結(jié)構(gòu)工程師在實(shí)際項(xiàng)目中遇到難題時(shí)，單純的回避或者線性類推解決都是不可取的。
一方面，這樣的處理方式無(wú)法體現(xiàn)工程師的自身價(jià)值；另一方面，它們還可能給工程項(xiàng)目帶來(lái)施工風(fēng)險(xiǎn)與安全風(fēng)險(xiǎn)，造成無(wú)可挽回的經(jīng)濟(jì)損失。
本期文章中，用一個(gè)抗浮項(xiàng)目實(shí)例，聊聊結(jié)構(gòu)工程師在條件受限的情況下，如何思考、研究并且解決實(shí)際工程問(wèn)題。
工程概況
某安置房工程，項(xiàng)目總用地面積約2萬(wàn)㎡，總建筑面積約8.5萬(wàn)㎡。
項(xiàng)目分a、b兩個(gè)地塊，每個(gè)地塊各建設(shè)一棟28層住宅，上部建筑面積各約為2.5萬(wàn)㎡；
a地塊帶3層地下室，b地塊帶4層地下室，每層層高3.8m，建筑面積均不到2.0萬(wàn)㎡。
由于軌道交通線從擬建的兩個(gè)地塊中間通過(guò)，考慮到項(xiàng)目開發(fā)過(guò)程可能對(duì)既有軌道交通結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，故主樓部分的樁基方案采用非擠土樁型（旋挖灌注樁），利用樁側(cè)與樁端全長(zhǎng)復(fù)式后高壓注漿以提高樁基承載力，并減小樁長(zhǎng)。
純地下室部分埋深較大，開挖后可直達(dá)老土層，基礎(chǔ)持力層主要以深厚的殘積砂質(zhì)粘性土為主，局部為全風(fēng)化花崗巖層，地基承載力均較高。
實(shí)施方案考慮樁土協(xié)同承載，采用可控剛度平板式樁筏基礎(chǔ)，既優(yōu)化了結(jié)構(gòu)成本，亦降低了建筑全生命過(guò)程對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的沉降量及水平位移量的影響。
抗浮方案
多層地下室的抗浮水位高，因而抗浮設(shè)計(jì)存在較大難度。
以a地塊三層地下室為例，純地下室部分的自重恒載標(biāo)準(zhǔn)值約為65kn/㎡，而底板水浮力平均高達(dá)122kn/㎡。
水浮力約是上部自重的2倍，必須采用安全可靠的抗浮方案。
由于擠土樁型使用受限，故phc管樁無(wú)法作為第一選擇，且灌注樁用做抗浮樁的成本過(guò)高，抗浮錨桿自然成為最優(yōu)選項(xiàng)。
若將抗浮錨桿均勻分散布置在底板范圍，或者布置于地下室墻柱范圍以外的板下時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的：
1、底板下方的水浮力就近平衡，底板受力相對(duì)更小且更為均勻；
2、合理控制地下室結(jié)構(gòu)的整體與局部變形。
已有的粘性土及砂型土中普通拉力型錨桿群錨拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)錨固體間距不少于8d（d為錨固體直徑）時(shí)，抗拔力有效系數(shù)不小于0.97；國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)亦有規(guī)定，當(dāng)錨固體間距小于1.5m時(shí)，應(yīng)考慮群錨效應(yīng)。
綜上，初步考慮將錨桿間距按1.5m控制，均勻分散布置在底板范圍內(nèi)。
錨桿選型
項(xiàng)目設(shè)計(jì)于2017年，選型分析主要依照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》gb50330-2013（以下簡(jiǎn)稱邊坡規(guī)范）執(zhí)行，部分內(nèi)容參考《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》 cecs22:2005（以下簡(jiǎn)稱為錨桿規(guī)程）。
以a地塊為例，1.5m間距滿鋪狀態(tài)下，單根錨桿的抗拔承載力特征值ra可按下式估算：
ra=（1.05x122-0.9x65）x1.5x1.5x1.15=180kn；
