地下工程抗浮锚杆内力长期监测试验与分析

张永志 王公胜 孙 文 肖娅婷 杨全兵

(1甘肃省建筑科学研究院，甘肃 兰州 730050；2甘肃省绿色建筑与建筑节能工程研究中心，甘肃 兰州 730050)

地下工程抗浮锚杆内力长期监测试验与分析

张永志1,2王公胜1,2孙 文1,2肖娅婷1,2杨全兵1,2

(1甘肃省建筑科学研究院，甘肃 兰州 730050；2甘肃省绿色建筑与建筑节能工程研究中心，甘肃 兰州 730050)

为了研究抗浮锚杆安装完成后，其实际受力随时间的变化情况，以兰州某含裙房和地下室的高层建筑为研究背景，对照有限元数值模拟结果，将抗浮锚杆按受力情况划分为3个测区，在对应区域抗浮锚杆上安装钢筋应力计进行长期试验监测。监测结果显示：①抗浮锚杆的内力变化过程随时间和工程进度的变化分为三个阶段，即减小阶段、增长阶段和稳定阶段。产生这种变化趋势的主要原因是降水工作的逐渐停止和上部结构荷载的不断增加。②抗浮锚杆的受力状态与主楼的距离有关,靠近主楼的抗浮锚杆轴向拉力很小，而远离主楼的抗浮锚杆轴向拉力超过了其设计值。同一根抗浮锚杆上的轴力沿深度方向呈递减趋势，超过一定长度后杆体几乎不再受力。③数值模拟与实际监测结果互为验证，为抗浮锚杆的优化设计提供了理论依据与实测数据的支持。

抗浮锚杆；长期监测；数值模拟；受力机理

长久以来，地下水浮力是影响沿海地区地下工程安全与质量的重要原因[1]，然而，随着城市建设用地的日趋紧缺，西北许多大型地下工程也不得不选择建造在临近河流的地块，同样面临地下水浮力的问题。抗浮锚杆是解决地下水浮力对地下工程不良影响的有效手段，与压重法、抗浮桩法相比，具有地层适应性强，单点受力小，布置灵活，便于施工，工期短，节约造价等优点[2]，近年来得到了广泛地应用。图1统计了从2006年至2016年10年期间，在学术期刊上发表的抗浮锚杆相关论文数量，2016年是2006年的4.91倍，印证了抗浮锚杆在工程中应用越来越多的事实，也说明，抗浮锚杆在广泛应用的同时，技术上遇到了越来越多的挑战。

目前国内外专家学者和工程技术人员关于抗浮锚杆的研究主要集中在受力机理、优化设计和施工工艺3个方面。

图1 论文数量统计

关于抗浮锚杆受力机理的研究可分为不同锚杆材料和不同的地质条件两种，如李伟伟等[3]研究了GFRP抗浮锚杆代替传统钢筋锚杆用于地铁抗浮工程的可行性，对比分析了钢筋锚杆与GFRP 锚杆的破坏形态和杆体轴向应力与黏结应力分布规律的异同。Lee 等[4]认为GFRP 抗浮锚杆界面黏结强度随混凝土抗压强度的增加而增大，但是黏结强度的增加幅度比钢筋与混凝土的界面黏结强度小得多。张明义等[5]对青岛大剧院工程场地进行了测力元件抗浮锚杆破坏性拉拔试验，重点研究了试验锚杆杆体的轴力、杆体与注浆体之间的剪应力变化规律。

关于抗浮锚杆优化设计的研究主要集中在锚杆的布置方式和计算方法上，如马骥等[6]通过分析承压型预应力抗浮锚杆在施工、使用阶段的应力变化，结合相关规范要求与工程实例，对承压型预应力抗浮锚杆的设计原则、设计方法进行探讨，概括总结了此类锚杆设计计算的相关内容。

在抗浮锚杆的施工工艺方面，国内外学者也做了大量研究，如蔡洪伟[7]结合大连－滨海地区某工程实例，阐述了抗浮锚杆的试验、设计及施工过程。李启东等[8]从施工工艺改进、多专业施工配合、全过程技术控制角度，研究了预应力抗浮锚杆成套施工新技术。

