在地下式污水处理厂工程中，常采用沉管灌注桩或预应力管桩、预制方桩、长螺旋钻孔压灌桩和钢筋混凝土灌注桩^[1]作为抗浮桩。在砂质土层中，施工沉管灌注桩和预应力管桩、预制方桩等时沉桩难度大，施工长螺旋钻孔压灌桩时，成孔难度大，大直径灌注桩工程造价较高。因此，有必要探讨锚杆在砂质土层中应用问题。

目前，扩体锚杆技术主要有高压旋喷扩孔技术，爆炸扩孔技术，充气锚杆技术等。扩体型锚杆较普通锚杆的承载力平均提高20%～30%。囊式扩体锚杆是一种新型工艺的抗浮锚杆，同普通扩体锚杆一样，其抗拔力主要依靠锚固段的锚固作用提供，与普通锚杆相比具有较大锚杆抗拔承载能力。

西安市某污水处理厂工程采用地下式钢筋混凝土结构，工程平面位置如图1所示，其中主体箱体结构平面占地尺寸约为136m×91m，主体结构设计高度14.5m，顶部设计覆土深度1.5 m，基底埋置深度主要为9.95m。本工程埋深较大，相较于常规地上式污水处理厂，承受较大的地下水浮力；相较于一般民用建筑物，其上部结构荷载小，抗浮力较小，因此，本工程需要具有较大抗拔承载力的锚杆或桩基辅助抗浮。

本污水处理厂工程具有代表性的地质剖面图见图2，基底高程为382.5m，基底坐落于(4)层中砂层，各土层主要物理力学指标见表1。

本工程场地区域内地下水属潜水类型，场地地下水对混凝土结构具微腐蚀性，场地土对混凝土结构和钢筋混凝土结构中的钢筋均具微腐蚀性。

如图2所示，本工程能提供抗浮承载力的土层为中砂层，根据表1中数据，土层(5)中砂层标贯击数为52，沉管灌注桩和预应力管桩、预制方桩等难以沉桩，在砂质土层中，长螺旋钻孔压灌桩施工成孔难度大，大直径灌注桩的工程造价较高。因此，本工程采用锚杆抗浮设计方案。

本地下式污水处理厂工程所受浮力40～60kN/m²，估算所需单桩抗拔承载能力为350kN左右，与地上式污水处理厂构筑物比，本工程构筑物所受的地下水浮力及所需单根锚杆抗拔承载力较大。普通锚杆抗拔承载能力较小，直径200mm的单根普通锚杆能提供的抗拔承载力为200kN左右。因此，本工程不宜采用普通锚杆抗浮设计方案，宜采用具有较高抗拔能力的扩体锚杆抗浮设计方案。

本工程所采用的囊式扩体锚杆相较与普通扩体锚杆，具有如下优点：

(1）锚杆与底板连接可靠。本工程囊式扩体锚杆采用高强预应力，用螺纹钢筋作为锚杆受力钢筋，螺纹钢筋与底板的连接组件由连接器、对中支架、锚具等组成，并配置应力扩散钢筋网片，使得锚杆拉力均匀传递给底板混凝土与底板钢筋。

(2）节约用钢量。根据《预应力混凝土用螺纹钢筋》（GB/T 20065-2006）中的设计强度数据，高强预应力混凝土用螺纹钢筋的设计强度为HRB400级钢筋的2倍以上，选用直径25 mm、32 mm、36mm、40 mm的强度级别为PSB830、PSB930和PSB1080的钢筋可以节约锚杆用钢量。

(3）锚杆蠕变量较小。高强预应力混凝土用螺纹钢筋抗徐变性能优于普通锚杆及桩基中常用的HRB400级钢筋。另外，扩体锚杆的扩体段直径较大，周围地层的应力水平较低，土体变形较小。因而，在同等地质及承载力作用下囊式扩体锚杆较普通锚杆产生的蠕变小。

