張永濤，劉建波，李 剛

(1.同濟大學土木工程學院，上海 200092；2.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；3.長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；4.交通運輸行業(yè)交通基礎設施智能制造技術研發(fā)中心，湖北 武漢 430040)

0 引言

我國南海及海上絲綢之路沿線分布大量珊瑚礁，珊瑚礁的沉積演化及成巖作用復雜，表現(xiàn)出多孔隙、易破碎、高壓縮等特性，導致打入樁承載力偏低、灌注樁易超方等問題，給工程建設帶來巨大挑戰(zhàn)。鉆孔灌注樁具有施工簡便、技術成熟、適應性強、承載能力好等優(yōu)點，在珊瑚礁地質條件下的跨海大橋、大型海上平臺中，灌注樁基礎仍具有較強的競爭力及應用前景。

由于珊瑚礁地質條件相對較差，且分布區(qū)域遠離大陸，相關工程實踐較少，主要案例為伊朗海上石油平臺(1968年)、蘇丹港瞭望塔工程(2008年)和密克羅尼西亞科斯雷州大橋(2014年)。由于工程應用需求相對偏少，且缺乏關鍵的實測數(shù)據(jù)，目前研究主要依托室內試驗：Nauroy等[1]通過鋼管樁打入試驗，解釋樁側壓力減小的特殊現(xiàn)象。Poulos等[2]認為鈣質砂的高壓縮性是影響樁端阻力發(fā)揮的根本原因。單華剛等[3-4]認為珊瑚礁的膠結程度對樁端阻力有直接影響，且承載力隨膠結程度提升而增加；王新志等[5-6]針對我國南海珊瑚礁地質特性及施工可行性進行初步研究?？傮w而言，上述學者對珊瑚礁條件下樁基受力特性的研究集中于定性層面，實際工程應用研究偏少，研究成果尚不能對工程項目提供有效指導。

本文介紹全球首座珊瑚礁條件下的跨海大橋——援馬爾代夫中馬友誼大橋，通過現(xiàn)場試樁揭示珊瑚礁地質條件下灌注樁的承載機理，并提出確保建造質量的控制措施。

1 工程概況

中馬友誼大橋項目位于馬爾代夫北馬累環(huán)礁(North Malé Atoll)，跨越Gaadhoo Koa海峽，連接環(huán)礁上馬累島、機場島(瑚湖爾島)和胡魯馬累島相鄰島嶼，是馬爾代夫最重要的島嶼連接線工程。路線全長2km，主橋為六跨組合混合梁V形墩剛構橋，橋梁跨徑布置為100m+2×180m+140m+100m+60m，總體布置如圖1所示。

圖1 橋位總體布置

主橋采用大直徑鉆孔灌注樁基礎，樁基直徑為3.6，3.2m，樁長75～110m，共35根。橋址處海峽地形呈U形分布，主墩處水深35～46m，地質縱斷面如圖2所示，主要為全新世地層、更新世準礁灰?guī)r、礁灰?guī)r地層。地質勘察結果表明，從上到下軟硬層交替分布，部分墩位孔洞發(fā)育，上層角礫混礫塊以生物碎屑為主，顆粒不均勻、級配不良。灌注樁承載力由鋼護筒側阻力、灌注段側阻力及端阻力組成，考慮到鋼護筒打入時礁體易破碎，導致樁側承載力較低，樁端礁灰?guī)r脆性較大，故承載力以灌注樁段側阻力為主，樁端需進入珊瑚砂層，按摩擦樁進行設計。

2 現(xiàn)場試樁試驗

2.1 試驗設計

開展現(xiàn)場試樁試驗，通過實測數(shù)據(jù)確定灌注樁承載力大小及組成規(guī)律。由于珊瑚礁灰?guī)r多孔隙、易碎，可借鑒陸地軟弱地層中改善承載力的措施，通過后壓漿提升樁基承載力[7-8],本次試驗還將對比壓漿前后數(shù)據(jù)，探討后壓漿技術在珊瑚礁地質條件下的適用性。

