 深圳游泳跳水馆含粘性土粗砾砂、砾质粘性士、花岗岩层4 巾2 20 0 + 1 5 0 广州地铁譬线东山口车站粉质粘土、泥岩砂岩互层的各风化带 1 中3 2o o + 2 - 3 r 海市新华路改建矗交地道淤泥质粉质粘土3 中2 200 + 2 0 0 葫 圳华侨城锦绣苑会所地下室砾砂粘土、砾质粘性土、诧岗岩风化层2 巾3 20 0 + 9 0 深圳罗湖桐景花嗣地下室卵石层、耢质粘土、凝灰岩 1 士2 5 o o + 7 5 深圳罗湖体育馆地下室强中风化泥岩砂岩互层、糜棱岩 2 巾2 50 o + 1 1 0 深圳中信城市广场地下室砂层、砾质粘性土3 c j l 54o + 1 4 ，0 深圳安柏阿晶国内庭地下室强微风化花岗岩，裂隙发育 3 m 2 5 0 0 + 9 0 深圳华润中心城北区砾质粘性土，全强风化花岗岩3 巾1 54 o + 1 4 0 太连市人民体育场粉质粘土、碎石土、强中风化板岩2 巾2 50 0 + 6 ，0 湖南田贸中心裙楼泥质砂岩1 巾2 50 o + 1 5 柳州电厂扩建江边水泉房强风化白云质灰岩 l 巾2 80 0 + 2 0 河北某污水处理厂沉淀池砂质粉土、粉质粘土i 巾4 05 0 + 1 3 0 齐鲁石化d a 1 4 0 6 丙烯精馏塔泥灰岩、白云质灰岩1 巾2 50 0 + 5 0 厦门嵩屿电厂煤码头 花岗岩2 由4 00 ( h 1 0 0 黄石市人民广场地下停车场强一中风化闪长岩5 中1 1 56 o + 60 深圳福民佳园地下室中粗砂、砂质粉土、全强风化花岗岩3 巾2 5o o + 1 1 o 三皿孤己湾污水处理池块石填土、粗砂、淤泥质土、残积土 9 中1 5 1 3 响 上海龙华污水处理池 粉质粘土、粘土、粉砂夹粘土 3 巾2 00 0 + 1 8 o 高碑店酒仙桥污水处理池粉质粘士、细砂、粉砂l 巾4 05 ，0 + 1 3 5 北京机场地下车库砾卵石层 4 中j 1 5 o o + 6 ，o 醒门世贸中心地下室 残积土层、微风化层5 由1 53 5 + 4 5 巴基斯坦t a r b d a 大坝的消力池页岩层1 4 巾q 51 08 + 6 0 注；l pl 珈分别为抗浮锚杆自由段长度、锚固段长度。 1 2 2 抗浮锚杆的研究现状 ( 1 ) 地下水水浮力计算的研究 建( 构) 筑物内外地下水压力差是产生地下水浮力的前提，而应如何准确确 定地下水浮力的大小，对于采用压载抗浮、抗拔桩及抗浮锚杆的设计起着至关重 要的作用，工程界科研人员对这方面进行了一定程度的研究。其中有资料【9 叶”】 指出正确确定抗浮基底的水浮力，取决于以下两方面： 6 重庆大学硕士学位论文1 前言 ( a ) 首先需要对该场区的地下水的赋存条件及其与区域性水文地质条件之 间的关系，各层地下水的变化趋势，以及引起这些变化的客观条件，最后在此基 础上对地下水的最高水位作出预测及估计； ( b ) 在上述研究的基础上，分析场区地下水的渗流特征以及由此所造成的压 力水头分布形态，从而得到基底的实际水浮力。 再有，资料还指出正确确定地下水所造成的地下水水浮力对工程的造价起着 重要的影响，以免造成不必要的浪费，如“八一大楼”工程中地下礼堂和专用厅 部分，因它们在地面只有2 3 层，而礼堂基础埋深1 0 0 m 左右；专用大厅的基础 埋深5 0 m ，通过上述专业分析后，设计单位采用了科学合理的设防水位数据进 行设计，使业主节约了不必要的抗浮造价1 5 0 0 万左右；“北京瑞成中心”的中心 广场和纯地下室部分也因上部荷载小，而基础埋深为1 3 4 0 m ，同样通过专业分 析及专家论证会审，使得地下水浮力降低了4 0 k p a 左右。 