土木吧丨关于压力型锚杆设计与施工关键问题讨论

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关于压力型抗浮锚杆设计与施工关键问题讨论

张智浩^1,2,3，党昱敬^1,2,3

（1中冶建筑研究总院有限公司，北京100088；2中国京冶工程技术有限公司，北京100088；3北京市岩土锚固工程中心，北京100088）

1 前言

抗浮锚杆作为地下结构重要的的抗浮手段之一，在建（构）筑物抗浮工程中得到了越来越广泛地应用。压力型锚杆在我国应用历史超过30年，以往多用于水平预应力锚杆。较早的压力型抗浮锚杆成功应用，是由中国京冶工程技术有限公司于2005年前后设计施工的北京新保利大厦等多个抗浮工程的压力分散型抗浮锚杆，并取得了大量压力型锚杆在抗浮工程应用的成功经验与数据。

随着抗浮锚杆技术的发展，抗浮构件耐久性也受到越来越多的重视。预应力压力型抗浮锚杆耐久性好、承载力高的特点逐渐得到业界的认可。《岩土锚杆技术规程》CECS 22:2025、《抗浮锚杆技术规程》YB/T 4659-2018、《建筑工程抗浮技术标准》JGJ476-2019、《建筑结构抗浮锚杆》22G815图集等抗浮锚杆相关标准规范均推荐使用预应力压力型抗浮锚杆。

压力型抗浮锚杆虽早有应用但大规模应用于抗浮工程仍处于初级阶段，应用过程中出现了许多工程与质量问题，很多项目在基本试验阶段就出现承载力不合格、锚杆失效的情况。压力型抗浮锚杆破坏模式一般为筋体拉断、锚固体拔出，注浆体压碎等几种情况，锚杆最终极限抗拔承载力既为以上几种破坏模式控制下的小值。下面就压力型抗浮锚杆设计与施工中影响锚杆抗拔承载力的几个相关问题进行讨论分析。    

2抗拔承载力估算

在进行抗浮锚杆设计时，一般在初步设计阶段先按公式对抗拔承载力进行估算，施工图阶段再经现场基本试验结果进行复核确定。各相关规范给出的抗拔承载力计算公式基本相同，均为粘结型等直径锚杆抗拔承载力计算公式。如《抗浮锚杆技术规程》YB/T 4659-2018第5.2.2条对抗拔承载力估算规定：

拉力型锚杆和压力型锚杆进行初步设计时的抗拔承载力估算均可采用以上公式。为减少后期投资、设计等环节修改调整工作量，使承载力估算力求接近工程实际，在计算时对于压力型锚杆还应注意以下几个问题：

1）L_ai长度取值；

压力型锚杆构造上不同于拉力型锚杆，表观上看其没有明确的锚固段长度。相关规范对锚杆锚固段的定义是：可将锚杆拉拔力传递给周围岩土体的部分长度——也即是可以通过注浆体、岩土体界面侧摩阻力发挥提供抗拔力的注浆体长度。如下图1典型压力型锚杆构造示意图所示：压力型锚杆全长均为筋体非粘结段；筋体非粘结段长度即为锚杆名义锚固段长度—理论上该长度注浆体全长均可提供抗拔力。但粘结型锚杆承载力发挥时具备一个特点：在一定荷载水平下其可提供侧摩阻力的锚固段长度存在一定限度—有效锚固段长度，多余的锚固段长度并不同时参加工作。考虑到这一特点，当设计的锚杆名义锚固段长度超过有效锚固段长度时，进行锚杆承载力估算采用的锚固段计算长度L_ai就应该是有效锚固段长度而非锚杆筋体非粘结段或整个锚杆长度。    

图1典型压力型锚杆构造示意图

粘结型锚杆有效锚固段长度在不同性质的岩土层里是不同的，规范中对此均有类似规定，如《抗浮锚杆技术规程》YB/T 4659-2018 第4.1.7条规定锚杆锚固段有效长度在岩层中宜取3~8m，在土层中宜取6~12m。

实际抗浮锚杆设计中，锚杆长度的确定除要考虑承载力因素，还需考虑群锚稳定性以及岩土层分布影响等因素，因此一般情况下压力型锚杆设计长度可能会大于有效锚固段长度。在锚杆承载力估算时L_ai长度可先按规范建议值并根据具体岩土层情况进行估算取值，实际的有效锚固段长度L_ai仍需通过现场试验确定。    

