任東興，趙勇，薛鵬，高曉峰，羅東林，周向陽

(1.中冶成都勘察研究總院有限公司，成都 610023；2.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴陽 550025)

近年來，城市建設(shè)規(guī)模增長迅猛，超高層建筑、地鐵車站、下沉式廣場、地下商場等帶有地下室的建筑大量出現(xiàn)，尤其是擁有多層地下室、底板埋深極大的建筑物，抗浮穩(wěn)定是這些建筑物安全運行的關(guān)鍵問題。但是，由于對水文地質(zhì)條件掌握不清、抗浮水位選擇不準確、抗浮措施設(shè)計不合理，甚至是未考慮抗浮措施等因素，地下室上浮、破壞時有發(fā)生，如?？谑械哪成套⌒^(qū)基礎(chǔ)發(fā)生上浮[1]、惠州市的某商住樓小區(qū)在遭遇暴雨襲擊后出現(xiàn)局部上浮現(xiàn)象[2]，因此，采取經(jīng)濟合理的抗浮措施十分必要。

擴大頭錨桿自發(fā)明以來，已在地下室的抗浮設(shè)計中廣泛應(yīng)用，大量的學(xué)者、工程人員在其力學(xué)機制、計算方法、抗拔試驗等方面都有較多較深入的研究。其中，曾慶義等[3]基于多個工程的實測數(shù)據(jù)，研究了擴大頭錨桿的力學(xué)機制，根據(jù)摩爾強度理論推導(dǎo)出了擴大頭錨桿的抗拔力計算公式，分析了抗拔力的影響因素。胡建林等[4]在研制錨桿機械擴孔器的基礎(chǔ)上，進行了擴體型錨桿的工藝試驗和抗拔試驗研究，擴體型錨桿較普通錨桿的承載力平均提高20%～30%，最大為66%。陳帥等[5]提出了擴大頭抗浮錨桿極限抗拔承載力的計算公式，并運用算例分析和數(shù)值模擬進行了驗證。王立峰[6]探討了擴大頭錨桿不同的幾何尺寸對承載力的影響規(guī)律。趙鶴飛[7]主要探討了擴大頭錨桿擴大頭頂阻與側(cè)阻發(fā)揮度的相互關(guān)系及擴大頭頂阻對側(cè)阻的影響，建立了考慮擴大頭頂阻對側(cè)阻增強作用的擴大頭錨桿承載力計算公式。王春[8]采用ABAQUS對抗浮錨桿和地下室基礎(chǔ)底板共同作用進行了數(shù)值分析。張華祥[9]采用ABAQUS模擬了土-錨相互作用下的基坑開挖過程，探討了擴大頭直徑、擴大頭長度及自由段長度對其抗拔承載力的影響。王哲等[10]通過室內(nèi)相似模型試驗并結(jié)合粒子圖像測速技術(shù)對水平荷載作用下擴大頭錨固段周圍土體變形發(fā)展過程以及破壞模式進行了研究。文獻[11]規(guī)范了土層錨固高壓噴射擴大頭錨桿的設(shè)計、施工、檢驗與試驗等。吳勇軍等[12]指出普通錨桿達到極限承載力之后承載力會瞬間降低而破壞，破壞屬于“脆性破壞”，而擴大頭錨桿在承載力到達極限前有一段比較長的“延性”平臺，此平臺能很好地調(diào)整分散布置的錨桿的內(nèi)力，讓錨桿群均勻受力、協(xié)同工作。夏亮等[13-14]進行了考慮地上結(jié)構(gòu)剛度-基礎(chǔ)-地基的整體有限元模型下的抗浮設(shè)計方法對比研究。

