抗浮锚杆施工质量存隐忧，结构工程师又该如何应对？

     

引言

   

         

      前一阵子研究锚杆的群锚效应时，大白曾专门请教了规程主要编写人，期间大佬说过这么一段话：    

            “岩体工程还是要眼见为实，就拿检测来说，一些项目检测效果很好，但到现场看会有很多问题……对保证锚杆工程质量的关键性因素，有些技术人员并没有意识到。”    

      这段话不禁让大白注意到，自己在锚杆设计及验证过程中过多关注抗拔承载力，反倒对耐久性问题重视不足。    

      有鉴于此，近段时间大白对锚杆耐久性相关文献进行了广泛地阅读，记录于本文并加入自身粗浅的理解，期望能引起大家对这个问题的足够重视。    

   

上世纪60年代以来，我国各类型工程项目中大量使用了锚索、锚杆和土钉支护技术，其总数当以亿万计。 这些锚杆、锚索、土钉工法的先进性和经济性无人怀疑。 需要指出的是，在用作永久支护的无数工程中，它们的使用寿命究竟有多长，会否有一天寿终正寝，成为工程中的“定时炸弹”，使工程毁于一旦？ 这是重庆大学郭映忠教授在2000年5月中国香港“边坡灾害及其防治研讨会”上提出的一个语惊四座的问题。

细想一下，房屋建筑地下室的抗浮锚杆似乎也面临着同样的拷问。

抗浮锚杆是房屋结构体系的组成部分，故原则上其设计使用年限不应低于主体结构的设计使用年限。

因 锚杆的使用寿命 由其 耐久性所决定，若材料性能劣化（如防腐或防水失效），将难以保证主体结构的正常使用。

因此，JGJ476-2019《建筑工程抗浮技术标准》（以下简称抗浮标准）规定，锚杆的耐久性年限应与主体结构设计使用年限保持一致。

《 建筑结构可靠性设计统一标准》 GB50068 － 2018 规定，结构极限状态分为承载 能力极限状态、正常使用极限状态以及耐久性极限状态。

《抗浮标准》将后两者进行合并，要求按两类极限状态进行设计，同时在正常使用极限状态中包含了耐久性极限状态的要求。

2022年1月1日开始实施的GB55001-2021《工程结构通用规范》规定， 结构的耐久性是保证结构在设计工作年限内，能够正常 使用的必要条件。

属于强制性条文！！

        2  关于腐蚀      

影响锚杆耐久性的最大威胁来自于金属锚筋的腐蚀。

而局部腐蚀是普通锚杆失效的主要原因。

实际项目中因锚杆耐久性不足导致工程失效的案例时有发生。

例如，美国世贸大厦基础内有几根实心钢筋锚杆仅仅服役两年左右就因锈蚀而发生断裂，原因是煤渣形成的酸性腐蚀性环境中地下水具有腐蚀性；

1986 年，国际预应力协会 (FIP) 曾对 35 起因腐蚀造成锚索体断裂的事故进行调查，发现 其中永久锚索占 69% ，临时锚索占 31%。

工程实践表明，岩土锚杆的腐蚀来源除空气之外，还有岩土体环境及地下 水，后两者对锚杆的腐蚀作用较前者更为明显 [1] 。

锚杆在地层中的腐蚀以电化学腐蚀和散乱电流腐蚀为主，地层中的腐蚀介质通过地下水和空气共同作用在锚杆外表面，引起砂浆和锚杆的腐蚀，从而导致锚固失效 [2]。

鉴于腐蚀机理的复杂性，《抗浮标准》对锚杆工作环境类别进行了区分。

工程上广泛使用的普通锚杆属于单一注浆体包裹锚杆，注浆体为其唯一的防腐保护层。

由于注浆体的水泥浆层中总是存在毛细 孔道，况且锚杆的工作条件较恶劣 ，锚杆安装时的注 浆不饱满、注浆体受岩层错动变形应力的影响产生 开裂、锚杆体在钻孔中的偏置等，都容易导致水和空 气对锚杆体的侵蚀而使锚杆腐蚀。 [3]

△   锚杆易受水和空气侵蚀的几种情况 [3]

总参工程兵科研三所的初步研究证实：优质砂浆锚杆的使用寿命高达 75～169年；而施工质量不良者的寿命降低到约 50年；质量不良且环境恶劣时其寿命仅剩下 20～25年 [4] 。

从现有资料来看，锚筋的腐蚀状态主要为坑蚀，其特点为蚀坑深浅不一，分布状态各不相同 [ 5 ] 。

△   锚杆结构破坏示意图 [6]

