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关于对预应力抗浮锚杆张拉锁定值有关规定的质疑
奥福科技有限公司 王锁军 13911617008（同微信），欢迎交流！
抗浮锚杆技术发展到今天，最优的锚杆普遍认为是“预应力承压型囊式锚杆”，见下图：
囊式扩体可以显著增大锚杆的抗拔力、承压式囊体不会产生裂缝，这两点显而易见，不必赘述。但预应力抗浮锚杆主要存在以下令人困惑的问题：
1：预应力抗浮锚杆之预拉力规范规定张拉锁定值大约在0.65~1.0倍的锚杆抗拔力标准值
，见如下相关规范要求：
《囊式扩体锚杆技术规程T-CECS1259-2023》
《抗浮锚杆技术规程YBT4659-2018》
但据实际工程反馈，这么大的预拉力值，现场很难达到，也没有有效的检测手段，那一定需要预先施加这么大的预拉力吗？其意义是什么？
2：什么时候施加预拉力？规范并没有明确，我们假设三种张拉位置。
（A）基础垫层上张拉，优点是基础底板防水好处理。实际上很多工程也是这样做的，但在垫层上张拉似乎不符合规范的要求。
（B）上部结构主体未施工前基础底板完工后张拉，规范似乎规定是此时张拉，见下图。但防水很难处理，我们暂且不管防水问题，只进行受力分析。
（C）上部结构主体施工完毕后进行张拉。从减少上浮变形上看，此时张拉应该最好。
这3种张拉位置效果有什么不同吗？在垫层上张拉能达到预期的效果吗？
3：预应力抗浮锚杆之预应力和预应力混凝土梁及深基坑护坡锚杆等构件之预应力有什么不同？《建筑工程抗浮技术标准JGJ476-2019》规定了预应力抗浮锚杆应进行裂缝验算，有必要吗？
《建筑工程抗浮技术标准JGJ476-2019》 
为了说清楚上述几个问题，我们先简单的说下预应力的基本概念。
预应力最初应用于上部结构的混凝土受拉构件（受弯构件受拉区域）中，因为混凝土抗拉强度低，所以我们用高强预应力高强筋预先给构件施加一个预压力以抵抗外荷载造成的拉力和裂缝。
用于护坡的预应力锚杆原理与预应力构件的原理不同，看下图：
基坑侧壁土体在自重及地面竖向荷载作用下沿土体的某个斜面滑动造成土体失稳滑坡，采用预应力锚杆可以给土体一个巨大的压力，加大土体斜面的抗滑力，使土体形成一个整体，这个整体深度可以达到锚杆的深度。
显然，预应力混凝土构件和预应力护坡锚杆之预应力意义很大，且很容易理解，但抗浮锚杆之预应力与上述两种情况均不同，其作用和意义似乎并不是显而易见，我们详细分析下，以试图回答上述的几个疑问。
我们先看下不设抗拔构件时地下结构抗浮受力及变形，如下图：
结构主体施工过程中无水（或降水），地基土在上部荷载作用下受到基础底板压力而压缩，假设变形为
。
注意这里我们把基础底板当成了刚性底板，实际上因为上部结构刚度、基础底板的刚度和地基土的刚度的不同，底板的变形也不同，大致呈局部波浪形变形和整体锅底形弯曲性变形。如下图：
当水位上升时，地基土反力逐渐变小，土体回弹，直至水浮力与上部荷载平衡，地基反力为零，土体回弹变形到
，因为回弹模量远大于压缩模量，故回弹变形
数值上远小于
。当水位高于设防水位时，结构将继续上浮造成抗浮整体失稳，这是设计所不允许的。在水浮力作用下，结构除有较小的整体上浮变形外，可能也会存在不均匀上移和结构次应力，但这个变形很小，一般情况下我们不必考虑，或者说很难考虑。水位上升时，不均匀的地基反力由均匀的水浮力替代一部分，故基础底板亦发生挠曲线的变化。基础底板总是存在弯矩、剪力、冲切等内力（只有基础底板及底板填土等自重荷载以均布力的形式抵抗水浮力，而不产生任何构件内力），所以结构在符合整体抗浮稳定的情况下，仍需要计算底板在水压力作用下的承载力和变形（可按上部结构构件的变形控制）。
