新型抗浮復(fù)合錨桿承載性狀試驗研究（建筑）
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新型抗浮復(fù)合錨桿承載性狀試驗研究（建筑）
滑鵬林1，楊生貴1,2
（1．中國建筑科學(xué)研究院，北京100013；2．建筑安全與環(huán)境國家重點實驗室，北京100013）
[摘要]本文提出一種新型抗浮復(fù)合錨桿，用于解決工程抗浮問題。這種復(fù)合錨桿具有造價低、承載力高、施工速度快的優(yōu)點。為了研究新型復(fù)合錨桿的承載性狀，進(jìn)行了現(xiàn)場試驗。試驗分成兩組：其—為粘結(jié)錨固試驗，研究復(fù)合錨桿構(gòu)件內(nèi)部荷載傳遞機理；其二為帶有自由段的復(fù)合錨桿基本試驗，用于分析復(fù)合錨桿內(nèi)部受力機理。試驗結(jié)果表明：鋼絞線與注漿體的粘結(jié)力與鋼絞線根數(shù)和錨固長度有關(guān)，鋼管與混凝土的粘結(jié)力與鋼管直徑和錨固長度有關(guān)；有自由段的復(fù)合錨桿桿身混泥土在自由段受壓，在錨固段部分受拉。相對于無自由段的普通錨桿，新型復(fù)合錨桿的極限拉應(yīng)力明顯變小。根據(jù)以上兩組試驗的相關(guān)結(jié)論，在保證復(fù)合錨桿粘結(jié)錨固可靠的前提下，可考慮減少錨固段長度，合理利用混凝土材料的受壓特性，可以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的。
[關(guān)鍵詞]復(fù)合錨桿；極限承載力；應(yīng)變；粘結(jié)力 [中圖分類號] TU473.1
0 引 言
近些年來，隨著城市建設(shè)快速發(fā)展，建筑物基礎(chǔ)埋深不斷加大，抗浮問題變得越來越突出。目前解決地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)抗浮問題的措施主要有釋放水浮力法、增加配重法和設(shè)置抗拔樁或抗浮錨桿等抗浮構(gòu)件。其中設(shè)置抗拔樁或抗浮錨桿等抗浮構(gòu)件，是解決地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)抗浮、基礎(chǔ)抗拔問題的常用方法。但是，普通抗拔樁和抗浮錨桿在工作狀態(tài)下，樁身混凝土或注漿固結(jié)體呈拉伸狀態(tài)。由于混凝土或注漿體抗拉強度低，受拉時樁身混凝土或錨桿注漿體出現(xiàn)裂縫，會導(dǎo)致樁身鋼筋或錨桿桿筋受地下水的侵蝕，鋼筋逐漸被腐蝕，最終導(dǎo)致鋼筋失效，而使抗浮構(gòu)件破壞。
目前，工程界解決這類問題一般從以下幾方面人手。第一方面，改變抗拔樁和抗浮錨桿的受力狀態(tài)，使樁或錨桿的受力狀態(tài)由受拉改變?yōu)槭軌�，這樣便可以有效減少裂縫的出現(xiàn)，從而可以提高桿筋的使用壽命。第二方面，對鋼筋進(jìn)行防腐處理或者增加保護(hù)措施，這樣也可以提高鋼筋的使用壽命。第三方面，增加抗拔樁和抗浮錨桿的配筋量，控制裂縫寬度，但此方法鋼筋強度得不到充分發(fā)揮，造成鋼材的極大浪費。
新型抗浮復(fù)合錨桿是近年研發(fā)的一項新技術(shù)，通過后植入方式，把帶有鋼管保護(hù)的桿筋植入混凝土桿身內(nèi)，其中鋼管內(nèi)注有水泥漿。根據(jù)實際情況可做成如圖1(a)所示的無自由段的新型抗浮復(fù)合錨桿和如圖1(b)所示的有自由段的新型抗浮復(fù)合錨桿。這種復(fù)合錨桿改善了桿體的受力模式，保護(hù)了受力桿筋，增加了復(fù)合錨桿的耐久性，同時還具有施工速度快、承載力高、工程造價低等優(yōu)點。
