全长压力型后张预应力抗浮锚杆结构设计研究

谭光宇， 蒋耀华， 方伟明， 高明宇， 李 娜， 史锋涛， 王宇赞， 肖龙君

(中机国际工程设计研究院有限责任公司， 长沙 410007)

1 规范对裂缝控制的规定

抗浮锚杆处于地下水、土壤直接接触的环境中，且水位可能频繁变动，甚至具有一定的腐蚀性，抗浮锚杆的耐久性存在问题。限于抗浮锚杆耐久性设计规范的缺失，抗浮锚杆的耐久性设计一直被工程设计人员忽视，这给地下工程带来了很大安全隐患[1]。

《建筑工程抗浮技术标准》(JGJ 476—2019)[2]第7.5.8条对抗浮锚杆锚固体裂缝设计做出了明确规定：1)抗浮设计等级为甲级的工程，按不出现裂缝进行设计，在荷载效应标准组合下锚固浆体中不应产生拉应力;2)抗浮设计等级为乙级的工程，按裂缝控制进行设计，在荷载效应标准组合下锚固浆体中拉应力不应大于锚固浆体轴心受拉强度。

根据上述规定，对于抗浮设计等级为甲级和乙级的工程，应采用预应力抗浮锚杆才能满足裂缝控制的要求。但是，预应力抗浮锚杆在工程中很少应用，且其施工存在一定程度的困难。

2 预应力抗浮锚杆施工存在的困难

在锚杆中施加预应力对裂缝控制具有天然的优势。但是近二十年以来，很少采用预应力抗浮锚杆[3]。究其原因在于预应力抗浮锚杆存在一些问题，具体如下：

(1)张拉反力

边坡或基坑支护设计中，预应力抗浮锚杆的张拉反力由腰梁、支护桩等传递到土体。但是在地下室抗浮锚杆设计时，只有垫层或地下室底板。垫层下的土体承载能力往往不高，而且施工过程中容易被扰动，降低了抗浮锚杆的承载能力，因此抗浮锚杆的张拉反力很难由垫层承担。若采用地下室底板来承担张拉反力，由于预应力筋属于后张法施工，因此需在地下室底板中预留张拉的孔洞。由于地下室底板有较高的防渗漏要求，此孔洞在压力水头作用下，即使采用注浆工艺，也很难满足防渗漏的要求(图1)。

图1 预应力抗浮锚杆底板上张拉的示意图

(2)底板防渗

地下室底板要满足正常使用条件下的防渗漏要求。预应力锚具既要能满足钢筋张拉的要求，也不应破坏地下室底板的完整性，否则难以满足底板防渗的要求。

(3)张拉工序

相对于普通钢筋锚杆，预应力锚杆增加了一些工序，如预应力筋的PVC套管、钢绞线张拉锁定等工序。且预应力钢绞线张拉时，对锚杆杆体混凝土强度有一定要求。这些工序的增加，难免对工期、造价产生一定的影响。

3 预应力抗浮锚杆创新方案

为解决第2节中的问题，笔者推荐采用全长压力型后张预应力抗浮锚杆。此方案通过在锚杆顶端设置预应力传递装置及锚固件，将地下室底板受到的水浮力传递给锚杆；在预应力传递装置上张拉预应力筋并锁定，由锚杆杆体作为张拉反力的支撑(图2)。通过全长配置PVC套管的无粘结钢绞线，将张拉力传递给锚杆底部的锚固端板和锚具，使得锚杆全长范围内均受压。

图2 全长压力型后张预应力抗浮锚杆示意图

全长压力型后张预应力抗浮锚杆优势为：1)锚杆杆体为全长压力型锚杆，能有效控制裂缝，满足规范要求；2)预应力张拉反力由锚杆杆体承担，不依靠地下室底板及其下部垫层提供张拉反力支撑点；3)在底板施工前完成预应力筋的张拉锁定，能确保底板的完整性，对防渗漏有利；4)预应力传递装置埋置在底板内作为预应力筋的张拉平台，使预应力筋整段均匀受拉；5)预应力传递装置可作为锚杆在底板内的锚固件，从而满足锚杆在底板内的锚固要求；6)用预应力筋替代普通钢筋，可节省钢筋用量72%，经济性好且节能环保；7)锚杆施工完成后，可进行防水卷材、钢筋绑扎施工，待锚杆验收试验完成后，即可张拉锁定预应力筋，对工期影响较小。

预应力抗浮锚杆施工工序与普通抗浮锚杆施工工序基本一致，但增加了预应力筋张拉工序。主要施工工序如下：1)施工地下室底板垫层(为保证锚杆质量，锚杆宜在地下室底板混凝土垫层完成后再施工)；2)钻锚杆孔；3)在钻孔中置入带PVC套管和端部锚具的预应力钢绞线，并将注浆管随筋体一同放入钻孔；4)浇筑锚杆浆体；5)安装预应力传递装置及锚固件；6)张拉预应力并锁定；7)绑扎底板钢筋，浇筑混凝土。

