地下工程抗浮錨桿內(nèi)力長期監(jiān)測試驗(yàn)與分析

張永志 王公勝 孫 文 肖婭婷 楊全兵

(1甘肅省建筑科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050；2甘肅省綠色建筑與建筑節(jié)能工程研究中心，甘肅 蘭州 730050)

地下工程抗浮錨桿內(nèi)力長期監(jiān)測試驗(yàn)與分析

張永志1,2王公勝1,2孫 文1,2肖婭婷1,2楊全兵1,2

(1甘肅省建筑科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050；2甘肅省綠色建筑與建筑節(jié)能工程研究中心，甘肅 蘭州 730050)

為了研究抗浮錨桿安裝完成后，其實(shí)際受力隨時(shí)間的變化情況，以蘭州某含裙房和地下室的高層建筑為研究背景，對照有限元數(shù)值模擬結(jié)果，將抗浮錨桿按受力情況劃分為3個(gè)測區(qū)，在對應(yīng)區(qū)域抗浮錨桿上安裝鋼筋應(yīng)力計(jì)進(jìn)行長期試驗(yàn)監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示：①抗浮錨桿的內(nèi)力變化過程隨時(shí)間和工程進(jìn)度的變化分為三個(gè)階段，即減小階段、增長階段和穩(wěn)定階段。產(chǎn)生這種變化趨勢的主要原因是降水工作的逐漸停止和上部結(jié)構(gòu)荷載的不斷增加。②抗浮錨桿的受力狀態(tài)與主樓的距離有關(guān),靠近主樓的抗浮錨桿軸向拉力很小，而遠(yuǎn)離主樓的抗浮錨桿軸向拉力超過了其設(shè)計(jì)值。同一根抗浮錨桿上的軸力沿深度方向呈遞減趨勢，超過一定長度后桿體幾乎不再受力。③數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果互為驗(yàn)證，為抗浮錨桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的支持。

抗浮錨桿；長期監(jiān)測；數(shù)值模擬；受力機(jī)理

長久以來，地下水浮力是影響沿海地區(qū)地下工程安全與質(zhì)量的重要原因[1]，然而，隨著城市建設(shè)用地的日趨緊缺，西北許多大型地下工程也不得不選擇建造在臨近河流的地塊，同樣面臨地下水浮力的問題。抗浮錨桿是解決地下水浮力對地下工程不良影響的有效手段，與壓重法、抗浮樁法相比，具有地層適應(yīng)性強(qiáng)，單點(diǎn)受力小，布置靈活，便于施工，工期短，節(jié)約造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)[2]，近年來得到了廣泛地應(yīng)用。圖1統(tǒng)計(jì)了從2006年至2016年10年期間，在學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表的抗浮錨桿相關(guān)論文數(shù)量，2016年是2006年的4.91倍，印證了抗浮錨桿在工程中應(yīng)用越來越多的事實(shí)，也說明，抗浮錨桿在廣泛應(yīng)用的同時(shí)，技術(shù)上遇到了越來越多的挑戰(zhàn)。

目前國內(nèi)外專家學(xué)者和工程技術(shù)人員關(guān)于抗浮錨桿的研究主要集中在受力機(jī)理、優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工工藝3個(gè)方面。

圖1 論文數(shù)量統(tǒng)計(jì)

關(guān)于抗浮錨桿受力機(jī)理的研究可分為不同錨桿材料和不同的地質(zhì)條件兩種，如李偉偉等[3]研究了GFRP抗浮錨桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋錨桿用于地鐵抗浮工程的可行性，對比分析了鋼筋錨桿與GFRP 錨桿的破壞形態(tài)和桿體軸向應(yīng)力與黏結(jié)應(yīng)力分布規(guī)律的異同。Lee 等[4]認(rèn)為GFRP 抗浮錨桿界面黏結(jié)強(qiáng)度隨混凝土抗壓強(qiáng)度的增加而增大，但是黏結(jié)強(qiáng)度的增加幅度比鋼筋與混凝土的界面黏結(jié)強(qiáng)度小得多。張明義等[5]對青島大劇院工程場地進(jìn)行了測力元件抗浮錨桿破壞性拉拔試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了試驗(yàn)錨桿桿體的軸力、桿體與注漿體之間的剪應(yīng)力變化規(guī)律。