另外还要保证结构压重荷载（及抗浮构件的抗拔力）的合力中心与水浮力合力中心大致重合，避免地下结构在水浮力作用下向上倾斜变形破坏，这也是常见的抗浮整体失稳破坏。
本文重点是论述预应力抗浮锚杆有关问题，故构造如下图的一个均匀受力的理想简化模型来分析：
假定张拉荷载锁定值为
。张拉荷载可以分为两部分，一是将松弛的拉索拉紧以及压紧锚具（假定此操作拉索不产生内力），二是张拉荷载在拉索内产生预应力，使基础底板产生下沉变形，使地基土压密。忽略第一部分，假设第二部分的张拉荷载即为
。
下面我们分别讨论在不同位置张拉或不张拉、及在结构上部荷载施加前和施加后进行张拉时的结构变形及受力状态。
一：先假设锚杆不进行预应力张拉，即
=0。
当上部荷载
逐步施加到工程竣工时，基础底板逐渐压缩地基土变形为
，此时锚索松弛弯曲，锚索竖向变形即为
。
当水浮力上升时，水浮力逐步替代地基土压力，地基土回弹，直至水浮力完全等于上部结构荷载N时，此时地基土压力为零，地基土回弹变形
, 但
，结构继续上移直至达到
，基础底板脱空，此时锚杆开始发挥作用，当锚杆拉力达到
时，结构继续上移到
，故不施加预应力锚杆，结构上浮总位移为
。
为锚杆受到
拉力时产生的变形，对于一般囊式锚杆承载力特征值
时对应的变形约为8~10mm。
当然此时上浮位移
是假设基础底板为刚体的理想状态，实际情况要复杂的多，但我们知道，因为水浮力大于结构自重，锚索受拉伸长，故设置锚索的地下结构一定比不需设置锚索的结构上浮位移大，超过数值平均下来大约为锚杆受拉标准值时的变形
。
二：张拉位置位于基础底板顶部（上部结构未施工）
结构和锚杆在预拉力和水浮力作用下将逐步产生以下几个状态。
（1）在张拉荷载
作用下，锚具挤压基础底板下沉产生如下图所示的地基变形
。同时锚杆产生拉应力，锚固体承受承托板压力，锚固体与土体产生摩擦及挤压力。因为基础并非刚体，故其变形应该是呈波浪形的不均匀变形，这里的
是把底板当成无限刚体时平均的沉降。
（2）当结构主体逐步施工直至竣工过程中，结构上部荷载
逐渐施加，上部结构对基础底板的压力将逐步替代锚杆对基础底板的的预压力，锚杆拉力
逐步缩小，当
时，锚杆预应力松弛到0，此时若假如底板为完全刚性，地基变形不变仍为
时，锚杆完全松弛弯曲，地基压缩变形继续增加产生变形
，见下图：
实际上，因为
和
作用点不同，且
与
占总竖向抗浮力
比例不同，基础底板并不是完全刚体，上部结构的刚度也会影响基础及地基的变形，所以基础和地基的变形将是非常复杂和不均匀的，实际的变形几乎无法用图示可以表达清楚。
为了便于理解，假设基础底板为刚体，其变形将如下图：
当
时，
不会出现，只有当
时，才会产生
，这时锚索将处于松弛弯曲状态。
由于地基土的弹性和基础底板刚度和挠曲线，即使
，实际上锚杆仍可能存在预应力，除非
时，才可能使锚杆完全松弛弯曲。不过这种复杂的状态，不可能进行计算分析（也无必要），即使仅仅进行头脑思维也已经不容易。
对于上部荷载“替代”锚杆预拉力的概念，是建立在基础底板是完全刚性的基础上的，如果基础是弹性体，所谓的“替代”并不完全。我们可以构造下面的模型，所谓的“替代”方为理想的“替代”。
（3）当水位上升时，水浮力上抬基础底板。对于锚杆来说，从预张紧到
，逐渐松弛直至可能弯曲松弛，又重新张紧回到
。这个过程对锚杆没有影响。
对于结构变形来说，过程是这样的：基础底板受到
的作用压缩地基变形为
。当结构逐步施工，荷载N逐渐替代
，当
时，地基变形没有变化（假如底板为刚体），当
，产生新增地基变形
。当水浮力产生并逐步增大时，此时地基土压力将逐渐缩小，地基土逐步回弹变形至
，若
存在，结构首先上浮位移到
，因
，结构将和地基土脱空，水位继续上升，锚杆重新张紧以至于达到设计标准值
，此时结构底板的上浮变形为
+
。当上部结构荷载
时，即锚杆和结构自重各占50%时，上浮位移为
，当
