白曉宇， 王海剛， 張明義*， 鄭 晨

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，青島 266033；2.山東省高等學(xué)校藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，青島 266033)

時(shí)代發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步，超高層建筑、城市地下交通、大型商業(yè)中心等建(構(gòu))筑物使得地下空間得到充分開發(fā)利用，但在工程中帶來的抗浮問題越來越引起人們的重視[1-3]。目前，解決建(構(gòu))筑物抗浮問題的主要措施有降排水法、壓重法、抗拔樁、抗浮錨桿等，和其他方法相比，抗浮錨桿以其特有的優(yōu)勢(shì)在工程中的應(yīng)用越來越廣泛[4-7]?，F(xiàn)從抗浮錨桿的發(fā)展歷史、錨固性能、荷載傳遞特性3個(gè)方面對(duì)抗浮錨桿研究現(xiàn)狀歸納總結(jié)并對(duì)抗浮錨桿的未來研究方向提出建議。

1 抗浮錨桿工作原理

根據(jù)匡政[8]的研究，將抗浮錨桿工作原理總結(jié)為如圖1所示。

圖1 文獻(xiàn)[8]中抗浮錨桿工作原理Fig.1 Working principle of anti-floating anchor in[8]

當(dāng)水的浮力作用于結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土基礎(chǔ)底板時(shí)，基礎(chǔ)底板因受力會(huì)產(chǎn)生向上移動(dòng)的趨勢(shì)，由于錨固體的上表面和基礎(chǔ)底板緊密相連、錨桿桿體部分也錨固于基礎(chǔ)底板，由此錨固體和錨桿桿體也會(huì)產(chǎn)生上移的趨勢(shì)，但是周圍的巖土層和基礎(chǔ)底板對(duì)錨固體具有約束作用，致使錨固體無法上移；同時(shí)，錨固體對(duì)錨桿桿體也具有相同的約束作用，導(dǎo)致錨桿無法有效上移。這種情況下錨固體和錨桿桿體受到均勻向上的荷載作用，其合力可視為抗浮錨桿所受的拉拔力。

抗浮錨桿桿體受到向上拉拔力作用后，荷載先是通過第一界面，傳遞至與錨桿桿體相連的錨固體，同理，錨固體再通過第二界面將該部分荷載傳遞給周圍巖土體[5]。但這目前還沒有研究能完全明確抗浮錨桿與錨固體、周圍土層中的力學(xué)傳遞機(jī)制。

2 抗浮錨桿的類型

目前，根據(jù)中外對(duì)抗浮錨桿的研究，可將抗浮錨桿按以下方法分類。

(1)按照是否對(duì)錨桿桿體施加預(yù)應(yīng)力可將其劃分為預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿和非預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿[9]。預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿通常先將桿體錨固在地層中，然后對(duì)自由段施加預(yù)拉力，使錨固體與巖土體之間(第二界面)產(chǎn)生摩阻力；非預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿錨固體與巖土層之間無應(yīng)力，要發(fā)揮錨桿的作用，錨頭處需要限制其變形。非預(yù)應(yīng)力錨桿與預(yù)應(yīng)力錨桿相比，控制地層與結(jié)構(gòu)物變形能力差，但施工工序簡(jiǎn)單。

(2)根據(jù)錨桿桿體材料的性質(zhì)可將其主要?jiǎng)澐譃殇摻铄^桿和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)錨桿。FRP錨桿是在普通鋼筋錨桿的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，目前FRP錨桿主要有芳綸纖維增強(qiáng)聚合物(aramid fiber reinforced polymer，AFRP)錨桿、碳纖維增強(qiáng)型聚合物(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)錨桿、玻璃纖維增強(qiáng)型聚合物 (glass fiber reinforced polymer，GFRP)錨桿以及玄武巖纖維增強(qiáng)型聚合物(basalt fiber reinforced polymer，BFRP)錨桿，其中張明義團(tuán)隊(duì)對(duì)GFPR抗浮錨桿的黏結(jié)強(qiáng)度、錨桿與錨固體間黏結(jié)滑移、桿體蠕變等特性進(jìn)行了大量研究，證實(shí)了使用GFRP抗浮錨桿能夠克服普通鋼筋抗浮錨桿容易銹蝕、耐久性差的難題[10-14]。中國(guó)從20世紀(jì)90年代才開始對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料錨桿進(jìn)行研究，雖然起步較晚，但是在不足30年間取得了很多喜人的成就[15-22]。

