錨杆抗拔是怎麼計算的（漫談抗拔錨杆索）

2023-10-08 02:28:03 2

1、抗拔錨杆（索）形式

錨杆按錨固段巖土體的不同，分為土層錨杆和巖石錨杆。

圖1-1 等截面型土層錨杆

圖1-2 擴體型土層錨杆

圖1-3 巖石錨杆

等截面型土層錨杆錨固段長度宜取6~12m，錨杆最小直徑為130mm。巖石錨杆錨固段長度宜取3~8m。

擴體型土層錨杆擴大頭最小埋深不應小於7m（當擴大頭錨固段埋置深度比較淺時，破壞體近似呈倒鐘形並延伸至地表面，這種破壞模型具有突發性，破壞後果嚴重），擴大頭長度宜取2~6m，錨固段總長度（含擴大頭長度）宜為6~10m，普通錨固段長度宜為1~4m。錨杆間距應符合下列規定：①水平間距不應小於1.8m，豎向間距不應小於3m（豎向間距限制應用於基坑支護工程）；②擴大頭的水平淨距不應小於擴大頭直徑的1倍，且不應小於1.0m，豎向淨距不應小於擴大頭直徑的2倍；③當間距較小時，應加大錨杆長度、加大擴大頭埋深，並將擴大頭合理錯開布置。

在地下水的作用下，長錨杆的注漿非常困難，很難保證其注漿質量，此外長錨杆在受荷時，注漿體與地層界面上的黏結應力分布是極不均勻的，沿錨固段全長的粘結應力一般呈現分布區間短、粘結應力峰值高的特點，導致錨固段周邊巖土體的抗剪強度不能被充分發揮。一般認為錨杆長度儘可能不大於15~18m（若巖土單位有信心保證錨杆施工質量及順利通過錨杆抗拔試驗，錨杆長度原則上是不限制的，不過阿扯倒吃過兩次長錨杆的虧）。

因此當巖層埋置深度較大時，阿扯建議採用錨杆長度合理的土層錨杆。但是等截面型土層錨杆所提供的抗拔承載力非常有限，當水浮力較大時，錨杆間距較密，錨杆數量較多，群錨效應明顯，進而導致錨杆抗拔承載力進一步降低。此時無論從錨杆受力機理方面還是造價成本方面，等截面型土層錨杆均不是較優方案，這時擴體型土層錨杆是相對較優的選擇（下文所提擴大頭錨杆均指擴體型土層錨杆）。

擴大頭錨杆受力機理分為三個階段：第一階段為摩擦型階段，在此階段，其主要受力為錨固段的側摩阻力；第二階段為摩擦端承型階段，此階段最明顯的特徵是其曲線上出現一個「端壓拐點」，以「端壓拐點」為界，由摩擦型向摩擦端承型轉變；第三階段為塑性區發展階段，其主要特徵為錨杆周圍的土體不斷地被壓密和強化，導致擴大頭處的端壓力不斷增大，從而提高了擴大頭錨杆的錨固力。

擴大頭錨杆的抗拔承載力分為三部分，一部分是等直徑錨固段與土體的側摩阻力，另一部分是擴大頭錨固段與土體的側摩阻力，第三部分是土體作用於擴大頭截面的端阻力，屬於摩擦端承型錨杆。

圖1-4 擴大頭錨杆受力機理

下面阿扯在等錨杆長度及地質條件一致的情況下，對比等截面型土層錨杆與擴體型土層錨杆的抗拔承載力特徵值的差異（錨杆承載力計算方法詳下文，此處僅以計算表格方式展示計算結果）。

圖1-5 等截面型土層錨杆抗拔承載力特徵值計算表格

（錨杆直徑180mm，錨杆長度13m）

圖1-6 擴體型土層錨杆抗拔承載力特徵值計算表格

（錨杆普通段直徑180mm，長度7m）

（擴大頭段直徑600mm，長度6m）

由上述計算結果可知在一定條件下，擴體型土層錨杆抗拔承載力特徵值是等截面型土層錨杆的3倍多。從造價成本上，錨杆數量可減少2/3，但錨杆單價上等截面型土層錨杆僅比擴體型土層錨杆低30~50元/m（考慮等截面型土層錨杆筋體採用HRB500，擴體型土層錨杆採用PSB1080或鋼絞線），所以無論從造價成本上還是施工工期上，擴體型土層錨杆均較等截面型土層錨杆優出不少。

