0 引言

　　当水浮力大于建筑物自重和压重之和时，为避免建筑物因上浮而产生破损，需要采取抗浮措施，以满足建筑结构的整体稳定和正常使用要求，通常称之为建筑物地基与基础抗浮设计，简称建筑物抗浮设计^[1]。当水浮力超过结构自重和压重之和较多时，通常采用将建筑物底板锚固于下卧地层的做法，进行被动抗浮设计。即建筑物根据其正常使用功能进行结构设计计算，将水浮力超出常规结构自重和其上压重部分通过锚固力进行平衡，同时锚固体的抗拔位移也要满足建筑物防水板正常使用条件对上浮挠曲限值的要求。对于带有地下室的高层建筑物与其周边相邻的裙房、下沉式广场、地下车库、地下商场等辅助建筑物所形成的广场式大底盘建筑群，其辅助建筑物的抗浮设计，既要满足力的平衡和防水板的正常使用，又要实现辅助建筑物上浮变形与主楼高层建筑物基础沉降的相互协调。鉴于主楼高层建筑物和辅助建筑物所形成广场式大底盘建筑群在进行上部结构、基础和地基协同分析计算中的复杂性，工程实践中，设计人员通常分别把减少主楼高层建筑物和辅助建筑物的绝对沉降和上浮变形，作为一种有效解决共同作用所产生不利影响的最好措施。由此可见，对于建筑物抗浮设计所采用的被动抗浮措施，其设计的关键是锚固体应同时满足建筑物整体、局部稳定的抗力平衡性能与建筑物防水板正常使用和减少主楼、辅助建筑物相对变形的上浮变形限值要求^[1]。工程实践中，抗拔锚杆是最为常用的锚固体之一，因此，通过提高抗拔锚杆的承载能力、安全度、抗腐蚀耐久性和降低抗拔位移量，不但可以实现用较少的锚杆来满足建筑物的整体、局部稳定和正常使用要求，同时对降低工程成本、缩短工程建设周期也十分有益。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简述，并结合北京地区承压型囊式扩体锚杆的典型工程实例，对两种不同锚固体在工程实际应用中的优缺点进行对比分析，为承压型囊式扩体锚杆在建筑物抗浮设计中的进一步推广应用提供借鉴。

　　1 建筑物被动抗浮设计对锚固体承载特性要求

　　如图1所示(图中P为相对应于作用的准永久荷载组合时，基础底面处的平均压力值)，当基底埋置较深和地下水位较浅时，由于裙房和地下车库等组成的辅助建筑物结构自重较轻，水浮力大于辅助建筑物自重和压重之和，通常把该基底范围称之为抗浮区;而主楼部分由于基底压力较大，即使考虑水浮力作用，其也会因基底压力较大对地基土产生附加压力，通常把该基底范围称之为非抗浮区。由于非抗浮区P₁较大，主楼高层部分一般为欠补偿基础，地基压缩变形较大。而抗浮区低层裙房和纯地下结构的P₂和P₃很小，一般为超补偿基础或很小的欠补偿基础。因此在抗浮区，既有施工期间回弹再压缩引起的较小地基压缩变形，又有使用过程中锚固体被动抗浮产生的上浮变形。因抗浮区基底压力通常小于基底以上挖出地基土的自重压力，所以一般因回弹再压缩引起的地基压缩变形很小而忽略不计。

　　

　　图1 主楼与裙房和地下车库剖面 

　　 

　　对于建在整体筏板基础上的主、辅楼建筑群，其地基与基础工程设计理论上应考虑上部结构、基础与地基的共同作用，就目前认知水平来说，精确的理论计算解答还是相当困难。理论分析和工程实践表明:当地下水位较高时，主、辅楼相邻处因差异变形较大，是引起结构构件产生次生内力而导致其裂缝和破损的主要原因。因此，如图2所示，使ΔS=S1+S2趋于最小，是建筑物抗浮设计的关键。