3 抗浮錨桿的試驗(yàn)方法

為了解抗浮錨桿各個(gè)部位的受力情況、抗浮錨桿受力隨深度變化的規(guī)律以及鋼筋應(yīng)力與循環(huán)荷載的變化關(guān)系，目前抗浮錨桿的現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)測(cè)試方法中用的應(yīng)力采集傳感器主要有鋼筋應(yīng)力計(jì)、電阻應(yīng)變片及光纖光柵應(yīng)變傳感器3種。

曾國(guó)機(jī)等[23]在3根鋼筋抗浮錨桿沿長(zhǎng)度方向以一定的間距布置鋼筋應(yīng)力計(jì)，來測(cè)試該部位的受力大小，如圖2所示。

圖2 文獻(xiàn)[23]中鋼筋應(yīng)力計(jì)試驗(yàn)裝置Fig.2 Reinforced stress meter test device in ref.[23]

賈金青等[24]通過現(xiàn)場(chǎng)錨桿拉拔試驗(yàn)，沿錨固長(zhǎng)度方向?qū)垢″^桿桿體粘貼電阻應(yīng)變片，研究發(fā)現(xiàn)了錨固體和巖土體間剪應(yīng)力變化趨勢(shì)。榮冠等[25]分別通過在螺紋鋼錨桿桿體和圓鋼錨桿表面粘貼應(yīng)變片，在錨固體內(nèi)部安裝三向應(yīng)力磚得出錨桿桿體及周圍錨固體的應(yīng)力應(yīng)變變化曲線。張明義等[26]在桿體上粘貼電阻應(yīng)變片，用來測(cè)試錨桿桿體的軸力和桿體與注漿體之間剪應(yīng)力的分布變化規(guī)律。劉穎浩等[27]在GFRP錨桿錨固段外表面每隔10 cm粘貼應(yīng)變片，測(cè)試錨桿各部分的應(yīng)力大小，通過拉拔試驗(yàn)，經(jīng)采集系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步得到砂漿強(qiáng)度、錨固長(zhǎng)度、錨桿直徑等因素對(duì)全螺紋GFRP錨桿錨固力的影響及 GFRP 錨桿桿體黏結(jié)應(yīng)力分布，試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示。

光纖光柵應(yīng)變傳感器是光纖傳感器的一種，它的工作原理是通過外界物理參量利用反射特定波長(zhǎng)的特性來獲取傳感信息。植入式裸光纖光柵傳感器是在 GFRP 抗浮錨桿制備過程中，先將多個(gè)裸露的光纖光柵傳感器沿 GFRP 桿體方向鋪設(shè)并使其位于桿體材料中央，然后將纖維、樹脂和裸光纖光柵傳感器一起澆筑成型。白曉宇[5]基于 3 根全螺紋 GFRP 抗浮錨桿現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)，將裸光纖光柵傳感技術(shù)成功應(yīng)用于抗浮錨桿拉拔試驗(yàn)中，對(duì)全長(zhǎng)黏結(jié)玻璃纖維增強(qiáng)聚合物抗浮錨桿在各級(jí)荷載作用下的力學(xué)特性及破壞機(jī)制進(jìn)行探究，如圖4所示。

圖3 文獻(xiàn)[27]中GFRP錨桿拉拔試驗(yàn)設(shè)備Fig.3 GFRP anchor drawing test equipment in[27]

圖4 文獻(xiàn)[5]中光纖光柵傳感器試驗(yàn)裝置Fig.4 Fiber grating sensor test device in[5]

在錨桿拉拔試驗(yàn)中，測(cè)試錨桿桿體的應(yīng)力、應(yīng)變，一般使用的是電阻應(yīng)變片和光纖光柵傳感器，鋼筋應(yīng)力計(jì)體積要比電阻應(yīng)變片、光柵光纖傳感器大且重，在拉拔試驗(yàn)中使用鋼筋應(yīng)力計(jì)受到許多限制，再有鋼筋應(yīng)力計(jì)安裝的要求比較嚴(yán)格，目前在錨桿拉拔試驗(yàn)中運(yùn)用較少。與之相比，電阻應(yīng)變片和光纖光柵傳感器靈敏度更高，測(cè)量誤差較小，但電阻應(yīng)變片粘貼、布線復(fù)雜，在準(zhǔn)備階段耗時(shí)較長(zhǎng)，另外電阻值會(huì)隨導(dǎo)線長(zhǎng)度增加而增大，影響應(yīng)變片靈敏度系數(shù)；在光纖光柵傳感器測(cè)試方法中，有的需要在錨桿桿體表面機(jī)械開槽植入傳感器，對(duì)材料產(chǎn)生一定程度的損壞。3種傳感器各有其優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定的缺陷，在未來抗浮錨桿的拉拔試驗(yàn)中，需要開發(fā)研制新型傳感器和掌握新的測(cè)試技術(shù)，來克服當(dāng)前試驗(yàn)中的不足。

