抗浮锚桩应用的若干问题探讨

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发布时间：2011-03-17 11:08:56 更新时间：2011-03-17 11:08:56

　　提要：抗浮锚桩(以往经常称为抗浮锚杆或锚杆)是介于桩和锚杆之间的受力构件，其受力状态与抗拔桩同，但施工工艺与锚杆类似，故其侧阻力的形成和变化与土中锚杆或边坡支护的土钉类似。抗浮锚桩设计要建筑物或地下构筑物设计基准期，故检讨目前抗浮锚桩的设计方法和施工工艺，使之体现抗浮锚桩的受力特性是本文的目的。可供参考。
　　关键词：抗浮锚桩，施工工艺
　　抗浮锚桩协助地下结构抗浮使一些地下结构设计合理并经济，尤其是大空间大跨度的地下结构。大空间的地下结构使用抗浮锚桩是比较合理和经济的选择。
　　厦门市工人文化宫的地下影剧院和下沉广场地下室采用抗浮锚桩协助抗浮取得了较好的效果。抗浮锚桩与锚杆的不同之处是除了锚杆由自由段和锚固段二段组成、有的锚杆在锚固段抗拔试验后对自由段进行再次注浆，而抗浮锚桩为一段整孔注浆外，其它施工方法基本相同；而在与桩的差别上主要是埋置方式相同。锚杆在各类工程应用较多，有许多成熟的经验，并有一些锚杆方面的设计施工规程，但用于抗浮设计的抗浮锚桩尚无规程或条文规定，只能按有关规程和参照有关文献进行设计施工，很不方便。
　　1抗浮锚桩的荷载
　　用抗浮锚桩替代难以承担水压力的地下结构形式(如大空间地下结构)抗浮和承载可以化解设计困难，也可以用于解决建筑物和构筑物自重（即恒载，含它们上面的覆土和可用于抗浮的准永久荷载）不足以抵抗地下水浮力的抗浮问题，也可以承担压力。其荷载计算在文献[1]有规定，设计水位对地下结构产生的水压力和浮力的最大值分别为pWmax、SFwmax，算式为：
　　pWmax=γhmax(1)
　　SFWmax=CWpWmax或γAhmax(2)
　　抗浮锚桩的拔力计算式：
　　SZH=SFWmax-∑CGiγGiGik(3)
　　式中：γ是水容重，hmax为地下水计算深度，A为抗浮锚桩的承载面积，γGi分项系数[1]，CW、CGi分别为水压力、永久荷载的荷载效应系数，下标W代表地下水、G代表永久荷载，i代表第i个永久荷载，k代表荷载标准值。
　　由例题可求出抗浮锚桩的最大拔力SZHmax：
　　SZHmax=pWmaxab-γGigab-γGigLa-NG
　　式中NG和g是柱或墙传来的荷载。当抗浮锚桩承受荷载的单元上没有这些荷载时可令其为0。g和脚标G表示恒载。
　　2抗浮锚桩与锚杆、抗拔桩的差别和抗浮锚桩抗力计算与验算式
　　抗浮锚桩是小直径钻孔桩，一般只承受拔力。只有在地下水位变低，地下室底板以上的荷载可以满足抗浮要求时才承担反向的压力荷载。出现这种情况时一般地基土大多满足承载要求。所以仅在这里参考抗拔桩和锚杆的有关资料研究抗浮锚桩承载力计算式。
　　比较抗拔桩和锚杆与抗浮锚桩的设计目的及施工方法可以归纳出抗浮锚桩在土中的埋置同桩，工作状态介于二者之间更靠近桩，荷载条件与二者有差异，因此计算式主要是解决分项系数或安全系数问题。
　　2.1抗浮锚桩的侧阻力引起地面土层松动问题
　　文献[2]的条文和说明介绍的抗压、抗拔桩侧阻力实测对比资料表明λ与L/d(L为桩长、d为桩径)有关。L/d的值小，表明相对入土深度浅，λ值也小。采用长桩抗拔较合理，起因是桩的上拔量。
　　桩顶上拔量可以分为两部分：一部分是将桩身视为刚体时的上拔量，反映为抗拔桩底的上拔量；另一部分是桩身受拉变形引起的桩顶上拔量。后者由于桩侧阻力的作用其桩身的应变自桩顶往下是逐渐减小，桩身各段的伸长量也是自桩顶往下是逐渐减小。假定桩足够长，在某一深度桩的内拉力为0，则该深度以上的桩侧阻力与桩顶拔力平衡，该深度以下的桩身没有上拔量，桩顶则只有桩身受拉变形引起的上拔量。