式中，1.15為預(yù)估的錨桿上拔力不均勻分布系數(shù)。
可以認(rèn)為，當(dāng)ra取180kn時(shí)，地下室抗浮穩(wěn)定性可初步滿足要求。
b地塊在相同布置情況下，單根承載力需高達(dá)250kn，才能滿足設(shè)計(jì)需求。
初步設(shè)計(jì)階段，可利用場(chǎng)地最不利孔點(diǎn)進(jìn)行快速選型，a地塊zk59的工程地質(zhì)剖面如下圖所示：
可以看到，底板下方仍有近20m的深厚殘積砂質(zhì)粘性土層，且常壓注漿下的土層極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值只有55kpa，這對(duì)錨桿選型是非常不利的，抗拔承載力難以取高。
依據(jù)邊坡規(guī)范，對(duì)于永久性抗浮地下室：安全等級(jí)按一級(jí)，錨固體抗拔安全系數(shù)取k=2.6；
以下表進(jìn)行初步試算，錨桿直徑180mm的情況下，長(zhǎng)度需達(dá)到16m，似乎可以滿足設(shè)計(jì)承載力需求。
同理，b地塊的殘積土層也有近18m，錨桿長(zhǎng)度需達(dá)到20m以上，方能滿足估算需要。
但是，特別需要注意一點(diǎn)，上述估算長(zhǎng)度均大幅超出邊坡規(guī)范8.4.1條中對(duì)土層錨桿合理構(gòu)造長(zhǎng)度的約定：
不應(yīng)小于4m，且不宜大于10m。
錨桿規(guī)程也有類似規(guī)定：規(guī)程要求，當(dāng)土層錨固段長(zhǎng)度為10m時(shí)，影響系數(shù)取𝜙=1.0；長(zhǎng)度超過(guò)10m時(shí)，錨桿越長(zhǎng)，則折減系數(shù)亦越大。
當(dāng)錨桿長(zhǎng)度不小于16m時(shí)，折減系數(shù)高達(dá)0.6，也就是說(shuō)：
相較邊坡規(guī)范的估算公式，按錨桿規(guī)程求得的長(zhǎng)度需至少放大1.5倍以上。
那么，疊加考慮系數(shù)𝜙的影響之后，原有試算結(jié)果就會(huì)變成：
a地塊，錨桿長(zhǎng)度16m，承載力僅剩115kn左右；
b地塊，錨桿長(zhǎng)度20m，承載力只能取150kn左右；
我們必須考慮一點(diǎn)，當(dāng)抗拔承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足初步設(shè)計(jì)需要時(shí)，能否繼續(xù)增加錨桿長(zhǎng)度？
越長(zhǎng)越糟！！
近兩年發(fā)布的新標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程，對(duì)地層中錨固體的長(zhǎng)度同樣有所限制。
2018年發(fā)布的《抗浮錨桿技術(shù)規(guī)程》（yb/t 4659-2018）（下文簡(jiǎn)稱冶金部規(guī)程）規(guī)定如下：
巖層中宜取3～8m，土層中宜取6～12m。
《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（jgj 476-2019）（下文簡(jiǎn)稱新抗浮標(biāo)準(zhǔn)）則認(rèn)為：
全長(zhǎng)粘結(jié)拉力型錨桿的長(zhǎng)度宜為5～15m。
相關(guān)規(guī)定均建立在如下事實(shí)之上：
錨桿越長(zhǎng)可得到的承載力越高這個(gè)結(jié)論，僅在錨桿的有效長(zhǎng)度范圍內(nèi)近似成立。
如下圖所示，30根不同長(zhǎng)度錨桿破壞性試驗(yàn)的成果表明：
錨固長(zhǎng)度超過(guò)臨界長(zhǎng)度后，砂土中錨桿的極限抗拔力增長(zhǎng)是有限的。
粘土中的錨桿亦存在類似情況，英國(guó)a.d barley通過(guò)61根單元錨桿試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：