因此,不能用平均腐蚀速率，而应该用最大蚀坑深度对应的腐蚀速率对锚杆腐蚀程度进行描述！！

△   锚杆表面腐蚀形态 [7]

△   锚杆表面腐蚀穿孔和坑蚀剖面 [7]

        3  《抗浮标准》7.5.8条      

关于《抗浮标准》的7.5.8条，工程界存在很大争议。

争议的焦点在于，若严格执行该条文，对于绝大数抗浮锚杆设计项目，由于锚固体拉应力的相关限制，实际上仅有一种技术选择：

压力型预应力锚杆

△  压力型锚杆结构简图 [8]

《抗浮标准》编制组在一份释义文件中 [8] ，对上述限制要求作出了如下解答：

1、近两年内更新的相关规程， 对普通锚杆的使用限制趋于严格 ：虽然仍可以用，只是对地基土的性状有所要求。《抗浮锚杆技术规程》 YB/T 4659-2018和GB50086-2015通过 扣除锚固段长度来限制非预应力锚杆的应用 ；

2、 近年抗浮锚杆工程事故调查结果显示，抗浮失效除抗浮设防水位确定过低外，主要原因是 普遍使用的全粘结拉力型抗浮锚杆（即普通锚杆）注浆/灌浆施工质量缺陷造成 ， 就目前的施工工艺很难保证其能满足抗浮功能要求 ，因此，通过裂缝控制的方式倡导使用压力型锚杆、预应力锚杆，即可规避工艺形成的隐患，又能满足承载性能，一定程度上也规避目前抗浮锚杆检测条件（水位下降前后的不同）和方法（单锚、群锚及其反力点位）的缺陷。——本意想提高对抗浮锚杆的要求，增加一道检验控制， 某种层面上不推荐使用普通抗浮锚杆 。

△  某项目地下室抗浮失效实例 [8]

3、鉴于目前普通全粘结预应力锚杆施工质量控制较难保证， 通过施加预应力增加一道检验关口 ，故引导大家选择预应力锚杆；

4、鉴于对全长粘结锚杆施工质量的担忧，倾向通过 预应力的施加对锚杆进行全数检验 。

5、 该条款（ 第7.5.8条） 针对压力型预应力抗浮锚杆最为合适 。因为，压力型预应力抗浮锚杆在施加预应力后，抗浮锚杆变为主动型受力杆件，且锚杆注浆体全生命周期均处于受压动态，没有注浆体开裂而导致杆体锈蚀的顾虑。由该条款相关规定可知，压力型预应力抗浮锚杆所施加的预应力越接近抗浮锚杆抗拔承载力特征值，基础底板（防水板）上浮挠曲越小，且其抗裂和耐久性也越好。

从编制组的解释来看，担忧的重点在于现场的施工质量。

        4  施工质量缺陷      

盲目追求施工进度、施工管控不良以及偷工减料导致锚杆的施工质量经常存在较大隐患，大白调查到的常见施工质量问题主要有：

一是砂浆锚杆中的砂浆水灰比过高。 水灰比高的好处显而易见，施工方便同时还能节约水泥。 但弊端也很明显，锚固体存在过多孔隙，腐蚀介质容易侵入引起锚筋腐蚀。

二是水泥浆或水泥砂浆本身凝结硬化时自收缩明显，产生大量微细裂缝增大锚筋腐蚀几率。

三是灌浆不密实 ， 砂浆与锚筋粘结不均匀， 锚筋 握裹层薄甚至无握裹层，缺少锚固体碱性保护作用，锚筋极易被锈蚀。

四是锚杆对中不良，重力作用下锚筋与孔壁接触，其握裹层几乎为零，也容易产生锚筋锈蚀。

△  某锚杆施工质量实例 [9]