深埋于穩(wěn)定地層中的擴大頭可以提供很大的錨固力，但是桿體強度成為一個薄弱環(huán)節(jié)[3]，往往整個擴大頭錨桿的強度都由桿體強度決定。提高桿材的強度，成為擴大頭抗浮錨桿成功的關(guān)鍵因素。PSB精軋螺紋鋼筋是一種特殊形狀帶有不連續(xù)外螺紋的直條鋼筋，具有大直徑、高強度、高精度尺寸的特點，主要用于大型橋梁、水電站等大型工程的預(yù)應(yīng)力構(gòu)制件上。采用普通鋼材作為抗浮錨桿筋材時，往往需要多根大直徑鋼材綁扎在一起才能滿足截面面積要求，而將PSB精軋螺紋鋼筋應(yīng)用于抗浮錨桿中，單根大直徑的筋材即可滿足強度和截面要求，可大大節(jié)省鋼材用量，因此，PSB精軋螺紋鋼筋應(yīng)用于抗浮錨桿的前景良好。通過文獻調(diào)研，目前針對PSB精軋螺紋鋼預(yù)應(yīng)力擴大頭抗浮錨桿的研究較少，工程實例、抗拔試驗數(shù)據(jù)均較少。本文針對成都某基坑抗浮工程中應(yīng)用的PSB精軋螺紋鋼預(yù)應(yīng)力擴大頭抗浮錨桿，采用基本試驗、ABAQUS數(shù)值模擬的方法對其抗拔力學(xué)特征進行研究，以期能為PSB精軋螺紋鋼預(yù)應(yīng)力擴大頭抗浮錨桿的推廣應(yīng)用和理論研究提供經(jīng)驗和成功案例。

1 現(xiàn)場試驗基本情況

1.1 工程概況

某房地產(chǎn)開發(fā)項目規(guī)劃總用地面積約47 788.91 m2，由10棟高層建筑(辦公用房)、兩棟多層建筑、裙樓及純地下室等組成，設(shè)兩層地下室。

場地典型地層從上至下依次為：第①層為第四系全新統(tǒng)人工填土層(Q4ml)，主要由建筑垃圾、卵石、碎石混粘性土及生活垃圾等組成，揭示厚度為0.6～7.6 m；第②層為第四系沖積堆積層(Q4al)，主要為黃灰色、灰色的細砂、中砂和卵石層，細砂位于卵石層頂面，中砂呈透鏡體位于卵石層內(nèi)，卵石層可分為松散、稍密、中密、密實，頂板埋深2.9～7.6 m，厚度未揭穿(圖1)。

圖1 基坑典型地質(zhì)剖面圖

1.2 抗浮錨桿布置情況

為滿足抗浮要求，本工程采用PSB1080精軋螺紋鋼預(yù)應(yīng)力擴大頭抗浮錨桿，共設(shè)置2 490根，根據(jù)建筑物布置特點和結(jié)構(gòu)形式，可分為A、B、C、D 4個區(qū)，A區(qū)85根，間距3.9 m；B區(qū)534根，間距3.0～3.6 m；C區(qū)1 180根，間距3.25 m；D區(qū)691根，間距2.95 m。

單根抗浮錨桿抗拔力特征值為700 kN，桿體直徑40 mm，長度為7.5 m，非擴大頭段長度為4.5 m，鉆孔直徑180 mm；擴大頭段長度為3.0 m，直徑500 mm，采用高壓旋噴成孔，錨桿錨入抗水板混凝土內(nèi)長度不小于300 mm，詳見圖2。

圖2 PSB1080精軋螺紋鋼預(yù)應(yīng)力擴大頭抗浮錨桿大樣圖

2 錨桿抗拔試驗

2.1 試驗系統(tǒng)

本工程抗拔基本試驗包括一組3根錨桿，按照《高壓噴射擴大頭錨桿技術(shù)規(guī)程》(JGJT282-2012)和《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》(CECS22:2005)的要求開展。

(1) 試驗加載裝置

試驗時采用空心千斤頂與油泵、油表、支座、橫梁等組成加載系統(tǒng)裝置，在錨桿頂端的位移測試平臺上安置1個百分表用于錨頭位移觀測。試驗裝置見圖3。

錨桿拉拔試驗采用200t穿心式千斤頂、電動油泵，采用人工分級加載。位移量測采用(0～50)mm級別的百分表，位移量測精度為0.01 mm。

(2) 加載方案

錨桿試驗的最大荷載為1 412 kN，為預(yù)估破壞荷載1 750 kN的80%，采用多級循環(huán)加荷法，共分7級。第一級荷載為1 750 kN的10%，分級加荷取破壞荷載的30%、40%、50%、60%、70%、80%。

(3) 錨桿位移量測

每一循環(huán)試驗中，各級荷載的穩(wěn)定時間均不小于5 min，最后一級荷載的穩(wěn)定時間為10 min，各級荷載下讀數(shù)不得少于3次。在試驗過程中記錄每級荷載下的位移增量，如在穩(wěn)定時間內(nèi)該級錨頭位移增量不超過0.1 mm，認為該級荷載作用下的錨桿位移達到穩(wěn)定，否則延長觀測時間，直至錨頭位移增量在2h內(nèi)小于2.0 mm時，方可施加下一級荷載。