錨固長(zhǎng)度增加，地層強(qiáng)度有效利用率fc急劇降低；錨固長(zhǎng)度25m時(shí)，fc可降低到0.25。
上述問(wèn)題都是由拉力型錨桿的傳力模式所造成的。如下圖所示，當(dāng)外力通過(guò)鋼筋和水泥漿以及錨固體與土層間的粘結(jié)作用傳遞到地層中時(shí)：
錨固段頭尾的不均勻拉伸變形帶動(dòng)巖土體的變形，故錨固體上的軸力是遞減的；錨桿有顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，土體只能局部地、有先后地進(jìn)入屈服狀態(tài)，不能完全發(fā)揮其抗剪強(qiáng)度。
理論上，應(yīng)力分布的均勻性取決于：
錨固體材料的彈性模量與巖土彈性模量之比。
兩者的差別越小，應(yīng)力集中越明顯；兩者間彈性模量差別越大，則應(yīng)力分布越均勻。
在大荷載下，錨桿近端會(huì)先發(fā)生局部粘結(jié)破壞；荷載進(jìn)一步加大時(shí)，該破壞會(huì)逐漸向遠(yuǎn)端發(fā)展。
據(jù)此，大白在《抗浮錨桿的學(xué)習(xí)筆記》中，特意配了一段圖文進(jìn)行了隱喻：
一只畫眉鳥從草坪中拔出一只蟲的難度，并不取決于蟲子的長(zhǎng)度。
補(bǔ)充一點(diǎn)題外話，如果拉桿相較于錨固材料要硬的多：
應(yīng)力狀態(tài)將會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)，應(yīng)力將集中于拉桿的底部或末端區(qū)域。
這也是為什么，當(dāng)受拉鋼筋在混凝土內(nèi)無(wú)法直錨時(shí)，末端必須設(shè)置一定長(zhǎng)度的彎鉤。
綜上所述，相關(guān)規(guī)程對(duì)錨固體長(zhǎng)度的限制是非常合理的，錨桿抗拔承載力不足時(shí)，簡(jiǎn)單的線性加長(zhǎng)是不可取的，甚至可以認(rèn)為是安全隱患的。
應(yīng)對(duì)方案
回到前文案例，針對(duì)錨桿計(jì)算長(zhǎng)度超出規(guī)范約定的長(zhǎng)度的情況，邊坡規(guī)范的8.4.1條第4款給出具體設(shè)計(jì)路線：
項(xiàng)目錨桿直徑已取到180mm，考慮二次高壓劈裂注漿以提高抗拔承載力便成為主推方案。
那么，什么是二次高壓劈裂注漿錨桿？
《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》（gb 50086-2015）給出了定義，并繪出了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖：
與可重復(fù)高壓灌漿型錨桿相比，二次高壓劈裂注漿錨桿的構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，在錨固段常壓注漿并達(dá)到一定強(qiáng)度后，可對(duì)錨固段注漿體周邊地層進(jìn)行再一次的高壓劈裂注漿加強(qiáng)。
其主要適用土層如下：
土層及全、強(qiáng)風(fēng)化巖層建議采用，中~未風(fēng)化巖層中作用不明顯。
相較于常壓注漿錨桿，該類錨桿的優(yōu)勢(shì)在于：
可以大幅提高錨固體與巖土層的粘結(jié)強(qiáng)度，彌補(bǔ)一次常壓注漿不易飽滿、孔壁附有泥皮等的質(zhì)量缺陷。
至于承載力提高幅度，冶金部規(guī)程6.4.1條的條文說(shuō)明中作出如下描述：
二次高壓劈裂注漿錨桿的極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，可要求地勘單位在勘察報(bào)告中提供，本項(xiàng)目的巖土設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
數(shù)據(jù)說(shuō)明，注漿后粘結(jié)強(qiáng)度均有較大幅度的提高，粘性土提高了36.4%，而全風(fēng)化花崗巖的提高幅度達(dá)到50%。
考慮到錨桿長(zhǎng)度有效降低和高壓注漿的有利作用，a地塊二次高壓劈裂注漿方案按影響系數(shù)𝜙取1.0進(jìn)行承載力試算。