另外根据其它相关对地下水浮力研究的资料认为：最高水位取该场地的最高 设防水位，而不是勘测期间的最高水位；而北京地区建筑地基基础勘察设计规 范u t ( d j b 0 1 5 0 1 9 2 ) 条文说明中规定：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，设计单位要根据勘察资 料，针对工程情况，合理确定建筑防水和结构抗浮的设防水位；还有地下铁道 设计规范【1 8 ( g b 5 0 1 5 7 9 2 ) 条文说明中也指出：在验算结构抗浮稳定性时， 对浮力、抗浮力的计算及抗浮安全系数的取值均需慎重，计算浮力时不能仅仅着 眼于根据地质调查取得的当前地下水位，必须估计到将来变化的可能性，在粘性 土中水浮力的取值不需折减；铁路桥涵设计规范( i9 】也规定：位于碎石类土、 砂类土、粘砂土等透水地基上的墩台，当检算稳定时，应考虑设计频率水位的浮 力；若持力层为不透水的粘土以及位于岩石上( 除破碎、裂隙严重发育以外) 的 基础且基础混凝土与岩石接触良好时，可以不考虑地下水浮力。再有地下水的赋 存状态等特征对地下水浮力的计算应有所不同，而且地下水是处于流动的，计算 水浮力时还需要考虑动水压力的作用：地下水水头差h z 在不同的土质条件下还 可进行适当的折减，根据岩土工程手册 2 0 】，当建筑物地基土质为粉土、砂 土、碎石土和节理发育的岩石时，不需要折减；当建筑物地基土质为节理裂隙不 发育的岩石时，可进行折半计算地下水浮力。而且在很多文献也指出l l6 】 ”】，岩 土地基中的地下水浮力的确定不能简单按静水压力公式计算，即地下水水压力在 垂向上并非随深度增加雨线性增加。 ( 2 ) 抗浮锚杆受力研究 从检索到的资料可知，目前对于抗浮锚杆其它理论方面的也进行了一些研 究，很多资料 2 1 】对抗浮锚杆进行力位移的一般性测试研究： 7 重庆大学硕士学位论文 1 前言 ( a ) 深圳市部分抗浮锚杆工程基本试验研究如下表1 3 表1 3 深圳市抗浮锚杆工程基本试验2 1 1 t a b l 3t h eb a s i ct e s to f t h ea n t i f l o a ta n c h 0 1 i ns h a n z h e l l 工程名称锚杆类型孔径( 1 n i l l )锚杆长度( m )锚筋 锚头位移 锦绣苑会所土层锚杆 1 5 09 o2 由3 2 3 4 7 r a m 安柏丽晶园岩石锸杆1 3 08 03 由2 52 6 7 r a m 游泳跳水馆土层锚杆1 8 01 5 o4 中2 23 6 5 m m 罗湖体育馆 岩石锚杆 1 3 01 i 02 中2 52 3 3 m m 桐景花园土层锚杆1 3 07 5l 巾2 53 7 5 r a m 福民佳囝土层锚杆 1 5 0 9 0 3 中2 5 1 0 5 m m ( b ) 大连市采用抗浮锚杆处理地下水浮力体育场东外场工程，也结合工程做 了抗拔基本试验研究，如下表1 4 所示： 表1 4 抗浮锚杆抗拔试验田1 t a b l - 4t h eu p l i f t c dt e s to f t h ea n t i - f l o a ta n c h o r 锚 杆编号 123456 孔深孑l 径6 0 0 1 3 实测锚杆长度( m ) 5 35 7 5 2 4 84 8 5 4 抗拔力( k n )4 8 05 4 04 8 04 2 04 2 04 8 0 单位抗拔力( k n m )9 0 59 4 79 2 38 7 58 7 58 8 9 岩体抗剪强度( m p a ) 0 2 2 0o 2 3 10 2 2 7o 2 1 4o 2 1 40 2 1 8 单位长度抗拔力均值q 。