　　有鉴于此，严格控制非抗浮区和抗浮区的地基压缩变形和水浮力上浮变形，是应对共同作用产生相互影响的最好措施。为了减少因设置沉降后浇带对后期施工所带来的不便和对结构整体性的影响，通常采用CFG桩复合地基和桩基础(或后压浆灌注桩基础)对地基进行加固处理，以提高压缩性较大的非抗浮区主楼地基的刚度^[2,3]。不难理解，在提高非抗浮区抗压刚度同时，抗浮区锚固体的抗拔刚度也应满足抵抗较大上浮变形的能力。因此抗浮区的抗浮锚固体数量应满足:

　　

　　图2 主、辅楼相对变形  

　　 

　　

　　 

　　式中:S为地下水对地下建筑物的水浮力标准值;G为结构自重及其上作用的永久荷载标准值的总和，不包括活荷载;K为建筑物地下室结构抗浮安全系数，一般取1.05;R为单根锚固体提供的锚固力。在确定单根锚固体的锚固力R时，应取最不利筏形基础区域向上挠曲变形限值所对应的抗力值。即建筑物被动抗浮设计对锚固体抗拔承载力特征值的确定，不再是单一的强度概念，而是以满足正常使用变形控制要求为前提的抵抗上浮变形能力的抗拔刚度概念。同时锚固体作为与结构相连的主要受力杆件，在结构使用生命周期内，锚固体自身结构的抗腐蚀耐久性也是建筑物抗浮设计中极为重要的一环。

　　2 抗浮区建筑物抗浮设计

　　在抗浮区锚固体、基础底板(防水板)、上部结构共同作用受力分析计算时，通常采用将柱压力F和水浮力S模拟为外荷载，锚固体约束模拟为弹性支座的计算模型，其力学模型如图3所示，图中k为锚固体的抗拔刚度，a,b分别为锚固体纵、横向布置间距。

　　

　　图3 锚固体、基础底板、上部结构的共同受力分析计算模型  

　　 

　　通过上述对非抗浮区和抗浮区的共同作用及抗浮区受力分析力学模型的简述和分析发现，理论上对于锚固体的抗拔承载力和基础底板结构设计，主要满足以下两点要求:一是锚固体能在较小变形时提供较大的抗力，二是基础底板厚度设计能满足锚固体均匀受力和均匀布置要求^[1]。理论分析表明:如果地基的压缩性很低、非抗浮区域筏板基础的不均匀沉降很小，其考虑上部结构、筏板基础与地基共同作用的意义就不大^[3]。由此亦不难理解，当锚固体抗拔刚度较高时，除易满足整体筏板的变形协调外，又可使抗浮区图3模型建筑物抗浮设计基础底板结构分析计算相对简单和合理，同时也可辅以结构力学方法对基础底板进行求解，对两者分析计算结果进行综合考虑取值。

　　3 承压型囊式扩体锚杆承载机理梳理与简析

　　为满足上述上部结构抗浮设计对抗浮锚固体承载特性的要求，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^[4]，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^[5]。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，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:相较于其他类型的抗浮锚杆，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^[5]。图4是承压型囊式扩体锚杆这一新技术体系的发展沿革过程。

　　

　　图4 承压型囊式扩体锚杆的历史发展沿革 

　　 

　　在图4a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4b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^[4,5]。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4c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>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5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^[5]。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4a等直径锚杆和图4b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耐久性问题。

　　

　　图5 承压型囊式扩体锚杆与普通锚杆的荷载-位移特征曲线对比  

　　 

　　由图5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。充分发挥扩大头锚杆变截面处土体的支承阻力，是显著提高该类型锚杆抗拔承载力的关键，为此承压型囊式扩体锚杆研发者通过不断的实践积累和技术方案调整，探索出受到工程界同行广泛认可的工业化、装配化和耐久性有保障的全过程质量控制体系。