施工质量控制直接关系到锚杆的耐久性，目前业界对锚杆承载力检测最为重视，对锚固体的完整性检测要求不严。

以大家最为熟悉的桩基工程为例，其质量检测主要包括承载力检测和桩身完整性检测，两者均合格后方可进行验收。

普通锚杆杆径小，地质环境及养护条件复杂，成品质量主要取决于施工现场把控。

当前主流验收方案主要进行承载力验证，进行拉拔试验，以随机抽检为主，抽检比例不超过5%，确实难以预先揭示其施工质量全貌。

如编制组所说，可能我们只有等到项目投入使用并出现状况后，才能得知真实施工质量，这难免代价过大。

虽然现有推荐性规范JGJ/T 182-2009 《锚杆锚固质量无损检测技术规程》中给出了锚杆锚固体质量检测的具体方法，但由于种种原因，并未在工程界广泛应用。

而预应力锚杆，施工过程中必须对锚筋进行全数张拉和锁定。

编制组希望通过施加预应力来增加一道检测关口，对施工质量进行全数检测，可以说是当前工程现状下一种较为可行的折中方案。

考虑到这层目的，设计图纸中预应力锚杆的锁定值不适合定的太低。

YB/T 4659-2018《抗浮锚杆技术规程》主编在“ 《抗浮锚杆技术规程》若干规定解读”一文中，给出了具体设计建议。

深圳市工程建设标准 SJG73—2020《 岩 土锚固技术标准》则给出了锁定值的取值原则。

锁定值不应小于锚杆抗拔承载力特征

综上可见，为了实现锚杆质量全数预检测的目标，盲目降低预应力锚杆张拉锁定荷载的方法并不可取。

       5   限制普通锚杆      

前文中 《抗浮标准》编制组认为，近几年编制的相关规程，对普通锚杆的使用限制趋于严格，大白认为这个情况确实属实。

不过有一点编制组没说准确，2016年实施的国家标准 GB50086-2015《 岩土锚杆与喷射混凝土支护工程 技术规范 》中，并未 通过 扣除锚固段长度来限制普通锚杆的应用。反倒是，

直接限制普通锚杆应用于地下室抗浮工程

总则中规定，该规范适用于地下室结构抗浮工程。

具体条文中，仅有预应力锚杆可以用来进行结构抗浮，而普通锚杆不适用。

条文说明中直接要求，地下室结构抗浮工程均应采用预应力锚杆。

这本规范在实际工程中使用的人并不多，故上述限制要求虽早已有之，但并未引起大家的重视。

大白在以前文章中多次提到的YB/T 4659-2018《抗浮锚杆技术规程》（以下简称《锚杆规程》）中，虽未限制普通锚杆的使用，但对其极限抗拔承载力作出一定限制：

土层锚杆不应计入顶部4m锚固段的侧阻

《抗浮标准》延续了限制普通锚杆的编制思路，这是7.5.8条诞生的背景条件之一。

当然，还有其他重要原因，标准编制组并未在 《抗浮标准》中写明。

       6   其他重要原因      

这里面的一个重要原因是:

普通锚杆设计时普遍采用“裂缝验算控制法”或“ 预留腐蚀裕量法” 作为防腐手段，已不被近些年的规范规程所接受。

《 锚杆规程 》4.3.4条条文说明中，对这两种方法进行了限制：

设计过普通预应力螺纹钢锚杆的朋友们肯定清楚，由于钢筋强度高应力大，采用传统裂缝计算方法根本无法满足裂缝宽度限值不超过0.2mm的要求。

若想使用普通预应力螺纹钢锚杆，又想同时规避裂缝控制问题，有的朋友想到借鉴钢管桩的“ 预留腐蚀裕量法 ”进行设计。

想通过提前考虑并牺牲部分锚筋厚度来保证普通锚杆的耐久性。

针对这种设计方法， 《 锚杆规程 》也给出了针对性的限制：

前文提到，锚筋上的腐蚀以点 腐蚀为主，分布不均匀、开展迅速且优先在局部凹穴或表面不规则处展开。

锚杆属于“一点溃而全局崩”的构件，考虑到存在这类点蚀时腐蚀裕量提供不了太大作用，故规程中不推荐其为有效防腐蚀 措施。

此外，大白认为另一个重要原因是，现有规范标准中锚杆的防护措施要与国际标准相接轨。

根据规范组编制组调查，欧洲、 英国、美国及日本与锚杆相关的技术标准 主要有：

EN 1537:2013、EN 206-1:2013、BS 8081:1989、FHWA-IF-99-015、PTI DC35.1-14、JGS4101 - 2012等。

以 欧 洲标准化委员会 (CEN) 出版的EN 1537： 2013 《特种岩土工程的实施一 锚杆》为例，其附录C中给出了永久锚杆的具体防护手段。

大白英文水平已然退化，借用文献 [10] 的总结，永久锚杆防腐蚀系统的总体要求应为：

永久锚杆的锚筋至少应有一层连续的设计使用年限内 不会劣化的防腐材料包裹 。防腐体系应为 一层物理防腐屏障 ，其完整性应得到 现场试验逐条证实 ，除非另有规定 ；或者为 双层防腐屏障 ，内层被外层保护以防在锚筋组装及安装过程中损伤。