然而，对于抗浮锚杆施工完成后，其实际的受力状态、变化趋势等，国内外还缺乏相应的研究。兰州的地质条件在西北地区比较具有代表性，黄土层、卵石层等地质条件，与沿海软土地质有很大区别，抗浮锚杆的应用较少，缺乏试验数据。针对以上问题，通过安装在抗浮锚杆上的测力元件，对深埋地下的抗浮锚杆进行了长期的监测研究，了解了抗浮锚杆内力随时间的变化趋势与受力机理，用实测数据验证了前人关于抗浮锚杆优化设计和受力机理，补充了西北地区抗浮锚杆的试验数据。

1 工程概况

试验监测以兰州市某住宅小区工程为依托，场地地貌单元属黄河南岸II级阶地，地层主要由杂填土、粉质粘土、卵石和强风化砂岩构成。勘察期间，地面标高为1513.16～1513.91m，最大高差0.75m，场地地势平坦。地下水稳定水位深8.1～8.5m，地下水属潜水类型，主要赋存于卵石层中，抗浮水位标高按1508.00m考虑。

该工程是地下三层带裙房的高层建筑群，工程抗浮锚杆设计采用3根直径25mm的HRB400螺纹钢筋，长度10.0m，锚杆间距2.9m，抗拔承载力特征值为190kN，抗浮锚杆除主楼下方不布置外，在整个场地均匀布置。

2 试验监测方法

2.1 数值模拟与测区选择

在实际工程中，主楼荷载和裙房、地下室以及筏板的刚度，对抗浮锚杆的受力会产生影响，距离主楼越近，抗浮锚杆承受的轴向拉力越小，距离主楼越远，抗浮锚杆承受的轴向拉力越大[9～10]。然而现阶段进行抗浮锚杆设计时，虽然主楼下方不会布置抗浮锚杆，但是对其它位置进行抗浮锚杆设计时，不管与主楼的距离是否不同，浮力均取平均值计算，这显然与实际情况是不符的。为了选择有代表性的抗浮锚杆进行试验监测，监测前采用MIDAS-GTS有限元软件对该工程的抗浮锚杆进行数值模拟计算，图2为有限元模型，图3为数值模拟结果。

图2 有限元模型

图3 数值模拟结果

数值模拟结果显示，在场地内接近主楼区域的抗浮锚杆轴力很小，远离主楼的抗浮锚杆轴力很大。根据以上特点，将场地内抗浮锚杆轴力远大于设计值的区域划分为受拉区、远小于设计值的区域划分为受压区，其它的抗浮锚杆划分到普通区。在3个测区内各选3根锚杆进行监测，图4是被监测锚杆位置。

2.2 监测仪器与安装

监测时将振弦式钢筋应力计安装于锚杆钢筋上，钢筋受力产生的变形将引起机械连接于钢筋上的仪器内钢弦变形，使钢弦发生应力变化，从而改变钢弦的振动频率。测量时利用电磁线圈激拨钢弦并量测其振动频率，频率信号经电缆传输至频率读数装置或数据采集系统，再经换算即可得到钢筋的应力变化量。同时由钢筋应力计中的热敏电阻可同步测出埋设点的温度值。在每根锚杆的不同位置安装4枚钢筋应力计，监测该锚杆不同深度处的内力。安装示意见图5。

图4 监测位置

图5 钢筋应力计安装

图6 数据传输与采集

如图6所示，钢筋应力计数据传输线布置在剪力墙内部直到±0.00标高后，接入信号采集装置。剪力墙内的数据传输线外套PVC管，防止振捣作业和高温环境损坏数据线，±0.00以上的数据线穿入DN48钢管，引入防护箱内进行接头保护和数据采集。

