抗浮錨桿分布方式研究

黃蘇斌　吳穩(wěn)　溫方正

摘要：壓力型抗浮錨桿在縮短施工工期、降低工程成本方面的優(yōu)勢(shì)，使其成為巖石地基地下室中最有效和常用的抗浮手段。錨桿的分布方式對(duì)于錨桿軸力分布、底板變形、底板應(yīng)力均會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因此開(kāi)展對(duì)于壓力型抗浮錨桿分布方式的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。文章對(duì)抗浮錨桿分布方式進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：壓力型抗浮錨桿；分布方式；群錨效應(yīng)；應(yīng)力場(chǎng)；位移場(chǎng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU473 文章編號(hào)：1009-2374（2016）20-0059-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.20.028

隨著地下車庫(kù)、地鐵、地下商場(chǎng)及向超深超大方向發(fā)展的地下室等地下建筑的大量出現(xiàn)，由于地下水對(duì)這些埋置于水位以下的地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的向上的浮力的影響，基礎(chǔ)防浮也越來(lái)越受到重視。抗浮錨桿利用錨桿錨固體與孔壁的摩擦阻力來(lái)抵抗地下水的浮力，約束基礎(chǔ)底板上浮?？垢″^桿由于間距小，通過(guò)單點(diǎn)受力使底板結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布均勻合理，且抗浮錨桿采用鉆機(jī)的單一工藝成孔技術(shù)，工藝簡(jiǎn)單，壓力型抗浮錨桿工作時(shí)錨固注漿體為受壓狀態(tài)，不易產(chǎn)生裂縫，相比拉力型抗浮錨桿其承載能力和變形性能均有所改善?？垢″^桿在縮短施工工期、降低工程成本方面的優(yōu)勢(shì)，使其成為巖石地基地下室中最有效和常用的抗浮手段。

1 壓力型抗浮錨桿的應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代，隨著錨固技術(shù)的飛速發(fā)展，抗浮錨桿在地下工程中也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如地下停車場(chǎng)、地下商場(chǎng)等超深地下室。在國(guó)外，抗浮錨桿除用于地下室的抗浮外，還廣泛應(yīng)用于海洋工程中，如海洋平臺(tái)的抗浮等。錨桿的分布方式目前主要采用“集中點(diǎn)布”或“面狀均布”?！凹悬c(diǎn)布”將錨桿集中布置于獨(dú)立基礎(chǔ)下，由抗浮錨桿下拉力、頂板覆土自重、上部結(jié)構(gòu)（梁、板、柱）恒載和板底結(jié)構(gòu)恒載共同抵抗水浮力；“面狀均布”錨桿均勻布置于地下室底板下，頂部覆土自重和上部結(jié)構(gòu)抵消以獨(dú)立基礎(chǔ)為中心一定范圍內(nèi)的浮力，防水底板板塊區(qū)域水浮力由板塊自重和錨桿下拉力共同抵抗。此外，還有一種新型的“面狀非均布”分布方式，即既充分考慮覆土自重和上部結(jié)構(gòu)恒載的有利影響，又在板塊跨中布置錨桿，減小板塊計(jì)算跨度，使得底板受力更加均勻合理、減少底板變形，充分發(fā)揮錨桿的抗拔性能。國(guó)內(nèi)目前對(duì)于面狀非均布分布方式的研究比較少，只在極少數(shù)的項(xiàng)目對(duì)于工程實(shí)例進(jìn)行試驗(yàn)研究，同時(shí)對(duì)于面狀非均布的可能分布未進(jìn)行全面研究，且未從理論上歸納得到具備推廣價(jià)值的分布準(zhǔn)則。

2 抗浮錨桿分布方式的研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)錨桿分布方式的相關(guān)研究較多，主要可以分為分布方式、底板與錨桿共同工作優(yōu)化錨桿分布以及群錨效應(yīng)的影響三個(gè)方面。

2.1 錨桿分布方式

林蔚勛[1]等建立在不同的承載板間距和數(shù)量下壓力分散型錨索的受力模型，通過(guò)對(duì)比錨索軸向應(yīng)力與剪應(yīng)力以及位移曲線，總結(jié)出承載板的間距應(yīng)等于有效傳力長(zhǎng)度，當(dāng)錨固段長(zhǎng)度固定，承載板數(shù)量可根據(jù)錨固段總長(zhǎng)與各節(jié)錨固段的有效傳力長(zhǎng)度的比值來(lái)確定；最終提出梯級(jí)布置的優(yōu)化方案：通過(guò)改變各級(jí)承載板的間距及其所連接的鋼絞線數(shù)量，使得鋼絞線中的應(yīng)力分布更為均勻，同時(shí)各級(jí)錨固體的長(zhǎng)度又恰好適應(yīng)于應(yīng)力擴(kuò)散的有效長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)證明，該種布置方式可以使錨固體不易發(fā)生孔底壓碎破壞，整體滑移破壞可能性降低，且錨索應(yīng)力分配更加均勻合理。葉國(guó)認(rèn)為優(yōu)化群錨中由于應(yīng)力交互傳遞導(dǎo)致錨桿軸力分布不均，從控制底板位移和裂縫角度考慮，并結(jié)合平面外剛度對(duì)于錨桿軸力影響結(jié)果，將群錨均勻布置優(yōu)化為梅花形錨桿布置，使每根錨桿的受力均勻，充分發(fā)揮錨桿抗拔承載力，共節(jié)約了近45%的錨桿用量。但在實(shí)際工程中還應(yīng)該充分考慮現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)以及合理安排錨桿工期的影響，靈活確定抗浮措施。

