珊瑚礁地質(zhì)條件下灌注樁豎向承載性能試驗(yàn)及施工工藝*

張永濤，劉建波，李 剛

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；3.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；4.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040)

0 引言

我國(guó)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(fù)雜，表現(xiàn)出多孔隙、易破碎、高壓縮等特性，導(dǎo)致打入樁承載力偏低、灌注樁易超方等問(wèn)題，給工程建設(shè)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。鉆孔灌注樁具有施工簡(jiǎn)便、技術(shù)成熟、適應(yīng)性強(qiáng)、承載能力好等優(yōu)點(diǎn)，在珊瑚礁地質(zhì)條件下的跨海大橋、大型海上平臺(tái)中，灌注樁基礎(chǔ)仍具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力及應(yīng)用前景。

由于珊瑚礁地質(zhì)條件相對(duì)較差，且分布區(qū)域遠(yuǎn)離大陸，相關(guān)工程實(shí)踐較少，主要案例為伊朗海上石油平臺(tái)(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(yīng)用需求相對(duì)偏少，且缺乏關(guān)鍵的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，目前研究主要依托室內(nèi)試驗(yàn)：Nauroy等[1]通過(guò)鋼管樁打入試驗(yàn)，解釋樁側(cè)壓力減小的特殊現(xiàn)象。Poulos等[2]認(rèn)為鈣質(zhì)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(rèn)為珊瑚礁的膠結(jié)程度對(duì)樁端阻力有直接影響，且承載力隨膠結(jié)程度提升而增加；王新志等[5-6]針對(duì)我國(guó)南海珊瑚礁地質(zhì)特性及施工可行性進(jìn)行初步研究?？傮w而言，上述學(xué)者對(duì)珊瑚礁條件下樁基受力特性的研究集中于定性層面，實(shí)際工程應(yīng)用研究偏少，研究成果尚不能對(duì)工程項(xiàng)目提供有效指導(dǎo)。

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(guò)現(xiàn)場(chǎng)試樁揭示珊瑚礁地質(zhì)條件下灌注樁的承載機(jī)理，并提出確保建造質(zhì)量的控制措施。

1 工程概況

中馬友誼大橋項(xiàng)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(jī)場(chǎng)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(zhǎng)2km，主橋?yàn)榱缃M合混合梁V形墩剛構(gòu)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(chǔ)，樁基直徑為3.6，3.2m，樁長(zhǎng)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(zhì)縱斷面如圖2所示，主要為全新世地層、更新世準(zhǔn)礁灰?guī)r、礁灰?guī)r地層。地質(zhì)勘察結(jié)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(jí)配不良。灌注樁承載力由鋼護(hù)筒側(cè)阻力、灌注段側(cè)阻力及端阻力組成，考慮到鋼護(hù)筒打入時(shí)礁體易破碎，導(dǎo)致樁側(cè)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(cè)阻力為主，樁端需進(jìn)入珊瑚砂層，按摩擦樁進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 現(xiàn)場(chǎng)試樁試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

開展現(xiàn)場(chǎng)試樁試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)測(cè)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(guò)后壓漿提升樁基承載力[7-8],本次試驗(yàn)還將對(duì)比壓漿前后數(shù)據(jù)，探討后壓漿技術(shù)在珊瑚礁地質(zhì)條件下的適用性。

選取主橋中直徑3.6m的灌注樁為試樁對(duì)象(見圖3a)，樁長(zhǎng)取90m(約為平均樁長(zhǎng))，灌注段長(zhǎng)44m，頂部設(shè)置46m的空心段(鋼護(hù)筒平均入土深度)，在不影響試驗(yàn)開展的前提下降低試驗(yàn)費(fèi)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(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)的自平衡法進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)埋置于樁身內(nèi)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(cè)試原理如圖3b所示。試樁中埋入上下2對(duì)荷載箱，沿高度方向預(yù)埋多組鋼筋應(yīng)變計(jì)(結(jié)合土層分布規(guī)律，盡量等間距布置)，用于測(cè)試各斷面軸力，將相鄰2個(gè)端面的軸力作差即該段側(cè)阻力，進(jìn)而得到各土層側(cè)阻力值。僅啟動(dòng)上荷載箱可向兩端加載，可測(cè)試兩側(cè)土層側(cè)阻力。同時(shí)啟動(dòng)上下2個(gè)荷載箱時(shí)，中部荷載可相互抵消，進(jìn)而測(cè)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(cè)阻力及下部端阻力。

圖2 橋址區(qū)工程地質(zhì)縱斷面

試樁主要流程如下：①施沉鋼護(hù)筒至指定標(biāo)高；②旋挖鉆孔至指定標(biāo)高并清孔；③制作鋼筋籠，預(yù)埋鋼筋應(yīng)變計(jì)及荷載箱；④灌注混凝土；⑤分級(jí)加載并測(cè)試；⑥樁側(cè)、樁底壓漿；⑦壓漿后進(jìn)行分級(jí)加載及測(cè)試；⑧拆除儀器設(shè)備，結(jié)束試驗(yàn)。