4 全长压力型后张预应力抗浮锚杆关键技术

4.1 全长压力型锚杆

锚杆分为全长粘结拉力型锚杆、拉力型预应力锚杆、压力型预应力锚杆、扩大端锚杆等几种类型。本文采用全长压力型后张预应力锚杆，此锚杆由不与灌浆体相互粘结的带隔离防护层的筋体和位于杆体底端的锚固端板及锚头组成。

全长压力型后张预应力锚杆的主要特点，是利用锚杆底部的锚固端板使锚杆受力时锚固段浆体受压，并通过浆体将拉力传递给周围地层。这种全长压力型后张预应力锚杆在整个锚杆长度范围内均受到压力，对裂缝控制能发挥非常好的效果，且防腐蚀性能好，满足规范对抗浮锚杆耐久性的要求。

4.2 预应力筋选型

在后张预应力构件或结构中宜采用钢绞线。有特殊防腐蚀要求时，可选用镀锌钢绞线、环氧涂层钢绞线等。高强度低松弛预应力钢绞线具有强度高、低松弛、预应力损失占比较小等优越的性能，在工程中被广泛采用。

精轧螺纹钢筋是在整根钢筋上轧有不连续的外螺纹的大直径、高强度、高尺寸精度的直条钢筋。其抗拉强度设计值高，但预应力损失较大。研究[4]发现，精轧螺纹钢筋的有效预张拉力折减系数在很多情况下甚至小于0.6，限制了其适用范围。

综上所述，选择高强度低松弛预应力钢绞线作为全长压力型后张预应力抗浮锚杆预应力筋。

4.3 锚杆杆体受压计算

对抗浮锚杆进行预应力张拉时，项目场地难以提供有效的反力作用点。全长压力型后张预应力抗浮锚杆，将反力作用点设置在锚杆顶端，锚杆张拉时杆体受压，需要进行锚杆杆体受压承载力验算。

现行国家标准没有对锚杆杆体受压做出明确规定。根据锚杆受力原理，锚杆杆体受压宜参照《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)中混凝土轴心受压桩正截面受压承载力的计算公式进行计算：

N≤ψcfcAps

(1)

式中：N为荷载效应基本组合下的桩顶轴向压力设计值，取锚杆承载力特征值的1.35倍；ψc为基桩成桩工艺系数，可取0.8～0.9；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；Aps为桩身截面面积，取锚杆杆体扣除预应力孔道的净截面面积。

锚杆杆体位于土层中，处于三向受力状态，这对其抗压承载力能发挥有利作用，可将此作为安全裕量。

4.4 预应力张拉时对锚杆浆体强度的要求

预应力锚杆张拉时对锚杆浆体强度有一定的要求，相关规范做出了如下规定：

(1)《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)[5]规定：施加预应力时，所需的混凝土立方体抗压强度应经计算确定，但不宜低于设计的混凝土强度等级值的75%。

(2)《建筑工程抗浮技术标准》(JGJ 476—2019)和《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086—2015)[6]对锚杆张拉时浆体抗压强度的要求是一致的，见表1。

锚杆张拉时浆体混凝土抗压强度标准值 表1

根据以上三部规范的规定，并结合预应力抗浮锚杆浆体受压的特点，预应力钢绞线张拉时锚杆浆体抗压强度宜满足表1的规定。

4.5 锚杆顶部局部受压承载力计算

对锚杆杆体施加的预应力将通过预应力传递装置传递给锚杆杆体顶端，因此需要验算锚杆顶部混凝土局部受压承载力。锚杆顶部混凝土局部受压承载力可按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)公式计算：

Fl≤1.35βcβlfcAln

(2)

式中：Fl为局部受压面上作用的局部荷载或局部压力设计值，可取锚杆承载力特征值的1.35倍；βc为混凝土强度影响系数；βl为混凝土局部受压时的强度提高系数；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；Aln为混凝土局部受压净面积。

锚杆张拉一般在地下室底板垫层施工之后进行。锚杆顶部受压时，垫层能提供侧向约束，可将此作为安全裕量。

4.6 锚杆底部锚固端板局部受压计算

全长压力型后张预应力锚杆的预应力筋所受的拉力全部传递到锚杆底部的锚固端板上。通过锚固端板，传递给锚杆浆体。由于锚固端板截面面积小于锚杆杆体截面面积，锚杆杆体工作时实际上局部受压。故应验算锚杆底部锚固端板的局部受压承载力。

若不考虑锚杆周边岩体对其三向约束的有利作用，可参照4.5节公式(2)验算。若考虑锚杆周边岩体对其三向约束的有利作用，可按《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086—2015)的公式计算：

(3)