錨杆按是否施工預應力，分為預應力錨杆（索）和非預應力錨杆。由於阿扯資歷尚淺，目前為止還未參與過預應力錨杆（索）設計，實力不允許扯太多預應力錨杆（索）那點事（由於後張拉節點極易形成漏水點，預應力錨杆相對較少應用於地下室抗浮設計）。為了文章的完整性，阿扯問了一遍度娘，簡要扯一下預應力錨杆與非預應力錨杆施工工藝的差異之處（張拉鎖定工藝）。

預應力錨杆（索）的張拉鎖定工藝要點：①張拉鎖定宜在錨固體強度大於30MPa、底板混凝土達設計強度80%後進行；②鋼絞線預應力張拉分為單股預緊和張提分級張拉2個階段。錨索正式張拉前，應取10%~20%的設計張拉荷載，對其預張拉1~2次，使鋼絞線完全平直，且個部分緊密接觸。對於分散型錨索，因各單元錨索長度不同，張拉必須嚴格按照要求分次序分單元，採用差異張拉。整體張拉共分5級，即設計荷載的25%、50%、75%、90%、100%、110%。在張拉到最後一級荷載時，持荷穩定20min後可卸荷鎖定。錨索鎖定後48h內，如有明顯的預應力損失現象，則應及時進行補償張拉。當保持最大總荷載20min，且20min內錨索的徐變位移值不大於1mm時，則認為錨索合格，否則需再穩定45min。錨索合格後，以20kN/min勻速卸載至設計荷載鎖定。

錨杆按錨固段灌漿體受力的不同，分為拉力型錨杆、壓力型錨杆、拉力分散型錨杆和壓力分散型錨杆。

拉力型錨杆：通過筋體與錨固段注漿體的黏結力來傳遞荷載，其注漿體與巖土層的剪應力分布十分不均勻，錨固段前端存在嚴重的剪應力集中現象，從而易導致注漿體拉裂，防腐性能較差。

圖1-7 拉力型錨杆大樣圖

圖1-8 拉力型錨杆結構原理

壓力型錨杆：錨杆受力時，拉力直接由筋體傳至錨固段末端的承載體，通過承載體對注漿體施加壓應力，此時注漿體為受壓狀態，不易開裂，此外壓力型錨杆注漿體受壓後，徑向體積膨脹，加大了法向壓力，從而提高了壓力型錨杆與巖層間摩阻力。但壓力分散型錨杆仍然在其錨固段末端存在著應力集中現象。

圖1-9 壓力型錨杆大樣圖

圖1-10 壓力型錨杆結構原理

拉力分散型錨杆：拉力分散型錨杆一般採用無粘結的預應力鋼絞線，其荷載傳遞機理是將處在錨固段不同部位處的鋼絞線按一定的順序逐步剝除其表面的防護套管，使其變成有粘結段，從而將拉力荷載逐段分散地傳遞至錨固段注漿體。在荷載被分散傳遞的情況下，拉力分散型錨杆錨固段的應力分布相對更加均勻，但由於其注漿體的拉應力狀態沒有改變，故其受力形式並非最佳選擇。

圖1-11 拉力分散型錨杆大樣圖

圖1-12 拉力分散型錨杆結構原理

壓力分散型錨杆：壓力分散型錨杆的荷載傳遞機理與壓力分散型錨杆類似，不同之處在於壓力分散型錨杆的錨固段內設置多個承載體，使筋體傳遞來的拉力能夠分散地作用在各個承載體上，保證錨固段注漿體處於受壓狀態，且應力分布更加均勻。

圖1-13 壓力分散型錨杆大樣圖

圖1-14 壓力分散型錨杆結構原理

拉力型錨杆目前主要應用於抗拔承載力較低的土層錨杆中。當錨杆抗拔承載力較高（筋體應力水平較高）時，阿扯建議採用壓力分散型錨杆，目前壓力分散型錨杆應用較為廣泛（錨杆筋體主要採用精軋螺紋鋼或鋼絞線）。拉力分散型錨杆及壓力型錨杆則較少應用於地下室抗浮設計中。