孫偉武[2]等依據(jù)板底結(jié)構(gòu)的傳力模式和彈塑性變形理論提出沿底板塑性鉸線周邊和地梁跨中布設(shè)錨桿的方法，對(duì)面狀非均布方式進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，地下室底板變形量小，最大位移區(qū)域小，變形均勻，從而有效控制了底板和地梁的位移變形，使地梁支座跨中內(nèi)力更小，底板配筋減少，板塊內(nèi)各錨桿軸力分布更均勻，使抗浮錨桿布置在安全性和經(jīng)濟(jì)性上有了較大提升。

吳錚[3]等針對(duì)柱網(wǎng)布置均勻的工程案例，提出空心型均勻布置的方式。針對(duì)錨桿的受力特點(diǎn)，采用將柱的壓力、水浮力簡(jiǎn)化為外部荷載，錨桿模擬為彈性支座，綜合考慮錨桿剛度、基礎(chǔ)底板剛度、上部結(jié)構(gòu)傳遞的集中荷載等因素間的相互影響，采用錨桿、基礎(chǔ)底板、上部結(jié)構(gòu)共同受力分析方法，對(duì)抗浮錨桿空心型均勻布置方式進(jìn)行分析，得出基礎(chǔ)底板受力較均勻，配筋基本采用構(gòu)造配筋，在單位面積的鋼筋量和混凝土量等指標(biāo)優(yōu)勢(shì)明顯，經(jīng)濟(jì)安全。

2.2 底板和錨桿共同工作

李江濤[4]等提出抗浮錨桿布置時(shí)應(yīng)合理考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及防水底板剛度，進(jìn)行共同設(shè)計(jì)，當(dāng)?shù)装宓膭偠群侠?，錨桿所在位置的變形值不超過(guò)其設(shè)計(jì)承載力極限值所對(duì)應(yīng)的變形值；錨桿布置時(shí)應(yīng)盡量避免布置在防水底板中心點(diǎn)燈壁板變形最大位置，使錨桿變形受力相對(duì)均勻；對(duì)于大跨位置，底板抗彎剛度大幅降低時(shí)，應(yīng)采用局部抗浮布置錨桿；提出精細(xì)化設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)立足實(shí)際建立符合實(shí)際情況的有限元模型進(jìn)行比較分析。

徐勇[5]等考慮錨桿和防水板變形協(xié)調(diào)影響，分析錨桿分布方式對(duì)抗浮錨桿受力及地下室底板配筋的影響；地下室底板變形引起抗浮錨桿變形，使錨桿產(chǎn)生拉力，而抗浮錨桿對(duì)地下室底板的拉力對(duì)底板變形產(chǎn)生約束作用，導(dǎo)致地下室底板變形和次應(yīng)力，兩者相互影響；錨桿在與底板共同變形下所提供的抗拔力以及抗浮錨桿分配的拉力，與底板結(jié)構(gòu)剛度及錨桿剛度相對(duì)值密切相關(guān)。但并未給出底板在不同錨桿分布方式下底板受力的計(jì)算方法以及尋找使錨桿受力均勻和底板配筋合適的最佳平衡點(diǎn)的實(shí)用方法。

沈章春[6]在整體抗浮錨桿設(shè)計(jì)中考慮錨桿對(duì)于底板的有利作用，在模型中改變底板剛度、地基剛度以及錨桿自身剛度，得出錨桿合理受力的情況。通過(guò)將錨桿所受拉力折算成均布荷載，將水浮力計(jì)算進(jìn)行折減，從而計(jì)算底板厚度、進(jìn)行配筋，使得無(wú)錨桿折減水壓后的底板的配筋控制內(nèi)力能夠包絡(luò)住有錨桿作用考慮折減后活荷載參與組合下的配筋控制內(nèi)力，具備一定的工程實(shí)踐價(jià)值。

2.3 群錨效應(yīng)影響錨桿分布

群錨效應(yīng)將導(dǎo)致錨固體系承載力的降低，目前群錨效應(yīng)設(shè)計(jì)一般通過(guò)限制錨桿間的最小間距來(lái)限制群錨效應(yīng)的不利影響，尚缺乏理論化的合理計(jì)算方法。