4 抗浮錨桿的錨固性能

4.1 抗浮錨桿的破壞形式

通過曾國(guó)機(jī)等[23]、Kumar等[28]、付文光等[29]、陳明昌[30]、蔣繼寶[31]、白曉宇等[32-36]、唐孟華等[37]、朱磊[38]、白曉宇等[39]、張明義等[40]、匡政等[41-42]對(duì)抗浮錨桿拉拔試驗(yàn)的研究，歸納總結(jié)出抗浮錨桿單體及群體在巖土層錨固(內(nèi)錨固)和底板混凝土錨固(外錨固)的破壞模式有8種：①抗浮錨桿桿體破壞；②抗浮錨桿桿體與錨固體之間(第一界面)的剪切破壞，錨桿桿體被拔出而錨固體本身沒有破壞；③第一界面錨固體發(fā)生拉裂、拉碎破壞；④錨固體錨頭處或錨桿固定端發(fā)生強(qiáng)度破壞，包括錨座斷裂、錨具發(fā)生松脫現(xiàn)象等；⑤錨固體與巖土體界面(第二界面)間的強(qiáng)度破壞，脫離巖土體，錨固體被拔出，而錨固體與桿體之間無破壞；⑥當(dāng)抗浮錨桿錨固深度太淺，會(huì)發(fā)生單錨穩(wěn)定性破壞，單根抗浮錨桿錨固體和周邊巖土體可能會(huì)同時(shí)隆起甚至拔出；⑦群錨破壞，即發(fā)生整體性穩(wěn)定破壞，即抗浮錨桿群之間大面積的巖土體被破壞，發(fā)生隆起現(xiàn)象，嚴(yán)重的甚至錨桿被拔出；⑧群錨導(dǎo)致建(構(gòu))筑物上浮開裂，發(fā)生較大變形破壞。8中破壞模式當(dāng)中，①～⑤可認(rèn)為屬于材料的強(qiáng)度破壞，⑥、⑦可看作單錨及群錨的穩(wěn)定性破壞，⑧為變形破壞。然而，在實(shí)際工程當(dāng)中，錨桿的破壞形式主要是②和⑤兩種，從而將錨桿桿體和錨固體(第一界面)、錨固體和巖土體(第二界面)之間的相互作用作為研究重點(diǎn)?？垢″^桿的主要破壞形成如圖5所示。

4.2 抗浮錨桿的抗拔承載力

由于抗浮錨桿的受力機(jī)理還未明確，關(guān)于抗浮錨桿極限抗拔承載力的計(jì)算，中外相關(guān)研究都是基于大量的先前相似地質(zhì)條件下的施工經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)而得到的。

曾國(guó)機(jī)[43]分析出土體中錨桿的極限抗拔力的計(jì)算表達(dá)式為

Fu=πDLτ+qA

(1)

式(1)中：qA這部分所提供的抗拔力只有當(dāng)錨桿存在擴(kuò)大部分并足夠大時(shí)才計(jì)算；Fu為巖土體中抗浮錨桿極限抗拔承載力，kN；D為錨固體直徑，m；L為抗浮錨桿有效錨固段長(zhǎng)度，m；τ為錨固體與巖土體間的抗剪強(qiáng)度，kN/m2；q為均布荷載，kN/m2；A為土壓力作用的面積，m2。

趙洪福[44]研究得出的巖土層中抗浮錨桿的極限抗拔承載力為

Fu=πDLτ

(2)

式(2)中：Fu為巖土體中抗浮錨桿極限抗拔承載力，kN；D為錨固體直徑，m；L為抗浮錨桿有效錨固段長(zhǎng)度，m；τ為錨固體與巖土體間的抗剪強(qiáng)度，kN/m2。

蔣繼保[31]根據(jù)中外行業(yè)規(guī)范對(duì)抗浮錨桿承載力計(jì)算的規(guī)定，提出了以下兩種計(jì)算方式。

(1)根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[45]中的8.6.3條規(guī)定，對(duì)等級(jí)較高的甲級(jí)建筑物，單根抗浮錨桿的抗拔承載力特征值Ft應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定；對(duì)于其他建筑物應(yīng)符合式(3)規(guī)定，即