本文通過現(xiàn)場試驗，對有自由段的復(fù)合錨桿的荷載傳遞機理以及極限承載力進(jìn)行了初步分析。研究了新型抗浮復(fù)合錨桿在上拔荷載作用下的受力特點，了解這種復(fù)合錨桿內(nèi)部力的傳遞模式，尋找出復(fù)合錨桿設(shè)計的控制因素，為以后實際工程的優(yōu)化設(shè)計提供參考。
1試驗概況
1.1 試驗場地
試驗場地位于北京市順義區(qū)羊房村，場地為農(nóng)田。地質(zhì)情況大部分為粉土、粉質(zhì)黏土和黏土土層，地下水位埋深為1. 2m，地層情況見圖2，物理力學(xué)指標(biāo)見表1。
1.2 試驗內(nèi)容
本試驗中新型復(fù)合錨桿采用長螺旋鉆孔壓灌混凝土工藝，后植桿筋的方式來制成。試驗分為2組，分別是復(fù)合錨桿桿筋粘結(jié)錨固試驗和帶有自由段的復(fù)合錨桿試驗（以下簡稱復(fù)合錨桿）。鋼絞線的抗拉強度為1860MPa，直徑為15. 2mm，鋼管壁厚約4mm。2組試驗都采用長螺旋鉆孔壓灌施工工藝，孔徑均為
400mm，具體參數(shù)見表2、表3。
1.3 施工工藝
粘結(jié)錨固試驗和復(fù)合錨桿試驗施工流程：首先長螺旋鉆孔至設(shè)計深度；然后壓送混凝土( C25)，同時慢慢拔出鉆桿，直至全部灌滿。把底部封閉的鋼管吊起來，調(diào)整居中植入鉆孔中，通過人工或振搗器把鋼管植入指定位置；然后把灌漿導(dǎo)管放人鋼管內(nèi)，泵送水泥漿( PSA32.5)，待鋼管內(nèi)部灌滿后，把由鋼絞線組成的桿筋放人鋼管內(nèi)。
施工要點：
1)粘結(jié)錨固試驗中鋼絞線全長粘結(jié)，鋼管內(nèi)注滿水泥漿，鋼絞線為裸筋；復(fù)合錨桿試驗為半長粘結(jié)，上部6m鋼絞線為帶有護(hù)套的無粘結(jié)鋼絞線，下部6m為裸筋。
2)粘結(jié)錨固試驗中，鋼絞線露出桿身頂部1m。復(fù)合錨桿試驗中，鋼絞線露出桿身頂部1. 5m，以保證試驗的張拉要求。
3)鋼管外面設(shè)置對中支架，保持鋼管相對居中。
1.4測試及加載情況
1)粘結(jié)錨固試驗是為了研究桿身內(nèi)部荷載的傳遞機理。張拉反力作用在桿頂混凝土上，試驗采用分級加載，每級荷載維持15min，待百分表位移穩(wěn)定后，可施加下一級荷載，具體情況見圖3。
2)復(fù)合錨桿以及電阻式應(yīng)變計布置簡圖見圖4。復(fù)合錨桿在鋼管外壁布置電阻式應(yīng)變計，鋼筋計兩端焊接在鋼管上，其核心部件距離鋼管外壁2cm~ 3cm，每個截面對稱布置兩個。
復(fù)合錨桿的加載方式，按以下方式進(jìn)行：
1)初始荷載下，應(yīng)測讀錨頭、桿頂位移基準(zhǔn)值3次，當(dāng)每間隔5 min的讀數(shù)相同時，方可作為位移基準(zhǔn)值。
2)每次加、卸載穩(wěn)定后，在觀測時間內(nèi)測讀錨頭位移、桿頂位移不應(yīng)少于3次。
3)在每級荷載的觀測時間內(nèi)，當(dāng)錨頭位移增量不大于0. 1mm時，可施加下一級荷載；否則應(yīng)延長觀測時間，直至錨頭位移增量在2h內(nèi)小于2mm時，方可施加下一級荷載。
當(dāng)復(fù)合錨桿試驗中遇下列情況之一時，應(yīng)終止繼續(xù)加載：
