不同規(guī)范中抗浮錨桿計(jì)算方法對(duì)比分析

羅益斌 陳繼彬 王媛媛 沈攀 魏建貴

[摘? 要]：目前抗浮錨桿設(shè)計(jì)規(guī)范較多，由于各規(guī)范采用設(shè)計(jì)理論不同，計(jì)算結(jié)果相差較大，未形成共識(shí)，給工程設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大不便。文章對(duì)比6部現(xiàn)行規(guī)范中關(guān)于抗浮錨桿的設(shè)計(jì)計(jì)算理論和方法，得出不同規(guī)范關(guān)于抗浮錨桿設(shè)計(jì)的異同，并驗(yàn)證采用JGJ 476-2019《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠。進(jìn)一步結(jié)合工程實(shí)際驗(yàn)證采用，為設(shè)計(jì)采用規(guī)范對(duì)工程抗浮設(shè)計(jì)提供借鑒。

[關(guān)鍵詞]：抗浮錨桿; 計(jì)算方法; 錨固長(zhǎng)度; 設(shè)計(jì)理論

TU 46A

錨桿是一種埋入巖土體的受拉桿件，承受由土壓力、水壓力或其他荷載所產(chǎn)生的拉力。錨桿用于抵抗地下水浮力時(shí)，通常稱之為抗浮描桿，其錨固機(jī)理是通過(guò)與錨側(cè)巖土層的摩阻力來(lái)提供抗拔力。抗浮錨桿適應(yīng)性較好，單向受力，布置靈活。

目前行業(yè)中有關(guān)錨桿的規(guī)范較多，主要包括CCECS22：2005《巖土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程》[1]、GB 50086-2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》[2]、GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[3]、YB/T 4659-2018《抗浮錨桿技術(shù)規(guī)程》[4]、DBJ51T102-2018《四川省建筑地下結(jié)構(gòu)抗浮錨桿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[5]、JGJ476-2019《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[6]。且各規(guī)范設(shè)計(jì)理論方法區(qū)別較大，設(shè)計(jì)時(shí)如何選取至關(guān)重要。學(xué)者在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬等手段展開(kāi)過(guò)系列的對(duì)比分析，對(duì)比分析了適用重慶地區(qū)[7]、濱海地區(qū)[8]等地的不同規(guī)范關(guān)于錨桿驗(yàn)收試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定，歸納總結(jié)錨桿抗拔承載力的計(jì)算方法以及安全系數(shù)的取值;并對(duì)壓力分散型錨桿[9]、玻璃纖維增強(qiáng)聚合物錨桿[10]、全長(zhǎng)黏結(jié)GFRP錨桿[11]等新型抗浮錨桿的蠕變特性和承載能力進(jìn)行了研究。但是目前抗浮錨桿設(shè)計(jì)規(guī)范較多，由于各規(guī)范采用設(shè)計(jì)理論不同，計(jì)算結(jié)果相差較大，未形成共識(shí)。

本文對(duì)比6部現(xiàn)行規(guī)范中關(guān)于抗浮錨桿的設(shè)計(jì)計(jì)算理論和方法，得出不同規(guī)范關(guān)于抗浮錨桿設(shè)計(jì)的異同;進(jìn)一步結(jié)合工程實(shí)際驗(yàn)證采用，為設(shè)計(jì)采用規(guī)范對(duì)工程抗浮設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 錨桿設(shè)計(jì)理論

目前設(shè)計(jì)方法主要為定值法和概率法，在工程設(shè)計(jì)中，認(rèn)為基本變量具有隨機(jī)性，以失效概率來(lái)度量結(jié)構(gòu)可靠性的方法稱為概率設(shè)計(jì)法。與之相反，認(rèn)為基本變量是確定的，采用以經(jīng)驗(yàn)為主的安全系數(shù)來(lái)保證結(jié)構(gòu)可靠性的方法為定值設(shè)計(jì)法。巖土工程的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，是建立在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的定值法，隨著設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法的進(jìn)步，有逐步轉(zhuǎn)向以概率為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)法的趨勢(shì)，但由于目前不夠成熟，各規(guī)范兩種設(shè)計(jì)方法均有采用。現(xiàn)對(duì)抗浮錨桿設(shè)計(jì)涉及的各規(guī)范采用設(shè)計(jì)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表1所示。

CCECS22：2005《巖土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程》[1]配筋驗(yàn)算采用定值法中的單一安全系數(shù)法，錨固長(zhǎng)度驗(yàn)算采用定值法中的單一安全系數(shù)法，針對(duì)于永久性抗浮錨桿根據(jù)安全等級(jí)不同安全系數(shù)分別為2.2、2.0、2.0。但兩者作用效應(yīng)均采用安全系數(shù)的同時(shí)增加了分項(xiàng)系數(shù)，由標(biāo)準(zhǔn)值轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)值，是把安全系數(shù)與分項(xiàng)系數(shù)混合使用，設(shè)計(jì)概念比較混亂。