2）f_mk取值；

锚固体与周围岩土体黏结强度f_mk的取值决定了计算锚杆承载力的大小，设计中一般勘察报告有所提供则按报告取值，没有提供则可参考各相关规范标准取值。不同规范中均给出了不同岩土层该值的参考取值范围表，如《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》GB 50086-2015 表4.6.10“锚杆锚固段注浆体与周边地层间的粘结强度标准值表”。实际应用时因参考表内取值范围较为宽泛、或表中描述岩土层与实际岩土层不尽相同，工程中准确取值存在一定困难。

地勘报告提供的f_mk（也称为q_Sk）理论上说该值也应通过现场试验获得，但由于条件所限工程勘察中很少进行此类试验，故勘察报告中一般提供的该值也为经验数值。此外勘察报告提供锚固体侧摩阻力是近年来才有的要求，对于该值的准确意义规定还不十分明确。参考为抗拔桩提供侧摩阻力值的方式一般为：该值为同等条件下抗压桩的侧摩阻力值，用于抗拔桩计算时，取抗压桩侧摩阻力乘以抗拔系数λ，抗拔系数定义为桩抗拔极限承载力/抗压极限承载力，抗拔系数可由试验或经验取值。同样，目前大多数勘察报告所提供的锚固体侧摩阻力也参考抗拔桩侧摩阻力模式，但各类相关规范所提供的锚固体侧摩阻力参考值除特殊说明外均为拉力型模式下锚固体侧摩阻力，用于拉力型锚杆计算使用时直接采用即可，无类似抗拔桩的抗拔系数概念。

由于作用机理的不同，同等条件下压力型锚杆锚固体侧摩阻力一般要高于拉力型锚杆锚固体侧摩阻力，因此在压力型锚杆计算时f_mk取值可稍高于勘察报告按拉力型模式提供的锚杆锚固体侧摩阻力。如在《拉压复合型锚杆技术规程》T/CECS 1707-2024标准中已给出了一定条件下压力型抗浮锚杆侧摩阻力提高系数，提高系数ζ取值与地层条件、施工方法及锚杆长度等自身参数有关，无经验时还应通过现场试验确定。    

3锚固体受压承载力验算；

笔者在最近多个土层为主地层的压力型锚杆项目现场试验过程中遇到在拉力荷载施加到一定数值时(280KN左右，该值尚未达到地基土体所提供的抗力)可听到锚杆深部不断发出“砰砰”的声音，随之发生锚杆筋体变形突然增加、荷载短时无法继续加载的现象，此时观测锚固体并无拔出破坏现象，推测这就是发生了承载板附近锚固段注浆体抗压破坏的情况。在压力型抗浮锚杆设计中，目标是尽量充分调用深部岩土体抗力—即锚杆抗拔承载力由锚固体拔出破坏控制，因此需通过设计或施工技术措施避免锚固体抗压破坏或筋体抗拉破坏先于锚固体拔出破坏发生。

规范中对锚固体抗压强度有明确验算要求，如《抗浮锚杆技术规程》YB/T 4659-2018 第5.2.7条，压力型锚杆锚固体受压承载力标准值按下式验算：

 （1）

式中：η——浆体强度侧限增大系数，由试验确定；

f_ck——浆体轴心抗压强度标准值（MPa）；

A_ln——浆体受压净面积（m²）_。

案例：某压力型锚杆项目，地层条件主要为黏质粉土、粉细砂，1φ32筋体，φ200钻孔，锚杆长度12.5m，抗拔承载力特征值为180KN。注浆体强度等级分别按M30/M25/M20计（f_ck参照混凝土强度）时，其f_ck分别为20.1MPa、16.7MPa、13.4MPa，如η取值为1.0，其锚固体受压承载力按式（1）计算R_ck见下表为：    

由上算例可看出，理论情况下，如该锚杆采用M30注浆体在不考虑浆体强度侧限增大系数时其锚固体抗压强度标准值应达到615KN，但实际工程现场试验时却在施加荷载没有超过理论验算值、仅为280KN左右情况下就发生了浆体压碎现象，反算在工程现场常规注浆质量控制下承载板附近注浆体综合抗压强度仅约为M13.4、甚至低于M15。最终因注浆体强度不满足设计要求导致锚杆试验失败，分析主要有以下两个原因：