趙赤云[7]將彈性半空間背景下的Boussinesq解、cerruti和Mindlin解進(jìn)行應(yīng)力疊加，得出了線彈性介質(zhì)中，三維條件下預(yù)應(yīng)力單錨和群錨附加應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力分布規(guī)律，由此得到了關(guān)于錨索間距與長(zhǎng)度的比值、排距與度的比值及錨索長(zhǎng)度的選擇的依據(jù)公式。何思明等在對(duì)預(yù)應(yīng)力群錨系統(tǒng)進(jìn)行分解和離散的基礎(chǔ)上，穩(wěn)定巖體根據(jù)Minidin應(yīng)力解計(jì)算在側(cè)摩阻力均勻分布下任意點(diǎn)處的應(yīng)力分布，采用應(yīng)力疊加原理和修正分層總和法，根據(jù)錨索荷載傳遞特性將錨索簡(jiǎn)化為桿系結(jié)構(gòu)，根據(jù)各錨索錨固段與相鄰巖體之間荷載變位協(xié)調(diào)關(guān)系建立聯(lián)立方程組，進(jìn)行迭代計(jì)算，提出了一種預(yù)應(yīng)力群錨的理論計(jì)算模型，得出群錨中各錨索錨固段的側(cè)阻力分布及荷載變位關(guān)系。

許明[8]研究了由于錨力變化或錨桿失效在群錨中引起的荷載重分布現(xiàn)象，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)某一錨索錨力發(fā)生變化時(shí)，荷載將在群錨內(nèi)部發(fā)生明顯的重分布現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)面壓縮帶同時(shí)被削弱，結(jié)構(gòu)面的整體安全性降低；某一錨索的失效也會(huì)引起相鄰錨索接連失效的多米洛效應(yīng)，但對(duì)于不同位置錨桿失效及其應(yīng)力變化對(duì)于荷載重分布的作用機(jī)理未進(jìn)行更為深入的分析。

王艷芬[9]基于單錨應(yīng)力理論推導(dǎo)結(jié)果，對(duì)群錨表層效應(yīng)進(jìn)行分析，對(duì)錨索錨頭預(yù)應(yīng)力施加后周圍巖體所產(chǎn)生的附加應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)進(jìn)行了理論推導(dǎo)，獲得了群錨表層效應(yīng)的理論解，使錨頭的設(shè)計(jì)的理論依據(jù)更為可靠。

郭琪[10]在忽視荷載的重分布對(duì)錨固體系整體極限承載力的影響、只考慮群錨中單根錨桿極限承載力的降低的假設(shè)下，從附加剪應(yīng)力使錨固體和巖土體界面上的安全度降低的角度考慮群錨效應(yīng)對(duì)錨桿承載力的不利影響，得出群錨效應(yīng)消減系數(shù)和錨桿荷載P、間距L、錨桿錨固長(zhǎng)度Lm、錨桿錨固體直徑D、巖石彈性模量E、錨固體彈性模量Ea、巖石泊松比μ的計(jì)算關(guān)系。推導(dǎo)出群錨極限抗拔力的計(jì)算公式。然而尚未考慮群錨加固提高了巖體的整體性和剛度，對(duì)錨固體系的穩(wěn)定性有一定的有利影響。

3 壓力型錨桿分布方式研究現(xiàn)狀評(píng)述

抗浮錨桿的分布方式和分布間距能夠使底板受力更加均勻合理、減少底板變形，同時(shí)錨桿軸力分布更加均勻，充分發(fā)揮錨桿的抗拔性能。單位底板面積上錨桿數(shù)量、長(zhǎng)度以及底板配筋和混凝土厚度均能獲得一定程度上的減少，在安全性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)上均能得到一定的提高。目前對(duì)于抗浮錨桿的分布方式對(duì)錨桿受力以及底板影響尚未進(jìn)行系統(tǒng)全面的研究，并未得出最優(yōu)分布模型，且目前給出的面狀非均布方式的分布理論依據(jù)不足，難以推廣，各種分布方式下錨桿的內(nèi)力計(jì)算公式的推導(dǎo)過(guò)程普遍存在假設(shè)條件理想化，導(dǎo)致理論分析、數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果差異較大。對(duì)于底板在不同錨桿分布方式下底板受力的計(jì)算方法尚很模糊，未總結(jié)出折減的一般規(guī)律，尋找使錨桿受力均勻和底板配筋合適的最佳平衡點(diǎn)的實(shí)用方法尚未解決。對(duì)群錨效應(yīng)作用機(jī)理的理論分析研究較少，群錨效應(yīng)下錨桿的正應(yīng)力和剪應(yīng)力的計(jì)算公式尚沒(méi)有統(tǒng)一。對(duì)于由于錨力變化或錨桿失效在引起的群錨荷載重分布現(xiàn)象相關(guān)研究較少。如何系統(tǒng)化群錨效應(yīng)的研究成果，并應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)仍是值得關(guān)注的課題。

綜上所述，壓力型抗浮錨桿分布方式研究還未形成系統(tǒng)化、理論化的研究成果，還未廣泛運(yùn)用于工程實(shí)踐中，仍需進(jìn)行更深入的研究探討。

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