　　由此可知桩侧阻力抵消桩内拉力的速度与桩顶上拔量有关系：由n根小直径桩与1根大直径桩的截面面积和配筋相等关系可导出n(n=2、3、4…)根小直径桩的周长之和是1根大直径桩周长的n0.5倍，也即桩侧表面积增加了n0.5倍。说明小直径桩加大了L/d，实际上加快了桩侧阻力抵消桩内拉力的速度，减小了桩顶的上拔量。进而可以把引起地表土层松动的桩身临界上拔量的位置控制在尽可能浅的地方。
　　长桩桩身受拉变形的桩顶上拔量可以以桩身自上往下的最下面一条裂缝为界分两段近似估算。下段可按材料力学的方法积分计算。该估算且忽略了桩底的上拔量。进行本文研究感到遗憾的是做抗浮锚桩检测时没意识到要测量地表土层松动的几何数据和地表面处的钢筋上拔数据用于分析锚桩上层土松动的临界上拔量。但根据现场观察分析松动土层的破裂底面呈倒圆台体。破坏的土体超出地表的破裂线，并有裂隙或呈碎块状，这是因为倒圆台体的斜面径线大于平面径线，地表土体被桩带起时受到挤压等引起的。考虑土层破裂松动后仍对下面的土层产生压力，下面没破坏的土层还有自身结构的作用，以及桩侧阻力的极限值，推断各类松动土层的深度会有一个界限值，与土的类别、桩身上拔量和桩径有关，应专题研究。我们所做的基本试验在抗浮锚桩被拔动后地表隆起土层松动的直径约0.4m。
　　抗浮锚桩是小直径桩，L/d均较大，依据文献[2]条文说明的资料数据分析并结合上面的讨论和抗浮锚桩的施工工艺综合考虑，扣除地表下L△的埋置深度处理地表土层松动问题，L△≈0.3～0.5m。实际上抗浮锚桩的L/d≈26已是文献[2]条文说明的资料数据的L/d的最小值，若参照其钻孔桩长12m时的λ=0.98的试验数据，该处理方法可行的。
　　2.2关于抗力分项系数的取值从这几个方面考虑：
　　本文拔力计算式已按不利荷载组合原则不考活荷载作用，设计水位即为最高水位，恒载考虑了分项系数折减，压力注浆的桩侧阻力大于重力式浇注，另外采用注浆或浇注的桩由于浆液与土体的结合程度优于预制桩故其侧阻力应大于预制桩，抗拔桩身承载力由钢筋决定其桩身的缺陷对地基抗拔力的影响小于抗压桩，不计抗拔锚桩的自重抗力，比较锚杆的安全系数、抗拔桩的抗力分项系数、结构重要性和发生破坏产生的社会影响等，建议抗拔锚桩的地基抗力分项系数γS取1.5。
　　抗拔锚桩的抗拔极限承载力计算式为：
　　RZH=πd∑qsikLi(4)
　　抗浮锚桩的在拔力的作用下应满足下式：
　　γoSZHmax≤RZH/γS(5)
　　式中d、qsik、Li分别为抗浮锚桩直径、桩侧表面第i土层抗拔极限侧阻力标准值、第i土层的厚度，γo为结构重要性系数。另外抗浮锚桩同锚杆一样其施工工艺对承载力有较大的影响，所以要求抗浮锚桩尽可能先做基本(也有称破坏)试验再设计或调整设计。该试验周期短费用较低，经过各方配合一般可做到不影响工期。抗浮(工程)锚桩严格按照抗浮(基本试验也有称破坏试验)锚桩的设计和施工工艺施工时，其验收检测的设计拔力的检测系数可适当小于抗力分项系数γS。
　　抗浮锚桩的桩身承载力也就是钢筋承载力，按文献[6]要求应满足下式：
　　γoSZHmax≤fyAs(6)
　　土中气与水对钢筋有一定的锈蚀作用，当抗浮锚桩有裂缝或桩身缺陷使气和水与钢筋有接触的机会，若干年后锈蚀会使钢筋面积减少影响结构安全，因此设计要考虑钢筋弱锈蚀的影响。钢筋防锈处理在永久性锚杆的设计中有使用；预应力预制桩的混凝土可以满足抗裂要求以保护钢筋；对于建筑工程的抗浮锚桩一般工程量较小，可用加大钢筋直径来抵消弱锈蚀减少的钢筋面积，以此解决钢筋面积减少对设计要求承载力的影响。考虑弱锈蚀的钢筋直径调整计算式：
　　d=2(γoSZHmax)0.5/(πfyk)0.5+2△(7)