Ft≤0.8πdlf

(3)

式(3)中：f為巖石與砂漿錨固體的黏結(jié)強(qiáng)度特征值，可按表1選用；d為錨桿桿體直徑，m；l為錨桿有效錨固長(zhǎng)度，m。

表1 砂漿與巖石間的黏結(jié)強(qiáng)度特征值Table 1 Characteristic values of bond strength between mortar and rock

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)9.6.5條規(guī)定，預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿鋼筋的截面面積應(yīng)按式(4)確定，即

(4)

式(4)中：Nt為錨桿承受的荷載，kN(相應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)組合)；yp為錨桿張拉施工工藝控制系數(shù)；fpt為鋼絞線、鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，kN/m2。

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)9.6.6條規(guī)定，抗浮錨桿的錨固段長(zhǎng)度可按式(5)確定，即

(5)

式(5)中：K為安全系數(shù)；D為抗浮錨桿錨固體的直徑，m；qs為巖土體與錨固體之間的黏結(jié)應(yīng)力，kN/m2，該應(yīng)力值的大小由抗拔試驗(yàn)分析所得。

(2)根據(jù)美國(guó)《預(yù)應(yīng)力錨桿巖土的建議》中規(guī)定，得出錨桿極限抗拔力的計(jì)算表達(dá)式為

p=2rπl(wèi)τw

(6)

式(6)中：τw為有效黏結(jié)強(qiáng)度，kN/m2，一般可取極限黏結(jié)強(qiáng)度的0.25～0.5；r為錨固體半徑，m；l為錨桿有效錨固長(zhǎng)度，m。

目前，由于各相關(guān)規(guī)范多沒有明確規(guī)定，Benmokrane等[46]通過蠕變拉拔試驗(yàn)，研究得出了錨固在水泥漿中的FRP錨桿蠕變變化規(guī)律和長(zhǎng)期抗拔承載力，認(rèn)為FRP錨桿極限抗拉強(qiáng)度的40%～50%可作為長(zhǎng)期工作荷載。賈金青等[25]研究指出在鋼筋抗浮錨桿荷載-位移(Q-S)曲線中，認(rèn)為位移較大的拐點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的荷載可作為鋼筋抗浮錨桿的極限抗拔承載力。王賢能等[47]根據(jù)試驗(yàn)分析得出當(dāng)錨桿錨頭處位移達(dá)到20～30 mm時(shí)，將該位移處所對(duì)應(yīng)的拉拔荷載值可作為抗浮錨桿的極限抗拔承載力，巖石抗浮錨桿與土層抗浮錨桿先比較，前者拉拔荷載取大值，后者可取小值。

另外，抗浮錨桿體系中的外錨固部分，在各類規(guī)范、規(guī)程及行業(yè)標(biāo)注中，均未對(duì)錨桿與混凝土的允許形變量作出規(guī)定。張明義等[48]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究建議鋼筋抗浮錨桿以累計(jì)形變量5 mm時(shí)的承載力作為抗浮錨桿的極限抗拔承載力；朱磊等[49]通過室外實(shí)驗(yàn)比較錨桿、樁上拔量確定承載力的方法，建議用錨頭位移10～20 mm范圍內(nèi)所對(duì)應(yīng)的最低值來確定錨桿極限承載力，這樣有利于樁與錨桿變形協(xié)調(diào)共同工作。

4.3 抗浮錨桿抗拔承載力的影響因素

通過中外學(xué)者對(duì)抗浮錨桿抗拔承載力的大量研究，分析總結(jié)出影響抗拔承載力的主要因素有錨筋形態(tài)特征、錨固體性質(zhì)、外錨固長(zhǎng)度、巖土體性質(zhì)等。

4.3.1 錨筋形態(tài)特征

Hanson[50]和Goto[51]探究鋼筋錨桿的表面形狀是否對(duì)其承載力的大小有影響，通過試驗(yàn)得出錨桿表面形狀對(duì)承載力有一定的影響。白曉宇等[32-33]通過螺紋GFRP抗浮錨桿與螺紋鋼筋抗浮錨桿的現(xiàn)場(chǎng)拉拔對(duì)比試驗(yàn)研究得出：GFRP抗浮錨桿的極限抗拔承載力高于鋼筋抗浮錨桿。白曉宇等[34-35]研究表明抗浮錨桿隨直徑的增大，錨桿的極限抗拔承載力有所提高。Arias等[52]發(fā)現(xiàn)在GFRP錨桿表面噴涂粗砂能夠提高錨固性能。由此可以看出錨桿的直徑、錨桿表面的形狀以及構(gòu)成錨桿桿體的材料都對(duì)抗浮錨桿的極限抗拔承載力有一定的影響。