關(guān)于抗浮錨桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究主要集中在錨桿的布置方式和計(jì)算方法上，如馬驥等[6]通過分析承壓型預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿在施工、使用階段的應(yīng)力變化，結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求與工程實(shí)例，對承壓型預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討，概括總結(jié)了此類錨桿設(shè)計(jì)計(jì)算的相關(guān)內(nèi)容。

在抗浮錨桿的施工工藝方面，國內(nèi)外學(xué)者也做了大量研究，如蔡洪偉[7]結(jié)合大連－濱海地區(qū)某工程實(shí)例，闡述了抗浮錨桿的試驗(yàn)、設(shè)計(jì)及施工過程。李啟東等[8]從施工工藝改進(jìn)、多專業(yè)施工配合、全過程技術(shù)控制角度，研究了預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿成套施工新技術(shù)。

然而，對于抗浮錨桿施工完成后，其實(shí)際的受力狀態(tài)、變化趨勢等，國內(nèi)外還缺乏相應(yīng)的研究。蘭州的地質(zhì)條件在西北地區(qū)比較具有代表性，黃土層、卵石層等地質(zhì)條件，與沿海軟土地質(zhì)有很大區(qū)別，抗浮錨桿的應(yīng)用較少，缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)。針對以上問題，通過安裝在抗浮錨桿上的測力元件，對深埋地下的抗浮錨桿進(jìn)行了長期的監(jiān)測研究，了解了抗浮錨桿內(nèi)力隨時(shí)間的變化趨勢與受力機(jī)理，用實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了前人關(guān)于抗浮錨桿優(yōu)化設(shè)計(jì)和受力機(jī)理，補(bǔ)充了西北地區(qū)抗浮錨桿的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 工程概況

試驗(yàn)監(jiān)測以蘭州市某住宅小區(qū)工程為依托，場地地貌單元屬黃河南岸II級階地，地層主要由雜填土、粉質(zhì)粘土、卵石和強(qiáng)風(fēng)化砂巖構(gòu)成?？辈炱陂g，地面標(biāo)高為1513.16～1513.91m，最大高差0.75m，場地地勢平坦。地下水穩(wěn)定水位深8.1～8.5m，地下水屬潛水類型，主要賦存于卵石層中，抗浮水位標(biāo)高按1508.00m考慮。

該工程是地下三層帶裙房的高層建筑群，工程抗浮錨桿設(shè)計(jì)采用3根直徑25mm的HRB400螺紋鋼筋，長度10.0m，錨桿間距2.9m，抗拔承載力特征值為190kN，抗浮錨桿除主樓下方不布置外，在整個(gè)場地均勻布置。

2 試驗(yàn)監(jiān)測方法

2.1 數(shù)值模擬與測區(qū)選擇

在實(shí)際工程中，主樓荷載和裙房、地下室以及筏板的剛度，對抗浮錨桿的受力會產(chǎn)生影響，距離主樓越近，抗浮錨桿承受的軸向拉力越小，距離主樓越遠(yuǎn)，抗浮錨桿承受的軸向拉力越大[9～10]。然而現(xiàn)階段進(jìn)行抗浮錨桿設(shè)計(jì)時(shí)，雖然主樓下方不會布置抗浮錨桿，但是對其它位置進(jìn)行抗浮錨桿設(shè)計(jì)時(shí)，不管與主樓的距離是否不同，浮力均取平均值計(jì)算，這顯然與實(shí)際情況是不符的。為了選擇有代表性的抗浮錨桿進(jìn)行試驗(yàn)監(jiān)測，監(jiān)測前采用MIDAS-GTS有限元軟件對該工程的抗浮錨桿進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，圖2為有限元模型，圖3為數(shù)值模擬結(jié)果。

圖2 有限元模型

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在場地內(nèi)接近主樓區(qū)域的抗浮錨桿軸力很小，遠(yuǎn)離主樓的抗浮錨桿軸力很大。根據(jù)以上特點(diǎn)，將場地內(nèi)抗浮錨桿軸力遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值的區(qū)域劃分為受拉區(qū)、遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值的區(qū)域劃分為受壓區(qū)，其它的抗浮錨桿劃分到普通區(qū)。在3個(gè)測區(qū)內(nèi)各選3根錨桿進(jìn)行監(jiān)測，圖4是被監(jiān)測錨桿位置。