式中：Nd为锚杆轴向拉力设计值；Ap为锚杆承载体与锚固段注浆体横截面净接触面积；Am为锚杆锚固段注浆体横截面面积；η为锚杆有侧限锚固段注浆体强度增大系数，由试验确定其取值；fc为锚杆锚固段注浆体轴心抗压强度设计值。

需要说明的是，按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)的局部受压公式(式(2))验算锚杆锚固端板局部承压时，考虑的是无侧限灌浆体的抗压性能，不能反映锚杆工作时浆体准确强度。有侧限锚杆浆体抗压强度增大系数与锚杆底部浆体周边岩土弹性模量有关，应通过试验确定。

4.7 预应力传递装置在底板内的抗冲切验算

地下室底板受到的水浮力经预应力传递装置传递给锚杆，反过来锚杆受到的上拔力可能会对底板产生冲切破坏(图3)。

图3 预应力传递装置上板对地下室底板冲切示意图

预应力传递装置上板对底板抗冲切作用的验算，可按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)受冲切承载力公式验算：

Fl≤(0.7βhft+
0.25σpc,m)ηumh0

(4)

式中：Fl为局部荷载设计值或集中反力设计值；βh为截面高度影响系数；ft为混凝土抗拉强度设计值；σpc,m为计算截面周长上两个方向混凝土有效预压应力按长度的加权平均值；η为影响系数；um为计算截面的周长；h0为截面有效高度。

地下室底板由混凝土和钢筋组成，其双层双向配筋无疑会对底板的冲切承载能力产生重要影响[7]。式(4)中未包含配筋率ρ的影响，只是在考虑综合调整系数时适当考虑纵向配筋率的有利作用，这势必会导致实际抗冲切承载力与计算值有差异，有待进行更深入的研究。

4.8 锚杆初始预应力确定

根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086—2015)第11.2.5条的规定，抗浮锚杆初始预应力值的确定应考虑锚杆受力、变形及对基础底板抗裂的影响，并宜符合下列规定：1)抗浮锚杆的锁定拉力值宜为锚杆拉力设计值的0.8～1.0；2)对于处于长期稳定水浮力作用下以及变形控制要求较高的工程，锚杆的锁定拉力值宜为锚杆拉力设计值；3)压力分散型抗浮锚杆的锁定拉力值宜为锚杆拉力设计值。

(1)甲级工程抗浮锚杆初始预应力

抗浮设计等级为甲级的工程，在荷载效应标准组合作用下锚固浆体中不应产生拉应力，并应满足下式要求：

σck-σpc≤0

(5)

通过式(5)可得：

σcon-σl≥σck

F-σlAp≥Nk

(6)

由式(6)可以推出：

F≥Nk+σlAp

(7)

式中：F为预应力抗浮锚杆初始预应力；Nk为荷载效应标准组合作用下锚杆承担荷载标准值，相应的分项系数为1.0；σl为预应力总损失值；Ap为预应力筋的截面面积。

对预应力抗浮锚杆预应力总损失值，目前研究并不充分，宜参照《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)的规定取值：对后张法构件，预应力总损失值取80N/mm2。

(2)乙级工程抗浮锚杆初始预应力

抗浮设计等级为乙级的工程，在荷载效应标准组合作用下锚固浆体中拉应力不应大于锚固浆体轴心受拉强度，并应满足下式要求：

σck-σpc≤ftk

(8)

由式(8)可以推出：

σcon-σl+ftk≥σck

F-(σl-ftk)Ap≥Nk

可以得出：

F≥Nk+σlAp-ftkAn

(9)

式中：ftk为锚杆浆体轴心抗拉强度标准值；An为锚杆浆体截面净面积。

5 工程案例

某项目为高层商业综合体，地下5层。标高±0.000对应的绝对标高为175.20m，地下室底板底面绝对标高为153.40m。根据地勘报告，地下室抗浮水位绝对标高173.0m，抗浮水头19.60m。裙楼及地下室采用独立柱基，以中风化灰岩为持力层。结构整体抗浮不满足设计要求，采用预应力抗浮锚杆，锚杆间距2m×2m(纵向×横向)。

经计算分析确定：锚杆杆径250mm，设计承载力特征值400kN，入中风化灰岩锚固长度不小于6m。锚杆大样图见图4。

图4 预应力抗浮锚杆大样图

6 结论

(1)全长压力型后张预应力抗浮锚杆能满足规范对锚杆耐久性的要求。

(2)通过在锚杆顶部设置预应力传递装置，在预应力传递装置上板张拉，同时将预应力筋的张拉力传递给地下室底板，能解决预应力筋的张拉反力问题。

(3)预应力筋张拉之后再浇注地下室底板，保持了底板的完整性，对地下室底板抗渗有利。

(4)用预应力筋替代普通钢筋，能发挥预应力筋强度高的特性，节能环保。