4.3.2 錨固體性質(zhì)

黃生文等[21]通過GFRP與水泥砂漿黏結(jié)強(qiáng)度黏結(jié)試驗(yàn)，探討了GFRP錨桿的錨固體的性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)增加砂漿錨固體的強(qiáng)度，相應(yīng)的GFRP錨桿與砂漿錨固體的黏結(jié)應(yīng)力也增加，因此提高了承載力；陳明昌[30]研究發(fā)現(xiàn)抗浮錨桿的抗拔承載力和注漿體的彈性模量呈同趨勢(shì)變化，注漿體材料性質(zhì)對(duì)抗拔承載力的影響主要是通過注漿體與巖土體之間的摩阻力體現(xiàn)的。另外，錨固體直徑和截面大小對(duì)抗浮錨桿的抗拔承載力也有一定的影響。陳明昌[30]研究表明，當(dāng)注漿體直徑增大，錨桿的抗拔承載力也隨之增大，注漿體直徑增大，實(shí)質(zhì)上就是砂漿體與巖土體接觸面積增大，從而使錨桿的摩阻力增大。

4.3.3 外錨固長(zhǎng)度

在人們的感官認(rèn)識(shí)中，錨桿在巖土層的錨固長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其相應(yīng)的抗拔承載力越大，然而這是一個(gè)誤區(qū)，實(shí)際情況遠(yuǎn)沒有那么簡(jiǎn)單。

Vilanova等[53]在不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼筋混凝土中研究錨桿錨固長(zhǎng)度對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響，通過持續(xù)荷載的拉拔試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)GFRP錨桿與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度隨錨固長(zhǎng)度的增加而增大，但超過一定的錨固長(zhǎng)度范圍，黏結(jié)強(qiáng)度不再增加。唐孟華等[37]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出：在有效錨固長(zhǎng)度范圍內(nèi)，增加鋼筋抗浮錨桿自由端的長(zhǎng)度，抗浮錨桿的抗拔承載力能適當(dāng)增大，然而超出有效范圍，再增加錨桿自由段長(zhǎng)度，抗拔承載力不會(huì)增加，甚至?xí)档涂拱纬休d力。朱磊等[49]研究了風(fēng)化巖中玻璃纖維增強(qiáng)材料(GFRP)抗浮錨桿和鋼筋抗浮錨桿的承載性能和變形特性，由破壞荷載可知兩種材質(zhì)抗浮錨桿的承載力，得出GFRP和鋼筋抗浮錨桿的最佳錨固長(zhǎng)度為4～5 m。

4.3.4 巖土體性質(zhì)

陳明昌[30]表明在抗浮錨桿注漿中，巖土體的孔隙越大，即孔隙率越大，滲透性越好，使得注漿液越容易滲入，注漿半徑愈大，從而所形成的注漿體直徑也就愈大，抗浮錨桿的極限抗拔承載力也就愈大；唐孟華等[37]研究發(fā)現(xiàn)巖土體和注漿體的極限剪切強(qiáng)度是影響抗浮錨桿抗拔承載力的兩個(gè)重要因素，根據(jù)極限剪切強(qiáng)度的理論公式，不難看出抗浮錨桿的極限抗拔承載力隨巖土體的黏聚力、有效內(nèi)摩擦角的增大而提高。孫濤等[54]運(yùn)用不同的施工工藝得到了具有不同錨土界面特性和幾何形狀的抗浮錨桿，通過現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)改善錨土界面特性和采用變截面工藝改變幾何形狀均可顯著提高錨桿的抗拔承載力，究其原因?yàn)楦纳棋^土界面特性提高了錨桿的側(cè)摩阻力，而采用變截面工藝則增加了錨桿的端承力。從這些研究中不難看出，巖土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角、孔隙率等特性對(duì)錨桿的抗拔承載力也有一定程度的影響。

5 抗浮錨桿應(yīng)力傳遞機(jī)制

5.1 軸力分布規(guī)律

抗浮錨桿的軸力沿錨桿深度方向分布是不均勻的，軸力大多集中在錨頭處，錨桿軸力沿桿體長(zhǎng)度逐漸減少，在錨桿底端一定范圍內(nèi)軸力基本為0；同時(shí)鋼筋抗浮錨桿和GFRP抗浮錨桿的軸力分布也存在差別。

