土层抗浮锚杆承载力关键影响因素现场试验研究＊

孙 涛，杨俊杰，安庆军，吴 刚

（1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛266100；2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100；3.青岛市勘察测绘研究院，山东青岛266032）

土层抗浮锚杆承载力关键影响因素现场试验研究＊

孙 涛1，2，3，杨俊杰1，2，安庆军3，吴 刚3

（1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛266100；2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100；3.青岛市勘察测绘研究院，山东青岛266032）

工程实践及理论研究均表明，锚土界面特性和锚杆的几何形状是影响抗浮锚杆承载力的2个关键因素。采用不同的施工工艺进行现场试验施工，得到了具有不同锚土界面特性和锚杆几何形状的抗浮锚杆。通过现场锚杆抗拔试验得到锚杆的应力应变关系及极限抗拔承载力。研究结果表明，改善锚土界面特性和采用变截面的锚固体可显著提高锚杆的抗拔承载力。同时，提出了1种经济高效的抗浮锚杆施工工法。

抗浮锚杆；承载力；界面特性；几何形状；现场试验

抗浮锚杆或抗浮桩作为1项经济、合理的抗浮措施在抗浮工程中被广泛采用。近年来，国内外学者针对抗浮锚杆（桩）展开了大量的研究工作。如贾金青等［1］和马占锋［2］结合工程实例分别对抗浮锚杆的设计问题、拉力型抗浮锚杆的位移和内力进行了研究；曾国机［3］深入探讨了沿海软土地区抗浮锚杆的受力机理。

位于土层中的抗浮锚杆（桩）主要通过锚杆（桩）的自重及其侧阻力提供抗拔力。对于等截面锚杆（桩），侧阻力即为侧摩阻力；对于变截面锚杆（桩），侧阻力包括侧摩阻力和变截面带来的端承力。

锚（桩）土界面特性是影响侧摩阻力的关键因素。桩侧后压浆技术［4－5］即为改善锚杆（桩）土界面特性的典型研究成果之一。但是，目前实际工程中，泥浆护壁施工工艺仍被大量使用，影响了抗浮锚杆（桩）承载力的发挥。例如，青岛某海水浴场土层抗浮锚杆工程中长达12 m的泥浆护壁工艺锚杆极限抗拔承载力仅为50～60 k N；某航站楼工程中的泥浆护壁工艺抗拔桩承载力约等于其自重。

变截面锚杆（桩）则是根据需要在锚杆（桩）身不同位置扩大横断面，形成横断面沿锚杆（桩）长度方向变化的特型锚杆（桩）。变截面锚杆（桩）可通过较短的长度获得较大的侧阻力，可有效提高抗压或抗拔承载力［6］。近年来发展起来的钉形桩［7］、挤扩支盘桩［8－9］和高喷插芯组合桩［10］就是其典型代表。

孙涛等［6］提出的可变截面劲性水泥土桩工法，不仅解决了泥皮效应问题，而且可以根据需要实现变截面锚杆（桩）。该工法在青岛某高层公寓抗浮锚杆工程中成功应用并取得了良好效果。本文介绍了利用可变截面劲性水泥土桩工法进行锚杆施工的情况，并实施了抗拔承载力试验，基于试验结果研究了锚土界面特性及变截面对抗拔承载力的影响。

1 抗浮锚杆现场试验

以下介绍在青岛某高层公寓地下室抗浮工程施工现场进行的锚杆抗拔承载力试验概况。

1.1 现场工程地质条件

锚杆锚固在第9层（青岛市标准层序）细粒土质粗砾砂中。该层褐黄色，饱和，中密～密实，颗粒成份以长石、石英为主，级配良，颗粒磨圆度中等，呈次棱角状，含有10%～20%细粒土，局部相变为粉细砂。地基承载力特征值fak＝300 kPa，变形模量E0＝25.0 MPa，内摩擦角标准值Φk水上为37（°），水下为32（°），标准贯入击数平均值为31.2，重型动力触探击数平均值为13.61。

1.2 变截面工艺性试验

图1 从地基中开挖出来的锚杆Fig.1 Achor digging out of subgrade

为了验证新工法在该场地的变截面控制效果，在正式试验之前进行了变截面工艺性试验。图1为从地基中开挖出来的锚杆，中间部分直径约为200 mm，上下2部分采用该工法进行了变截面，锚杆直径由200 mm扩大到了300 mm以上，变截面控制效果良好。