錨杆按筋體類型的不同，分為熱軋帶肋鋼筋（HRB400、HRB500）、精軋螺紋鋼（PSB930、PSB1080）及鋼絞線（1720級、1860級、1960級）。

錨杆筋體類型的選取應結合錨杆抗拔承載力水平及成本造價。當錨杆抗拔承載力水平較低時，可採用熱軋帶肋鋼筋（HRB400、HRB500）；當錨杆抗拔承載力水平較高時，則採用精軋螺紋鋼（PSB930、PSB1080）及鋼絞線（1720級、1860級、1960級）。以阿扯以往項目經驗，錨杆抗拔承載力特徵值≤200kN時，錨杆筋體可採用HRB500；錨杆抗拔承載力特徵值介於200~600kN時，可採用精軋螺紋鋼PSB930及PSB1080（直徑最大40mm），當直徑40mm的PSB1080都無法滿足錨杆抗拔承載力時，則採用鋼絞線（1720級、1860級、1960級）。

以上阿扯主要講述抗拔錨杆各種形式類別及其受力機理等，下面簡要談一下地下室抗浮設計中抗拔錨杆布置方式。

錨杆布置方式主要分為跨中均勻布置式和柱下集中布置式。

圖1-15 跨中均勻布置式

圖1-16 柱下集中布置式

柱下集中布置式的錨杆數量可較跨中均勻布置式少（若設計人員願意花多點心思去優化調整跨中均勻布置式的錨杆，這兩種錨杆布置方式的錨杆數量差異不大）。但是錨杆按跨中均勻布置式設計時，錨杆成為底板跨中的彈簧支座，水浮力作用下，可有效減小底板跨中彎矩，底板土建成本絕大部分情況下可較柱下集中布置式低。

當考慮錨杆的抗壓承載力時，柱下集中布置式底板土建成本可較跨中均勻布置式低。此時錨杆相當於樹根樁（微型樁），起到地基處理的作用。下面阿扯舉一計算例子說明樹根樁複合地基。

假設地下車庫層數為3層，柱底軸力標準值為4000kN，持力層為粉土（Fak=120kPa）。當採用錨杆跨中均勻布置式時，基礎形式則為筏板 柱墩基礎，假若底板內力由豎向荷載作用下的地基反力控制，則此時即使跨中錨杆布置再多都無法減小底板土建成本；但當採用錨杆柱下集中布置式時，考慮錨杆的抗壓承載力（樹根樁複合地基承載力計算如下圖），複合地基承載力特徵值Fak=260kPa，可採用柱下獨立基礎，此時極有可能柱下集中布置式底板土建成本較跨中均勻布置式低。

圖1-17 樹根樁複合地基計算表格

下面阿扯談一談一種地下室抗浮設計中比較新鮮的抗拔錨杆施工工藝（阿扯前一段時間偶然看到的一篇論文中提及的抗拔錨杆施工工藝）——抗拔錨杆逆作法。

在地下室抗浮方案的優選上，雖然從土建造價成本上抗拔錨杆方案優於抗拔樁方案，但是由於抗拔樁可於地面與基坑支護等同時施工，抗拔樁方案施工周期短於抗拔錨杆方案。對於視施工工期於金錢的業主會優先考慮抗拔樁方案。以上所說的抗拔錨杆方案是順作法工藝，對於抗拔錨杆逆作法，無論是從土建造價成本還是施工工期都優於抗拔樁方案。以簡單介紹一下預應力錨索順作法工藝及逆作法工藝，方便夥伴們了解這種做法。

預應力錨索順作法工藝：混凝土墊層→定位→鑽孔→錨索製作→清孔→安放錨索→一次常規注漿→二次壓力注漿→施工底板結構（施工時預留錨索張拉口）→（底板及錨索錨固體）養護→預應力張拉、鎖定→預留洞及錨頭封堵（預應力張拉、鎖定及預留洞及錨頭封堵可與地下室樓層施工同時進行）。

預應力錨索逆作法工藝：混凝土墊層→施工底板結構（施工時預留錨索張拉口）→鑽孔→錨索製作→注替漿→安放錨索→養護→張拉、鎖定→補灌漿→微膨脹混凝土封堵錨頭。抗浮錨索與地下室樓層施工同時進行，節省施工工期。由於錨杆施工在地下室結構及回填土完成後進行，周邊場地的地下水匯入施工作業面引起錨杆注漿困難，因此在水量較大的區域，利用個別錨杆預留孔降水後施工大部分的錨杆，最後堵漏處理的方式予以施工降水的錨杆。