大白个人觉得，普通锚杆防腐体系由于施工可行性、质量管控等一些问题（后文再讨论），被近些年的规范规程所限制也算情有可原。

那么，锚杆要如何设计才能达到系统性防护目标？

       7   系统性防腐措施      

《抗浮标准》7.5.9条，给出了锚杆防腐设计的具体要求。

首先，根据具体环境作用等级，来确定锚杆的最低防腐等级。

特别提醒一点：

强腐蚀环境不应采用锚杆抗浮。

其次，防腐体系参考国外规范，采用 物理防腐屏障法 。

防腐等级Ⅰ级时应设置双层保护，Ⅱ级时不应低于单层保 护。

防腐的最终目标及原则是：

把金属筋体完全装入不透水的保护层内以阻止环绕在锚杆周围的地下水及潮湿气体的侵入。

具体设计时，可以对照表7.5.9-2，判断锚头、自由段、粘结段的防腐措施是否满足基本防护要求。当然，更详细的做法也可参考标准的附录F。

可以看到，标准正文中并未提及普通锚杆的具体防护措施。

反观压力型预应力锚杆，由于生命周期中注浆体全截面受压，可认为是一道 物理防腐屏障；无粘结钢绞线外设有塑料套管，也被认可为第二道防御屏障，因此自身可满足Ⅰ级防腐保护等级要求。

再次， 锚杆与地下室结构底板连接部位的锚固节点 也是防腐蚀措施容易遗漏的关键区域 ，必须保证其可靠性。

设计时注意参照下表， 复核防水措施的道数是否足够以及有效 。

       8   普通锚杆的防腐保护      

目前 各地对《抗浮标准》的执行程度仍有所不同。

以福建省为例，虽然压力型预应力锚杆已在部分项目中开始使用，但普通锚杆的应用并未受到限制。

不过，需要提醒大家注意一点：

现行标准的防腐措施相较以往规范已严格许多。

建议设计项目使用普通锚杆时，不宜继续沿着以往的路径和习惯，而应执行现有标准的防护要求。

当然，该防护体系在具体实施过程中仍存在一些难题，期待大家利用工程经验与智慧进行解决。

满足现行《抗浮标 准》的普通锚杆（即全长粘结型锚杆）防腐蚀构造可在附录F中查得。

该套防腐体系主要存在两点问题：

一、Ⅱ级防腐等级条件下，锚固段钢筋需全长敷涂环氧涂料涂层。

根据现有资料，环氧涂层的防护手段并非完全可靠。

主要问题有，制作、运输、安装及注浆等施工过程中，涂层 容易受到损伤且不易被发觉 ；

锚杆钢筋表面 应除锈清洁后，才能涂刷涂层， 以现场涂敷为主，环氧涂层质量 很难得到保证，经常未经厚度和完整性检验即投入使用。

说明防护质量仍主要取决于现场施工管控。

△  实验室内Ⅱ级防腐锚杆锚筋腐蚀后外观[11]

二、Ⅰ级防腐等级锚杆必须外设波纹管进行物理防护。

也就是说，必须管内预先注浆后，再进行管外注浆。

△  实验室内的Ⅰ级防腐锚杆 [11]

△  实验室内的Ⅰ、Ⅱ级防腐锚杆[11]

白色钢筋为带环氧树脂涂层

需要注意一点，《抗浮标准》条文中隐含认为，波纹管内注浆会在工厂或相当于工厂环境下预先注入（即预注浆），因此波纹管+管内注浆可满足两道物理屏障的要求。

但实际情况是，绝大多数情况下，注浆只会在施工现场实施。

为确保工程质量，建议Ⅰ级防腐锚杆参考《锚杆规程》中的条款，考虑现场施工的不确定性，采用：

在锚筋上增设环氧涂层，以波纹管+环氧涂层作为两道物理屏障。

当然，上述思路大部分仍然属于实验室研究或理论探讨阶段，鉴于我国锚杆的预制化程度低，国外规定拿来国内执行难免面临水土不服的情况。

因此，连《抗浮标准》在条文说明中也不得不承认：

普通锚杆Ⅰ级防腐构造经验不足，不应采用。

这可能也是7.5.8条限制普通锚杆应用的另一个原因。

根据大白的调查，普通锚杆采用 Ⅰ级防腐构造时，施工单位需要在地面上先进行波纹管内一次注浆，待强度达到要求后，采用吊装的方式（此时杆体已较重）置入钻孔内，然后再进行管外二次注浆。