陳棠茵等[55]運(yùn)用抗浮實(shí)例進(jìn)行分析表明：在外荷載作用下，軸力在錨頭處呈集中狀態(tài)，大小沿錨桿長(zhǎng)度逐漸衰減，在錨桿底端某處衰減至0。張明義等[26]在青島大劇院工程場(chǎng)地上，通過對(duì)桿體貼有電阻應(yīng)變片的鋼筋抗浮錨桿進(jìn)行破壞性拉拔試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)抗浮錨桿處于受拉狀態(tài)時(shí)，錨桿軸力分布不均勻，沿錨桿長(zhǎng)度向下荷載由大變小，軸力大都分布在地面以下錨桿長(zhǎng)度2 m范圍內(nèi)，在底端一定的范圍內(nèi)基本不受力。白曉宇[5]通過對(duì)3根GFRP抗浮錨桿進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，研究得出錨桿在孔口處產(chǎn)生高度應(yīng)力集中，在孔口處，錨桿軸力隨荷載的增加達(dá)到最大值，但隨著錨桿長(zhǎng)度向下增大軸力卻逐漸減小，由此可見，GFRP抗浮錨桿桿體軸力沿錨桿長(zhǎng)度分布不均勻。李偉偉等[56]將光纖光柵傳感器植入GFRP錨桿當(dāng)中，通過現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)，研究對(duì)比分析GFRP抗浮錨桿與鋼筋錨桿破壞形態(tài)以及桿體軸力的分布規(guī)律的異同，其研究認(rèn)為：GFRP抗浮錨桿與鋼筋錨桿的破壞形態(tài)有差別，雖然二者的軸力分布規(guī)律總體相似，但是在相同外荷載條件下，深度相同處的鋼筋抗浮錨桿的軸力比GFRP抗浮錨桿小，鋼筋錨桿軸力沿深度方向的衰減速率比GFRP錨桿快。匡政等[57]在風(fēng)化巖地基上，通過全長(zhǎng)黏結(jié)抗浮錨桿的現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試及有限元分析，得出桿體軸力隨深度的變化規(guī)律與張明義等[20]研究結(jié)論基本一致?？镎萚41]通過利用光纖光柵傳感技術(shù)，在風(fēng)化巖地基中對(duì)10根GFRP抗浮錨桿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拉拔破壞試驗(yàn)，數(shù)據(jù)分析研究得出GFRP抗浮錨桿桿體的軸力沿錨固深度呈“倒S型”分布，在孔口處下降速率大，在錨桿臨界錨固長(zhǎng)度附近軸力基本為0。

5.2 剪應(yīng)力分布規(guī)律

抗浮錨桿的剪應(yīng)力也存在分布不均勻的現(xiàn)象。Ostermayer等[58]和Evangelista等[59]通過試驗(yàn)得到了錨桿在兩種不同黏性土中的應(yīng)力，提出了在錨固體表面剪應(yīng)力分布并非均勻的觀點(diǎn)。針對(duì)大連濱海大型地下工程，賈金青等[24]對(duì)工程抗浮錨桿進(jìn)行破壞試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)沿錨桿長(zhǎng)度方向，在外荷載作用下，錨固體與巖土體間的剪應(yīng)力分布規(guī)律是不均勻的，剪應(yīng)力在孔口處附近最大，而沿錨桿長(zhǎng)度方向剪應(yīng)力逐漸減小。唐孟華等[37]通過一系列的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出的結(jié)論和賈金青等[24]基本一致。另外，Zhang等[60]、蔣田勇[61]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在不同灌漿體中探究FRP錨桿剪應(yīng)力的分布規(guī)律，將錨固巖土層看作剛體，研究提出了蔣田勇模型和Burong Zhang模型，但兩者模型存在邊界效應(yīng)，適用范圍受到限制；而尤春安[62]根據(jù)Mindlin位移解把錨固體系周圍巖土層看作半無限大固體，研究計(jì)算得出GFRP錨桿剪應(yīng)力彈性解，克服了蔣田勇模型和Burong Zhang模型的缺陷，得到了學(xué)術(shù)界的認(rèn)可。尤春安模型GFRP錨桿剪應(yīng)力沿桿體分布計(jì)算公式如下：

(7)

(8)

式中：τ為錨桿桿體處應(yīng)力，kN/m2；P為t時(shí)刻錨頭處的拉拔力，kN；t為時(shí)間，s；μ為泊松比；d為錨桿直徑，m；z為錨固體位移，mm；E為錨固體的彈性模量，MPa；Eα為錨桿桿體的彈性模量，MPa。