GB 50086-2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》[2]配筋驗(yàn)算采用的是概率法中分項(xiàng)系數(shù)法，錨固長(zhǎng)度驗(yàn)算采用定值法中的單一安全系數(shù)法。但是作用效應(yīng)采用安全系數(shù)的同時(shí)增加了分項(xiàng)系數(shù)，由標(biāo)準(zhǔn)值轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)值，是把安全系數(shù)與分項(xiàng)系數(shù)混合使用，設(shè)計(jì)概念比較混亂。

GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[3]配筋驗(yàn)算采用定值法中的單一安全系數(shù)法，但是材料抗力采用設(shè)計(jì)值，安全系數(shù)只負(fù)責(zé)荷載的不確定性，材料抗力采用分項(xiàng)系數(shù)由標(biāo)準(zhǔn)值轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)值，可以看做為介于定值設(shè)計(jì)法與概率設(shè)計(jì)法之間的半概率設(shè)計(jì)法，材料抗力采用分項(xiàng)系數(shù)由標(biāo)準(zhǔn)值轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)值相當(dāng)于增大了安全系數(shù)。錨固長(zhǎng)度驗(yàn)算采用定值法中的單一安全系數(shù)法。

YB/T 4659-2018《抗浮錨桿技術(shù)規(guī)程》[4]配筋驗(yàn)算采用的是概率法中分項(xiàng)系數(shù)法，錨固長(zhǎng)度驗(yàn)算采用定值法中的單一安全系數(shù)法。

DBJ51T102-2018《四川省建筑地下結(jié)構(gòu)抗浮錨桿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[5]、JGJ 476-2019《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[6]相同，設(shè)計(jì)理論一致，僅安全系數(shù)取值不同。

2 設(shè)計(jì)理論分析

概率法是基于可靠度理論，是將荷載與抗力都當(dāng)成隨機(jī)變量，那么失效或破壞也就是隨機(jī)事件，將荷載與抗力的不確定性分別考慮的，影響結(jié)構(gòu)安全性的有關(guān)參數(shù)，如荷載、材料強(qiáng)度、幾何尺寸、計(jì)算精度等都采用隨機(jī)變量或隨機(jī)過(guò)程的概率模型來(lái)作精確的概率分析，直接采用結(jié)構(gòu)的失效概率來(lái)度量結(jié)構(gòu)的安全性。

定值法中的單一安全系數(shù)法，他是將工程中涉及的一切不確定性因素，都放入到唯一的安全系數(shù)之中，安全系數(shù)的取值往往是根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)。不確定性包括作用（荷載）的參數(shù)、材料的性質(zhì)、計(jì)算的精度、施工的精確性與可靠性，同時(shí)還包括了政治、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)的各種條件與要求。可以說(shuō)安全系數(shù)是個(gè)筐，一切不確定性因素都往里裝。因而就無(wú)需再引入其他系數(shù)了，例如重要性系數(shù)、工作條件系數(shù)、折減系數(shù)等[12]。

當(dāng)基本變量的變異性小、計(jì)算模型準(zhǔn)確，概率設(shè)計(jì)和定值設(shè)計(jì)的結(jié)果可達(dá)到統(tǒng)一;當(dāng)基本變量變異性大、計(jì)算模型不準(zhǔn)確，2種方法很難統(tǒng)一。一般認(rèn)為對(duì)于材料性能穩(wěn)定、變異性小、計(jì)算模型準(zhǔn)確、統(tǒng)計(jì)資料齊全的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用概率設(shè)計(jì);對(duì)于材料性能變異較大、計(jì)算模型不準(zhǔn)確、缺乏統(tǒng)計(jì)資料的巖土類設(shè)計(jì)采用定值法設(shè)計(jì)?！督ㄖこ炭煽啃栽O(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)宜采用以概率理論為基礎(chǔ)，以分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法;當(dāng)缺乏統(tǒng)計(jì)資料時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可根據(jù)可靠的工程經(jīng)驗(yàn)或必要的試驗(yàn)研究進(jìn)行，也可采用容許應(yīng)力或單一安全系數(shù)等經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行”。