　　4 承压型囊式扩体锚杆核心技术装置和施工工艺简述

　　工程试验和理论研究表明，承压型囊式扩体锚杆因末端设有大直径锚固段，其抗力由扩体锚固段端阻力和普通锚固段与扩体锚固段侧阻力共同提供，且其扩体锚固段端承载力对囊式扩体锚杆抗力的贡献率在80%以上^[5]。因此在施工工艺确定中，确保承压型囊式扩体锚杆末端的大直径锚固段的几何体积和大直径锚固段的注浆体抗压强度最为关键。承压型囊式扩体锚杆在工程施工过程中主要采用高压喷射流扩孔+囊仓胀压组合式施工工艺，该施工工艺的主要技术参数包括:锚杆钻孔直径150～180mm，杆体采用钢绞线或预应力螺纹钢筋，现场组装的内锚头最大外径为130mm，囊仓展开外径为300～1 000mm、囊式扩体长度1 400mm，囊内水泥注浆体的水灰比为0.4～0.45，注浆压力为0.5～2.0MPa，囊内水泥结石体的7d抗压强度>30MPa。由于采用高压喷射流扩孔技术，从而扩展了囊仓胀压扩孔施工工艺的地层适用范围。也正是高压喷射流扩孔+囊仓胀压扩孔施工工艺的组合应用，使得承压型囊式扩体锚杆地层适用范围扩展到松散和软弱土层以外其他地层。

　　承压型囊式扩体锚杆施工的工艺流程主要由编锚、钻孔与扩孔、锚杆安插、压力注浆、防水与防腐处理、张拉和锁定等六大工艺流程所组成。

　　总结以上单根承压型囊式扩体锚杆的核心技术装置的施工工艺流程，如图6所示。

　　

　　图6 承压型囊式扩体锚杆的施工工艺流程  

　　 

　　5 承压型囊式扩体锚杆抗浮工程应用实例

　　5.1 工程地质概况和承压型囊式扩体锚杆结构设计简述

　　北京某项目拟建场区位于北京市顺义区后沙峪镇，火寺路与顺平路交叉口西南侧。本工程总平面布置包括101,102,103号生产厂房及纯地下室部分，总建筑面积为84 067.26m²，其中地上和地下建筑面积分别为49 710.35m²和34 356.91m²;本工程基底位于同一整体筏板基础上，±0.000标高为35.400m，防水板底标高22.200m，基础埋深13.2m。其竖向设计参数如表1所示。

　　建筑物抗浮设计水位按标高31.000m考虑。经分析计算，101,102,103号生产厂房高层部分为非抗浮区，局部地上2层部分和纯地下室部分为抗浮区。在抗浮区，由于水浮力超过结构自重较多，抗浮方案采用将建筑物底板锚固于下卧地层的被动抗浮设计方案。即建筑物根据其使用功能进行结构设计计算，而将超出常规的结构自重和其上压重部分的水浮力通过锚固力平衡，以保证结构稳定和正常使用。101,102,103号生产厂房及纯地下室建在一个整体筏板基础上，且抗浮区对筏板基础上浮挠曲限值要求较小，因此在满足筏板基础结构合理厚度和锚固体合理平面布置间距的前提下，应选择承载力高、变形小和耐久性好的锚固体进行建筑物抗浮设计^[1]。经对多种锚固体进行对比分析，本工程建筑物抗浮设计锚固体采用承压型囊式扩体锚杆作为永久性抗浮构件。承压型囊式扩体锚杆普通锚固段孔径180mm，长度为7.5m，旋喷扩体段直径为700mm，旋喷扩体长度4m，囊式扩体长度1.4m，锚杆设计总长度为11.5m;承压型囊式扩体锚杆共715根，限于篇幅，承压型囊式扩体抗浮锚杆平面布置从略。承压型囊式扩体锚杆构造如图7所示，典型地基土层的构成情况和各层土体的物理力学参数如图7、表2所示。

　　  

　　表1 建筑物竖向设计参数 

　　 

　　 

　　

　　表1 建筑物竖向设计参数

　　

