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承压型囊式扩体锚杆承载机理分析与抗腐蚀耐久性探讨

发布于：2022-09-07 13:32:07 来自：建筑结构/结构资料库 [复制转发]

0引言

在建筑物抗浮工程设计和施工中，承压型囊式扩体锚杆技术具有承载力高、变形小、抗腐蚀耐久性好、效率高和成本低等诸多优点，越来越受到工程技术人员的青睐。本文通过对传统等直径锚杆和承压型囊式扩体锚杆承载机理的阐述与分析，进一步验证了承压型囊式扩体锚杆技术在应用于建筑物抗浮设计和施工中的安全可靠性和抗腐蚀耐久性，可为承压型囊式扩体锚杆技术在建筑物抗浮设计中的进一步推广和应用提供有益借鉴。

1 承压型囊式扩体锚杆承载机理梳理分析

近年来，针对传统等直径锚杆单锚承载力较低、抗拔变形较大和抗腐蚀耐久性差等状况，既有程良奎等就如何提高岩土锚杆抗拔承载力的途径和方法的有益探索^[¹^]，也有在提高岩土锚杆抗拔承载力的途径、方法及其效果分析上做了大量开发和研究工作的工程技术人员^[²^]。工程实践表明前者的方法效果显著，承压型囊式扩体锚杆正是后者诸多新技术之一。承压型囊式扩体锚杆技术是在梳理和总结以往传统等直径锚杆和高压喷射扩孔锚杆技术缺陷的基础上，通过技术创新，所研发形成的具有多重防腐功能的承压型囊式扩体锚杆新技术体系。工程实践和研究表明：相较于其它类型的抗浮锚杆，该体系不但能在较小变形时提供较大的抗拔承载力，而且其安全度和抗腐蚀耐久性等也能得到保证^[²^]。图1是承压型囊式扩体锚杆这一新技术体系的发展沿革过程。

在图1（a）中，由于锚杆拉力自上而下传递，荷载沿锚固段全长的黏结应力一般呈现分布区间短、分布极不均匀、黏结应力峰值高和有效锚固长度有限等特点，荷载达到峰值后，荷载～位移曲线将会出现陡降现象，导致锚杆承载力随着拉拔位移的持续增加而大幅度降低。高压喷射扩孔锚杆是采用高压喷射工艺，在锚杆锚固段底端或在锚固段全长形成一个或几个体态扩大了的锚杆，如图1（b）所示，它也是一种能改善锚杆传力机制的锚杆，一般称为“支承—摩阻”复合型锚杆，其承载力由扩大头变截面处土体的支承力和锚固体与地层接触界面上黏结摩阻力构成^[¹^、²^]。承压型囊式扩体锚杆是在克服传统高压喷射扩孔锚杆扩体锚固段注浆体抗压强度不足、施工质量可控性差、防腐与耐久性难以保证和锚杆筋体安放无法保证居中等问题与缺陷的基础上，由中国京冶工程技术有限公司开发的具有多重防腐功能的承压型囊式扩体锚杆新技术体系，如图1（c）所示。试验研究表明：当承压型囊式扩体锚杆的扩体锚固段顶端至地表的距离与承压型囊式扩体锚固段的直径之比大于9时，承压型囊式扩体锚杆则表现为深埋扩体锚杆的承载特性，其荷载与位移的拉拔特征曲线表现出单调上升特征。图2为承压型囊式扩体锚杆与传统等直径摩擦性锚杆的荷载与拉拔位移特征曲线对比图^[²^]。又由于承压型囊式扩体锚杆是基于压力型原理设计的扩体锚固技术，因此也就避免了图1（a）等直径锚杆和图2（b）高压喷射扩孔锚杆的锚固体在受拉后极容易产生开裂而引发锚固段腐蚀问题，极大地增强了锚固体系的长期安全性问题。