所以在巖土工程，凡與巖與土有關(guān)的設(shè)計(jì)，一般均用安全系數(shù)法;而只涉及到鋼材、混凝土與砂漿等材料時(shí)則采用概率法。因此錨桿錨固長(zhǎng)度驗(yàn)算巖土設(shè)計(jì)普遍認(rèn)為采用定值法設(shè)計(jì)較為合理，這一點(diǎn)巖土工程師已形成共識(shí)。但是針對(duì)錨桿配筋驗(yàn)算則有不同理解。主要分歧是部分工程師認(rèn)為配筋驗(yàn)算，主要涉及鋼材、混凝土與砂漿等材料，此類材料性能穩(wěn)定、變異性小、計(jì)算模型準(zhǔn)確、統(tǒng)計(jì)資料齊全應(yīng)采用概率設(shè)計(jì)，但是往往忽略了抗浮錨桿與巖土界面的影響，同時(shí)施工過(guò)程錨桿一般直徑較小，施工的精確性與可靠性很難保證，施工過(guò)程中無(wú)法避免的垮孔、縮頸、漏漿、注漿不到位等施工缺陷，均嚴(yán)重影響錨桿配筋的的發(fā)揮和耐久性。因此采用定值法設(shè)計(jì)抗浮錨桿更為合理，采用安全系數(shù)法將工程中包含的一切不確定性因素，都放入安全系數(shù)之中。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)確定安全系數(shù)，保證工程安全運(yùn)行。

3 不同規(guī)范對(duì)比

目前各規(guī)范采用設(shè)計(jì)理論不盡相同無(wú)法簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)各規(guī)范經(jīng)濟(jì)可靠性，上文分析錨桿設(shè)計(jì)建議采用單一安全系數(shù)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此對(duì)各規(guī)范設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)換為單一安全系數(shù)（概率法及設(shè)計(jì)分項(xiàng)系數(shù)均均進(jìn)行轉(zhuǎn)換合并，總稱為安全系數(shù)）進(jìn)行對(duì)比。

由于錨桿錨固長(zhǎng)度主要以錨固體與巖土層錨固長(zhǎng)度控制，因此主要以配筋驗(yàn)算和錨固體與巖土層錨固長(zhǎng)度驗(yàn)算對(duì)各規(guī)范進(jìn)行對(duì)比。轉(zhuǎn)變后統(tǒng)計(jì)如表2所示。

此時(shí)各規(guī)范比較可簡(jiǎn)單的看作為安全系數(shù)的比較，安全系數(shù)越低則經(jīng)濟(jì)性越好，但能否滿足可靠性和耐久性要求則需要實(shí)際工程進(jìn)行驗(yàn)證。

4 工程案例

以成都某工程為例，該工程抗浮設(shè)計(jì)水位絕對(duì)高程為516.00 m。場(chǎng)地基底巖土主要為：

松散卵石（Q4al+pl）： 灰黃色、灰色，松散，飽和，卵石粒徑一般2～5 cm，含量50%～55%。卵石骨架間被砂、少量圓礫充填。該層呈層狀分布。N120超重型動(dòng)力觸探修正擊數(shù)為2～4擊。

稍密卵石（Q4al+pl）：灰黃色、灰色，稍密，飽和，卵石粒徑2～8 cm，卵石含量55%～60%左右，卵石骨架間被砂、少量圓礫充填。該層呈層狀分布。N120超重型動(dòng)力觸探修正擊數(shù)4～7擊。

中密卵石（Q4al+pl）：灰黃色、灰色，中密，飽和，卵石粒徑2～8 cm，卵石含量60%～65%，卵石骨架間被砂、少量圓礫充填。該層呈層狀分布。N120動(dòng)力觸探修正擊數(shù)7～10擊。

密實(shí)卵石（Q4al+pl）：灰黃—黃褐色，密實(shí)，飽和，卵石粒徑一般4～10 cm，個(gè)別大于20 cm。以層狀分布，卵石含量約70%～80%，卵石骨架間被砂、少量圓礫充填。層位穩(wěn)定，N120修正后的平均擊數(shù)為12.4擊。本次勘察未揭穿。

巖土層與錨固體的極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值如表3所示。

本工程地下室底板下局部區(qū)域設(shè)抗浮錨桿，單根錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值為230 kN，基底以下場(chǎng)地為松散卵石、稍密卵石、中密卵石、密實(shí)卵石，標(biāo)準(zhǔn)值綜合取值根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及抗浮錨桿區(qū)域地層加權(quán)平均值為123.0 kPa。

分別按不同規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

本工程按JGJ 476-2019《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計(jì)，實(shí)際配筋采用3根25 mm的HRB400螺紋鋼筋作為錨桿配筋，As=1 473 mm2，錨桿長(zhǎng)度增加0.5 m的結(jié)構(gòu)要求，實(shí)際施工按錨桿錨固長(zhǎng)度不小于8.5 m，經(jīng)檢測(cè)抗拔承載力大于設(shè)計(jì)軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值為230 kN。

5 結(jié)論

目前抗浮錨桿設(shè)計(jì)規(guī)范較多，由于各規(guī)范采用設(shè)計(jì)理論不同，計(jì)算結(jié)果相差較大，未形成共識(shí)，本文通過(guò)各規(guī)范對(duì)比及工程實(shí)際驗(yàn)證采用《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠，因此推薦采用JGJ476-2019《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行抗浮錨桿設(shè)計(jì)。

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