摘要 地锚反力装置在地基检测方面应用越来越广泛，但对地锚的认识大多停留在表面上，以至于造成地锚反力装置的滥用，本文通过对地锚反力装置的剖析，论证了地锚反力装置的适用范围和适宜性评估方法，对地锚反力装置的应用有一定的指导作用。
关键词 地锚反力装置 适宜性 评估
一、前言
地锚作为一种众所周知的反力形式，在小型载荷试验中担当的角色越来越重要，如今的北方地区，地锚成了搞地基检测的一个地道的时尚名词！
究竟地锚有何魅力，能让诸多的业界人士乐此不疲？这可能基于如下方面的原因：
1、制作成本低廉，可重复使用。新注册的小规模检测公司大多采用这种低投入的检测方法。
2、技术难度小，稍加培训即可现场操作，无需专门的技术人员。
3、此点也是笔者要求疵的主要方面，那就是反力潜力简直让人云里雾里，难以琢磨，甚至到了神秘的地步！有的说可能一根地锚能提供3吨反力，有的说4吨，更有说提供6到8吨反力的！
正是由于地锚的如此“魅力”，不仅在北方的地基检测市场，更有众多周遍的效仿者正在越来越多的加入“崇拜”地锚的行列，为了不使大家陷入“痴迷”的境地，笔者借此文对地锚的反力能力来个还算清晰的剖析，但愿能对已经和正在陷入地锚“痴迷症”的朋友来个理论疗法，让大家重新用科学的方法认识和利用地锚。
二、地锚反力装置的构成
2.1 地锚的结构
地锚由锚叶、锚杆组成，锚叶由三片圆锥型螺旋叶片组成，叶片厚度一般为8mm，边缘经打磨呈刀刃状；锚杆一般分为φ50型和φ60型，均为壁厚6mm的无缝钢管制作，锚杆底部为圆锥型封堵，以便于旋进。
2.2 地锚反力装置分类
1、伞型反力装置
早期的地锚反力装置大多采用此种形式（见图1），设备主要组成部件包括：地锚、横撑杆、斜拉杆、中心反力柱、反力柱顶帽、拉杆挂卡等。由于安装后整体设备类似伞形而得名。该型装置的优点是设备轻巧，美观，但由于需要对称力，故组装起来有一定技术要求，地锚的设置也需预先设计好固定位置，不然容易造成设备加荷后不稳定，甚至造成反力失效。再就是这种反力装置提供的反力效率比较低（随拉杆的倾角变化，倾角越大效率越高，直角状态下效率最高，即下面介绍的直拉式结构），其最大反力能力不仅取决于地锚本身，还受制于拉杆以及中心反力柱顶帽等辅助装置，采用这种装置还有一个缺点就是地锚本身容易在使用过程种发生弯曲。因此这种反力装置在一些地方已经逐渐面临淘汰。取而代之的是直拉式地锚反力装置。
采用此种装置的锚数多为8～20，反力能力经笔者客观验证为300～600kN。据说有少数采用此装置的单位能够做到1000kN以上，尚有待得到证实。
2、直拉式反力装置
直拉式反力装置主要组成部件包括：地锚、反力梁、反力梁挂环、可调式拉杆（可采用紧绳器）、拉杆挂卡等（见图2）。采用直拉式结构，反力效率可以发挥到接近100%，其优点是反力效率高，组装简便，地锚设置无需固定的位置要求，加荷过程中地锚不容易发生弯曲。缺点是配套反力设备中需要反力梁，设备自重相对较大。在同样地锚数量下反力能力比伞型反力装置有明显提高。
采用此种装置的锚数变化范围很大，少则几个，多则近百个，提供的反力能力也从几十吨到上百吨，笔者曾见到70锚的“超级”地锚反力装置，试验的最大荷载超过了200吨！所以地锚的反力能力的确有可“吹”之处！
2.3 地锚的旋入工具
传统的地锚旋入方法一般采用人工完成，辅助的旋入工具可采用工具钳，最早有采用钻探上用的工具卡钳的，实践证明卡钳对旋锚工具以及地锚的损伤比较严重，相对成本较高。后经过改进，制造出了专用卡钳，使地锚的旋入工具更加专业化。近来已经有比较专业的机械动力旋锚机问世，用锚量很大时可提高工作效率。
