建筑抗浮技術中抗浮錨桿的設計和選擇

吳鑫瀧，張 斌，王永健

（中國華西工程設計建設有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

早期曾經有論文對不同規范標準計算得出的抗浮錨桿工程量進行過比較，給出了合理的費效比結論[1]。經過許多年的發展，規范標準也在不斷地修訂，都有了不同程度的改進。重新對現有的規范進行比較分析，更有助于設計人員加深對抗浮錨桿的認知和理解。

1 現行規范標準和區別

目前抗浮錨桿設計依據標準分類繁多，從國標到行標，再到地標。為了選擇安全可靠又經濟實惠的抗浮錨桿設計方案，先要對各層面的規范依據有個初步認識。現今抗浮錨桿設計采用的規范主要有國標《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》（GB 50086—2015） 及《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013）[2]，行標《建筑工程抗浮技術標準》（JGJ 476—2019）[3]，還有地標《四川省建筑地下結構抗浮錨桿技術標準》（DBJ51/T102—2018）[4]。

（1）《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》（GB 50086—2015）中，錨桿拉力計算采用設計值，較其他類規范所用的錨桿拉力標準值需要乘1.35 和工作條件系數γw，這是該規范最顯著的特點。

式中：Nd——錨桿拉力設計值，kN；Nk——錨桿拉力標準值，kN；γw——工作條件系數，一般情況取1.1。

而錨桿的桿體截面面積按照式（2）計算。

式中：As——錨桿桿體截面積，mm2；fy——桿體抗拉強度設計值，N/mm2。

錨桿抗拔承載力需要滿足式（3）、式（4）要求，所求錨固段長度取其中的較大值。

式中：La——錨桿錨固段的長度，m；fmg——錨固段漿體與地層之間極限黏結強度標準值，MPa；f′ms——錨固段漿體與錨桿桿體之間的黏結強度設計值，MPa；D——錨桿錨固段鉆孔直徑,mm；d——桿體鋼筋直徑，mm；K——抗拔安全系數；ξ——采用兩根或兩根以上鋼筋時，界面黏結強度降低系數，取0.70～0.85；ψ——錨固段長度對極限黏結強度的影響系數；n——鋼筋或鋼絞線根數。

（2）《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013）中，錨桿鋼筋截面積應滿足式（5）的要求。

式中：Nak——錨桿軸向拉力標準值，kN；Kb——桿體抗拉安全系數。

錨桿錨固段長度計算需要對下列兩個公式進行比較后選擇其中較大值。

①錨固體與巖土層間的長度應滿足式（6）的要求。

式中：la為錨固段長度，m；K——錨固體抗拔安全系數；frbk——巖土層與錨固體極限黏結強度標準值，kPa，通過試驗確定；D——錨桿錨固段鉆孔直徑，mm。

②錨桿桿體與錨固砂漿間的錨固長度應滿足式（7）的要求。

式中：fb——鋼筋與錨固砂漿間的黏結強度設計值，kPa，由試驗確定。

（3）《建筑工程抗浮技術標準》（JGJ 476—2019）中，錨桿桿體截面面積按式（8）計算。

式中：Nt——荷載效應的基本組合下錨桿拉力標準值，kN；Kt——桿體抗拉安全系數，取2.0。

對于錨桿錨固體長度由試驗確定，計算時又分為巖層和土層錨固體長度。

①巖層錨固段長度如式（9）所示。

式中：K——錨固體抗拔安全系數，取2.0；frbk——錨固體與巖層間黏結強度標準值，kPa，由試驗確定；d——錨固體直徑，mm；ξ——經驗系數，取0.8。

②土層錨固體長度計算如式（10）所示。

式中：K——錨固體抗拔安全系數，取2.0；qsia為錨固體與土層間黏結強度標準值，kPa，由試驗確定。

（4）《四川省建筑地下結構抗浮錨桿技術標準》（DBJ 51/T102—2018）中，錨桿桿體截面積按式（11）確定。

式中：Kb——錨桿桿體抗拉安全系數，取2.0；fy、fpy——鋼筋或鋼絞線抗拉強度設計值，kPa。

錨固長度應按試驗確定，可按式（12）、式（13）估算，并取較大值。

①錨桿錨固段與巖土層間的長度應滿足式（12）要求。

式中：l1——錨桿錨固段長度，m；K——錨固體抗拔安全系數，取2.0；qsia——巖土層與錨固體間的極限黏結強度標準值，kPa；D——錨固體直徑，mm。

②錨桿桿體與錨固砂漿間的錨固長度應滿足式（13）要求。

式中：l2——桿體與水泥漿之間的錨固長度，m；n——鋼筋根數；d——鋼筋直徑，mm；fb——鋼筋與錨固段注漿體間的黏結強度標準值，MPa。

（5）規范差異與公式比較如下。

這次選擇的4 本規范是2010年后更新過的版本，也是抗浮設計現行參照標準，具有一定的代表性。

通過前文有關錨桿計算公式中可以看出，各規范計算原理基本一致，錨桿桿體截面積都是錨桿軸向拉力除以鋼筋抗拉強度，再賦予一些差異系數和安全系數；錨固段長度則是通過計算軸向拉力與單位長度黏結力（巖土層與錨固體、鋼筋與錨固砂漿）比值，然后取大者確定作為錨固段長度，相同條件下結果的大小跟安全系數成正比，本文就各公式中的差別進行對比。

①《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》中與其他3 本規范最明顯的差異就是錨桿軸向拉力選擇了設計值而不是標準值，也可以理解為相較于標準值放大1.35×1.1=1.485 倍。

