地下工程抗浮錨桿內力長期監測試驗與分析

張永志 王公勝 孫 文 肖婭婷 楊全兵

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

地下工程抗浮錨桿內力長期監測試驗與分析

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

為了研究抗浮錨桿安裝完成后，其實際受力隨時間的變化情況，以蘭州某含裙房和地下室的高層建筑為研究背景，對照有限元數值模擬結果，將抗浮錨桿按受力情況劃分為3個測區，在對應區域抗浮錨桿上安裝鋼筋應力計進行長期試驗監測。監測結果顯示：①抗浮錨桿的內力變化過程隨時間和工程進度的變化分為三個階段，即減小階段、增長階段和穩定階段。產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構荷載的不斷增加。②抗浮錨桿的受力狀態與主樓的距離有關,靠近主樓的抗浮錨桿軸向拉力很小，而遠離主樓的抗浮錨桿軸向拉力超過了其設計值。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數值模擬與實際監測結果互為驗證，為抗浮錨桿的優化設計提供了理論依據與實測數據的支持。

抗浮錨桿；長期監測；數值模擬；受力機理

長久以來，地下水浮力是影響沿海地區地下工程安全與質量的重要原因[1]，然而，隨著城市建設用地的日趨緊缺，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，具有地層適應性強，單點受力小，布置靈活，便于施工，工期短，節約造價等優點[2]，近年來得到了廣泛地應用。圖1統計了從2006年至2016年10年期間，在學術期刊上發表的抗浮錨桿相關論文數量，2016年是2006年的4.91倍，印證了抗浮錨桿在工程中應用越來越多的事實，也說明，抗浮錨桿在廣泛應用的同時，技術上遇到了越來越多的挑戰。

目前國內外專家學者和工程技術人員關于抗浮錨桿的研究主要集中在受力機理、優化設計和施工工藝3個方面。

圖1 論文數量統計

關于抗浮錨桿受力機理的研究可分為不同錨桿材料和不同的地質條件兩種，如李偉偉等[3]研究了GFRP抗浮錨桿代替傳統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 錨桿的破壞形態和桿體軸向應力與黏結應力分布規律的異同。Lee 等[4]認為GFRP 抗浮錨桿界面黏結強度隨混凝土抗壓強度的增加而增大，但是黏結強度的增加幅度比鋼筋與混凝土的界面黏結強度小得多。張明義等[5]對青島大劇院工程場地進行了測力元件抗浮錨桿破壞性拉拔試驗，重點研究了試驗錨桿桿體的軸力、桿體與注漿體之間的剪應力變化規律。

關于抗浮錨桿優化設計的研究主要集中在錨桿的布置方式和計算方法上，如馬驥等[6]通過分析承壓型預應力抗浮錨桿在施工、使用階段的應力變化，結合相關規范要求與工程實例，對承壓型預應力抗浮錨桿的設計原則、設計方法進行探討，概括總結了此類錨桿設計計算的相關內容。

在抗浮錨桿的施工工藝方面，國內外學者也做了大量研究，如蔡洪偉[7]結合大連－濱海地區某工程實例，闡述了抗浮錨桿的試驗、設計及施工過程。李啟東等[8]從施工工藝改進、多專業施工配合、全過程技術控制角度，研究了預應力抗浮錨桿成套施工新技術。

然而，對于抗浮錨桿施工完成后，其實際的受力狀態、變化趨勢等，國內外還缺乏相應的研究。蘭州的地質條件在西北地區比較具有代表性，黃土層、卵石層等地質條件，與沿海軟土地質有很大區別，抗浮錨桿的應用較少，缺乏試驗數據。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行了長期的監測研究，了解了抗浮錨桿內力隨時間的變化趨勢與受力機理，用實測數據驗證了前人關于抗浮錨桿優化設計和受力機理，補充了西北地區抗浮錨桿的試驗數據。

1 工程概況

試驗監測以蘭州市某住宅小區工程為依托，場地地貌單元屬黃河南岸II級階地，地層主要由雜填土、粉質粘土、卵石和強風化砂巖構成。勘察期間，地面標高為1513.16～1513.91m，最大高差0.75m，場地地勢平坦。地下水穩定水位深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，工程抗浮錨桿設計采用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，在整個場地均勻布置。

2 試驗監測方法

2.1 數值模擬與測區選擇

在實際工程中，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，抗浮錨桿承受的軸向拉力越大[9～10]。然而現階段進行抗浮錨桿設計時，雖然主樓下方不會布置抗浮錨桿，但是對其它位置進行抗浮錨桿設計時，不管與主樓的距離是否不同，浮力均取平均值計算，這顯然與實際情況是不符的。為了選擇有代表性的抗浮錨桿進行試驗監測，監測前采用MIDAS-GTS有限元軟件對該工程的抗浮錨桿進行數值模擬計算，圖2為有限元模型，圖3為數值模擬結果。