圖1-18 底板預留孔做法大樣

2、抗拔錨杆（索）設計計算方法

阿扯通過抗拔錨杆破壞形式來講一講抗拔錨杆（索）設計計算方法（《巖土錨杆（索）技術規程》、《抗浮錨杆技術規程》、《全國民用建築工程設計技術措施-結構（地基與基礎）》、《地基基礎勘察設計規範（深圳市標準）》及《高壓噴射擴大頭錨杆技術規程》）。

抗拔錨杆破壞形式：①錨杆沿巖土體接觸面拔出；②錨杆筋體被拉斷；③筋體沿其注漿體接觸面拔出；④錨杆與周邊巖土體呈倒錐體形破壞。

為避免錨杆沿巖土體接觸面拔出，等截面型土層錨杆、擴體型土層錨杆及巖石錨杆應分別根據以下公式進行錨杆抗拔承載力特徵值計算。

公式2-1 等截面型土層錨杆抗拔承載力特徵值

《全國民用建築工程設計技術措施-結構（地基與基礎）》

表7.2.2-2 抗拔係數λ

公式2-2 擴體型土層錨杆抗拔承載力特徵值

《高壓噴射擴大頭錨杆技術規程》

表4.1.1 錨杆安全係數

表4.6.3 注漿體與土層間的極限摩阻強度標準值

公式2-3 巖石錨杆抗拔承載力特徵值

《巖土錨杆（索）技術規程》

表7.3.1 巖石錨杆錨固體抗拔安全係數K

表7.5.1-1 巖石與水泥砂漿或水泥結石體的粘結強度標準值

表7.5.1-2 土層與水泥砂漿或水泥結石體的粘結強度標準值

表7.5.2 錨固長度對粘結強度的影響係數ψ

為避免錨杆筋體被拉斷，根據以下公式進行錨杆筋體截面積計算。

公式2-4 錨杆筋體截面積

《地基基礎勘察設計規範（深圳市標準）》

對永久性抗拔錨杆應考慮抗腐蝕要求，杆體截面直徑加大5～10mm，實際取比計算杆體直徑加大一個等級。

為避免筋體沿其注漿體接觸面拔出，根據以下公式進行錨杆錨固長度驗算（對於全長粘結型錨杆，基本不起控制作用）。

公式2-5 錨杆錨固長度驗算

《巖土錨杆（索）技術規程》

表7.5.1-3 鋼筋、鋼絞線與水泥砂漿或水泥結石體的粘結強度標準值

為避免錨杆與周邊巖土體呈倒錐體形破壞，根據以下公式進行群錨效應驗算。

公式2-6 群錨效應驗算

《抗浮錨杆技術規程》

圖2-1 群錨效應驗算簡圖

規範中群錨效應驗算公式均未考慮錨固體破裂面與巖土體的摩阻力，阿扯認為飽和土體抗剪強度喪失嚴重，可保守不考慮錨固體破裂面與土體的摩阻力，此公式適用於土層錨杆。但是對於巖石錨杆，則過於保守。阿扯舉例子對比巖石錨杆群錨效應驗算時考慮巖石抗剪強度與不考慮巖石抗剪強度的區別。

圖2-2 考慮巖石抗剪強度的群錨效應驗算結果（安全係數為13.41）

圖2-3 不考慮巖石抗剪強度的群錨效應驗算結果（安全係數為1.04）

由以上計算結果表明， 巖石抗剪強度往往對於巖石錨杆的群錨效應驗算起控制性作用 。

以上扯了這麼多抗拔錨杆承載力設計計算方法，這僅僅只是估算，最終還是得以錨杆抗拔試驗結果為準。 下面阿扯簡述一下錨杆抗拔試驗。

驗收試驗的錨杆數量不得少於錨杆總數的5%，且不得少於 3 根。對有特殊要求的工程，可按設計要求增加驗收錨杆的數量。永久性等截面型土層錨杆及巖石錨杆最大試驗荷載應取錨杆抗拔承載力特徵值的 2 倍。永久性擴體型土層錨杆最大試驗荷載可取錨杆抗拔承載力特徵值的 1.5 倍（《高壓噴射擴大頭錨杆技術規程》）。

大家要是需要各類建築資料的，可以去「土木智庫」公眾號，裡面有一個「免費資源」菜單，可供大家選擇，注意是公眾號，不是頭條！