選取主橋中直徑3.6m的灌注樁為試樁對象(見圖3a)，樁長取90m(約為平均樁長)，灌注段長44m，頂部設置46m的空心段(鋼護筒平均入土深度)，在不影響試驗開展的前提下降低試驗費用。考慮到大直徑灌注樁承載力大，常規(guī)錨樁法加載難度巨大，故采用簡便經(jīng)濟的自平衡法進行測試，通過埋置于樁身內部的荷載箱將荷載傳遞到樁身，上部樁身摩擦力與下部樁身摩擦力及端阻力自相平衡維持加載[9]，測試原理如圖3b所示。試樁中埋入上下2對荷載箱，沿高度方向預埋多組鋼筋應變計(結合土層分布規(guī)律，盡量等間距布置)，用于測試各斷面軸力，將相鄰2個端面的軸力作差即該段側阻力，進而得到各土層側阻力值。僅啟動上荷載箱可向兩端加載，可測試兩側土層側阻力。同時啟動上下2個荷載箱時，中部荷載可相互抵消，進而測試樁端阻力值。故將上荷載箱置于灌注段中部附近，下荷載箱靠近樁底，將樁身劃分為上中下3段，可分別求出3段的側阻力及下部端阻力。

圖2 橋址區(qū)工程地質縱斷面

試樁主要流程如下：①施沉鋼護筒至指定標高；②旋挖鉆孔至指定標高并清孔；③制作鋼筋籠，預埋鋼筋應變計及荷載箱；④灌注混凝土；⑤分級加載并測試；⑥樁側、樁底壓漿；⑦壓漿后進行分級加載及測試；⑧拆除儀器設備，結束試驗。

圖3 試樁測試方案及原理

2.2 試驗結果

試樁采用分級加載，上荷載箱加載至2×100 000kN時，設備達到加載極限，荷載箱上下位移均無陡變，加載終止。下荷載箱加載至2×95 000kN時，上位移急劇增大，且荷載無法維持，封住上荷載箱油管，繼續(xù)加載至2×100 000kN，下段樁位移急劇增大，且荷載無法維持。根據(jù)試樁結果，上段樁極限加載值取100 000kN，中段樁極限加載值取90 000kN，下段樁極限加載值取95 000kN。

根據(jù)JT/T 738—2009《基樁靜載試驗自平衡法》[10]，可按下式計算試樁極限承載力。樁基各段承載力取上述數(shù)值，上、下荷載箱上部自重Wsi分別為2 104，3 608kN，可求得壓漿前豎向承載力為279 288kN，樁頂位移為71.59mm。

(1)

式中：Pui為試樁i的單樁極限承載力(kN)；Qusi為試樁i上段樁的加載極限值(kN)；Quzi為試樁i中段樁的加載極限值(kN)；Quxi為試樁i下段樁的加載極限值(kN)；Wsi為試樁i荷載箱上部樁自重(kN)；γi為試樁i的抗托系數(shù)，根據(jù)荷載箱上部土類型進行確定，黏性土、粉土γi為0.8，砂土γi為0.7，巖石γi為1，若上部有不同類型土層，γi取加權平均值。由于礁灰?guī)r屬性接近巖石，且沒有工程經(jīng)驗參數(shù)，本文暫取γ=1.0。

測試完成后進行壓漿，養(yǎng)護20d后再次進行自平衡靜載試驗，計算出壓漿后的豎向承載力為289 368kN，樁頂最大位移為66.81mm。壓漿前后的Q-S(荷載-位移)曲線對比如圖4所示，壓漿后承載力提升10 080kN(3.6%)，樁頂位移減小4.78mm(6.7%)。2條曲線走勢基本一致，壓漿后的曲線位于右側，同等位移條件下的荷載值大于壓漿前，說明后壓漿可有效提高珊瑚礁灰?guī)r地層樁基承載力，并減小沉降量。曲線前段近似線性，末端出現(xiàn)陡降段，說明前幾級荷載主要由側阻力承擔，隨著側阻力接近極限，端阻力開始逐步發(fā)揮作用。

圖4 壓漿前后樁頂Q-S曲線

通過各斷面應變計數(shù)據(jù)，可換算出各土層側阻力分布規(guī)律，側阻力值如表1所示，將豎向承載力減去各土層側阻力，即端阻力。注漿前的端阻力為60 102kN，對應位移為28.84mm(破壞荷載前一級)，注漿后端阻力為58 463kN，對應位移為22.87mm(破壞荷載前一級)，壓漿前后端阻力及軸壓剛度均無顯著提升，反而略有下降(見圖5,6)。壓漿前后，樁側阻力占承載力的比例由78.5%提升至79.8%，樁端阻力占比由21.5%降低至20.2%，說明壓漿主要通過樁側阻力提升樁身承載力，樁基為摩擦樁，與設計預期吻合。