1)后一級荷載產(chǎn)生的錨頭位移增量達(dá)到或超過前一級荷載產(chǎn)生的位移增量的2倍。
2)錨頭位移不收斂。
具體加載方式見圖5，試驗加載過程見表4。
2 試驗結(jié)果及分析
2.1 粘結(jié)錨固試驗受力分析
圖6表示鋼管外徑為58mm，3根鋼絞線，粘結(jié)長度分別為3m和4m的受力情況。每級荷載為150kN，粘結(jié)長度為3m的構(gòu)件在荷載為750kN時，鋼管從混凝土中拔出，因此鋼管與混凝土的極限粘結(jié)力為600kN;粘結(jié)長度為4m的構(gòu)件在荷載為800kN時，鋼絞線被拔斷，鋼管未被拔出。由此推算鋼管與混凝土的極限平均粘結(jié)強度
為：
圖7表示鋼管外徑為73mm，5根鋼絞線，粘結(jié)長度分別為3m和4m的受力情況。每級荷載為240kN，粘結(jié)長度為3m的構(gòu)件在荷載為1200kN時，鋼管從混凝土中拔出，鋼管與混凝土的極限粘結(jié)力為960kN;粘結(jié)長度為4m的構(gòu)件在荷載為1200kN時，粘結(jié)錨固體系穩(wěn)定，加下一級荷載時，鋼絞線被拔斷，鋼管未被拔出，同理可推出為：
圖8表示鋼管外徑為88mm，7根鋼絞線，粘結(jié)長度分別為3m和4.Sm的受力情況。每級荷載為300kN，粘結(jié)長度為3m的構(gòu)件在荷載為1500kN時，鋼管從混凝土中拔出，鋼管與混凝土的極限粘結(jié)力為1200kN；粘結(jié)長度為4.5m的構(gòu)件在荷載為1800kN時，鋼絞線被拔斷，鋼管未被拔出，同理可推出為：
從表5中可以看出，當(dāng)鋼管長度不大于3m時，復(fù)合錨桿粘結(jié)錨固的薄弱面為鋼管和混凝土的接觸面，極限粘結(jié)強度為1.1 MPa~1.45MPa。當(dāng)鋼管的長度不小于4m時，與之相匹配的鋼絞線被拔斷。在復(fù)合錨桿試驗中鋼管和混凝土的粘結(jié)長度為12m，由表5可知在荷載不大于1500kN時不會發(fā)生鋼管從混凝土拔出的情況，配置的9根鋼絞線也不會被拔斷。本試驗設(shè)計時有安全儲備，保證復(fù)合錨桿從土中拔出，而不發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。
2.2 復(fù)合錨桿荷載-位移關(guān)系及極限承載力
復(fù)合錨桿張拉荷載及對應(yīng)的桿身頂部位移、錨頭位移關(guān)系見圖9。圖9有2條曲線，曲線A的位移為桿身頂部位移，曲線B的位移為錨頭位移（已扣除反力梁沉降的影響）。復(fù)合錨桿的彈性變形、塑性變形情況見圖10。圖10有4條曲線。曲線C的位移為錨頭彈性位移，曲線D的位移為錨頭塑性位移，曲線E的位移為桿身頂部塑性位移，曲線F的位移為鋼絞線與桿身之間的塑性位移。
從圖9可看出，隨著拉力的增加，桿身頂部位移、錨頭位移同步增加。當(dāng)在第十循環(huán)拉力達(dá)到700kN時，桿頂和錨頭位移開始不收斂，因此判斷復(fù)合錨桿的極限承載力為650kN。
從圖9曲線A可以看出，在每一循環(huán)的卸載時，桿身頂部的回縮量很小，說明桿身頂部位移主要是塑性位移。桿身頂部位移反映的是混凝土桿身與原地基土之間的相對變形，該相對變形主要是塑性變形。從圖10曲線E可似看出，該塑性變形隨著荷載增大而增大。當(dāng)加載到復(fù)合錨桿極限承載力時，該塑性變形值為4. 8mm。