圖3 試樁測(cè)試方案及原理

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試樁采用分級(jí)加載，上荷載箱加載至2×100 000kN時(shí)，設(shè)備達(dá)到加載極限，荷載箱上下位移均無(wú)陡變，加載終止。下荷載箱加載至2×95 000kN時(shí)，上位移急劇增大，且荷載無(wú)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(wú)法維持。根據(jù)試樁結(jié)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(yàn)自平衡法》[10]，可按下式計(jì)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(jìn)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(quán)平均值。由于礁灰?guī)r屬性接近巖石，且沒(méi)有工程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，本文暫取γ=1.0。

測(cè)試完成后進(jìn)行壓漿，養(yǎng)護(hù)20d后再次進(jìn)行自平衡靜載試驗(yàn)，計(jì)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(duì)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(shì)基本一致，壓漿后的曲線位于右側(cè)，同等位移條件下的荷載值大于壓漿前，說(shuō)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(shuō)明前幾級(jí)荷載主要由側(cè)阻力承擔(dān)，隨著側(cè)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(guò)各斷面應(yīng)變計(jì)數(shù)據(jù)，可換算出各土層側(cè)阻力分布規(guī)律，側(cè)阻力值如表1所示，將豎向承載力減去各土層側(cè)阻力，即端阻力。注漿前的端阻力為60 102kN，對(duì)應(yīng)位移為28.84mm(破壞荷載前一級(jí))，注漿后端阻力為58 463kN，對(duì)應(yīng)位移為22.87mm(破壞荷載前一級(jí))，壓漿前后端阻力及軸壓剛度均無(wú)顯著提升，反而略有下降(見圖5,6)。壓漿前后，樁側(cè)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(shuō)明壓漿主要通過(guò)樁側(cè)阻力提升樁身承載力，樁基為摩擦樁，與設(shè)計(jì)預(yù)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(duì)比

如表1所示，壓漿前樁側(cè)阻力遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)值，因?yàn)殂@孔過(guò)程導(dǎo)致孔壁內(nèi)側(cè)表面粗糙，澆筑混凝土易超方，現(xiàn)場(chǎng)取芯時(shí)混凝土漿液能滲入珊瑚礁孔隙，說(shuō)明水泥漿液能與松散破碎顆粒膠結(jié)，充填礁灰?guī)r孔隙，進(jìn)而增強(qiáng)樁身與巖層間的界面阻力和粗糙度，使側(cè)阻力大幅提升。壓漿后，側(cè)阻力平均增幅為4.3%，相對(duì)位移平均降幅為29.9%，說(shuō)明高壓力漿液可繼續(xù)滲入剩余空隙，進(jìn)一步增加樁身與珊瑚礁灰?guī)r層間膠結(jié)程度 。

表1 壓漿前后樁側(cè)阻力對(duì)比

3 珊瑚礁地質(zhì)灌注樁施工工藝

3.1 總體工藝流程

除珊瑚礁地質(zhì)外，樁基建設(shè)還面臨深水、強(qiáng)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(tái)(通過(guò)預(yù)埋牛腿插入已施沉的鋼管樁內(nèi)部，采用連接件及填芯混凝土進(jìn)行連接，提升平臺(tái)安裝容差率及工效)，在打樁平臺(tái)上逐根施沉主墩鋼護(hù)筒，并與平臺(tái)臨時(shí)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(zhì)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(wú)泥皮護(hù)壁的清水鉆工藝，加之珊瑚礁多孔隙、易碎等特點(diǎn)，成樁過(guò)程中頻繁出現(xiàn)溜樁、穿越孔洞、塌孔等問(wèn)題，對(duì)樁基施工安全及質(zhì)量影響極大。

海床下存在約15m厚的混合覆蓋層，側(cè)阻力極低是導(dǎo)致鋼護(hù)筒溜樁的主要原因，提出如下控制措施：①結(jié)合地質(zhì)勘察資料加強(qiáng)預(yù)判，控制打樁能量；②研發(fā)熔斷式導(dǎo)向滾輪，鋼護(hù)筒位移超限后可自動(dòng)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(hào)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(shí)降低鉆進(jìn)速度，提前補(bǔ)充孔內(nèi)水位，防止水位急劇下降導(dǎo)致塌孔；②鉆進(jìn)至孔底以下1m時(shí)，回填低強(qiáng)度等級(jí)混凝土，初凝后繼續(xù)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)標(biāo)高；③在孔洞標(biāo)高范圍內(nèi)，沿鋼筋籠外側(cè)布置柔性護(hù)套。清水鉆孔時(shí)，壁穩(wěn)定性相對(duì)較差，加之珊瑚礁孔洞多、易吸水，孔內(nèi)水位降低后極易出現(xiàn)塌孔問(wèn)題，提出如下控制措施：①實(shí)時(shí)監(jiān)控孔內(nèi)水位，及時(shí)補(bǔ)水使孔內(nèi)水頭高于外部1～2m；②塌孔處填充黏性土或低強(qiáng)度等級(jí)混凝土，初凝后繼續(xù)鉆進(jìn)；③根據(jù)鉆進(jìn)情況，及時(shí)調(diào)整鉆孔參數(shù)并增加掃孔次數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

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

1)混凝土漿液能滲入珊瑚礁孔隙，增強(qiáng)樁身與珊瑚礁體的膠結(jié)程度，進(jìn)而大幅提升樁側(cè)阻力，側(cè)阻力約占豎向承載力的80%，符合摩擦樁設(shè)計(jì)預(yù)期。

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

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