1.3 现场试验方案

基于变截面工艺性试验结果，设计了3组（每组3个平行样）现场足尺锚杆基本试验，如表1所示。

A、B组锚杆配筋为2根Ⅲ级32钢筋，C组锚杆配筋为3根Ⅲ级32钢筋。试验锚杆纵横间距大于2 000 mm，为变截面部位直径的6倍以上，可以认为能够避免抗拔试验对相邻锚杆的影响。注浆采用纯水泥浆，水泥为普通硅酸盐水泥，强度为42.5 MPa。

A组采用传统泥浆护壁工艺，锚杆设计长度为5 000 mm；B、C组采用新工法，为更好地说明抗拔效果，锚杆设计长度较A组短1 000 mm，均为4 000 mm。与A组相比，B组的锚土界面特性得到改善，C组则在改善锚土界面特性的基础上采用变截面施工工艺改变了锚固体的几何形状。

表1 现场试验方案Table 1 Anti－floating anchors design parameters of different construction technologies

锚杆施工是在基坑开挖及垫层施工结束后进行的。图2和图3分别是A组和B、C组的锚杆施工场景。

图2 A组锚杆施工实景Fig.2 Detail drawing of A group anchors

图3 B、C组锚杆施工实景Fig.3 Detail drawing of B and C group anchors

1.4 试验实施

锚杆施工完成28 d后，进行了现场抗拔试验。加载装置使用2台规格、型号完全相同的500 k N油压千斤顶，采用天然地基提供支座反力。荷载测量采用量程为500 k N压力传感器，位移测量使用机械式百分表。传力机构由特制钢横梁制成。数据采集系统为JCQ－302静力载荷测试仪。试验装置如图4所示，试验参照CECS22：2005［11］进行，采用分级循环加荷。

图4 锚杆抗拔试验装置Fig.4 Test system of the anchor uplift test

2 试验结果及分析

2.1 锚土界面特性及变截面对荷载－位移的影响

试验得到的部分荷载－位移曲线如图5，6，7所示。图5和图6分别为采用传统泥浆护壁工艺和采用新工法改善了界面特性的等截面锚杆的抗拔试验结果。界面特性的改善对极限承载力的影响极其显著，但是，在荷载水平较低时，对荷载－位移的影响并不显著。图7为在改善锚土界面特性的基础上采用了变截面工艺施工的锚杆的荷载－位移曲线。由于变截面提高了侧阻力，与上述2种情况（见图5，6）相比不仅极限承载力大大提高，而且相同荷载对应的位移显著减小。即使在荷载水平较低的情况下，如第2个循环256 k N荷载对应的位移只有1.46 mm，与A2、B2（见图5，6）相比分别减小了34%、54%。为便于比较，图8给出了A2、B2、C2的每个循环最大荷载与其位移的关系曲线。由图8可以清楚地看出，荷载相同时，C2的位移远小于A2、B2。

图5 锚杆A2荷载－位移曲线Fig.5 Load－disgracement graph of anchor A2

基于上述荷载－位移曲线，得到荷载与弹性位移及荷载与塑性位移的关系曲线如图9所示。由图9可知，单纯改善界面特性对弹性位移和塑性位移的影响不显著；但是，变截面的采用可以同时减小弹性位移和塑性位移。

图6 锚杆B2荷载－位移曲线Fig.6 Load－disgracement graph of anchor B2

图7 锚杆C2荷载－位移曲线Fig.7 Load－disgracement graph of anchor C2

图8 锚杆A2、B2、C2荷载－位移曲线Fig.8 Load－displacement graph of anchor A2、B2、C2

图9 锚杆A2、B2、C2荷载－弹塑性位移曲线Fig.9 Load－elastic and plastic displacement graph of anchor A2、B2、C2

2.2 锚土界面特性及变截面对抗拔承载力的影响

基于试验得到的荷载－位移曲线（见图5、6、7）及岩土锚杆（索）技术规程CECS22：2005所提供的破坏判别标准，得到抗拔承载力极限值及其黏结强度标准值等试验结果如表2所示。其中，黏结强度标准值为锚杆的单位侧表面积的抗拔承载力极限值，在一定程度上反映了单位承载力的成本。由表2可知，改善锚土界面特性和采用变截面工艺改变几何形状均可显著提高锚杆的抗拔承载力。这是因为改善锚土界面特性提高了锚杆的侧摩阻力；采用变截面工艺增加了端承力。改善锚土界面特性和采用变截面工艺后，锚杆黏结强度标准值分别提高至传统泥浆护壁工艺的2.5倍和4倍（折算值），而实际单位造价仅分别增加约20%和30%，预计总造价降低50%以上，经济效益显著。此外，采用可变截面劲性水泥土桩工法进行施工，施工效率可提高至传统泥浆护壁工艺的10～20倍。

