滨海地下工程锚固抗浮技术研究进展

摘要：滨海地区地下水位高、变动范围大，地下工程抗浮难度大、成本高的问题，锚固抗浮又是滨海地区重要的抗浮方法。基于上述原因，本文较为详细的论述了滨海地下工程锚固抗浮技术研究现状，对抗浮锚杆破坏机理和理论研究及抗浮锚杆数值单元开发等方面的进展进行归纳。形成以下结论：（1）抗浮锚杆破坏机理和理论研究方面已取得一定的进展，但在抗浮锚杆极限承载力模型、群锚整体力学性能以及抗浮锚杆与地下工程结构体的互相作用等方面仍需要进一步研究。（2）众多学者的研究已证明锚杆的数值计算单元开发的有效和可行性，但针对抗浮锚杆的数值计算单元还需要进一步的研究。

关键词：滨海地下工程;锚固抗浮;锚杆单元;

1 研究背景

滨海地区是我国改革开放的先行区，也是城镇化建设最为活跃的地区，随着建设用地的日益减少和地下空间建设技术的发展，地下交通工程、综合管廊、多层地下商场、地下车库和仓库等地下空间工程大量涌现。滨海地区地下水发育，其地下工程的抗浮尤为关键。但由于滨海地区地下水位较高，遭受台风、强降水等频次也较高，地下水变动较大，抗浮水位较高，地下工程抗浮费用往往很高。

在地下工程抗浮技术研究方面，泄水减压、压重法、抗浮桩和抗浮锚杆是解决地下工程抗浮问题的常用方法[1]。泄水减压[2]方法施工工艺复杂，施工周期较长，后期维护工作量大，其成本核算不一定比抗浮锚杆低[3]，应用场景有限。压重法增加地下工程结构配重提高抗浮能力，但该方法仅适用于净水浮力不大的情况。抗浮桩多采用人工挖孔桩或钻孔灌注桩，其在抵抗整体抗浮方面较为有效，但造价较高，且桩间距一般比较大，往往需较厚底板才可抵抗局部抗浮。抗浮锚杆因布置灵活、受力效率较高、造价较低等特点，在地下工程抗浮中得以广泛应用[4]，也是本文的关注重点。

2 地下工程锚固抗浮技术

2.1 抗浮锚杆破坏机理和理论研究

在抗浮锚杆破坏机理和理论研究方面，陈昌富等[5-8]对锚杆的变形破坏机理进行了系统研究，建立了不同条件下锚–土界面剪切蠕变模型和锚固界面荷载传递模型。张季如等[9]建立锚杆荷载传递的双曲函数模型，研究了锚杆摩阻力和剪切位移沿锚固长度的分布规律及其影响因素。一些规范[10-12]也给出了锚杆拉力的计算公式和构造要求。但上述文献中提供的锚杆理论模型或设计方法，几乎没有针对抗浮锚杆的，因抗浮锚杆与普通锚杆结构形态、力场环境、使用功能和破坏模式不同，需进行针对性的研究。陈棠茵等[13]通过线弹性理论推导出抗浮锚杆的摩阻力、轴力及各部分变形与锚杆各参数的相互关系。付文光等[14]在收集众多抗浮锚杆工程案例的基础上，提出了抗浮稳定性验算半经验半理论公式。上述学者在抗浮锚杆理论方面进行了建设性的研究，但仍有以下关键难题：（1）缺乏普遍适用的抗浮锚杆极限承载力模型和抗浮锚杆锚固力简化设计公式;（2）目前对于抗浮锚杆的研究集中于单锚，对于群锚整体力学性能缺乏研究;（3）对抗浮锚杆与地下工程结构体的互相作用研究不足。

2.2 抗浮锚杆数值单元开发

在抗浮锚杆数值单元开发方面，目前国内结构软件多用仅受拉弹簧来模拟抗浮锚杆，因在滨海软岩和土层情况，锚杆的承载力通常不由杆体与注浆体间裹力控制，由注浆体与岩土体间极限剪切强度确定，这就导致计算模型和工程实际差异较大，亟需开发适用于抗浮锚杆的数值计算单元。李为腾等[15]基于FLAC3D平台开发了能实现锚杆破断失效的CABLE单元修正模型。NEMCIK等[16]在FLAC2D中嵌入了一种在拉伸荷载作用下新的锚杆数值模型，在一定程度上可更精确模拟二维锚杆中锚杆–锚固剂界面滑移行为。漆泰岳等[17]、刘少虹[26]基于FLAC平台开发了考虑锚杆损伤软化的锚杆单元。众多学者等[18-22]开发纤维梁单元模拟钢筋混凝土梁柱、型钢混凝土梁柱的非线性力学性质，取得了较好的效果。上述研究证明了开发抗浮锚杆的数值计算单元的可行性，但针对抗浮锚杆的数值计算单元还需要进一步的研究。

3 结论

本文较为详细的论述了滨海地下工程锚固抗浮技术研究现状，对抗浮锚杆破坏机理和理论研究及抗浮锚杆数值单元开发等方面的进展进行归纳。形成以下结论：

（1）抗浮锚杆破坏机理和理论研究方面已取得一定的进展，但在抗浮锚杆极限承载力模型、群锚整体力学性能和抗浮锚杆与地下工程结构体的互相作用等方面仍需要进一步研究。

（2）众多学者的研究已证明锚杆的数值计算单元开发的有效和可行性，但针对抗浮锚杆的数值计算单元还需要进一步的研究。

参考文献

[1]贾金青，宋二祥. 滨海大型地下工程抗浮锚杆的设计与试验研究[J].岩土工程学报，2002，2（6）： 769-771.

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[3]古今强，侯家健. 关于基础设计中地下水浮力问题的思考[J].建筑结构，2014，44（24）： 932-935.

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[6]陈昌富，刘俊斌，徐优林，张根宝. 锚–土界面剪切蠕变试验及其经验模型研究[J]. 岩土工程学报，2016，38（10），1762-1768.

[7]陈昌富，湯宇，梁冠亭. 剪切模量随深度呈指数函数增大地基中锚杆弹塑性分析[J]. 中南大学学报，2016，47（3），905-902.

[8]陈昌富，朱世民，高傑，温永凯，毛凤山. 考虑注浆压力影响锚–土界面剪切蠕变Kriging模型[J]. 岩土工程学报，2019，41（S1），125-128.

[9]张季如，唐保付. 锚杆荷载传递机理分析的双曲函数模型[J].岩土工程学报，2002，24（2）： 188-192.

[10]CECS： 22—2005 岩土锚杆（索）技术规程[S]. 2005.

[11]GB 50007— 2011 建筑地基基础设计规范[S]. 2011.

[12]GB 50086-2015岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范[S]. 2011.

[13]陈棠茵，王贤能. 抗浮锚杆应力-应变状态的线弹性理论分析[J].岩土力学，2006，27（11）： 2033-2036.

[14]付文光，柳建国，杨志银. 抗浮锚杆及锚杆抗浮体系稳定性验算公式研究[J].岩土工程学报，2014，36（11）： 1971-1981.

[15]李为腾，杨宁，李廷春，王刚，梅玉春，玄超. FLAC3D中锚杆破断失效的实现及应用[J]. 岩石力学与工程学报，2016，35（4），753-767.

[16]NEMCIK J，MAA S，AZIZ N，et al. Numerical modeling of failure propagation in fully grouted rockbolts subjected to tensile load[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2014，71： 293–300.

作者简介：高松（1992– ），男，助理工程师，硕士，主要从事岩土和结构研究和设计工作