1）注浆体强度不足；

水泥净浆注浆体强度不满足M30的强度要求。大多数工程现场为节约材料或施工灌浆便利仍采用过去拉力型锚杆常用的灰水比，1:0.6左右，这个灰水比偏小，试验表明通常要达到1:0.45以上且经精心养护固化后浆体强度方可能达到M30，这个质量控制要求在一般施工现场很难达到。

2）承载板（体）附近注浆体质量不合格；

注浆体灌注进入压力型锚杆承载板（体）后，不能夹渣夹泥，否则将极大的影响该处水泥注浆体抗压强度，如下图2所示。实际情况为抗浮锚杆为竖直锚杆，土层中成孔时如无法在下杆灌浆前将孔内泥水、沉渣清除置换干净，在自重作用下、钻杆停止工作拔出钻孔后钻孔内泥水当中悬浮的沉渣将快速沉积至孔底部位，造成后续下杆困难或下杆后孔内底部杆体承载体附近沉渣累积，即使注浆浓度合格也很难保证该处水泥注浆体质量可靠达标。为解决此问题，一般需要采用同浓度水泥浆加大孔底注浆置换、清渣的力度，这大大降低了功效、增加了成本。    

图2压力型锚杆孔底承载板附近沉渣分布示意图

4浆体强度侧限增大系数η取值；

上述案例中，η取值为1.0，意为注浆体侧不存在侧限，也许过于保守，因为一般认为注浆体埋藏于岩土层中即存在侧限，η取值至少为不小于1.0的数值，但实际情况却无法支持该结论，尤其是以土层为主的岩土层中的压力型锚杆。本案例锚固体抗压强度验算η取值为1.0，主要是考虑到该项目锚杆钻孔施工采取了螺旋钻钻进、水泥浆护壁工艺，因锚杆穿越地层中存在粘性土层，在成孔钻进过程中先是破坏扰动原有岩土体（破坏原有岩土体颗粒间的咬合、胶结等作用）、并在孔壁形成了一层具有一定厚度的水泥土泥皮，如图2所示。该孔壁泥皮固化后强度较低，无法为注浆体形成有效侧限，故本项目η取值为1.0即不考虑注浆体侧限提高是合理的，现场试验结果予以了证实。    

5 钻孔工艺对承载力及侧限增大系数η的影响

锚杆的钻孔工艺对锚杆的承载力大小有着决定性的影响，不仅体现在成孔工艺对侧摩阻力的影响，对于压力型锚杆也体现在对孔内沉渣数量以及锚固体侧限效果的影响。在《岩土锚杆技术规程》CECS 22:2025中，将这一理念体现在侧摩阻力q_si取值上，对于不同地层、施工措施及钻孔工艺侧摩阻力取值有所不同，附录C说明如下：

对于压力型锚杆，因其结构特点其侧摩阻力因泊松比效应较拉力型锚杆有所增大，但实际上是否增大、增大幅度完全依赖于锚杆成孔施工工艺，因此压力型锚杆侧摩阻力是否较同等条件下拉力型锚杆侧摩阻力有所增大应充分考虑锚杆钻孔施工工艺的选择影响，以往设计中对η取值可能存在高估的现象。为使锚杆抗拔承载力估算更接近于工程实际，建议在侧摩阻力取值为经验值情况下，可将估算公式增设一个施工工艺条件系数以表达施工工艺类型选择对锚杆承载力与注浆体抗压强度的影响，如下式：    

                    （2）

式中：D——锚固体直径（mm）；

q_si——第i层岩土侧摩阻力（kPa）；

Lai——第i层土层厚度（m）；

ψ——施工工艺条件系数，0.5~1.0，采取干钻孔施工，孔内无水且孔壁干净（如岩石内钻孔）：ψ=1.0，η≧2；采取套管成孔工艺施工、沉渣置换彻底时：ψ=0.7、η=1.2~2（粘性土层取低值、砂层、卵石层、风化岩层等硬土层取高值）；采取螺旋钻成孔泥浆护壁等成孔工艺：ψ=0.5，η=1.0。