本工程整体抗浮安全系数取1.05，永久性抗浮构件的安全系数取2.0。根据本场地的地质条件及地下结构的埋深，本工程锚杆扩体段主要设置于第(6)层砾砂层（见图2）。根据勘察报告，该层地基承载力标准值为240kPa，是本场地中较好的承压型扩体锚固段持力层。

依据《高压喷射扩大头锚杆技术规程》（JGJ/T282-2012），单根高压喷射扩大头锚杆抗拔力特征值T_ak计算如式（1）和式（2）所示：

式中T_ak———锚杆抗拔力特征值，kN;

K———锚杆锚固体的抗拔安全系数；

T_uk———锚杆抗拔力极限值，kN;

N_k———荷载效应标准组合计算的锚杆拉力标准值，kN;

D₁———锚杆杆钻孔直径；

L_d———非扩大头锚固段的长度；

f_mg1———非扩大头锚固段注浆体与地层间的粘结强度标准值，kPa，通过试验确定；无试验资料时，可按规范取值；

D₂———扩大头直径，m;

L_D———扩大头长度，m;

f_mg2———扩大头锚固段注浆体与地层间的粘结强度标准值，kPa，通过试验确定；无试验资料时，可按规范取值。

对于竖向锚杆，如式（3）所示：

式中γ———扩大头上覆土体的重度，kN/m³;

h———扩大头上覆土体的厚度，m;

K₀———扩大头前端土体的静止土压力系数，可由试验确定，无试验资料时可按下式计算：K₀=1-sinφ′，φ′为扩大头前端土体的有效内摩擦角标准值，取φ′=φ。

根据本工程地质勘察报告和设计的锚杆类型及《高压喷射扩大头锚杆技术规程》（JGJ/T 282-2012），计算得本工程承压型囊式扩体锚杆的设计承载力约450kN，不同长度的扩体锚杆及普通锚杆抗拔能力计算结果见图3，锚杆的设计参数见表2。

对于锚杆杆体强度验算及锚杆扩大头长度验算，根据《高压喷射扩大头锚杆技术规程》（JGJ/T282-2012）相应公式进行计算。

本工程在砂质土层施工囊式抗浮锚杆，需要采用特殊施工工艺。

本抗浮锚杆工程所处砂层地质松散，若采用高压旋喷扩孔方式，砂层易被冲破，造成窜孔，不利于锚固体的形成，且容易形成不规则扩孔，造成水泥用量增大，增加施工成本。

本工程采用双管同时钻进的方式，使得混合液体在套管内流动，对砂层影响小。因锚杆附有囊袋，放在500mm的扩孔内，若重心不稳，就不易保证锚杆垂直度，因而采用套管跟进到底，管内放杆的方式。

旋喷扩孔易造成孔壁坍塌，本工程采用柱状水流扩孔工艺。柱状水流与土层接触面大，对周边土体及锚杆的影响较小。

本工程中的锚杆锚固段在中砂土或在砂砾土层中施工，其土质结构松散、易堵孔、难排渣，所以采用高压力小流量的喷浆方式扩孔，采用强力水柱从快速旋转的钻杆横向出水口冲刷孔壁，使粘土与水迅速混合形成泥浆，钻杆在套管内往复运动使泥浆从钻杆及套管间隙排出，实现扩孔。当出渣口水质变清，可视排渣干净。

此施工工艺在砂层中施工具有如下优点：(1)采用双管同时钻进，对砂质土层具有挤密作用，排渣通过双管间的空隙排出，使排渣可控；(2)扩孔排渣迅速，通过2次置换，容易保持水泥体纯度及强度；(3)用水泥低压排渣，不易窜孔，对孔壁影响小。

本工程锚杆采用先注浆后下杆的施工工艺，此工艺通过水泥浆将孔内含有泥砂的渣体全部置换出来，使锚杆保持清洁并被水泥浆完全包裹，保证较大粘着力。因砂质土层施工中容易出现窜孔现象，施工中采用管帽压浆，将附着在孔壁松软的渣土挤落，增大锚固体与孔壁的摩擦力，增强抗拔能力。