錨頭的塑性位移由兩部分組成，一部分是桿身與土體之間塑性位移，另一部分是鋼絞線與桿身之間的塑性位移。圖10中曲線D的位移為錨頭塑性位移，曲線E的位移為桿身頂部塑性位移，曲線D減去曲線E的位移即為鋼絞線與桿身之間的塑性位移，即圖10中曲線F，曲線F的位移隨荷載的增加而增大，其數(shù)值在0. 0mm~8.2mm之間，此即鋼絞線與桿身之間的相對變形，在加載到錨桿極限承載力時，該相對變形值為8. 2mm。
2.3 桿身受力機理分析
本次試驗過程中，復(fù)合錨桿桿體結(jié)構(gòu)良好。試驗中電阻式應(yīng)變計的兩端是焊接在鋼管外壁上，其核心部件與鋼管外壁相距約20mm~30mm，外面被混凝土包裹。由于鋼管長度為12m，鋼管和混凝土的粘結(jié)力足夠。試驗中兩者之間沒有發(fā)生滑移，兩者變形同步，因此電阻式應(yīng)變計所測應(yīng)變近似反應(yīng)混凝土的變形。
2.3.1 復(fù)合錨桿桿身應(yīng)變分析
實測各級荷載下，復(fù)合錨桿桿身應(yīng)變沿深度的變化見圖1 1。
1)從圖11可以看出復(fù)合錨桿桿身有受壓區(qū)和受拉區(qū)。6m位置的壓應(yīng)變最大，并且隨著荷載增大而不斷變大；而拉應(yīng)變的峰值在荷載較小時位于8. 5m處。在荷載較大時，拉應(yīng)變峰值位于11m處。
2)加載初期，桿身頂部應(yīng)變很小，受力區(qū)在桿身中部以及下部區(qū)域。隨著荷載的增大，受力區(qū)域逐漸向錨桿頂部擴展，這說明土對桿身的側(cè)摩阻力從復(fù)合錨桿中部及下部開始，逐漸向桿頂擴展，最終桿身整體達(dá)到極限狀態(tài)。
3)隨著荷載不斷增加，受拉區(qū)范圍沿深度不斷減小，8. 5m深度處的桿身應(yīng)變情況由開始的拉應(yīng)變逐漸變?yōu)閴簯?yīng)變。這說明隨著荷載的增大，鋼管內(nèi)部鋼絞線所受粘結(jié)力的范圍不斷增大，粘結(jié)力向下部傳遞，使粘結(jié)段上部的桿身混凝土由受拉區(qū)變?yōu)槭軌簠^(qū)。
4)試驗中由于粘結(jié)段鋼絞線上面的油污未完全除凈，使得鋼絞線和注漿體的粘結(jié)強度有所降低，從而導(dǎo)致鋼絞線和注漿體之間粘結(jié)力的傳遞范圍增大。
2.3.2復(fù)合錨桿桿身受力分析
本試驗場地土質(zhì)相對均勻，差異性不大，因此可以假定：場地土質(zhì)均勻，試驗深度范圍內(nèi)土對錨桿的極限側(cè)摩阻沿深度均勻分布；鋼絞線和注漿體之間的粘結(jié)力沿粘結(jié)范圍均勻分布。復(fù)合錨桿的極限承載力為650kN。因此，可以建立模型來討論復(fù)合錨桿桿身的受力情況。
在理想狀態(tài)下，鋼絞線和注漿體的作用力為集中力時，作用點為圖12(a)中桿身中心點。此時混凝土桿身受力情況見圖12(b)。而在實際受力過程中，鋼絞線和注漿體之間的力是分布力而不是集中力，假設(shè)分布力是均勻分布的。考慮到圖11中8. 5m位置在極限荷載下，桿身混凝土處于受壓狀態(tài)。因此可以假設(shè)鋼絞線和注漿體粘結(jié)力影響到10m的位置，此時混凝土桿身實際受力情況見圖12(c)。
比較圖12(b)和(c)可以看出，由于鋼絞線與注漿體之間存在粘結(jié)分布力，使混凝土桿身的軸力圖發(fā)生變化，即拉應(yīng)力區(qū)、拉應(yīng)力峰值均明顯減小。
圖13為受拉區(qū)鋼絞線與注漿體的粘結(jié)錨固存在相對變形時的受力簡圖。其傳力模式為：鋼絞線