2.2 試驗結(jié)果及分析

通過本次抗拔試驗，3根錨桿基本試驗的最抗拔力、最大位移量、最大彈性位移、最大塑性位移量等數(shù)據(jù)匯總?cè)缦卤?。

圖3 支座橫梁反力裝置示意圖

表1 錨桿抗拔試驗實測數(shù)據(jù)匯總

由表1試驗實測數(shù)據(jù)，3根試驗錨桿在最大試驗荷載1 412 kN作用下均未發(fā)生破壞，此時試錨對應(yīng)的最大位移量為15.05～19.20 mm，量值非常接近。最大荷載作用下，塑性位移量為6.77～10.31 mm。

圖4 JS1-JS3錨桿Q-S曲線、Q-Se曲線和Q-Sp曲線

由圖4可以得到如下認識：

(1) 可以將錨桿的荷載-位移(Q-S)曲線按曲線斜率分為兩段，在0～600 kN加載區(qū)間，錨桿位移從0發(fā)展到5 mm左右，3根錨桿的總位移分別為4.40 mm、4.41 mm、4.50 mm，在這個區(qū)間上3條曲線各點上的斜率都較大，當(dāng)荷載Q>600 kN時，曲線各點斜率變小。

(2) 各錨桿的荷載-位移(Q-S)曲線較為相似，均表現(xiàn)出單調(diào)上升的趨勢，顯示了3根錨桿仍然有很大的承載潛力，揭示了擴大頭錨桿良好的承載特性，滿足深埋地下空間對高承載力錨桿的要求。

(3) 擴大頭錨桿與傳統(tǒng)錨桿的荷載-位移性狀的差異性對比，揭示了擴大頭錨桿荷載-位移(Q-S)特征曲線的單調(diào)上升性狀及其應(yīng)變硬化特征，這與常規(guī)等直徑錨桿的荷載-位移曲線(Q-S)存在荷載峰值與應(yīng)變軟化特征有著本質(zhì)區(qū)別，擴大頭這種應(yīng)變硬化力學(xué)特性決定了其擁有更大的承載力與更高的安全度[15]。

(4) 3根錨桿的Q-Se曲線和Q-Sp曲線與Q-S曲線一樣，也表現(xiàn)出了分段性，均以600 kN為分界點，0～600 kN的加載區(qū)間，曲線斜率較大，超過600 kN以后，曲線斜率變小，呈近似線性變化。最大加載(1 412 kN)條件下，最大位移量為15.05～19.20 mm，量值較小，最大塑性位移量為6.77～10.31 mm，約占總位移量的45%～62%?？梢钥闯?，PSB精軋螺紋鋼筋錨桿本身的抗拉拔性能還未能充分發(fā)揮，仍有很大的承載潛能。

(5) 文獻[15]中的試驗錨桿為PSB930級預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋。與文獻[15]中的試驗相比，本項目的試驗最大位移量值偏小，僅15.05～19.20 mm，為文獻[15]中位移量值139.66～148.52 mm的1/9～1/8。分析認為，文獻[15]中試驗地區(qū)的地層為淤泥質(zhì)黏土-黏土-粉質(zhì)黏土，承載能力相對較弱，土體與水泥土的黏結(jié)強度低，抗變形能力低，而本文中的試驗場地地層為沖洪積的砂卵石層，土體與水泥土的黏結(jié)強度相對較高，抗變形能力強。

3 數(shù)值模擬分析

通過分析擴大頭抗浮錨桿的現(xiàn)場試驗，得到了PSB精軋鋼筋擴大頭錨桿在上拔力作用下位移變化。在此基礎(chǔ)上，本節(jié)通過精細化的數(shù)值模型，對桿體以及鋼筋內(nèi)在的受力機理進行進一步分析研究。

3.1 計算模型及計算參數(shù)