　　图7 承压型囊式扩体锚杆构造示意与典型地层剖面  

　　 

　　  

　　表2 各层土体物理力学参数 

　　 

　　 

　　

　　表2 各层土体物理力学参数

　　5.2 承压型囊式扩体锚杆主要材料和主要施工工艺实施要求

　　5.2.1 主要材料及要求

　　1)本工程注浆体所用水泥均为P·O 42.5，其质量应符合现行国家标准GB175—1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》的规定;扩大头囊体内水灰比为0.5，囊外水灰比为1.0。

　　2)本工程杆体所用主要钢材为PSB930级预应力混凝土用螺纹钢筋，f_y=930MPa;钢筋直径为34mm,f_yk=1 230MPa，预应力混凝土用螺纹钢筋的最大力下总伸长率≥3.5%，断后伸长率≥6%。

　　5.2.2 高压喷射注浆施工

　　1)旋喷流程定位→水泥浆制备→旋喷桩机钻进至设计深度→旋喷提升施工→移机至下一孔位→回灌。

　　2)工艺参数

　　孔位偏差≤100mm，孔斜率≤1.0%，孔径≥150mm。旋喷提升速度10～25cm/min，旋转速度5～15r/min。水泥浆为水灰比1.0纯水泥浆，旋喷压力25～30MPa，浆量75L/min。中断喷射后，恢复注浆时搭接长度≥0.5m。

　　3)高压旋喷注浆体的抗压强度不应小于8MPa，浆体强度检验采用的试块每50根锚杆不少于1组，每组不少于6个试块。

　　5.2.3 锚杆施工

　　1)成孔直径180mm，孔位偏差≤100mm，长度允许误差+100/-30mm。

　　2)旋喷扩孔后应立即下锚并及时注浆。

　　3)注浆管与螺纹钢筋绑扎在一起放入钻孔，注浆管应能承受5.0MPa的压力，能使浆液顺利压灌至钻孔底部扩体锚固段。

　　4)锚杆杆体采用外涂防腐层底料的高强钢筋制作，依据规范要求，涂层与钢筋基层的附着力不宜低于5MPa，涂层与水泥基层的附着力不宜低于1.5MPa，涂层厚度要求>280μm。

　　5)承压型囊式扩体锚固段注浆采用高压注浆工艺，纯水泥浆灌注，水泥浆液应搅拌均匀，并过筛，随拌随用，水泥浆液应在初凝前用完，注浆水灰比0.5，注浆体设计强度不小于30MPa，浆体强度检验采用的试块每50根锚杆不少于1组，每组不少于6个试块。

　　6)注浆后待扩体锚固段成型且孔口出现溢浆时即可停止注浆。

　　7)本工程锚杆施工完成后，应在注浆体满28d龄期或注浆体强度达到设计强度的80%后进行验收试验，验收试验的数量为总根数的5%且不少于3根，验收试验的最大荷载为抗拔力特征值的1.5倍。

　　5.3 承压型囊式扩体锚杆抗拔检验分析

　　检验依据相关规程、规范规定要求，对本抗浮工程承压型囊式扩体锚杆进行了基本试验和验收试验的现场检测工作，其中基本试验3根，验收试验36根^[6,7]。36根验收试验结果均满足设计要求，限于篇幅，承压型锚囊式扩体锚杆验收试验结果汇总从略，3根承压型锚囊式扩体锚杆基本试验结果汇总如表3所示。

　　现场单根抗拔承载力试验，是确定等直径或承压型囊式扩体抗浮锚杆抗拔承载力特征值最直接和最可靠的方法。为了与传统等直径锚杆进行比较，作者特选取以前与本场地地基土层构成情况和各层土体的物理力学参数类似的北京地区某项目的等直径抗浮锚杆(抗浮锚杆直径200mm，设计长度11.25m)抗拔承载力试验结果^[1]，与表3的289号承压型囊式扩体抗浮锚杆抗拔承载力试验结果进行对比分析，传统等直径锚杆和承压型囊式扩体锚杆两种不同锚固体的抗拔试验Q-S曲线对比如图8所示。