2.2 監(jiān)測儀器與安裝

監(jiān)測時(shí)將振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)安裝于錨桿鋼筋上，鋼筋受力產(chǎn)生的變形將引起機(jī)械連接于鋼筋上的儀器內(nèi)鋼弦變形，使鋼弦發(fā)生應(yīng)力變化，從而改變鋼弦的振動頻率。測量時(shí)利用電磁線圈激撥鋼弦并量測其振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸至頻率讀數(shù)裝置或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，再經(jīng)換算即可得到鋼筋的應(yīng)力變化量。同時(shí)由鋼筋應(yīng)力計(jì)中的熱敏電阻可同步測出埋設(shè)點(diǎn)的溫度值。在每根錨桿的不同位置安裝4枚鋼筋應(yīng)力計(jì)，監(jiān)測該錨桿不同深度處的內(nèi)力。安裝示意見圖5。

圖4 監(jiān)測位置

圖5 鋼筋應(yīng)力計(jì)安裝

圖6 數(shù)據(jù)傳輸與采集

如圖6所示，鋼筋應(yīng)力計(jì)數(shù)據(jù)傳輸線布置在剪力墻內(nèi)部直到±0.00標(biāo)高后，接入信號采集裝置。剪力墻內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸線外套PVC管，防止振搗作業(yè)和高溫環(huán)境損壞數(shù)據(jù)線，±0.00以上的數(shù)據(jù)線穿入DN48鋼管，引入防護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行接頭保護(hù)和數(shù)據(jù)采集。

2.3 監(jiān)測頻率及周期

監(jiān)測從基坑回填至±0.00標(biāo)高后開始，從首次采集數(shù)據(jù)時(shí)間開始，到降水完全停止后2個(gè)月內(nèi)，每周采集數(shù)據(jù)2次，以后每周采集數(shù)據(jù)1次，直到錨桿內(nèi)力監(jiān)測值趨于穩(wěn)定為止。

3 試驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 抗浮錨桿內(nèi)力變化趨勢

從監(jiān)測開始到結(jié)束，共歷時(shí)約180天時(shí)間，通過測得的抗浮錨桿鋼筋應(yīng)力，計(jì)算得出抗浮錨桿所受軸力，繪制了不同測區(qū)抗浮錨桿、不同深度處軸力隨時(shí)間的變化曲線。圖7是各測區(qū)抗浮錨桿軸力隨時(shí)間的變化曲線。

圖7 抗浮錨桿內(nèi)力變化曲線

由圖7可見，首先，3個(gè)測區(qū)的抗浮錨桿軸力隨時(shí)間的變化曲線都顯示出3個(gè)共同的特征：1）抗浮錨桿的軸向拉力經(jīng)歷了先減小，再增大，最后趨于穩(wěn)定的3個(gè)階段；2）所有測區(qū)抗浮錨桿軸力在第40～50天時(shí)，變化幅度較大，在曲線上形成凹谷；3）曲線出現(xiàn)凹谷前的抗浮錨桿軸力值均小于凹谷出現(xiàn)后的軸力值。在整個(gè)工程的施工過程中，很多因素都會造成抗浮錨桿內(nèi)力的改變，抗浮錨桿內(nèi)力的變化，也能間接反映整個(gè)工程的進(jìn)展情況。因此，針對抗浮錨桿曲線顯示出的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究、了解了可能影響抗浮錨桿內(nèi)力的因素，對抗浮錨桿軸力變化曲線出現(xiàn)以上特征進(jìn)行了分析：1）上部結(jié)構(gòu)自重與地下水浮力互為反力，從抗浮錨桿施工完成后，上部結(jié)構(gòu)的自重隨著施工進(jìn)度不斷增加，使得抗浮錨桿軸向拉力不斷減小。主體結(jié)構(gòu)施工與地下室頂板覆土回填完成后，上部結(jié)構(gòu)自重不再顯著增加，而此時(shí)降水井逐漸停止工作，地下水位緩慢回升，使得抗浮錨桿軸向拉力逐漸增大。降水工作完全停止后，上部結(jié)構(gòu)自重與地下水浮力逐漸達(dá)到了新的平衡狀態(tài)，因此抗浮錨桿內(nèi)力變化趨于平穩(wěn)。2）在監(jiān)測進(jìn)行到第40～50天時(shí)，主體結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度較快，且對地下室頂板進(jìn)行了覆土回填，上部結(jié)構(gòu)自重迅速增加，引起抗浮錨桿軸向拉力迅速減小。3）曲線出現(xiàn)凹谷前，整個(gè)工程的建設(shè)都是在基坑進(jìn)行降水的前提下進(jìn)行的，地下水位低于勘察時(shí)的高度，隨著工程的進(jìn)展，降水井停止工作后，地下水位逐漸恢復(fù)到勘察時(shí)的高度，此時(shí)的地下水的浮力必然更大，抗浮錨桿的軸向拉力也必然有所增加。