圖5 軸力隨深度變化曲線(上段)

圖6 壓漿前后樁端Q-S曲線對比

如表1所示，壓漿前樁側阻力遠大于標準值，因為鉆孔過程導致孔壁內側表面粗糙，澆筑混凝土易超方，現(xiàn)場取芯時混凝土漿液能滲入珊瑚礁孔隙，說明水泥漿液能與松散破碎顆粒膠結，充填礁灰?guī)r孔隙，進而增強樁身與巖層間的界面阻力和粗糙度，使側阻力大幅提升。壓漿后，側阻力平均增幅為4.3%，相對位移平均降幅為29.9%，說明高壓力漿液可繼續(xù)滲入剩余空隙，進一步增加樁身與珊瑚礁灰?guī)r層間膠結程度 。

表1 壓漿前后樁側阻力對比

3 珊瑚礁地質灌注樁施工工藝

3.1 總體工藝流程

除珊瑚礁地質外，樁基建設還面臨深水、強涌浪等不利條件，打樁船受波浪影響大且有效作業(yè)窗口短。為提升主墩樁基的精度及工效，避免已施沉鋼管樁在洋流作用下出現(xiàn)移位，采用打樁船施沉鋼管樁，然后施工裝配式打樁平臺(通過預埋牛腿插入已施沉的鋼管樁內部，采用連接件及填芯混凝土進行連接，提升平臺安裝容差率及工效)，在打樁平臺上逐根施沉主墩鋼護筒，并與平臺臨時連接，采用旋挖鉆及回旋鉆交替成孔，最后下放鋼筋籠并澆筑混凝土，總工藝流程如圖7所示。

圖7 主墩灌注樁施工流程

3.2 質量控制措施

馬爾代夫作為全球旅游勝地，橋位處的環(huán)保要求極高，需采用無泥皮護壁的清水鉆工藝，加之珊瑚礁多孔隙、易碎等特點，成樁過程中頻繁出現(xiàn)溜樁、穿越孔洞、塌孔等問題，對樁基施工安全及質量影響極大。

海床下存在約15m厚的混合覆蓋層，側阻力極低是導致鋼護筒溜樁的主要原因，提出如下控制措施：①結合地質勘察資料加強預判，控制打樁能量；②研發(fā)熔斷式導向滾輪，鋼護筒位移超限后可自動斷開，防止架體損傷；③收緊吊錘鋼絲繩，防止損傷打樁錘。主橋23號墩位存在連通狀的大型孔洞，提出如下控制措施：①臨近孔頂時降低鉆進速度，提前補充孔內水位，防止水位急劇下降導致塌孔；②鉆進至孔底以下1m時，回填低強度等級混凝土，初凝后繼續(xù)鉆進至設計標高；③在孔洞標高范圍內，沿鋼筋籠外側布置柔性護套。清水鉆孔時，壁穩(wěn)定性相對較差，加之珊瑚礁孔洞多、易吸水，孔內水位降低后極易出現(xiàn)塌孔問題，提出如下控制措施：①實時監(jiān)控孔內水位，及時補水使孔內水頭高于外部1～2m；②塌孔處填充黏性土或低強度等級混凝土，初凝后繼續(xù)鉆進；③根據(jù)鉆進情況，及時調整鉆孔參數(shù)并增加掃孔次數(shù)。

4 結語

在援馬爾代夫中馬友誼大橋項目中，通過現(xiàn)場試樁及工藝創(chuàng)新，明確珊瑚礁地質條件下灌注樁的豎向承載特性，并解決系列建造難題。結論如下。

1)混凝土漿液能滲入珊瑚礁孔隙，增強樁身與珊瑚礁體的膠結程度，進而大幅提升樁側阻力，側阻力約占豎向承載力的80%，符合摩擦樁設計預期。

2)采用后壓漿工藝，樁側總阻力占承載力的比例由78.5%提升至79.8%，各地層側阻力平均增幅為4.3%，相對位移平均降幅為29.9%，說明高壓漿液能進一步增加樁體與珊瑚礁的膠結程度。

3)在優(yōu)化工藝以確保沉樁精度的基礎上，針對珊瑚礁地層下鋼管樁溜樁、穿越孔洞、鉆進塌孔等難題，研發(fā)熔斷式導向輪、柔性護套等新型裝置，并提出系列質量控制措施，以保障珊瑚礁地質條件下大直徑灌注樁的施工質量。