时，最大上浮位移小于
。
三：假设上部结构施工完毕后再进行锚杆张拉
此时地基在结构荷载N作用下先产生
,再施加预应力地基土继续产生变形
。此时地基土受到的压力为N+
当水浮力上升时，水浮力逐步替代地基土压力，锚杆拉力基本不变，直至水位上升到水浮力等于N+
。
对比上述三种情况：
（一）当不施加预应力时，结构上浮位移为
。若
10mm，则上浮位移为
+10mm。
当地基土比较硬则
很小，实际上，需要进行抗浮设计的工程往往荷载不大，对一般地基来说，结构自重荷载产生的地基压缩变形
往往很小，一般可以忽略不计，故结构总上浮位移可以估算为约10~15mm，对于一般工程是可以接受的，故此时可以不必预张拉锚杆（仅张紧锚具拉直锚索即可）。显然规范对任何情况下预应力锚杆均需要0.65~1.0
张拉锁定是不合理的。
若预应力锚杆不必张拉，因锚杆承载力往往不高，所以用一根高强钢筋即可满足承载力要求，这样钢筋直接锚入混凝土底板即可，无需现场张拉，也不存在防水问题，将带来巨大的经济和功能效益。
（二）当上部结构未施工在基础底板上施加预拉力时，若上部荷载总占比总抗浮荷载较大（超过50%），即锚杆设置较少，产生
，上浮位移可约为
+10mm。
比
小的多。
同第一种情况所述，当地基土刚度较好，
更小，所以此时无需施加预应力。
当锚杆设置很多，锚杆占比总抗浮荷载较大（大于50%），，在上部荷载施加过程中，锚杆中的拉应力无法完全被上部荷载替代，不会出现
，锚索的预拉力被上部荷载替换一部分，所以锚杆松弛，锚索产生小于
的竖向变形，所以当水浮力增大到设计值时，锚索重新伸长到
，故此时上浮变形小于
。
比如水池等构筑物，上部荷载可以忽略不计时，上浮位移可以考虑为零。这恰好类似于下面的第三种情况，上浮位移为零。
（三）当上部结构竣工后再施加预应力时，上浮位移为零。
从上浮变形的角度看，上述结构施工完毕后再进行预张拉是最优的方式。但其实现场很难做到，不仅仅防水难于处理，施工期间得一直得保持基坑降水状态，故实际工程中无法实现。
大家看如下的防水做法如果能做到不漏水几乎不可能。
据我了解，为了避免防水处理问题，现场锚杆张拉施工一般都是在垫层上，是否能张拉到锁定值，就不得而知了。我们下面分析下在垫层上张拉的受力与变形分析。
四：在垫层上张拉的受力和变形分析
在垫层张拉，因为垫层薄刚度差，所以会形成一个个单独的锥形沉降变形，作用是压密了土体。当基础底板施工完成且上部荷载逐步增大，将继续压密土体，产生变形
。
在垫层上张拉和在底板上张拉有什么区别吗？
在垫层上张拉形成是一个一个锥形凹陷沉降，而在基础底板上张拉，因为底板的刚度，地基土的压缩将比在垫层上张拉地基压缩变形较平均，或者说地基土压密效果较好，所以待上部结构荷载施加时，产生的新增沉降变形
。在垫层上张拉的将比在底板上张拉产生变形大。
当
时，锚杆应力
时，锚杆弯曲。
当水浮力上升时，锚杆重新张紧直至
，此时：上浮变形为
也可能小于
，那上浮变形不大于10mm，若
，上浮变形则为
，我们说过
在垫层上张拉和在基础底板上施加，上浮变形情况稍微大一点，但差别不多。
结论：
（1）以上的讨论是在假如基础底板是刚性时的头脑思维得出的结论。有关的抗浮锚杆规范都提到了在锚杆设计时及确定锁定值时，要考虑地基、锚杆、基础、上部结构的刚度，实际一般工程师很难能做到。一些商业软件宣称可以考虑上述四者的刚度进行非线性分析，其实地基刚度（压缩模量和回弹模量）、锚杆的变形和拉力之间的关系离散性很大，用粗略的参数进行精确的分析是没意义的。
（2）为什么要进行这样的分析呢？因为预应力抗浮锚杆现在应用很广泛，但规定预拉锁定值很大，若如上述分析，未必需要施加预拉力。尤其是规范规定的在基础底板上施工更几乎不可能，所以很多施工单位只好在垫层上施工，但是能否按规范的锁定值预拉不得而知，