6 压力型抗浮锚杆质量控制

传统压力型锚杆施工中为解决上述影响锚杆承载力的问题，一般需采取加大灰水比添加外加剂、通过孔底注浆并加大置换量、增加二次劈裂灌浆等措施进行处理，这无疑即降低功效又增加总体成本，且可靠性不高、大规模施工中稍有不慎就会产生质量问题。针对压力型锚杆施工质量控制难题，中国京冶工程技术有限公司地基与地下工程研究所研发了预制锚固段芯体预应力压力型抗浮锚杆相关技术，构造示意图见下图3。采用该技术的压力型抗浮锚杆不仅可降低清渣置换难度、节约成本提高功效，还可通过高强预制芯体抗压承载力高的特点大大提高锚杆注浆体抗压强度，进而提高锚杆的抗拔承载力与可靠度。目前已在多个工程项目中得到成功应用，下图4。技术原理及特点简述如下：    

1）将工厂预制锚固段芯体作为杆体的一部分、预先制作并在现场与杆体一同安装好，使承载板体的结构和做法相对更为简单可靠，确保受荷时承载体可将拉力转换成压力经由锚固段有效传递；

2）采用高强预制芯体传递锚杆拉力荷载，即使承载板附近孔底沉渣未清理置换非常彻底，采用一定长度的预制芯体可穿越孔底残余沉渣积累区、仍可将拉力荷载有效传递至上部干净注浆体部分，确保压力型锚杆可按其机理正常工作，提高锚杆可靠度；

3）采用高强预制芯体（抗压强度大于M60），可弥补压力型锚杆孔底承载板附近及一定长度锚固段注浆体强度不足及瑕疵，确保锚杆不发生锚固体抗压强度不足而破坏，使其抗拔承载力由锚固段侧摩阻力控制；

4）锚杆筋体置于预制芯体内部中心处，筋体外侧同时具有外套波纹管、预注高强注浆体及内置光滑套管三道防腐屏障，实现了锚杆优良耐久性。    

图3  预制锚固段芯体压力型抗浮锚杆示意图    

图4 预应力压力型预制芯体锚固段抗浮锚杆施工现场

7结语

1）压力型抗浮锚杆抗拔承载力估算时应注意有效锚固段长度与侧摩阻力取值，最终承载力应根据与后续施工同条件下的现场试验确定；

2）锚固体抗压强度是压力型抗浮锚杆承载力主要控制因素之一，其大小取决于注浆水灰比及注浆质量控制；

3）钻孔工艺对压力型锚杆承载力影响显著，土层为主地层中宜根据不同钻孔工艺确定侧摩阻力取值及注浆体侧限增大系数；    

4）传统压力型抗浮锚杆存在注浆质量控制难题，常规处理措施功效低、成本高，大规模施工时可靠性低；采用预制锚固段芯体预应力压力型抗浮锚杆可降低注浆质量控制难度、提高锚杆注浆体抗压强度，进而提高锚杆抗拔承载力与大规模施工锚杆可靠度。

参考文献

1.《岩土锚杆技术规程》CECS 22:2025；

2.《抗浮锚杆技术规程》YB/T 4659-2018；

3.《建筑工程抗浮技术标准》JGJ476-2019；

4.《建筑结构抗浮锚杆》22G815标准图集；

5.《混凝土结构设计规范》GB50010-2010;

6.《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》GB 50086-2015；

7.《拉压复合型锚杆技术规程》T/CECS 1707-2024

作者简介：

张智浩，教授级高工，一级注册结构工程师、注册岩土工程师,《抗浮锚杆技术规程》YB/T 4659-2018主要编写人，长期从事岩土工程、岩土锚固工程设计与施工工作。

党昱敬，土木结构工程专业毕业， 2002年参加全国统一考试取得首批注册土木工程师（岩土）资格；国家注册土木工程师（岩土），国家一级注册建造师，中冶建筑研究总院有限公司教授级高级工程师；长期从事岩土、地基与基础和城市地下工程方面的科研和设计工作；在《工业建筑》、《建筑结构》、《建筑科学》、《建筑技术》、《工程勘察》、《施工技术》等学术期刊和学术会议上发表学术论文六十余篇。    

勘察设计大师、规范主编

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