2.3 监测频率及周期

监测从基坑回填至±0.00标高后开始，从首次采集数据时间开始，到降水完全停止后2个月内，每周采集数据2次，以后每周采集数据1次，直到锚杆内力监测值趋于稳定为止。

3 试验监测结果与分析

3.1 抗浮锚杆内力变化趋势

从监测开始到结束，共历时约180天时间，通过测得的抗浮锚杆钢筋应力，计算得出抗浮锚杆所受轴力，绘制了不同测区抗浮锚杆、不同深度处轴力随时间的变化曲线。图7是各测区抗浮锚杆轴力随时间的变化曲线。

图7 抗浮锚杆内力变化曲线

由图7可见，首先，3个测区的抗浮锚杆轴力随时间的变化曲线都显示出3个共同的特征：1）抗浮锚杆的轴向拉力经历了先减小，再增大，最后趋于稳定的3个阶段；2）所有测区抗浮锚杆轴力在第40～50天时，变化幅度较大，在曲线上形成凹谷；3）曲线出现凹谷前的抗浮锚杆轴力值均小于凹谷出现后的轴力值。在整个工程的施工过程中，很多因素都会造成抗浮锚杆内力的改变，抗浮锚杆内力的变化，也能间接反映整个工程的进展情况。因此，针对抗浮锚杆曲线显示出的特点，重点研究、了解了可能影响抗浮锚杆内力的因素，对抗浮锚杆轴力变化曲线出现以上特征进行了分析：1）上部结构自重与地下水浮力互为反力，从抗浮锚杆施工完成后，上部结构的自重随着施工进度不断增加，使得抗浮锚杆轴向拉力不断减小。主体结构施工与地下室顶板覆土回填完成后，上部结构自重不再显著增加，而此时降水井逐渐停止工作，地下水位缓慢回升，使得抗浮锚杆轴向拉力逐渐增大。降水工作完全停止后，上部结构自重与地下水浮力逐渐达到了新的平衡状态，因此抗浮锚杆内力变化趋于平稳。2）在监测进行到第40～50天时，主体结构施工进度较快，且对地下室顶板进行了覆土回填，上部结构自重迅速增加，引起抗浮锚杆轴向拉力迅速减小。3）曲线出现凹谷前，整个工程的建设都是在基坑进行降水的前提下进行的，地下水位低于勘察时的高度，随着工程的进展，降水井停止工作后，地下水位逐渐恢复到勘察时的高度，此时的地下水的浮力必然更大，抗浮锚杆的轴向拉力也必然有所增加。

其次，3个测区的抗浮锚杆受力也存在区别：1）各测区抗浮锚杆轴向拉力值从大到小排列依次是：受拉区、普通区、受压区，与数值模拟结果一致；2）监测进行到第40～50天时，虽然各测区抗浮锚杆轴向拉力均出现大幅下降的情况，但是受拉区抗浮锚杆轴向拉力下降幅度明显小于另外2个测区。3个测区抗浮锚杆轴向拉力值的不同，是主体结构自重对抗浮锚杆轴向拉力的影响的实测数据验证。受拉区抗浮锚杆轴向拉力下降幅度明显小于另外2个测区，也和距主楼的距离较大有关。

3.2 监测轴力值分析

如表1所示，受力最大的锚杆其实际检测到的轴向拉力为218.72kN，是该工程抗浮锚杆抗拔承载力特征值190kN的1.15倍。然而，受力最小的抗浮锚杆内力为109.21kN，是该工程抗浮锚杆抗拔承载力特征值190kN的0.57倍，证明在地下工程的抗浮锚杆设计中，确实存在一些区域的抗浮锚杆实际受力超过设计承载力特征值，一些部位的抗浮锚杆实际受力又远小于设计承载力特征值，这就可能造成某些区域抗浮锚杆布置过多，某些区域抗浮锚杆安全储备不够。