根據(jù)鄭晨等[63]研究表明，3種剪應(yīng)力模型如圖6所示。

圖6 3種剪應(yīng)力模型對(duì)比[63]Fig.6 Comparison of three kinds of shear stress models[63]

張建超等[64]在kelvin解的基礎(chǔ)上，通過錨桿拉拔試驗(yàn)對(duì)錨固段進(jìn)行受力分析得到了一種剪應(yīng)力模型，此剪應(yīng)力-錨桿長(zhǎng)度曲線形式與尤春安模型大致相同。

5.3 荷載-滑移關(guān)系

抗浮錨桿抗滑移能力與錨桿、混凝土間的黏結(jié)強(qiáng)度有關(guān)，黏結(jié)強(qiáng)度主要由錨桿與混凝土表面的摩擦力、化學(xué)膠著力、機(jī)械咬合力以及錨具與錨桿的耦合力組成。鋼筋抗浮錨桿的荷載-滑移曲線是雙折現(xiàn)形式，曲線由緩和段和陡降段兩部分組成，存在明顯拐點(diǎn)；而GFRP抗浮錨桿的荷載-滑移曲線卻呈近似的線性規(guī)律。陳棠茵等[55]通過實(shí)例驗(yàn)證得出抗浮錨桿的變形隨著荷載的增大而增大。其中錨固體的變形量變化不大，主要集中在端部；土體變形隨荷載的增大變化較小，向底部傳遞較快，但錨土界面處形變量隨荷載增加而增加，從而證實(shí)了錨土界面處變形為土層抗浮錨桿變形的主要部分。張明義等[48]通過專門設(shè)置的現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)，對(duì)相同直徑與彎曲半徑、不同豎直錨固長(zhǎng)度與彎折長(zhǎng)度的鋼筋抗浮錨桿試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)不同型號(hào)的鋼筋抗浮錨桿荷載-滑移曲線的變化規(guī)律相似，滑移量都是隨荷載的增大而增大，曲線為雙折線形式，由緩和段和陡降段兩部分組成，存在明顯拐點(diǎn)，這和文獻(xiàn)[65]研究結(jié)論相一致。此外，張明義還提出當(dāng)其他條件相同時(shí)，不同豎向錨固長(zhǎng)度的鋼筋抗浮錨桿，在相同荷載作用下，錨固長(zhǎng)度越小，滑移量越大；不同彎折長(zhǎng)度的錨桿，當(dāng)荷載水平相同時(shí)，滑移量隨彎折長(zhǎng)度的減小而增大。白曉宇等[66]通過現(xiàn)場(chǎng)足尺拉拔試驗(yàn)，對(duì)全螺紋GFRP抗浮錨桿和螺紋鋼筋抗浮錨桿這兩種不同材質(zhì)的錨桿探討其與混凝土底板的錨固性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼筋抗浮錨桿荷載-滑移曲線呈“雙折線型”，與張明義[39]得出的結(jié)論基本一致，而不同于鋼筋抗浮錨桿，GFRP抗浮錨桿的荷載-滑移曲線呈近似的線性規(guī)律，原因是GFRP抗浮錨桿與混凝土彈性模量相近，二者的協(xié)同效果優(yōu)于鋼筋抗浮錨桿。另外研究還表明增加兩種材質(zhì)錨桿的直徑和錨固長(zhǎng)度都可以限制錨桿在混凝土中的滑移。

5.4 群錨效應(yīng)