圖2 有限元模型

圖3 數值模擬結果

數值模擬結果顯示，在場地內接近主樓區域的抗浮錨桿軸力很小，遠離主樓的抗浮錨桿軸力很大。根據以上特點，將場地內抗浮錨桿軸力遠大于設計值的區域劃分為受拉區、遠小于設計值的區域劃分為受壓區，其它的抗浮錨桿劃分到普通區。在3個測區內各選3根錨桿進行監測，圖4是被監測錨桿位置。

2.2 監測儀器與安裝

監測時將振弦式鋼筋應力計安裝于錨桿鋼筋上，鋼筋受力產生的變形將引起機械連接于鋼筋上的儀器內鋼弦變形，使鋼弦發生應力變化，從而改變鋼弦的振動頻率。測量時利用電磁線圈激撥鋼弦并量測其振動頻率，頻率信號經電纜傳輸至頻率讀數裝置或數據采集系統，再經換算即可得到鋼筋的應力變化量。同時由鋼筋應力計中的熱敏電阻可同步測出埋設點的溫度值。在每根錨桿的不同位置安裝4枚鋼筋應力計，監測該錨桿不同深度處的內力。安裝示意見圖5。

圖4 監測位置

圖5 鋼筋應力計安裝

圖6 數據傳輸與采集

如圖6所示，鋼筋應力計數據傳輸線布置在剪力墻內部直到±0.00標高后，接入信號采集裝置。剪力墻內的數據傳輸線外套PVC管，防止振搗作業和高溫環境損壞數據線，±0.00以上的數據線穿入DN48鋼管，引入防護箱內進行接頭保護和數據采集。

2.3 監測頻率及周期

監測從基坑回填至±0.00標高后開始，從首次采集數據時間開始，到降水完全停止后2個月內，每周采集數據2次，以后每周采集數據1次，直到錨桿內力監測值趨于穩定為止。

3 試驗監測結果與分析

3.1 抗浮錨桿內力變化趨勢

從監測開始到結束，共歷時約180天時間，通過測得的抗浮錨桿鋼筋應力，計算得出抗浮錨桿所受軸力，繪制了不同測區抗浮錨桿、不同深度處軸力隨時間的變化曲線。圖7是各測區抗浮錨桿軸力隨時間的變化曲線。

圖7 抗浮錨桿內力變化曲線

由圖7可見，首先，3個測區的抗浮錨桿軸力隨時間的變化曲線都顯示出3個共同的特征：1）抗浮錨桿的軸向拉力經歷了先減小，再增大，最后趨于穩定的3個階段；2）所有測區抗浮錨桿軸力在第40～50天時，變化幅度較大，在曲線上形成凹谷；3）曲線出現凹谷前的抗浮錨桿軸力值均小于凹谷出現后的軸力值。在整個工程的施工過程中，很多因素都會造成抗浮錨桿內力的改變，抗浮錨桿內力的變化，也能間接反映整個工程的進展情況。因此，針對抗浮錨桿曲線顯示出的特點，重點研究、了解了可能影響抗浮錨桿內力的因素，對抗浮錨桿軸力變化曲線出現以上特征進行了分析：1）上部結構自重與地下水浮力互為反力，從抗浮錨桿施工完成后，上部結構的自重隨著施工進度不斷增加，使得抗浮錨桿軸向拉力不斷減小。主體結構施工與地下室頂板覆土回填完成后，上部結構自重不再顯著增加，而此時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，上部結構自重與地下水浮力逐漸達到了新的平衡狀態，因此抗浮錨桿內力變化趨于平穩。2）在監測進行到第40～50天時，主體結構施工進度較快，且對地下室頂板進行了覆土回填，上部結構自重迅速增加，引起抗浮錨桿軸向拉力迅速減小。3）曲線出現凹谷前，整個工程的建設都是在基坑進行降水的前提下進行的，地下水位低于勘察時的高度，隨著工程的進展，降水井停止工作后，地下水位逐漸恢復到勘察時的高度，此時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個測區的抗浮錨桿受力也存在區別：1）各測區抗浮錨桿軸向拉力值從大到小排列依次是：受拉區、普通區、受壓區，與數值模擬結果一致；2）監測進行到第40～50天時，雖然各測區抗浮錨桿軸向拉力均出現大幅下降的情況，但是受拉區抗浮錨桿軸向拉力下降幅度明顯小于另外2個測區。3個測區抗浮錨桿軸向拉力值的不同，是主體結構自重對抗浮錨桿軸向拉力的影響的實測數據驗證。受拉區抗浮錨桿軸向拉力下降幅度明顯小于另外2個測區，也和距主樓的距離較大有關。

3.2 監測軸力值分析

如表1所示，受力最大的錨桿其實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計中，確實存在一些區域的抗浮錨桿實際受力超過設計承載力特征值，一些部位的抗浮錨桿實際受力又遠小于設計承載力特征值，這就可能造成某些區域抗浮錨桿布置過多，某些區域抗浮錨桿安全儲備不夠。

