土工袋扩底抗浮锚杆承载机理现场试验分析

戚旭东 常 伟 叶 鹏 王海元 孔劲奇 宋 著

（1.江苏省中成建设工程总公司江苏南京210041；2.南京工业大学交通运输工程学院，江苏南京211816）

1 研究背景

地下建筑抗浮是岩土工程界关注的热点［1］，而设置抗浮锚杆是较为常见的工程措施［2］。由于水浮力为均布荷载，从提高抗浮效率［3］和优化筏板受力的角度出发，采用单点受力小、抗力均匀的微型桩或是抗浮锚杆是较为理想的处置措施。此类装置布置形式灵活、施工简便、经济环保［4］，但在地下水位较高时易发生承载力软化，影响抗浮效率的发挥［5］。

近年来，通过扩大端部提升锚杆结构承载性能得到了较为广泛的关注［6］。传统的扩底技术按成孔方式可分为钻孔扩底、挤压扩底、振冲扩底以及旋挖扩底等［7］，但由于扩底工艺以及经济性的原因，要求有一定的截面直径（通常大于400 mm）。在软土地区，由于抗浮锚杆直径较小，上述扩底工法的施工成本过高，扩底抗浮锚杆未能较好发挥工程效益。为此，本文从降低施工难度和缩减经济成本出发，针对软土地基施工特点和锚杆构造特征，提出了一种采用锚杆端部土工袋后注浆扩孔成形的扩底抗浮锚杆，并现场测试了该装置的上拔承载力。通过光纤光栅测试技术精确获取锚杆的承载特性和应变分布规律，为该装置的推广应用提供理论支撑和技术支持。试验结果表明，通过土工袋扩底能显著增加抗浮锚杆抗浮力，可适用于软土地区特别是淤泥质黏土体中地下室的抗浮工程。

2 土工袋扩底抗浮锚杆特征简介

目前地下结构底部扩大截面的主要形式有柱体、球体、三角锥体等，截面形状主要受施工工艺控制。扩底成型工艺主流为机械装置成孔、扩孔。然而，这种方式施工技术应用于截面直径较小的锚杆时较为不便。另一方面，常规的锚杆注浆扩底由于岩土颗粒缝隙以及水泥浆流动性，不容易保证扩底成型。若将注浆体收集利用，在适宜的土层内采用注浆压力进行挤土扩孔，可降低施工技术和成本投入。

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分级加载试验结束后考察了各锚杆的破坏模式，其中扩底锚杆的破坏形式表现为地表出现一定范围的圆形隆起区，隆起量随锚杆上拔量增加，在锚杆接近破坏时有较大幅度的变化，并在隆起范围边缘处伴有细微裂缝，如图7 所示。而等直径锚杆抗拔破坏时受力筋脱出，地表隆起范围较小。1#、3#、5#锚杆破坏时地表土体影响半径分别为45 mm、61 mm、78 mm。

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图1 后注浆土工袋扩底抗浮锚杆结构示意图Fig.1 Structure scheme of expanded anchor with postgrouting in soil bag

本次现场测试设计了2 种类型共4 根抗浮锚杆，包括后注浆扩底锚杆3 根，编号1#、3#、5#，长度分别为3 m、5 m 和7 m，直径均为150 mm，扩底截面直径为300 mm；以及等截面锚杆1 根，编号7#，长度为5 m，直径为150 mm。采用地质钻机成孔，成孔完毕后，插入初次注浆管（作初次注浆使用），同时利用初次注浆管进行清孔。清孔完毕后采用反向注浆法注入分隔板处，浆液的水灰比为0.7，注浆压力为0.3～0.5 MPa，至孔口溢浆为止。间隔3～5 d后二次注浆，注浆压力为0.8～1.0 MPa。

3 扩底锚杆抗拔性能现场测试

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3.1 土层概况

试验场地位于南京市长江漫滩某处，该场地属于典型软土地基，平均地下水位约在0.8 m，土体基本物理、力学性质参数如表1所示。

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表1 足尺试验场地土层基本性质指标Table 1 Geotechnical properties of full-scale tests field

3.2 测试设计

由装置的构造特征可知，当上部受拉筋与注浆体包裹时，注浆体直接承受钢筋传递的拉力，此时端承板不起作用，整体受力特征为拉力型。若钢筋与注浆体无粘结，钢筋将拉力直接传递至扩大头内部的端承板，继而对上部注浆体施加压应力，此时该装置转为压力型。在保证注浆体一定自重的前提下，可适当增加注浆分隔板以及端承板的直径以增加抗拔承载力。该装置无论是注浆体直径、施工工艺还是受力特征都与二次注浆的微型桩接近。

采用分级加载对施工合格的抗浮锚杆进行测试，单次加载量通常宜取为预估承载力的1∕10。等截面抗浮锚杆的抗拔承载力可参考锚杆的抗拔承载力公式：

式中：Fd为单锚抗拔承载力设计值；Fk为单锚极限抗拔力标准值；Kb为抗拔安全系数，建议取值1.4～2.5；d 为锚固体直径；qsik为锚固体与第i 层土的黏结强度标准值；li为第i层土的厚度；ψ 为锚固长度对黏结强度的影响系数，有技术标准［10］推荐取值范围为0.6～1.6。

根据表1，将其中各土层的摩阻力标准值带入式（4），其中Kb和ψ 参考土层性质和注浆体长度，分别取2.0、1.3，可计算得到注浆体长度为3 m、5 m、7 m 的等直径装置抗拔承载力的预估值约为27.7 kN、45.9 kN、64.3 kN。

根据扩底抗浮锚杆承载力的经验估算公式［11-12］，1#、3#、5#锚杆分别按每级8 kN、12 kN、16 kN 进行逐级加载，采用精度0.01 mm 位移百分表测量桩顶竖向位移。试验时，出现下列情况即终止加载：①难以维持某级荷载或变形不止；②某级荷载下变形急骤增大，荷载-位移曲线上有可判定极限承载力的陡降段；③当荷载-位移曲线呈缓变型时，位移超过设计要求；④加载设备达到极限加载能力。

本试验采用光纤光栅量测锚杆应变。光纤元件轻巧，可靠性和适用性好，可测量构件应变动态变化过