擴大頭抗浮錨桿材料分區(qū)如圖5所示，土層總厚度為13.1 m，擴大頭抗浮錨桿全長7.5 m，其中非擴大頭段4.5 m，孔徑0.18 m；擴大頭段長3 m，設(shè)計孔徑0.5 m。采用ABAQUS軟件中平面應(yīng)變單元，節(jié)點總數(shù)145個，單元總數(shù)108個，如圖6所示。計算模型左、右邊界設(shè)置水平位移約束，底部邊界設(shè)置水平和垂直約束。土體本構(gòu)模型采用經(jīng)典的摩爾-庫倫模型，具體參數(shù)如表2所示。

圖5 擴大頭抗浮錨桿示意圖

圖6 擴大頭抗浮錨桿抗拔力計算模型

表2 計算參數(shù)

3.2 計算結(jié)果分析

以上拔力1 400 kN計算結(jié)果為例，計算得出的擴大頭抗浮錨桿豎向位移云圖如圖7所示，在上拔力作用下，周圍土體向上變形，變形量自錨桿中心位置向周圍土層逐漸減小，最遠影響至周邊土層約7 m的范圍。

圖7 整體模型豎向位移/m

由圖8可知，Q-S曲線的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果總體趨勢基本相似，呈現(xiàn)的線彈性特征較實測曲線更好，原因是概化模型是考慮的均質(zhì)各向同性，而實際地層本身是不均勻的。

圖8 Q-S曲線模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比圖

擴大頭抗浮錨桿桿體位移如圖9所示，可以看出，桿體水平向位移接近零；豎向位移頂部最大，最大值為13.41 mm；底部位移最小，最小位移12.31 mm；錨桿的位移主要集中在非擴大段。

圖9 錨桿桿體位移/m

擴大頭抗浮錨桿桿體應(yīng)力如圖10所示，可以看出，桿體水平向最大拉應(yīng)力為269.3 kPa，主要分布在桿體變截面位置以及桿體頂部；最大壓應(yīng)力為504.9 kPa，位于桿體底部；豎向基本為拉應(yīng)力，自上而下逐級減少，非擴大段拉應(yīng)力最大，最大值為732.4 kPa。

圖10 錨桿桿體應(yīng)力/kPa

不同上拔力條件下PSB鋼筋軸向應(yīng)力沿深度分布如圖11所示，可以看出，鋼筋應(yīng)力頂部最大，隨著埋深越大，呈現(xiàn)逐漸下降趨勢；其中鋼筋頂部0.5 m范圍內(nèi)鋼筋軸向應(yīng)力降幅達到了41%；在桿體變截面處以上1.0 m范圍內(nèi)鋼筋軸向應(yīng)力降幅達到了31%，說明錨桿周邊土體的側(cè)摩阻作用仍有很大的承載空間。

圖11 PSB精軋螺紋鋼筋軸向應(yīng)力沿深度分布/kPa

4 結(jié)語

通過現(xiàn)場試驗并采用ABAQUS數(shù)值計算，對PSB精軋螺紋鋼筋擴大頭抗浮錨桿抗拔過程中的受力變形特征進行了分析探討，揭示了擴大頭抗浮錨桿的工作機理，主要結(jié)論如下：

(1) 錨桿的荷載-位移(Q-S)曲線均表現(xiàn)出單調(diào)上升的趨勢，顯示了PSB精軋螺紋鋼擴大頭錨桿仍然有很大的承載潛力，揭示了擴大頭錨桿良好的承載特性，滿足深埋地下空間對高承載力錨桿的要求。

(2) 最大加載(1 412 kN)條件下，最大位移量為15.05～19.20 mm，量值較小，最大塑性位移量為6.77～10.31 mm，約占總位移量的45%～62%。可以得到，PSB精軋螺紋鋼筋錨桿本身的抗拉拔性能還未能充分發(fā)揮，仍有很大的承載潛力。

(3) 鋼筋應(yīng)力頂部最大，隨著埋深越大，呈現(xiàn)逐漸下降趨勢；其中鋼筋頂部0.5 m范圍內(nèi)鋼筋軸向應(yīng)力降幅達到了41%；在桿體變截面處以上1.0 m范圍內(nèi)鋼筋軸向應(yīng)力降幅達到了31%，說明錨桿周邊土體的側(cè)摩阻作用仍有很大的承載空間。

(4) 基于本次試驗和數(shù)值分析，認為PSB精軋螺紋鋼擴大頭錨桿仍然有很多問題需要深入研究，需要更多的工程應(yīng)用和試驗數(shù)據(jù)。