( k n m ) 9 0 2 抗剪强度均值t 。( m p a ) 0 2 2 l 还有一些资料1 2 3 1 也结合工程对抗浮锚杆进行了破坏性试验研究，测试了锚 杆在岩土中的剪力的分布规律，并得出抗浮锚秆的抗拔力，为该工程的设计提供 了可靠的设计参数和依据。 ( 3 ) 抗浮锚杆的旋工工艺研究 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。如是预 应力抗浮锚杆还有张拉锁定等工序。而对于每道工序采用合理有效的旌工工艺对 抗浮锚杆所能提供的抗浮力有着直接的影响，陈根全 2 4 1 就对两种不同成孔施工 工艺进行了对比，其中一种为循环浆液排属成孔压浆法( 简称水成孔法) ，即水 浆钻进成孔后注浆，在锚固体中埋设注浆管，待砂浆初凝后再进行压力注浆，此 重庆大学硕士学位论文 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：另一种为长螺杆成孔压浆法( 简称干成孔法) ，即采用长螺旋钻 杆成孔作业，成孔后提升螺旋杆时注浆，并在锚固体中埋设注浆管，待砂浆初凝 后再进行压力注浆，此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。 所以在抗浮锚杆施工工艺方面理论比较成熟，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。 1 3 、抗浮锚杆设计时存在的问题 通过检索到的资料表明：国内外科研人员对地下水所引起的抗浮问题在早些 年就有所关注，并有对地下水水浮力方面也进行了一定程度的探讨。尤其，近些 年对地下空间的利用及开发，人们对地下水的认识越来越成熟，处理措施也上了 一台阶，致使另一种新型处理抗浮问题的措旌：“抗浮锚杆”也悄然出台；但从 所搜索到的资料结果也表明另一种现象：对处理地下水浮力的一些措施的应用比 对这些措施在理论上的研究要广泛的多，理论研究远远不及实际应用，设计和施 工大多数是凭以往成功经验进行的，这就使得处理一些实际问题时不是很合理： 1 3 1 地下水位的确定及浮力的计算 如上所述，虽然对地下水进行了一些研究，但在抗浮锚杆进行抗浮的设计 中，也没有给出一个明确的计算式，而采用静水压力f = y mh z ( 其中h z 表示地下 室内外水位差) 进行水浮力计算是不准确的，需不需要进行折减计算也没有这方 面的资料可参考。而且其中h z 的确定对浮力的大小起着决定性的作用，所以地 下室外水位标高的确定很关键。但又由于水位的确定及水浮力的计算涉及到岩土 工程地质、水文地质等方面的问题。而且基底的实际地下水浮力与静水压力计算 公式所计算出来的水压力值存在很大的差别，从大量的实测资料表明，地下水压 力在竖直方向上的值随着深度的增加而呈非线性增加；同时地下水可分为潜水型 地下水和滞水型地下水，这两种不同形式的地下水所产生的地下水浮力也存在一 定的差别，再有地下水压力值为动态变化，要正确确定最大地下水浮力，是很复 杂和难以达到的，至今也没有现成的规范可循。 