如數(shù)據(jù)所展示的，二次劈裂注漿方案的錨桿長(zhǎng)度較常壓注漿方案大幅降低，僅需12m即可滿足估算需求，錨筋采用三級(jí)鋼，錨桿選型初步完成。
增強(qiáng)機(jī)理
研究表明，二次高壓劈裂注漿能使水泥漿液在周圍地層中滲透、擠壓、擴(kuò)散，也能對(duì)鉆孔形成徑向壓力，從而提高了錨固體與地層的粘結(jié)摩阻力（抗拔承載力）。
1974年，ostermayer測(cè)得了粘土中錨桿隨錨固長(zhǎng)度變化的單位表面摩阻力曲線：
大白認(rèn)為，我們必須牢記從曲線中得出的幾點(diǎn)重要結(jié)論：
1、錨桿承載力與注漿壓力有直接關(guān)系；隨注漿壓力的增大而增大；
2、注漿壓力越高、注漿量越大、漿液分布越均勻，粘結(jié)摩阻力越高；
3、注漿壓力不是越高越好，超過(guò)4mpa時(shí)，承載力增加不明顯；
了解基本原理能夠幫助我們合理地進(jìn)行錨桿構(gòu)造，從而保證抗浮方案的施工可行性與結(jié)構(gòu)安全性。
關(guān)鍵問(wèn)題
前期外部調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，個(gè)別項(xiàng)目采用了二次高壓劈裂注漿方案，但在基本試驗(yàn)時(shí)卻并未達(dá)到提高抗拔承載力的預(yù)期目標(biāo)，甚至出現(xiàn)某個(gè)項(xiàng)目的抗拔力試驗(yàn)值低于常壓注漿承載力估算值的情況。
分析原因后，大白認(rèn)為，以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題必須在設(shè)計(jì)階段明確或加以考慮：
一、明確二次高壓劈裂注漿的時(shí)間節(jié)點(diǎn)
已有工程經(jīng)驗(yàn)表明，二次高壓劈裂注漿的時(shí)機(jī)非常重要，將直接決定著工藝的成敗，水泥結(jié)石體強(qiáng)度過(guò)高或過(guò)低都難以實(shí)現(xiàn)高壓劈裂注漿。
因此，《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》（gb 50086-2015）4.7.11條，對(duì)時(shí)間節(jié)點(diǎn)作出如下規(guī)定：
現(xiàn)有文獻(xiàn)均認(rèn)為，結(jié)石體強(qiáng)度達(dá)到5.0mpa的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為：
一次常壓注漿后4～6小時(shí)。
調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，部分項(xiàng)目將注漿時(shí)間定在24小時(shí)之后，有的甚至要求在48小時(shí)后，錨固體早已凝固，并具備一定強(qiáng)度，容易灌漿不進(jìn)去而導(dǎo)致工藝失效。
綜上，大白認(rèn)為在設(shè)計(jì)圖紙中明確注漿時(shí)間節(jié)點(diǎn)，是非常必要的。
二、明確注漿管的開孔要求
從承載機(jī)理來(lái)說(shuō)，劈裂注漿的分布越均勻，錨固體與周圍土層的粘結(jié)摩阻力越高。
這就要求錨桿的二次注漿管必須沿長(zhǎng)度方向開一定數(shù)量的孔，且保證注漿從底端向前端逐步實(shí)施。
前期調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分設(shè)計(jì)圖紙未明確注漿管的開孔要求，若施工單位亦缺乏類似經(jīng)驗(yàn)，可能導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn)，并大幅增加項(xiàng)目抗浮成本。
注漿孔的具體設(shè)置要求，可參考《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（jgj120-2012）4.8.4條的相關(guān)條文：
構(gòu)造上，將注漿管綁定在鋼筋桿體上，一并埋入鉆孔中。