承压型囊式扩体锚杆是指在锚杆锚固段底端形成一个体态扩大了的锚杆，其抗力由扩大头变截面处土体的支承力、扩体锚固体与地层接触界面上的黏结摩阻力和细孔锚固体与地层接触界面上的黏结摩阻力构成，如图 3所示。即，式中、和估算公式和估算参数取值方法详见文献【3】，限于篇幅不再赘述。

一般认为土体的支承力是承压型囊式扩体锚杆承载力的主要来源，其扩体锚固段承载力（包括周边摩阻力和支承力）对承压型囊式扩体锚杆抗力的贡献率在80%以上^[²^]，如图 4所示。同时由图2揭示的深埋承压型囊式扩体锚杆荷载与拉拔位移的特征曲线表现出的单调上升特征表明：荷载与位移曲线无荷载峰值，其随抗拔位移增加而稳步提高，表现出明显的应变硬化特征，相较于等直径锚杆的荷载与位移曲线具有荷载峰值与应变软化的特征，承压型囊式扩体锚杆明显的应变硬化力学特征揭示其具有较为可靠的安全和有效性。

图5所示的传统等直径锚杆和承压型囊式扩体锚杆两种形式抗浮锚杆的抗拔试验Q～S曲线对比图，是既往工程实践中具有代表性的一典型案例^[⁴^]。

由图5可知，和传统等直径抗浮锚杆相比，承压型囊式扩体抗浮锚杆可以大幅提高单锚承载力特征值。在相同变形（S=9mm）情况下，承压型囊式扩体抗浮锚杆单锚承载力特征值（480kN）是传统等直径抗浮锚杆单锚承载力特征值（120kN）的4倍（通常在2～3倍以上）。设计实践表明，在总浮力一定的情况下，承压型囊式扩体抗浮锚杆的布置密度降低80%左右，由此可使承压型囊式扩体抗浮锚杆布置形式更为灵活和分布更为均匀，同时也大大减少了建筑柔性防水节点的穿透点^[4]。

2 承压型囊式扩体锚杆抗腐蚀耐久性探讨

上述对承压型囊式扩体锚杆承载机理梳理分析和工程实践表明，承压型囊式扩体锚杆技术具有承载力高、变形小特点。承压型囊式扩体锚杆作为整体结构的主要构件，既要满足结构的安全稳定和正常使用，又要确保设计使用年限内的耐久性和长期有效性。

如图5所示，承压型囊式扩体锚杆传力途径主要分一下三个步骤：

⑴当荷载较小时（约为承压型囊式扩体锚杆总抗力的10%左右），承压型囊式扩体

锚杆拉力自上而下传递，锚杆拉力主要由细孔锚固段的锚固体与地层接触界面上的黏结摩阻力提供，此时锚杆锚固段底端扩大部分以上细孔锚杆呈现全粘结性承载机理，细孔内水泥结石体段承受较小的拉应力。

⑵随着荷载的不断增大，承压型囊式扩体锚杆拉力由单一的细孔锚固段的锚固体

与地层接触界面上的黏结摩阻力提供，逐渐变为由扩大头变截面处土体的支承力、扩体锚固体与地层接触界面上的黏结摩阻力和细孔锚固体与地层接触界面上的黏结摩阻力联合提供，如图4所示。

⑶当荷载接近锚杆拉力时，扩大头变截面处土体的支承力Rsd和扩体锚固体与

地层接触界面上的黏结摩阻力也得到充分发挥。伴随着扩大头变截面处土体的支承力和扩体锚固体与地层接触界面上的黏结摩阻力充分发挥所引起扩体锚固体的向上位移，使扩体部分也起到承载体作用，不难理解，承压型囊式扩体锚杆的细孔部也像扩体部分一样，变为压力型锚杆，最终使得承压型囊式扩体锚杆在提供抗力时完全呈现出压力型锚杆的受力机理，扩体和细孔内水泥结石体均处于受压状态，扩体和细孔内水泥结石体不会产生开裂。