1 3 ，2 每根抗浮锚杆所分担净浮力的计算 由于上部建筑物的荷载是通过柱及剪力墙传至基础，再由基础传到地基上 的。所以分布在柱和剪力墙下的抗浮锚杆所受的自重很大，而分布在柱和剪力墙 之外的部分所受的自重比较小；所以即使采用厚度很大的伐板基础，两部分下的 抗浮锚杆所受到的由上部传下来的荷载也存在差别。 在设计时抗浮锚杆所分担的净浮力为： f = ( y h z g ) a( 1 1 ) q 重庆大学硕士学位论文1 前言 式中 h ：一该场地最高设防水位与地下室基底水位高差( m ) ； a 每根抗浮锚杆所分担的面积( m 2 ) ； e 平均分配到单位面积上的自重( k n m ) ； 但实际上每根抗浮锚杆所分担的上部建筑物自重g 是不同的。所以根据上 面计算公式( 1 1 ) 可得净浮力fa 也应有所不同的，但具体如何将此净浮力进行合 理的分配，目前对此也无进行理论研究。 1 3 3 土体对抗浮锚杆的单位面积摩阻力t 的计算 由于地下土层的复杂性，而对抗浮锚杆在不同土体中所受到力的研究很少。 而目前在设计时，一般认为土体对抗浮锚杆的摩擦力在每层上是均布的，然后以 此理想模式来计算所能提供抗拔力的大小。但实际上，土体中的摩擦力沿深度分 布是极不均匀的。根据混凝土结构【2 ”，钢筋与混凝土之间能够共同变形受 力是通过两者之间的粘结应力传递的。当初在没有对两者之间的受力机理进行研 究之前，工程界也是认为钢筋与混凝土之间的粘结力是均匀分布的，但通过试验 研究证实两者之间的粘结应力是不均匀的，钢筋端部小、中部大、尾部小，呈鱼 腹式分布。而抗浮锚杆在土体中的受拉力与钢筋在混凝土中的受拉力的性质很相 似。由此，可以简易的推断出抗浮锚杆所受摩擦力的分布是不均匀的。但土层中 的抗浮锚杆所受摩擦力是以何种形式分配，在工程界还没有明确的规定。 1 3 4 抗浮锚杆竖向位移的控制标准 抗浮锚杆是通过钻机成孔，然后下钢筋束并注水泥浆而成。所以当抗浮锚 杆受拉时，杆体必然会在竖向产生一定的弹性和塑性位移，并随力的增大而加大。 通过目前对抗浮锚杆的基本试验【l6 ：当试验加载到该杆体的极限荷载时，杆体 的位移量很大，如深圳市游泳跳水馆的抗拔试验加载到极限荷载时，杆体位移达 到5 0 r a m ，此时抗浮锚杆的抗浮能力也基本丧失。又根据抗拔桩的一些规定：在 抗拔桩充分受力时，桩顶的位移一般达到了1 0 m m 2 0 m m ：而且英国对小直径( 不 大于1 7 8 r a m ) 的钻孔灌注桩的规定：加载达到极限荷载时桩顶的位移量为2 5 r a m 左右( 现场土层为含砾粘土) 【2 “。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1 8 0 r a m ，认为设计极限抗拔力所 对应的锚头位移应小于2 5 r a m ”j 。 1 3 5 抗浮锚杆与地下室底板搭接处的防腐处理 至今，国内外锚杆因腐蚀破坏现象时有发生，如法国朱克斯坝有几根承载力 为1 3 0 0 k n 的锚杆预应力钢丝只使用几个月就发生断裂。而抗浮锚杆同其它锚杆 的组成相同，其杆体也是由钢筋束( 1 3 根钢筋) 及纯水泥浆( 水灰比0 4 0 5 ) 凝固后形成一整体共同受力：并通过杆体钢筋束中的主筋伸入地下室底板与之锚 固成一受力整体。由于地下水浮力是通过作用底板上而对抗浮锚杆有向上的拉 1 0 重庆大学硕士学位论文 力，所以抗浮锚杆中的锚筋起着至关重要的作用。