三、地锚提供反力的原理
地锚提供反力的大小取决于多个因素，其中土体强度是主要因素，因为旋入过程主要靠人力完成，因此过于密实的粗颗粒砂层以及含有杂质的填土等是不适合采用地锚提供反力的。一般情况下地锚的旋入深度约为1.5ｍ，根据极限状态下提供反力的土体的破坏模式，其最大反力一方面取决于土体破坏面所包围的土体重量：一般情况下根据土体情况，破坏角为15～35度，平均25度，取土的平均重度19ｋＮ／ｍ３，则单根地锚可提供的极限反力大小见下表（计算方法参考：图3 地锚极限反力能力计算图）。
土层岩性和状态 滑动面夹角 地锚旋入深度
（m） 可提供极限反力
（KN）
粘土 15 1.5 12.1
粉土 25 1.5 26.0
粉砂 35 1.5 49.0
另一方面，由于地锚在旋入过程中对土层的扰动（例如在砂层中的扰动），被扰动的土体形成类似桩的土柱，地锚能否被拔出还取决于土柱与周围地层的摩阻力Ns=π×d（锚叶直径）×h（旋入深度）×fis（旋入深度范围内土的平均极限侧摩阻力），按一般土层（例如粉土）考虑，Ns大约的变化范围为：30～70kN。因此，在不考虑地锚本身强度满足与否的情况下，地锚的反力能力主要取决于破坏土体的重量和扰动土柱的模阻力二者中的较小值。
通过以上分析，可以演算得出：在适宜的地层条件下（粉土或粉质粘土），单根地锚可提供的极限反力的平均值应该在30kN左右，这与笔者多年来的实践是基本相符的。
另外还有一点应该引起注意，那就是在粗颗粒砂层中使用地锚时不仅旋入困难，且扰动后砂层变得松散，地锚反力取决于扰动土柱的摩阻力，反力能力大大降低，实践表明其单只地锚反力仅为20kN左右。因此在粗颗粒砂层中不适宜用地锚反力装置。
四、地锚反力装置适用性评估方法
前文中介绍已经说明了地锚是靠土体的自重以及扰动土柱的摩阻力提供反力的，在一定的场地上布置地锚时，地锚的间距一般不应小于1000mm，以避免让土体的破坏面发生过分重叠，造成反力降低，甚至造成地面隆起。可见地锚在提供反力的同时，对地基的破坏作用也是不能忽视的。通过原理分析我们估算的单根地锚对土体的破坏面积约为2.3m2，椐此可以可以推算一次70只锚的载荷试验，如果地锚均工作在极限状态时，其对地基的破坏作用竟达160m2，简直令人惊骇！所以我们在炫耀地锚反力装置的卓越能力时，千万不要忘记其隐含的骇人缺陷，站在科学的角度来看，并不是任何工程都可以采用这种廉价的反力装置，地锚反力装置能否被采用，也需要进行评估。
那么地锚反力装置的适用性究竟如何评价呢？
以往没有见到类似文献介绍，我们不妨引入一个破坏性指数λ来衡量地锚反力装置的适宜性，即λ=β（建筑对沉降的敏感性系数）×Δs（地锚的破坏面积）/S（地基的总面积）×100%，其中β取值原则为：沉降敏感时取1.1，不敏感时取0.9，一般取1。评估标准：如果λ＞30%，可认为极度不适宜必须采用其他反力形式，10%<λ≤30%，可容忍，但需做适用性（经济等）论证，λ≤10%适宜。