表2 抗浮锚杆基本试验成果表Table 2 Basic－test results of anti－floating anchors

3 结论

利用可变截面劲性水泥土桩工法进行现场锚杆施工，并实施了抗拔承载力试验。得到如下结论：

（1）锚土界面特性的改善对极限承载力的影响极其显著，但是，在荷载水平较低时，对荷载－位移的影响并不明显。

（2）采用变截面工艺大大提高了侧阻力，与传统泥浆护壁工艺和单纯改善锚土界面特性工艺相比，不仅有效提高了极限承载力，而且相同荷载对应的位移显著减小。

（3）在荷载水平较低时，单纯改善界面特性对弹性位移和塑性位移的影响不显著；但是，即使在荷载水平较低时，变截面的采用也可以同时减小弹性位移和塑性位移。

（4）改善锚土界面特性和采用变截面工艺均可显著提高锚杆的黏结强度标准值。与传统泥浆护壁工艺相比，改善锚土界面特性后锚杆黏结强度标准值提高至3倍以上，采用变截面工艺后提高至3.5倍以上（折算值），而实际单位造价仅分别增加约20%和30%，预计总造价降低50%以上。采用可变截面劲性水泥土桩工法及其施工设备进行施工，施工效率可提高至传统泥浆护壁工艺的10～20倍。

［1］ 贾金青，宋二祥.滨海大型地下工程抗浮锚杆的设计与试验研究［J］.岩土工程学报，2002，24（6）：769－771.

［2］ 马占锋.拉力型抗浮锚杆的现场测试与数值分析［D］.北京：中国地质大学，2008.

［3］ 曾国机.土层抗浮锚杆受力机理研究分析［D］.重庆：重庆大学，2004.

［4］ 刘金砺，祝经成.泥浆护壁灌注桩后注浆技术及其应用［J］.建筑科学，1996（2）：13－18.

［5］ 周水，郑俊杰.桩侧后压浆技术成功处理软土的工程实践［J］.岩土力学，2002：99－102.

［6］ Sun T，Yang J－J，Lv S－H，et al.Development and realization of a new construction method of reinforced cement－soil Piles，Recent developments of geotechnical engineering［C］.Komiya，Yang－Ping Yao，eds.Japan：Proceedings of the Fourth Japan－China Geotechnical Symposium，∥Kazuhito，2010.

［7］ 刘松玉，朱志铎，席培胜，等.钉形搅拌桩与常规搅拌桩加固软土地基的对比研究［J］.岩土工程学报，2009（7）：1059－1068.

［8］ 张忠苗，辛公锋，夏唐代，等.软土地基灌注桩、挤扩支盘桩和注浆桩应用效果分析［J］.岩土工程学报，2004（5）：709－711.

［9］ 钱德玲.挤扩支盘桩的荷载传递规律及FEM模拟研究［J］.岩土工程学报，2002（3）：371－375.

［10］ 郑浩，刘汉龙，雷玉华，等.高喷插芯组合桩水平承载特性大尺寸模型试验研究［J］.岩土力学，2011（1）：217－223.

［11］ 中国工程建设标准化协会.CECS 22：2005岩土锚杆（索）技术规程［S］.北京：中国计划出版社，2005.

Study on Key Factors to Affect the Bearing Capacity of Soil Anti－Floating Anchors by Field Tests

SUN Tao1，2，3，YANG Jun－Jie1，2，AN Qing－Jun3，WU Gang3
（1.The Key Laboratory of Marine Environment and Ecology，Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；3.Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute，Qingdao 266032，China）

Engineering practice and theoretical studies show that anchor－soil interface characteristics and geometric shapes are two key factors to affect the bearing capacity of soil anti－floating anchors.Carrying out the field tests construction with different construction technology，we can get anti－floating anchors with different characteristics and Geometric shapes.By the on－site pullout test of anchors，the data about the relationship of the stress－strain and the ultimate pullout capacity are got.The results showed that improving the anchor－soil interface properties and the use of variable cross－section technology could also significantly enhance the pullout capacity of anchors.At the same time，an economic－effective construction method about anti－floating anchors was proposed.

anti－floating anchor；bearing capacity；interface characteristics；geometric shapes；field tests

TU411.93

A

1672－5174（2011）11－018－05

国家自然科学基金项目（50779062）资助

2011－03－07；

2011－04－18

孙 涛（1972－），男，博士生。E－mail：sunystao＠qq.com

责任编辑 庞 旻