無論單樁是處在受壓或者受拉狀態(tài)，在間距相對(duì)較小的群樁中，每根單樁之間必然會(huì)有相互作用，群樁中每一根單樁的力學(xué)特性與一根單獨(dú)樁的力學(xué)特性存在不同，這種現(xiàn)象就是群樁效應(yīng)。和群樁類似，抗浮錨桿中也存在群錨效應(yīng)。李尋昌等[67]研究表明，在抗浮錨桿簇中，每個(gè)單根錨桿的抗拔承載力的分布存在大小不均勻的現(xiàn)象，而且錨桿群的抗拔承載效率總是低于單根錨桿的抗拔承載效率，原因是錨桿群中每根抗浮錨桿的工作特性和單根孤立時(shí)抗浮錨桿的工作特性存在明顯不同。趙洪福[44]通過有限元軟件ANSYS分析得出群錨效應(yīng)的作用使得錨桿群中單根錨桿的極限抗拔承載力減小到單根錨桿極限抗拔承載力的60%左右。這個(gè)研究發(fā)現(xiàn)有利于指導(dǎo)錨桿的設(shè)計(jì)和施工，群錨中抗浮錨桿抗拔承載力的取值應(yīng)在單根抗浮錨桿拉拔桿試驗(yàn)得到的荷載值進(jìn)行折減，應(yīng)留有足夠的安全儲(chǔ)備，以保證工程安全。蔣繼寶[31]通過有限元軟件ABAQUS 對(duì)實(shí)際工程中的單根抗浮錨桿和群錨受力位移情況進(jìn)行數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，研究得出抗浮錨桿存在群錨效應(yīng)現(xiàn)象，群錨效應(yīng)的作用使群錨中的抗浮錨桿的抗拔承載力下降許多，位移也比單根錨桿時(shí)大?？镎萚57]通過有限元軟件發(fā)現(xiàn)，在青島中風(fēng)化花崗巖中，受群錨效應(yīng)的影響，群錨中單根抗浮錨桿的極限抗拔承載力比單錨中單根錨桿下降1/3左右。

6 展望

當(dāng)前抗浮錨桿在錨固工程中的應(yīng)用越來越多，受到工程界的重視，雖然抗浮錨桿的發(fā)展日益成熟，但是目前還存在一些方面有待提高。

(1)在抗浮錨桿錨固體系中，荷載在錨固體系中的傳遞機(jī)制尚不明確。當(dāng)前的相關(guān)理論研究不足，相關(guān)的規(guī)范文件也未明確傳遞路徑。

(2)抗浮錨桿耐久性方面研究還不夠完善，在侵蝕環(huán)境中的強(qiáng)度機(jī)理研究較少，對(duì)使用期錨桿的長(zhǎng)期承載能力以及耐久性不能進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

(3)在拉拔試驗(yàn)中，試驗(yàn)所需的傳感器和監(jiān)測(cè)技術(shù)存在不足。

根據(jù)巖土錨固方向的發(fā)展，結(jié)合實(shí)際工程，抗浮錨桿在某些領(lǐng)域需要進(jìn)一步鉆研，具體如下：

(1)提高抗浮錨桿的耐腐蝕性能。中國(guó)大部分地區(qū)地質(zhì)土層多為弱堿性特性，解決鋼筋抗浮錨桿因銹蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性降低的問題變得尤為重要。

(2)研發(fā)推廣新型FRP抗浮錨桿。纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料的出現(xiàn)因其優(yōu)異的性能受到工程界的青睞。目前中國(guó)學(xué)者已對(duì)自重輕、抗拉強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的GFRP抗浮錨桿做了大量研究，但對(duì)抗堿耐腐蝕性能比GFRP抗浮錨桿更加優(yōu)良的BFRP抗浮錨桿相關(guān)研究很少，還需更加深入地學(xué)習(xí)。

(3)抗浮錨桿體系的力學(xué)傳遞機(jī)制有待進(jìn)一步討論和完善。在抗浮錨桿體系中，研發(fā)應(yīng)用新型應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)，明確荷載在抗浮錨固體系中的傳遞機(jī)制，為抗浮錨桿在使用期的長(zhǎng)效性能研究奠定基礎(chǔ)。

7 結(jié)語

抗浮錨桿與其他抗浮措施相比，因其地層適應(yīng)能力強(qiáng)、單點(diǎn)受力小、施工工期短且造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)使其在地下工程中得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)中外關(guān)于抗浮錨桿研究發(fā)展現(xiàn)狀、錨固性能、應(yīng)力傳遞機(jī)制等方面的相關(guān)性研究歸納總結(jié)如下。

(1)對(duì)中外抗浮錨桿的研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納，并總結(jié)出抗浮錨桿的工作原理、抗浮錨桿的類型以及抗浮錨桿的試驗(yàn)方法。

(2)歸納分析抗浮錨桿的破壞形式，總結(jié)抗浮錨桿抗拔承載力的計(jì)算方法，同時(shí)討論錨桿桿體、錨固體、錨固長(zhǎng)度和巖土體性質(zhì)不同對(duì)抗浮錨桿抗拔承載力的影響。

(3)在外荷載作用下經(jīng)拉拔試驗(yàn)，歸納分析抗浮錨桿軸力、剪應(yīng)力的分布變化規(guī)律及荷載與滑移量的關(guān)系，并且通過有限元軟件對(duì)群錨效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。