　　  

　　表3 承压型锚囊式扩体锚杆基本试验结果 

　　 

　　 

　　

　　表3 承压型锚囊式扩体锚杆基本试验结果

　　

　　图8 两种不同锚固体抗拔试验Q-S曲线对比  

　　 

　　由图8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(480k N)是传统等直径抗浮锚杆单锚承载力特征值(120k N)的4倍(提高幅度通常在3～5倍)。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，同时也大大减少了防水底板柔性防水节点的穿透点。

　　5.4 承压型囊式扩体锚杆的综合性价比

　　5.4.1 场地施工工效

　　结合本场地的地基土层构成情况和各层土体的物理力学参数，根据以往工程设计施工实践经验和表2提供的土体与锚固体极限粘结强度标准值，采用等直径(抗浮锚杆直径200mm)长度为9.5～13.5m的普通抗浮锚杆，其抗拔承载力特征值估算值和锚杆数量分别为130～185k N和1 855～2 640根，而采用承压型囊式扩体抗浮锚杆数量仅为715根。结合工程实践，等直径抗浮锚杆和承压型囊式扩体抗浮锚杆施工效率分别按25根/台/日和20根/台/日考虑，本工程1台承压型囊式扩体抗浮锚杆施工设备的施工周期为35.75d，比1台等直径抗浮锚杆施工设备的施工周期74.2～105.6d缩短38.45～69.85d，即相同场地承压型囊式扩体抗浮锚杆的场地施工工效是等直径抗浮锚杆的2～3倍。

　　5.4.2 抗拔验收试验数量、周期和费用

　　根据相关规定，抗浮锚杆验收试验的数量为总根数的5%^[6,7]。由上述分析可知:等直径抗浮锚杆的抗拔验收试验数量为93～132根，而承压型囊式扩体抗浮锚杆的抗拔验收试验数量仅为36根。由于采用承压型囊式扩体抗浮锚杆方案的抗拔验收试验数量仅为等直径抗浮锚杆方案的27%～39%，由此可见，采用承压型囊式扩体抗浮锚杆方案验收试验周期和费用大幅度减少。

　　承压型囊式扩体抗浮锚杆方案除了上述所分析的能缩短工期和大幅提升建设速度的明显优势外，仅施工造价成本也比等直径抗浮锚杆方案节省约130万元。

　　5.4.3 承压型囊式扩体锚杆优越的抗腐蚀耐久性

　　由于承压型囊式扩体锚杆的杆体采用了热缩无粘结防腐体系、环氧树脂防腐体系、环氧沥青防腐体系等综合一体化耐久性措施，同时也因承压型囊式扩体锚固段的抗压强度高达30MPa以上，使得承压型囊式扩体锚杆在提供抗力时完全呈现出承压型囊式扩体锚杆的受力机理。承压型囊式扩体锚杆也正是基于采取了上述措施和受力机理，克服了等直径拉力型锚杆的锚固体在受拉后极容易产生开裂所引发的锚杆腐蚀问题。

　　6 结语

　　1)本文通过对承压型囊式扩体锚杆工艺沿革说明和承载机理分析，并结合现场试验资料进行对比分析发现，其能在较小变形下提供较大的抗拔承载力，极易满足辅助建筑物上浮变形与主楼高层建筑物基础沉降的相互协调和有效限制抗浮区防水板的上浮挠曲。

　　2)相较于传统等直径锚杆，承压型囊式扩体锚杆采用柔性囊仓、保压排气装置和压力型设计，使其在注浆体抗压强度、施工质量可控性、防腐耐久性和安全度等方面具有较大优势;同时建筑物抗浮设计采用承压型囊式扩体抗浮设计方案，既能缩短工期和大幅提升建设速度，也能减少施工造价成本。因此承压型囊式扩体锚杆技术体系在建筑物抗浮设计和施工中具有广泛的工程应用前景。