（3）如果按本文的分析很多工程无需预拉，那就无需采用带锚具的预应力高强索，采用高强钢筋抗拔锚杆，像灌注桩那样直接锚入基础底板即可。但锚杆的自由端还是需要保留，避免底板压缩土体将浅层范围的锚固体压坏。
（4）设计时，抗浮底板的刚度应该能满足，我认为按上部结构梁的变形控制抗浮底板刚度即可。抗浮计算难于考虑变形，所以按力的平衡计算同时验算构件的承载力和变形即可。
（5）《抗浮标准》规定的预应力锚杆需要进行裂缝验算，我认为根本就是错误的，因为预应力锚固体的预拉力并不能在锚固体中产生如预应力混凝土构件那样的预压应力。如果是承压型扩大头，根本不会出现裂缝。这个问题另文详说吧。
（6）我们上述的分析可以看到，锚杆抗浮受拉时变形控制非常重要，这个囊式扩大头锚杆能大大降低受拉变形，其受拉和变形关系与普通锚杆的对比（如下图，来源于党总的论文资料）看可以明显的看出来。
（7）写到这里，我愈加佩服我的一个徒弟，他刚毕业就跟着我做了十年，后来到一个大的房地产公司做技术老总。我和他讨论预应力锚杆如何施工预拉力的问题，他说：“我们做的都是囊式锚杆，预拉力在垫层上施工，把锚具压紧就行了，实际很难做到承载力标准值。因为需要考虑基础底板说不清的变形问题，我们在底板受弯计算时考虑锚杆的作用，但底板冲切时不考虑锚杆作用”。
他虽然没有像我这样做详细的分析，但他其实已经想明白了，和我上述的分析基本一致。不过如果按我这样的分析，对于大部分地基不错的工程来说其实根本没有必要进行预拉力，直接采用像灌注桩那样的囊式锚杆锚入底板即可，底板承载力计算方法按他说的方法。
为了对比，我们分析下抗拔锚桩的变形，见下图：
抗拔桩一般布置在竖向构件承台以下，避免如布置在底板跨中部位，底板下沉时抗拔桩对底板向上的“顶力”造成的弯矩、冲切破坏。所以除抗拔桩整体抗浮稳定计算外，还要验算底板支撑在承台上承担水压力按倒楼盖去进行承载力计算。
因为锚杆不存在对底板向上的“顶力”，所以锚杆宜布置在跨中部位，这样就会避免满布的水浮力通过底板传到竖向构件，同时因底板直接受到锚杆的拉力，底板的受力也较小的多。见下图：
设有抗拔桩的基础底板受到上部荷载作用时，抗拔桩和基地基土共同受压并产生压缩变形
，当然这个
比天然地基受压的
小的多，此时桩身整体下沉并桩身压缩，可以忽略桩身压缩。当底板受到水浮力作用时，底板上升，此时桩身由受压逐步压应力为零，产生一个很微小的向上变形，水浮力继续上升，抗拔桩开始受拉，直至达到
，相应变形达到
。所以设置抗拔桩的抗浮结构因为没有预拉力一定会产生上浮变形
，同时因为只能布置在竖向构件承台，地下室底板受力较大，底板较厚。
看起来预应力锚杆比锚桩更优，因为理论上我们可以施加预拉力，使得上浮位移小于
甚至为零，但是现场对成百上千的锚杆施加预拉力，施工工艺和张拉要求及工期很难满足，并且在基础底板上施加预拉力防水无法处理，所以预应力锚杆的所谓的预拉力只不过是皇帝的新装。
理论上预拉力确实能减少上浮位移，不过很少人去思考和试验验证（很难试验验证）即使产生
的上浮位移是否会给结构带来什么样的伤害。当地基很好的时候
会很小，另外抗拔桩总会产生
，那为什么要规定预应力锚杆实际上无法做到的预拉力呢？
还有一种观点，说预应力锚杆可以减少锚固体的裂缝，如《抗浮标准》的7.5.8，其实根本是错误的（另文再说）。即使我们要做预应力抗浮锚杆，也应该叫预拉力抗浮锚杆，因为此预应力和预应力构件和深基坑护坡预应力锚杆概念完全不一样。其实我认为深基坑抗浮锚杆之预应力也应该叫做预拉力，因为这个预应力和预应力混凝土之预应力概念也不相同，只是护坡锚杆一定要施加预拉力，而抗浮锚杆很多情况无需施加预拉力。
2024.4.12
勘察设计大师、规范主编
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