水泥漿體鋼管混凝土土層，當(dāng)鋼絞線與注漿體存在粘結(jié)應(yīng)力時，拉力1大于拉力2。
2. 4 復(fù)合錨桿的優(yōu)化設(shè)計
復(fù)合錨桿的優(yōu)化設(shè)計方向在于：其一，減小桿身混凝土的拉應(yīng)力峰值以及拉應(yīng)力區(qū)的范圍，增大混凝土的受壓區(qū)范圍，充分利用混凝土的抗壓特性；其二，在保證粘結(jié)錨固可靠性的前提下，盡量減小鋼絞線的粘結(jié)錨固段；其三，合理選擇鋼管以及鋼絞線的型號，從材料上進(jìn)行優(yōu)化，降低造價。
通過上述試驗分析，復(fù)合錨桿的極限承載力為650kN，當(dāng)采用DN65型號的鋼管，鋼管與混凝土粘結(jié)長度為12m時，其粘結(jié)力足夠；粘結(jié)錨固試驗表2中編號3的試驗結(jié)果為：錨固長度為3m時，5根鋼絞線的極限承載力為960kN，單根鋼絞線的平均承載力為192kN。所以可以在DN65的鋼管內(nèi)設(shè)置4根鋼絞線，總的極限承載力為768kN，其值大于650kN。因此選用這種優(yōu)化設(shè)計，桿體結(jié)構(gòu)是安全可靠的。
優(yōu)化方案：采用DN65的鋼管，長度為12m。選用復(fù)合錨桿試驗中用到的鋼絞線4根，鋼絞線錨固長度為3m。如圖14(a)所示，下部3m為錨固段，上部9m為無粘結(jié)段。
在場地土質(zhì)均勻的情況下，試驗深度范圍內(nèi)土對錨桿的極限側(cè)摩阻沿深度均勻分布。在理想狀態(tài)下，鋼絞線和注漿體的作用力為集中力時，桿身混凝土軸力圖見圖14(b)，其受壓范圍占了桿身的3/4。
在實際情況中，當(dāng)鋼絞線和注漿體的作用力為分布力時，假設(shè)其是均勻分布的，桿身混凝土受力簡圖見圖14(c)中的實線，拉應(yīng)力區(qū)、拉應(yīng)力峰值均相對減小，受壓區(qū)擴大，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計的目的。
3 結(jié) 論
通過以上對粘結(jié)錨固試驗、復(fù)合錨桿試驗的分析，得出以下結(jié)論：
1)在粘結(jié)錨固試驗中鋼絞線與注漿體的粘結(jié)力與鋼絞線根數(shù)和錨固長度有關(guān)，鋼管與混凝土的粘結(jié)力與鋼管直徑和錨固長度有關(guān)。在試驗中當(dāng)粘結(jié)錨固長度為3m時，鋼管和混凝土的接觸面為薄弱面；當(dāng)粘結(jié)錨固長度為4m及以上時，不會發(fā)生粘結(jié)錨固破壞，鋼絞線的極限承載力成為控制因素。
2)在復(fù)合錨桿試驗中，桿體的極限抗拔承載力為650kN。在位移曲線中，極限荷載下鋼絞線的彈性位移為22. 7mm，其在錨頭位移中占主要部分；在極限荷載時桿頂塑性位移為4. 8mm，說明復(fù)合錨桿在達(dá)到極限荷載時變形較小，復(fù)合錨桿剛度較大。
3)在有自由段的復(fù)合錨桿試驗中，桿身混凝土在自由段受壓，在錨固段部分受拉。相對于無自由段的普通錨桿，復(fù)合錨桿桿身混凝土的極限拉應(yīng)力明顯減小，這種受力模式可以減少裂縫的出現(xiàn)，保證復(fù)合錨桿的耐久性。
4)有自由段的復(fù)合錨桿的優(yōu)化設(shè)計，在保證復(fù)合錨桿粘結(jié)錨固可靠的前提下，可以考慮減少錨固段長度，合理利用混凝土材料的受壓特性，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的。