　　式中符号本文没说明的见文献[3]。△为设计基准年限内钢筋弱锈蚀的厚度，可结合地下水的腐蚀性和各地的经验数据考虑。式(7)有如下考虑：恒载已考虑分项系数折减；水压力按设计水位计算是最高水位实际已经包含了活载分项系数且起主要作用；钢筋加大后抗浮锚桩可能产生的裂缝将变小乃至没有；所以用fyk验算是合适的。另外钢筋直径加大后也可能或者部分解决式(6)配筋的桩身极限承载力与式(5)要求的拔力检测加载的匹配。值得一提的是用加大钢筋直径抵消弱锈蚀减少钢筋面积的方法决定了减少钢筋根数加大钢筋直径的配筋原则是节约钢筋的有效方法，对于拔力较大的抗浮锚桩可将大直径钢筋焊成钢筋束，厦门工人文化宫工程也是用钢筋束做抗拔筋。
　　3抗浮锚桩的施工、试验
　　3.1抗浮锚桩施工
　　抗浮锚桩的施工方法和在土层内的工作原理与锚杆相似，这里不赘述，仅讨论部分与抗拔力有关的施工问题。
　　抗浮锚桩的抗拔力取决土层产生的侧阻力、钢筋的强度和水泥砂浆对钢筋的握裹力。后二者其材料本身和构造就可以满足要求，而土层和抗浮锚桩之间的侧阻力与成孔后的清孔至注浆这一阶段的施工措施有较大的关系。成孔过程形成的泥浆护壁在地下水位以下的不同土层内对抗浮锚桩的抗拔力影响不同，应采取合适的施工措施。如泥浆护壁附着在侧阻力较大的土层上时其作用类似于隔离剂影响原土层的摩阻力发挥，注浆前应尽可能清除泥浆及泥浆护壁，如果清孔时在抗浮锚桩底部冲出若干球状孔（即扩孔，方法是将清孔钢水管端部封堵，在端部侧面切割出水口）对抗拔力的提高是勿需说明的；易崩塌的砂类土应采取合适的施工措施清孔注浆，保持一定的注浆压力使浆液渗入土层对保证或提高抗浮锚桩的抗拔力是有利的；泥浆护壁、淤泥和淤泥质土在抗浮锚桩界面的摩阻力差别较小，清孔时只需将孔内泥浆排除干净，同砂类土一样保持一定的注浆压力对保证或提高抗浮锚桩的抗拔力是有利的。
　　土层的强度一般低于砂浆强度，因此抗浮锚桩的土层抗力取决于其界面或周边土层的侧阻力。而侧阻力的大小取决于抗浮锚桩与周边土层相互间的压力。因此讨论桩和锚杆的侧阻力(锚杆称抗剪强度或摩阻力)的一些问题，对设计抗浮锚桩有益。
　　文献[4]第11章《锚固技术》详细论述了施工工艺和土层类别对τ的影响和锚杆的其他内容。归纳起来τ取决于土层对锚杆的侧压应力和土层的类别与性质。土层的类别与性质和埋深对锚杆的侧压应力是自然产生的；而高压注浆产生的锚杆附加侧压应力的逐渐扩散和减小将使土层的τ也逐渐减小[7]，因此抗浮锚桩施工的注浆压力从保证桩身质量和桩身与原土层粘结考虑可以高一些，保证桩与土粘结的原则下可以在封堵注浆口时适当释放注浆压力，封堵注浆口可以参照灌注桩的施工要求适当超注或用砂土堆载等其它方法处理。
　　桩的侧阻力多由勘察按土层的种类、特性和埋深等提出。归纳起来桩的侧阻力也是取决于土层对桩的侧压应力和土层的类别与性质。但值得注意的是非挤土桩成孔后桩周土层会朝桩孔径向移动，使孔壁侧向的原静止土压力发生“解除”现象。所以从基桩的施工角度看，抗浮锚桩注浆后封堵注浆口应注意保持一定的压力使其侧压力能接近、恢复或略超过原静止土压力。
　　综合锚杆和桩的关于侧阻力的论述，抗浮锚桩施工措施除前面提及的外，很重要的一点是根据不同土质情况选择合理的注浆压力，尤其是注浆口封堵的合理压力。
　　厦门市工人文化宫的地下影剧院和下沉广场是伸出主体平面外2000m2多的单层地下室，用抗浮锚桩协助单层地下室抗浮。本工程施工前做了两组抗浮锚桩的基本(破坏)试验，依据修改工艺后的第二组抗浮锚桩的基本试验结果修订施工方案进行六百多根抗浮锚桩施工。抗浮试验锚桩施工概述：
　　第一组3根，其中372#采用二次注浆施工工艺，成孔采用清水钻进，用清水洗孔20min后下锚筋，下到5.8m受阻后用清水边冲渣边下锚筋，下锚筋历时1h，锚筋至孔底后再继续洗孔10min注水灰比为0.5:1的水泥浆并掺千分之一三乙醇胺外加剂；395#、414#抗浮锚桩采用一次注浆工艺，用0.4:1:1水泥砂浆注浆。395#成孔采用清水钻进，清水洗孔20min后下锚筋，下到4.5m受阻后用清水边冲渣边下锚筋，下锚筋历时4h，再洗孔10min注浆。414#成孔采用泥浆护壁钻进，锚筋一次下至孔底，洗孔20min注浆。