這樣做的好處在于，注漿管底端的開孔較大，且垂直注漿液面高差壓力大，底端開孔容易先被沖開，從而保證由底到頂?shù)目滓来伪淮蜷_，有利于漿液均勻分布，且施工較為便捷。
三、補(bǔ)充通水試驗(yàn)要求
現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)表明，制作好的錨桿桿體在吊運(yùn)過(guò)程中，pvc注漿管容易存在局部破損的現(xiàn)象。
為保證二次劈裂注漿順利進(jìn)行，建議在圖紙中補(bǔ)充通水試驗(yàn)的要求。
對(duì)于存在滲漏現(xiàn)象的錨桿，必須要求返工后方可置入鉆孔內(nèi)。
試驗(yàn)驗(yàn)證
為考核施工工藝和設(shè)備的適應(yīng)性以及地質(zhì)參數(shù)的合理性，a地塊錨桿施工前，試打3根進(jìn)行非工程錨桿基本試驗(yàn)，為后續(xù)的大面積施工提供依據(jù)。
在施工單位的大力支持下，選擇臨近各試驗(yàn)錨桿位置，相應(yīng)增設(shè)一根等長(zhǎng)的常壓注漿錨桿以進(jìn)行承載力對(duì)比。
6根錨桿的最大試驗(yàn)荷載均取360kn，為單根錨桿抗拔承載力特征值的2倍，采用邊坡規(guī)范附錄c.2章的循環(huán)加、卸荷法進(jìn)行檢測(cè)。
可見，12m長(zhǎng)度下，3根常壓注漿錨桿的抗拔承載力可取162kn，均大于設(shè)計(jì)估算值144kn；彈塑性位移均較小，能滿足相近條件下普通錨桿的設(shè)計(jì)選型需要。
特別可惜的是，現(xiàn)場(chǎng)未對(duì)編號(hào)為1、2、3的二次高壓劈裂注漿錨桿進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，最大試驗(yàn)荷載僅加載至設(shè)計(jì)目標(biāo)值，故而無(wú)法驗(yàn)證破壞狀態(tài)下的極限承載力能否超過(guò)設(shè)計(jì)估算值。
現(xiàn)有數(shù)據(jù)下，二次劈裂注漿錨桿的極限抗拔承載力相較常壓注漿錨桿僅提高11%，與粘結(jié)強(qiáng)度的提高幅度相比，前者的承載能力仍有一定潛力。
試驗(yàn)結(jié)果表明，3根高壓注漿錨桿極限抗拔承載力均大于2倍軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值。加載至最大試驗(yàn)荷載后，錨頭位移穩(wěn)定，錨桿彈塑性位移均不大，均可滿足設(shè)計(jì)要求。
b地塊的結(jié)果基本類似，大白不再贅述，將試驗(yàn)結(jié)果收集匯總于下表中：
考慮到4層地下室底板下方的殘積砂質(zhì)粘性土基本處于硬塑狀態(tài)，壓縮性中等，力學(xué)強(qiáng)度較高，且地下水量并不大，故表中的抗拔承載力試驗(yàn)值大于設(shè)計(jì)估算值還是較為合理的。
數(shù)據(jù)還告訴我們，該地塊二次劈裂注漿錨桿的極限抗拔承載力相較常壓注漿時(shí)提高42%以上，遠(yuǎn)超出大白的預(yù)期。
因兩地塊基本試驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，故同意采用上述設(shè)計(jì)參數(shù)及施工工藝進(jìn)行大面積的錨桿施工。
施工完成后，按邊坡規(guī)范要求進(jìn)行抗拔驗(yàn)收試驗(yàn)，驗(yàn)收試驗(yàn)荷載值為單根錨桿抗拔承載力特征值的2倍。
整體項(xiàng)目的驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果詳下表，兩個(gè)地塊共施工二次高壓劈裂注漿錨桿2697根，共檢測(cè)137根，合格率100%，順利通過(guò)工程驗(yàn)收。
上述數(shù)據(jù)客觀驗(yàn)證了，在理解原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)精心設(shè)計(jì)與合理構(gòu)造，二次高壓劈裂注漿工藝可以顯著提高錨桿的抗拔承載力。