对于具有腐蚀性的地下水而言， 采取有效措施处理锚筋伸入底板处，以免锚筋被腐蚀而丧失抗浮作用。同时，抗 浮锚杆在制作、搬运和安装过程中也应保证杆体钢筋不被受到损坏。对此，目前 还没有比较具体及完善的措施可依。 1 4 研究方向、思路及技术路线 1 4 1 研究方向 由于时间及种种因素的制约，难以对上述抗浮锚杆现所存在问题一一进行探 讨研究。现就针对各土层对抗浮锚杆的摩擦力的计算及其分布形式进行初步研 究。由于采用抗浮锚杆处理地下水浮力是一种新型技术，可参考的资料不多，为 了得到可靠现场原位试验数据，现结合海上世界改造项目工程及深圳市天安数码 工程对两种不同土层的抗浮锚杆进行抗拔试验，并将试验数据进行一定加工处 理，从而可推算得到土体对抗浮锚杆的摩擦力的大小及分布形式。现选用三根杆 长l o m 、2 0 2 8 的抗浮锚杆；一根长为6 o m 、1 中2 5 和两根长为6 0 m 、2 中2 5 的抗 浮锚杆进行现场原位抗拔试验，并分别在每根锚杆杆体其中一根钢筋上按一定间 距布设钢筋应力计，从而来分析抗浮锚杆杆体的受力情况。 1 4 2 研究思路 由于抗浮锚杆是一种新型处理地下水浮力的措施，前人对此几乎没有进行理 论方面的研究。而目前采用抗浮锚杆来处理地下水浮力的成功实例很多，所以首 先通过工程实例( 海上世界改造工程，天安数码城创新科技广场) 作为代表工程， 对抗浮锚杆进行现场原位试验测试出杆体各个不同部位的受力大小，并将试验结 果进行分析；其次，为了进一步对抗浮锚杆受力情况有更深的认识了解，采用有 限元对单锚进行模拟分析，又由于抗浮锚杆的布设间距较小，根数很多，所以又 通过有限元对群锚进行模拟分析：然后，再与原先处理地下水浮力所采用的抗拔 桩进行对比分析，分析总结新技术抗浮锚杆的受力机理及侧摩阻力的分布规律。 重庆大学硕士学位论文1 前言 1 4 3 研究技术路线 目前有关抗浮锚 杆的研究资料 确定l 研究方向 抗浮杆体的受力 机理分析研究 目前有关抗浮桩与 抗浮锚杆工程 有限元模拟分析 衡匾锚杆的受力研究 现场原位试验 抗浮桩侧摩阻力 现场原位试验 单锚有限元 群锚有限元 研究分析 结果计算分析；模拟分析模拟分析 i 抗浮锚杆与周边土层之f i 间相互作用机理 1 2 重庆大学硕士学位论文2 传统措施抗拔桩及普通锚杆承载力分析 2 传统措施抗拨桩及普通锚杆承载力分析 2 1 概述 有些建( 构) 筑物，如高耸构筑物、受上浮力作用的建( 构) 筑物的基础以 及膨胀土地基条件的桩基，要受到较大的上拔荷载作用，甚至由于荷载条件特殊， 往往都是以上拔力作为设计的控制条件。而抗拔桩就是一种用来解决基础上浮或 承受上托力等此类问题的特殊桩，通常在以下几种情况下采用：脚j ( 1 ) 具有浮力的结构物下，如船坞、游泳池和地下室泵站以及其他承受很 高地下水浮力的结构物等底板下： ( 2 ) 锚固高耸而轻型的结构物，如海中石油的钻探平台和生产平台、高耸 塔架和烟囱、现代化飞机车库等，以承受风力等侧向荷载； ( 3 ) 膨胀土地区的基础下，用以承担地基土膨胀对建筑物的上托力； ( 4 ) 深基坑开挖支护结构的锚桩以及桩静载试验用的锚桩。 具体应用实例如下图2 1 。 ( a )( b ) 抗拔 图2 1 抗拔桩及锚杆应用实例 f i 9 2 ，1t h ei n s t a n c e so f t h eu p - l i f t p i l ea n dt h ea n c h o r ( c ) 传统意义上的等截面的抗拔竖桩的抗拔承载力有限，