若有补浆要求或劈裂注浆要求，还需要进行三次注浆。

可见，实施起来并不方便。

提醒大家注意一点，GB55001-2021《工程结构通用规范》中规定：

施工可行性也属于强制性条文！

结构工程师进行 普通锚杆防腐蚀设计时， 必须考虑上述客观情况，采用可实施且有效的防腐蚀构造。

最后提醒大家注意的是，为保证锚筋与注浆体的传力需要：

普通锚杆和拉力型锚杆必须验算锚筋与固结体之间的界面粘结力。

注浆锚杆锚筋与固结体之间界面粘结强度值本身是非常重要的一项基本设计参数，但各规范标准给出的建议值差异巨大。

深圳市标中对这个问题的说明如下：

本来就没有较为确切的取值， Ⅰ级防腐普通锚杆又存在：

锚筋与波纹管内层注浆体、内层注浆体与波纹管、波纹管与外层注浆体这三层传力界面。

因此，大白个人以为：

建议限制Ⅰ级防腐普通锚杆（特别是岩石锚杆）的使用。

待各层界面粘结强度值研究清楚后再用也不迟。

       9   总结      

一、抗浮锚杆耐久性设计非常重要，属于通用规范的强制性条文要求；

二、 除抗浮设防水位设定过低的原因以外， 地下室抗浮失效主要原因是广泛使用的普通锚杆施工质量存在缺陷所致；

三、当前验收手段不足以揭示普通锚杆的施工质量全貌；

四、《抗浮标准》推荐采用压力型预应力锚杆，目的在于通过张拉工艺对锚杆质量进行全数预检验；

五、现有标准中锚杆防腐蚀系统已转变为“物理防腐屏障法”；

六、传统的“裂缝验算控制法”和“预留腐蚀裕量法”不再作为普通锚杆的有效防腐措施；

七、普通锚杆也应按照“物理防腐屏障法”进行耐久性设计；

八、由于施工质量的不确定性，普通锚杆Ⅱ级防腐的有效性仍待验证；面临Ⅰ级防腐需求时，建议设计成压力型预应力锚杆。

大白新设计的抗浮锚杆项目已采用压力型预应力锚杆，待后期现场施工后再跟大家分享一下设计心得。

       10   三个小故事      

最后轻松一点，跟大家分享下听到的三个小故事：

第一个故事：

有人认为，只要抗浮锚杆按压力型预应力锚杆进行构造，施工过程中不进行张拉也是没有问题的，这个做法满足《抗浮标准》的要求。

第二个故事：

某新型预应力锚杆承载力高，相较普通锚杆可大幅节约长度以及优化造价。

当被问及是否需要在地下室底板上张拉可能会存在渗漏隐患以及锚筋对中支架设置过疏的问题时，发明人认为无粘结段锚筋可不进行张拉直接浇筑在底板内，原因是张拉过程对杆周土层有干扰，会降低后期承载能力；有粘结段锚筋对不对中没太大关系。

第三个故事：

听某施工班组说，预应力锚杆设计图纸中张拉锁定值写那么高没用，现场施工时实际也就张拉个十几吨。

故事讲完了，大家细品，自行解读、理解和选择，斗智斗勇去吧。

参 考文献

[1]  李铮, 汪波, 何川,等. 多重防腐锚杆抗腐蚀性试验研究[J]. 岩土力学, 2015, 36(4):8.

[2]  GAMBOA E, ATRENS A. Laboratory testing of rock bolt stress corrosio n cracking[C]//4th Underground Coal Operators Conference. [S. l.]: University of Wollongong& the Australasian Institute of Mining and Metallurgy, 2003: 132 － 153.

[3] 吴德兴, 周书明, 王勇. DCP型多重防腐锚杆的研制及应用[J]. 公路隧道, 2011, 000(004):20-23.

[4] 曾宪明, 陈肇元, 王靖涛,等. 锚固类结构安全性与耐久性问题探讨[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(13):2235-2235.

[5] 赵健, 冀文政, 肖玲,等. 锚杆耐久性现场试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2006, 25(7):9.

[6] 邓德华, 黄海, 冯俊德. 武广客运专线边坡支护结构中锚固体抗腐蚀性的技术措施[J]. 铁道科学与工程学报, 2007, 4(3):6.

[7] 肖玲, 李世民, 曾宪明,等. 地下巷道支护锚杆腐蚀状况调查及力学性能测试[J]. 岩石力学与工程学报, 2008.

[8] 《 建筑工程抗浮技术标准》JGJ 476-2019 主要问题释义 .《建筑工程抗浮技术标准》编制组 , 2020 .

[9]   《抗浮锚杆调查及几个重要技术问题讨论》 .付文光 , 2018 .

[10] 付文光, 周凯, 任晓光. EN 1537:2013等规范中的锚杆防腐设计——欧洲目前主要锚杆技术标准简介之六[J]. 岩土锚固工程, 2015(1):9.

[11] 李铮, 汪波, 何川,等. 多重防腐锚杆抗腐蚀性试验研究[J]. 岩土力学, 2015, 36(4):8.