　　第二组5根，用414#桩的工艺成孔注浆，洗孔改为10min。
　　3.2抗浮锚桩试验
　　抗浮锚桩抗拔试验的时间由水泥沙浆强度增长的时间与土体固结时间决定。必须满足钢筋与水泥砂浆界面所能承受的握裹力合力大于水泥砂浆与土体界面(固结后的)侧阻力合力的条件。文献[7]提到是在1～2天的时间锚杆做抗拔试验，文献[4]在C.0.6条中对不同类型的土规定了10、15、25天不等的成桩后到开始抗拔试验的间歇时间，抗浮锚桩可以结合土层性质参照文献[7][4]确定抗拔试验时间。本工程抗浮锚桩配2Φ25钢筋束，桩径160mm，验收检验数按总数的2%抽样，检验值取1.2倍抗浮锚桩抗拔力的设计值和0.8倍的钢筋抗拉强度标准值两者的较小值。两组试验抗浮锚桩埋置情况见下表：
　　试验抗浮锚桩埋置情况表
　　组别第一组第二组
　　编号 372# 395# 414# 46# 122# 285# 328# 446#
　　埋置深度m 8.5 8.5 8.3 6.9 9.3 4.0 7.4 7.0
　　残积土层m 04.7 04.7 05.3 03.9 0-6.3 0-2.0 0-5.4 0-3.3
　　强风化岩m 4.7-8.5 4.9-8.5 5.3-8.3 3.9-6.9 6.3-9.3 2.0-4.0 5.4-7.4 3.3-7.0
　　锚桩拔力kN 450 500 500 250 250 450 300 400
　　试验采用“CW100型”千斤顶，电动液压泵加载，在距地表30mm的钢筋处焊一个安装百分表的托板，主要是张拉抗浮锚桩钢筋束的夹具(可重复使用)应专门制作，张拉装置是用两根槽钢焊成支承千斤顶的简易托架搁置在垫高的枕木上。
　　抗拔试验结果反映了第一组抗拔承载力以钢筋设计强度控制，效果好，但施工工期长成本也较高。改变工艺后进行第二组施工，并在第七天做抗拔试验（除46#外）满足设计要求。第一组抗浮锚桩的P—S曲线，呈两阶段变化。其基本形状是第一阶段基本呈线性变化。第二阶段荷载对应的上拔量均大于前一级荷载对应的上拔量，呈非线性变化。尚有部分曲线呈非线性波浪形增大。这种现象表明抗浮锚桩在上部土层自上而下先后分段产生砼的受拉裂缝并纵向收缩，裂缝两边的砼与钢筋相对滑移，钢筋承担拔力增加变形加大，裂缝以上桩土界面的土体因剪切破坏其侧阻力转变为摩阻力所承担的拔力减小造成桩顶上拔量较大增加。
　　抗浮锚桩基本试验报告的主要结论：
　　（1）372#、395#、414#、285#、446#抗浮锚桩的土体摩阻力已超过钢筋设计强度，由钢筋设计强度控制抗浮锚桩抗拔力。
　　（2）328#、122#抗浮锚桩由土体摩阻力控制其抗拔力；46#抗浮锚桩因未能达到设计单位提出的双控施工长度，抗拔力明显降低。
　　3.3清孔工艺对抗浮锚桩抗拔力有较大的影响。
　　4结语
　　用抗浮锚桩协助抗浮可减小埋深、缩短坡道、减少占地，结合水压力、浮力、选择合理的地下室底板结构和抗浮锚桩的布置方案可以使设计经济合理。如有不妥恳请指正。
　　感谢厦门市建筑设计院的设计，福建省四建公司的施工,厦门市建筑科学研究所的检测，尤其是有关人员对工程的支持和协作，使我们在抗浮锚桩工程验收后有机会探讨该问题。
　　参考文献：
　　[1]《建筑结构荷载规范》GB50009-001第3.2节〈荷载组合〉。
　　[2]《建筑桩基技术规范》JGJ94—94第5.2.17和18条及条文说明。
　　[3]《混凝土结构设计规范》GB50010—2002第8.1.2条。
　　[4]《地基处理手册》第11章〈锚固技术〉作者：吴肖茗，中国建筑工业出版社1988年8月第一版第506～526页。