②在抗浮錨桿計算中，錨固體和地層間錨固長度一般為大值，同一地層環境下，計算錨固段長度與抗拉安全系數成正比，由大到小依次是：a.《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》中錨固段長度，需要考慮抗拔力設計值中擴大系數1.35×1.1，再結合錨固工程的3 個安全等級K 值分別對應2.2、2.0、2.0，相當于3 個等級分別擴大3.267、2.97、2.97 倍；b.《建筑邊坡工程技術規范》中錨固段長度，針對邊坡3 個等級K 值分別乘以2.6、2.4、2.2；c.《四川省建筑地下結構抗浮錨桿技術標準》中錨固段長度，K 值為常量2；d.《建筑工程抗浮技術標準》中K 為常量2，但被賦予ξ 經驗系數0.8 后，實際等效為1.6 也是最小的。綜上所述，根據4 本規范的不同標準，錨固段長度差異是明顯的，結果比對《建筑工程抗浮技術標準》的錨固段長度最短，也是其中最為經濟的。

③以錨桿桿體截面積為比較對象，其值與錨桿軸向拉力取值和安全系數關聯緊密，其結果由大到小依次是：a.《建筑邊坡工程技術規范》，軸向拉力為標準值，K 值針對邊坡3 個邊坡等級分別取值2.2、2.0、1.8；b.《建筑工程抗浮技術標準》及《四川省建筑地下結構抗浮錨桿技術標準》，軸向拉力為標準值，K值均為2；c.《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》，雖未設安全系數，但錨桿軸向拉力采用設計值，等效于最終擴大1.48 倍，也是最小。對比可知，同樣抗浮標準環境條件下，錨桿桿體截面積按照《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》最為經濟。

2 應用中存在的問題

《建筑工程抗浮技術標準》在抗浮錨桿計算中錨固段長度有較大經濟優勢，同是該規范又是最新的抗浮設計規范，應該廣受推崇，但在實際中卻因規范內一些相關條款的制約，在適用性方面備受爭議，造成取舍兩難的困境。原文有關抗浮錨桿固體裂縫控制設計應符合規定描述如下。

抗浮設計等級為甲級的工程，按不出現裂縫進行設計，在荷載效應標準組合下錨固漿體中不應產生拉應力，并應滿足式（14）要求。

式中：σck——荷載效應標準組合下正截面法向應力，kPa；σpc——扣除全部應力損失后，錨固漿體有效預壓應力，kPa。

該條款意味著抗浮等級為甲級的工程采用錨桿抗浮時必須使用預應力錨桿，限制或否定了拉力型錨桿在甲級抗浮工程中的使用。

單純從質量控制方面來說，初衷是好的，既推廣了預應力錨桿的使用，又控制了甲級抗浮工程的裂縫發展，但僅為提高抗浮標準就要額外增加大量投入，費效比低，常常也得不到建設投資方的認可，不少設計方案退而求其次，只能選擇其他參照標準或抗浮形式。另外，技術成本的提升，也增大了施工技術難度，會進一步導致建設成本和施工風險的增加，往往得不償失。

3 整體穩定性驗算及驗收

除了抗浮錨桿單根計算，還應重視整體抗浮穩定驗算，可參照《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》相應的抗浮穩定安全系數計算公式。

式中：W——基礎下抗浮錨桿范圍內總的土體重量（計算時采用浮重度，kN）；G——結構自重及其他永久荷載標準值之和，kN；Ff——地下水浮力標準值，kN；K——抗浮穩定安全系數，應滿足國家現行有關標準的規定。

另外，理論計算也需要經歷實際檢驗。抗浮錨桿正式施工前，應選擇最不利地層進行基本試驗，以確定單根錨桿的抗拔力極限值，并根據試驗結果調整設計，具體參見各規范。值得注意的是，不同專業也會存在執行標準的沖突。2022年以前，四川檢測采用標準為《四川省建筑地基基礎檢測技術規程》（DBJ 51/T014—2013），其中一項條款指出：永久性錨桿抗拔試驗的最大加載應取錨桿軸向拉力設計值的1.5倍，臨時錨桿可取錨桿拉力設計值的1.2 倍，但其最大應力值不應大于桿體強度標準值的0.8 倍，即滿足式（16）的要求。

式中：Nd——錨桿拉力設計值，N；fy——普通鋼筋抗拉強度設計值，N/mm2；As——鋼筋的截面積，mm2。

該規范條款曾使許多正式抗浮設計方案折戟施工現場，這是因為鋼筋截面積滿足設計要求，卻不能滿足檢測要求。筆者曾經檢查出不少報告中的這類問題，甚至發現過個別按設計要求完工卻驗收不達標的情況，所以這些問題促使眾多項目增加了鋼筋截面積設計值和檢測值的對比，最后取大值來兼顧驗收。

2022年1月1日起《四川省建筑地基基礎檢測技術規程》已經正式實施，對應的該條款也已修訂。

4 結語

（1）抗浮設計中可采用的方法有很多，需要綜合自然環境等各方面的因素，選擇適宜的抗浮形式。以往抗浮錨桿普遍采用拉力型錨桿，其經濟實惠、造價低廉、施工便捷，廣受各方歡迎。推薦使用預應力錨桿時，常常因其成本高昂，技術門檻高，各建設方便放棄抗浮錨桿形式轉而采用其他方案解決抗浮問題，這從技術層面來說不利于抗浮錨桿的持續發展，也會造成抗浮錨桿設計的瓶頸期，因此技術革新任重而道遠。

（2）現行錨桿設計規范龐多，選擇適合的標準對結構抗浮穩定和造價有直接的影響。除了重視單根錨桿的計算外，還需要考慮整體抗浮穩定驗算，兼顧整體抗浮和局部抗浮設計。

（3）建筑工程中雖然抗浮設計相對單一，但仍需要考慮與相關專業的銜接和影響，除了遵守設計規范外，也要兼顧檢測等專業的相互關聯，避免沖突。