我们试用上述规则对一普通高层建筑地基进行反力适用性评估，该建筑基础投影面积1050m2，采用素混凝土桩复合地基，桩径0.4m，桩的置换率m=5%，复合地基承载力特征值320kPa，因此可确定的试验最大荷载Q=1608kN，按照单根地锚提供30kN计算，需要布置地锚54根，则一次试验地锚对地基的破坏面积约为125m2，按照3个试验点考虑，则地锚对地基的总破坏面积达375m2，该建筑对沉降的敏感程度系数β=1.1，计算得λ=40%，是极度不适宜的！同样是该例，如果把置换率提高到7%，则计算λ=28%，可容忍，需要做进一步适用性评估。显然置换率提高后，复合地基的大部分荷载主要由增强体承担，地锚对地基的破坏作用相对减弱，地锚的破坏作用变的能够容忍。可见采用此方法进行地锚反力装置的适宜性评估是可行的。
这种评估办法在一定程度上限制了对荷载大、沉降敏感的高层建筑采用这种对地基破坏较大的试验方法，而对于总加荷量较小（不超过500kN）的载荷试验则推荐使用地锚反力装置。
五、明白白看锚疵
以往我们大多停留在“吹锚”的的层次上，通过本文也许你对地锚的最致命弱点有了了解，我们把地锚的缺点总结如下：
1、对地基的破坏作用不容忽视
地锚的反力是靠地基的土体提供的，在试验加载过程中无法保证地基不被扰动和破坏，当地锚数量较大（例如超过30只），且加载量也较大（单只锚超过30kN，总加载量超过1000kN）时，对地基的破坏面积是相当惊人的，必须引起足够重视，否则一次无所谓的地锚法载荷试验甚至就是一次严重的工程隐患！
2、地锚的反力能力也是有限的
在不考虑地锚本身反力能力的情况下，地锚的反力主要取决于它旋入的地层状况，比较适宜下地锚的地层为粉土和粉质粘土，按此演算，单只地锚的平均反力能力大约为30kN，过高预估地锚的反力能力，将对地基造成更大的破坏。所以当你看到有人向你炫耀地锚能够提供更高的反力时，你一定要谨慎，考虑清楚试验对地基的破坏作用后才做选择，千万别犯大跃进式的错误！
3、地锚间距不能过小
地锚之间的距离不能过小，通常1m的锚间距已经发生了相邻锚的应力重叠，为避免地基被明显破坏，锚间距应大于1m。事实上，目前许多采用地锚反力装置的载荷试验，其地锚的间距多小于1m，原因是在锚数较多时为了适应有限长度的反力梁必须减小锚距，这就进一步加剧了地锚对地基的破坏作用，地锚反力也大大降低，许多大吨位载荷试验如果采用地锚反力装置，其数据的可信度也存在一定的质疑。
六、为地锚正言
到此也许你对地锚的优点和缺点有了大致的认识，那么我们如何看待地锚，如果有人在向你吹嘘地锚如何如何有威力时，你是否有了还算清醒的认识呢？我们不妨对地锚反力装置的使用提出如下建议：
1、地锚反力装置不适宜在沉降敏感的高层建筑地基上使用，地锚反力装置应用前应进行适宜性评估。
2、地锚反力装置比较适宜的地层为粉土和粉质粘土，不适宜在粗颗粒的砂层中使用。
3、地锚反力装置适合于加载量较小的小型载荷试验，地锚间距不宜小于1m，一般地锚数量不宜超过30只，总加载量不宜超过500kN。
4、地锚反力装置宜采用直拉式结构，这种反力装置结构简单，反力效率最高。
七、结语
在地锚反力装置成为载荷试验的一种另类时尚的同时，通过本文大家也许得到了冷静的思考，任何试验装置都不是万能的，都不能简单地通过现象回避本质，在地锚反力装置的应用如火如荼的时候，我们应该敲响事故的警钟，尽快完善管理制度和技术规程，让地锚反力装置在科学的指导下真正发挥其应有的作用。
本文不当之处，敬请批评指正。
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不爱红装爱基桩
Post By：2005-7-6 21:23:00 [只看该作者]