囊式扩体抗浮锚杆施工准备一般按照下述步骤进行：(1)锚杆体组装；(2)锚杆点位确定；(3)顶冲液压履带钻机，准备附属设备（包括：套管及钻杆、送水泵、注浆设备）。

钻孔采用顶冲液压钻机将套管及钻杆，双管钻进。扩孔采用外套管和内钻杆，当双管钻进至锚杆扩大段时，增加一根15cm长度钻杆，使横喷口向下伸出套管，开启压力注水泵（一般控制水流压力为6MPa，流量为0.8m³/s），同时旋转钻杆，在高压水流的冲击下，锚杆孔扩体段形成圆柱状扩大孔。

利用钻杆旋转以及在套管内上下移动，将锚孔内渣土随水流从钻杆及套管之间的空隙排出。当排出的水流变清，视为锚孔内排渣干净。

(1）套管内注浆。将钻杆在套管内洗净后拔出钻杆，将注浆管放入套管底部，开启注浆泵，进行一次注浆；水泥浆至套管管口冒出时，停止注浆并抽出注浆管。

(2）管帽压浆。在套管上端安装注浆装置，开启注浆泵，采用2.5～3.0 MPa压力从套管口向套管底部开始压浆，水泥浆从套管底向四周及上部挤冲，置换比重小的水和渣土。

将锚杆PSB930级精轧螺纹钢从套管口插入套管，经过水泥浆放至套管底部，使锚杆放置在扩孔的中心位置。然后拔套管，并在管口进行补浆。

向囊袋内的注浆直至管口返浆停止，在30～60min内进行囊袋补浆。第一次注浆后3～6h内（依气候等因素而定）实施二次注浆，以5～8包水泥浆或保压2～3MPa及5min为控制标准。

在工程锚杆正式施工之前，在施工现场作锚杆基本试验，验证囊式扩体锚杆在本工程地质条件下施工可行性，验证锚杆抗拔承载力与理论计算结果的差异性。现场共作了3组共18根锚杆抗拔承载力试验，试验抗拔力取900kN（大于本工程设计要求极限承载力720kN），未作破坏性极限承载力抗拔试验，试验结果见表3。

本工程3组18根锚杆试验拉力达到900kN后均未达到破坏状态，表明单根锚杆的抗拔承载力不小于450kN，试验结果满足设计要求。

锚杆基本试验完成后，进行本工程锚杆大范围施工，施工完成28d后分批进行锚杆验收试验。

验收试验锚杆数量取锚杆总数的5%，最大试验荷载为锚杆抗拔承载力特征值的2倍，本工程为720kN。部分锚杆验收试验结果见表4，试验拉力达到720kN时均未达到破坏状态，锚杆变形量较小，试验结果满足工程抗浮设计要求。

(1）与传统抗浮锚杆相比，囊式扩体锚杆利用锚固段和孔底囊式扩大头提供较大的抗拔承载力，同等浮力条件下可有效减少了锚杆数量。

(2）囊式扩体锚杆可减少锚固深度及孔径和上拔位移量，减小锚杆蠕变变形，在砂质土层中，采用套筒跟进的囊式扩体施工工艺可以根据计算扩体材料用量控制注浆量，保证扩体直径。

(3）本工程所用锚杆囊式扩体锚杆与底板连接可靠，采用带有Ⅱ级防腐的PSB930级及以上级别预应力混凝土用螺纹钢筋，可有效降低钢材用量，提高了锚杆的耐久性。

(4）在部分地下式污水处理厂工程抗浮工程中，当沉管灌注桩或预应力管桩、预制方桩、长螺旋钻孔压灌桩等难以施工时，采用双管钻进、套筒跟进、柱状水流扩孔工艺施工囊式扩体锚杆，锚杆的成孔质量较高，可提供较大的抗拔承载能力。

(5）本工程现场试验表明，囊式扩体锚杆在砂质土层中施工工艺合理可行，承载能力满足工程抗浮要求，可作为地下式污水处理厂工程的一种新型抗浮设计方案。