其次，3個(gè)測區(qū)的抗浮錨桿受力也存在區(qū)別：1）各測區(qū)抗浮錨桿軸向拉力值從大到小排列依次是：受拉區(qū)、普通區(qū)、受壓區(qū)，與數(shù)值模擬結(jié)果一致；2）監(jiān)測進(jìn)行到第40～50天時(shí)，雖然各測區(qū)抗浮錨桿軸向拉力均出現(xiàn)大幅下降的情況，但是受拉區(qū)抗浮錨桿軸向拉力下降幅度明顯小于另外2個(gè)測區(qū)。3個(gè)測區(qū)抗浮錨桿軸向拉力值的不同，是主體結(jié)構(gòu)自重對抗浮錨桿軸向拉力的影響的實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證。受拉區(qū)抗浮錨桿軸向拉力下降幅度明顯小于另外2個(gè)測區(qū)，也和距主樓的距離較大有關(guān)。

3.2 監(jiān)測軸力值分析

如表1所示，受力最大的錨桿其實(shí)際檢測到的軸向拉力為218.72kN，是該工程抗浮錨桿抗拔承載力特征值190kN的1.15倍。然而，受力最小的抗浮錨桿內(nèi)力為109.21kN，是該工程抗浮錨桿抗拔承載力特征值190kN的0.57倍，證明在地下工程的抗浮錨桿設(shè)計(jì)中，確實(shí)存在一些區(qū)域的抗浮錨桿實(shí)際受力超過設(shè)計(jì)承載力特征值，一些部位的抗浮錨桿實(shí)際受力又遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)承載力特征值，這就可能造成某些區(qū)域抗浮錨桿布置過多，某些區(qū)域抗浮錨桿安全儲備不夠。

表1 抗浮錨桿軸力最值

3.3 抗浮錨桿內(nèi)力分布

在同一根抗浮錨桿上，不同深度處的內(nèi)力也存在差異，總的趨勢是由淺到深，抗浮錨桿軸向拉力逐漸減小。監(jiān)測結(jié)果顯示，受拉區(qū)抗浮錨桿軸向拉力最大值是為于-1m位置的218.72kN，是-8.5m位置軸向拉力值的3.15倍；普通區(qū)軸向拉力最大位置是最小位置的6.17倍；受壓區(qū)軸向拉力最大位置是最小位置的3.50倍。受拉區(qū)、普通區(qū)和受壓區(qū)抗浮錨桿在-8.5m深度處的軸向拉力分別為69.47kN、31.79kN和31.20kN，差別并不明顯，說明隨著深度的增加，抗浮錨桿內(nèi)力減小是非線性的過程，這一點(diǎn)在圖8也有所體現(xiàn)。

圖8 不同深度軸力

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

1）監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示出3個(gè)測區(qū)的抗浮錨桿中，軸向拉力從大到小依次是受拉區(qū)、普通區(qū)、受壓區(qū)，與有限元模擬結(jié)果相符。實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了地下工程受力不均的現(xiàn)象，為抗浮錨桿布置的優(yōu)化提供了實(shí)測數(shù)據(jù)參考；

2）該工程抗浮錨桿軸向拉力的變化分為3個(gè)階段：減小階段、增長階段、穩(wěn)定階段。抗浮錨桿軸向拉力的變化能夠間接反映工程建設(shè)的進(jìn)度和狀態(tài)。

3）抗浮錨桿內(nèi)力與普通錨桿一樣，從錨頭開始，隨著深度的增加，內(nèi)力逐漸減小?？垢″^桿軸力和深度的關(guān)系呈非線性關(guān)系。

4.2 展望

本次試驗(yàn)監(jiān)測，雖然得到了抗浮錨桿內(nèi)力的變化趨勢和實(shí)測數(shù)值，但是由于試驗(yàn)樣本較少，現(xiàn)場條件制約，試驗(yàn)監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)存在一定的局限性。接下來的工作中應(yīng)增加樣本容量，改良監(jiān)測方法，確保得到更加全面、可靠的數(shù)據(jù)。

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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

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1003-8965（2017）04-0048-04

甘肅省建設(shè)科技攻關(guān)項(xiàng)目（JK2015-4）