表1 抗浮錨桿軸力最值

3.3 抗浮錨桿內力分布

在同一根抗浮錨桿上，不同深度處的內力也存在差異，總的趨勢是由淺到深，抗浮錨桿軸向拉力逐漸減小。監測結果顯示，受拉區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；普通區軸向拉力最大位置是最小位置的6.17倍；受壓區軸向拉力最大位置是最小位置的3.50倍。受拉區、普通區和受壓區抗浮錨桿在-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，抗浮錨桿內力減小是非線性的過程，這一點在圖8也有所體現。

圖8 不同深度軸力

4 結論與展望

4.1 結論

1）監測數據顯示出3個測區的抗浮錨桿中，軸向拉力從大到小依次是受拉區、普通區、受壓區，與有限元模擬結果相符。實測數據驗證了地下工程受力不均的現象，為抗浮錨桿布置的優化提供了實測數據參考；

2）該工程抗浮錨桿軸向拉力的變化分為3個階段：減小階段、增長階段、穩定階段。抗浮錨桿軸向拉力的變化能夠間接反映工程建設的進度和狀態。

3）抗浮錨桿內力與普通錨桿一樣，從錨頭開始，隨著深度的增加，內力逐漸減小。抗浮錨桿軸力和深度的關系呈非線性關系。

4.2 展望

本次試驗監測，雖然得到了抗浮錨桿內力的變化趨勢和實測數值，但是由于試驗樣本較少，現場條件制約，試驗監測得到的數據存在一定的局限性。接下來的工作中應增加樣本容量，改良監測方法，確保得到更加全面、可靠的數據。

[1]賈金青,宋二祥.濱海大型地下工程抗浮錨桿的設計與試驗研究[J].巖土工程學報,2002,24(6):769-771.(Jia Jinqing,Song Erxiang.The design and test on anti-floating anchorage of large substructure in coastal region[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2002,24(6):769-771)

[2]張明義,寇海磊,白曉宇等.玻璃纖維增強聚合物抗浮錨桿抗拔性能試驗研究與機制分析[J].巖土 力 學，2014,35(4):1069-1083.(Zhang Mingyi,Kou Hailei,Bai Xiaoyu,,et al.Experimental study and mechanism analysis of the anti-pulling behavior of glass fiber reinforced polymer anti-float anchor[J].Rock and Soil Mechanics,2014,35(4):1069-1083)

[3]李偉偉,張明義,白曉宇等.GFRP與鋼筋抗浮錨桿承載特性試驗研究[J].地下空間與工程學報,2015,11(1):108-114.(Li Weiwei,Zhang Mingyi,Bai Xiaoyu,et al.xperimental R esearch on Anchorage Performance of GFRP and Steel Anti-floating Anchors[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2015,11(1):108-114)

[4]Lee J Y, Kim T Y, Kim T J, et al.Interfacial bond strength of glass fiber reinforced polymer bars in high-strength concrete[J].Composites Part B: Engineering, 2008, 39(2): 258-270)

[5]張明義,張健,劉俊偉等.中風化花崗巖中抗浮錨桿的試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2008,27(1):2741-2746.(Zhang Mingyi,Zhang Jian，Liu Junwei,et al.Experimental Investigation on Anti-floating Anchor in Moderately Weathered Granite[j].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(1):2741-2746)

[6]馬驥,張東剛,張震等.承壓型預應力抗浮錨桿設計方法的探討[J].巖土工程學報,2013,35(增2):1143-1146.(Ma Ji,Zhang Donggang, Zhang Zhen,et al.Design Methods for Pressured Grout Prestressed Anti-floating Anchor[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2013,35(增2):1143-1146)

[7]蔡洪偉.抗浮錨桿在某工程設計、施工與驗收中的應用[J].地下空間與工程學報,2014,10(增2):1926-1929.(Cai Hongwei.Application of Anti-floating Anchor to Some Engineering Design，Construction and Acceptance Inspection[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2014,10(增2):1926-1929)

[8]李啟東,鄭委,姜孝芳等.某工程預應力抗浮錨桿施工工藝改進[J].施工技術,2010,39(9):75-77.(Li Qidong,Zheng Wei,Jiang Xiaofang,et al.Improved Construction Technology of Prestressed Anti-floating Anchor in Some Project[J].Construction Technoligy,2010,39(9):75-77)

[9]孫仁范,劉躍偉,徐青等.帶地下室或裙房高層建筑抗浮錨桿整體計算方法[J].建筑結構,2014,44(6):28-30.(Sun Renfan,Liu Yuewei,Xun Qing,et al.Integral calculation method of anti-floating anchor of high-rise building with basement or podium[J].Building Structure,2014,44(6):28-30)

[10]章少華,尚志誠,楊翊.抗浮錨桿受力特性及布置方式的分析與設計[J].建筑科學,2016,32(1):100-107.(Zhang Shaohua1,Shang Zhicheng,Yang Yi.Analysis and Design on the Force Characteristics and Layout of Anti-floating Anchor[J].Building science,2016,32(1):100-107)

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

文獻標識碼：B

1003-8965（2017）04-0048-04

甘肅省建設科技攻關項目（JK2015-4）