表1 抗浮锚杆轴力最值

3.3 抗浮锚杆内力分布

在同一根抗浮锚杆上，不同深度处的内力也存在差异，总的趋势是由浅到深，抗浮锚杆轴向拉力逐渐减小。监测结果显示，受拉区抗浮锚杆轴向拉力最大值是为于-1m位置的218.72kN，是-8.5m位置轴向拉力值的3.15倍；普通区轴向拉力最大位置是最小位置的6.17倍；受压区轴向拉力最大位置是最小位置的3.50倍。受拉区、普通区和受压区抗浮锚杆在-8.5m深度处的轴向拉力分别为69.47kN、31.79kN和31.20kN，差别并不明显，说明随着深度的增加，抗浮锚杆内力减小是非线性的过程，这一点在图8也有所体现。

图8 不同深度轴力

4 结论与展望

4.1 结论

1）监测数据显示出3个测区的抗浮锚杆中，轴向拉力从大到小依次是受拉区、普通区、受压区，与有限元模拟结果相符。实测数据验证了地下工程受力不均的现象，为抗浮锚杆布置的优化提供了实测数据参考；

2）该工程抗浮锚杆轴向拉力的变化分为3个阶段：减小阶段、增长阶段、稳定阶段。抗浮锚杆轴向拉力的变化能够间接反映工程建设的进度和状态。

3）抗浮锚杆内力与普通锚杆一样，从锚头开始，随着深度的增加，内力逐渐减小。抗浮锚杆轴力和深度的关系呈非线性关系。

4.2 展望

本次试验监测，虽然得到了抗浮锚杆内力的变化趋势和实测数值，但是由于试验样本较少，现场条件制约，试验监测得到的数据存在一定的局限性。接下来的工作中应增加样本容量，改良监测方法，确保得到更加全面、可靠的数据。

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[2]张明义,寇海磊,白晓宇等.玻璃纤维增强聚合物抗浮锚杆抗拔性能试验研究与机制分析[J].岩土 力 学，2014,35(4):1069-1083.(Zhang Mingyi,Kou Hailei,Bai Xiaoyu,,et al.Experimental study and mechanism analysis of the anti-pulling behavior of glass fiber reinforced polymer anti-float anchor[J].Rock and Soil Mechanics,2014,35(4):1069-1083)

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[8]李启东,郑委,姜孝芳等.某工程预应力抗浮锚杆施工工艺改进[J].施工技术,2010,39(9):75-77.(Li Qidong,Zheng Wei,Jiang Xiaofang,et al.Improved Construction Technology of Prestressed Anti-floating Anchor in Some Project[J].Construction Technoligy,2010,39(9):75-77)

[9]孙仁范,刘跃伟,徐青等.带地下室或裙房高层建筑抗浮锚杆整体计算方法[J].建筑结构,2014,44(6):28-30.(Sun Renfan,Liu Yuewei,Xun Qing,et al.Integral calculation method of anti-floating anchor of high-rise building with basement or podium[J].Building Structure,2014,44(6):28-30)

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The long-term monitoring test and analysis on internal force of anti- fl oating anchor in the underground project

In order to study the actual force with the time changes after the anti-floating anchor installation is completed,relying on a high-rise buildings with podium and basement in Lanzhou,according to the numerical simulation results,the anti-floating bolt is divided into three zones according to the force,the stress gauge is installed in the anti-floating anchor bar in the corresponding region,and the long-term test monitoring is carried out.The monitoring results show:①The variation of the internal force of the antibuoyancy anchor is divided into three stages over time of the project,that is the reduction phase,the growth phase and the stabilization phase.The main reason for this trend is the gradual end of precipitation and the increasing load of the upper structures.②The stress state of the anti-floating bolt is related to the distance of the main building,the axial tension of anti-float anchor near the main building is very small，the axial tension of anti-float anchor far away from the main building exceeds its design value.The axial force of the anti-floating anchor is decreasing in depth,after a certain length,the anchor is almost no longer in force.③Numerical simulation and actual monitoring results are verified by each other,Which provides the theoretical basis and measured data for the optimal design of the anti - floating anchor.

anti-floating anchor;long-term monitoring;numerical simulation;mechanism of force

文献标识码：B

1003-8965（2017）04-0048-04

甘肃省建设科技攻关项目（JK2015-4）