在珊瑚礁和岛屿环境中建造跨海桥梁的施工技术

《Frontiers in Earth Science》：Construction techniques for cross-sea bridges in coral reef and island environments

珊瑚礁地质条件下跨海桥梁桩基工程特性及施工技术研究。通过中国-马尔代夫友谊桥工程中的现场测试与模型试验，揭示了珊瑚砂与礁灰岩的力学特性：提出基于动态穿透试验（DPT）的珊瑚砂密实度分类方法，修正钢桩侧摩阻力计算公式，并确定c2系数范围0.05-0.11。研发液压自动开闭夹导向系统及定制钻头，实现桩基定位误差<25cm、倾斜度<0.5%。

　　珊瑚岛和珊瑚礁作为开放海洋中唯一的陆地基础，其独特的工程特性对跨海桥梁的建设提出了重大挑战。本研究以中国-马尔代夫友谊大桥为案例，探讨了在珊瑚岛和珊瑚礁地层中桩基础的承载机制和施工技术。通过对珊瑚礁碎屑和珊瑚礁石灰岩的现场和实验室测试，研究团队提出了一种利用动态贯入试验（DPT）击数评估珊瑚礁碎屑密实度的方法。此外，采用了不同的分类方法对珊瑚礁碎屑和珊瑚礁石灰岩地层进行工程分类与评估。通过在珊瑚礁碎屑-桩体界面进行剪切试验，以及对打入式钢桩进行模型试验，明确了在珊瑚礁碎屑地层中桩侧摩阻力较低的机制，并提供了修正后的侧摩阻力计算公式。对珊瑚礁石灰岩-混凝土界面进行剪切试验，结合现场桩体测试，得出了推荐的珊瑚礁石灰岩地层中现浇桩侧摩阻力的发挥系数（c?）。此外，还开发了用于打入式桩的液压自动开合夹具、大型悬臂导向框架系统与保险装置，以及专门的现浇桩钻头，以确保桩体施工质量。

在海洋资源丰富的情况下，海洋开发成为沿海国家的重要战略。21世纪被称为“海洋世纪”，跨海桥梁为沿海城市、大陆与偏远岛屿之间的连接提供了关键作用。其建设对海洋资源开发具有重要意义。珊瑚礁岛是开放海洋中唯一的陆地基础，其物理和力学特性与常规地质条件有显著差异。同时，开放海洋环境的复杂性和暴露性对跨海桥梁的建设构成了重大挑战。因此，对珊瑚礁地层中桩基础的承载机制和施工技术的研究显得尤为重要。

本研究聚焦于珊瑚礁地层中桩基础的承载机制，通过实验室测试、模型测试和机制分析，探讨了打入式钢桩在珊瑚沙地层中的侧摩阻力承载机制，以及现浇桩在珊瑚礁石灰岩地层中的竖向承载机制。研究还提出了针对珊瑚沙和珊瑚礁石灰岩地层的改进设备，以实现安全高效的桩基础施工。这一研究为在珊瑚礁地质条件下建设跨海桥梁提供了理论和实践基础，具有重要的科学价值和实际意义。

在跨海桥梁建设中，桩基础通常包括打入式钢桩和现浇混凝土桩。本研究重点分析了打入式钢桩在珊瑚沙地层中的竖向承载能力以及现浇桩在珊瑚礁石灰岩地层中的承载机制。在珊瑚沙地层中，由于其物理和力学特性与传统石英沙不同，导致打入式钢桩的承载效率较低。因此，研究团队通过直接剪切试验和模型试验，分析了打入式桩在珊瑚沙地层中的侧摩阻力承载机制，并对珊瑚沙地层中打入式钢桩的侧摩阻力计算方法进行了修正。此外，研究还探讨了现浇桩在珊瑚礁石灰岩地层中的承载机制，以及珊瑚礁石灰岩的孔隙特性对桩基础的影响。

研究中提到，珊瑚沙地层中打入式钢桩的侧摩阻力与传统石英沙地层存在显著差异，主要是由于珊瑚沙的内部摩擦角和凝聚力较高，导致在变形过程中产生拱效应，从而限制了侧摩阻力的发展。通过模型测试，研究团队发现，珊瑚沙地层中打入式钢桩的侧摩阻力在不同有效竖向应力条件下呈现非线性变化，其最大值约为17.5 kPa，仅为石英沙地层中侧摩阻力的约21.4%。这一发现对跨海桥梁的桩基础设计具有重要的指导意义。此外，研究还提出了针对珊瑚沙地层的侧摩阻力计算公式，为实际工程提供了参考。

在珊瑚礁石灰岩地层中，现浇桩的承载能力主要取决于桩-岩界面的力学特性以及岩体强度。目前，关于珊瑚礁石灰岩的力学响应研究仍处于初级阶段，缺乏对其微尺度水泥化强度和力学特性的系统研究。此外，尚未有适用于珊瑚礁石灰岩的本构模型。桩-珊瑚礁石灰岩界面的不明确破坏机制以及对界面形态等影响因素的考虑不足，阻碍了对现浇桩承载机制的深入理解。同时，缺乏针对现浇桩在珊瑚礁石灰岩地层中承载能力的计算方法。因此，本研究通过现场测试和实验室剪切试验，探讨了现浇桩在珊瑚礁石灰岩地层中的侧摩阻力发挥系数（c?）。

研究中提到，珊瑚礁石灰岩的c?值通常为0.05至0.11，这比陆地石灰岩的c?值高2到3倍。这表明在设计阶段，现浇桩在珊瑚礁石灰岩地层中的c?值可以适当提高，以反映岩体的完整性与力学特性。此外，研究团队通过现场测试确定了现浇桩在珊瑚礁石灰岩地层中的极限侧摩阻力，并提出了相应的推荐范围。这些研究成果为珊瑚礁地层中现浇桩的承载能力计算提供了依据。

在珊瑚沙地层中，打入式钢桩的施工面临多种挑战。例如，由于珊瑚沙的孔隙度较高，桩体在打入过程中容易发生滑移和侧摩阻力降低。因此，研究团队开发了适用于珊瑚沙地层的新型施工设备，包括液压自动开合夹具和大型悬臂导向框架系统，以提高桩体施工的精度和安全性。这些设备的应用确保了在海浪和洋流条件下桩体安装的精度达到25厘米以内的平面位移和0.5%以内的倾斜度。此外，针对珊瑚礁石灰岩地层的现浇桩施工，研究团队提出了控制钻孔直径的方法，如用于圆形切割的扩展钻杆和用于软硬互层地层的齿形钻头，以防止钻孔壁塌陷并减少孔隙扩张。这些改进措施显著提升了桩基础施工的质量和效率。

本研究的应用不仅限于理论层面，还成功应用于中国-马尔代夫友谊大桥的桩基础设计和施工。该桥位于马尔代夫的北马累环礁，横跨加都胡海峡，连接马累岛、机场岛和胡鲁马累岛。总路线长度为2.0公里，其中桥梁段长度为1.39公里。主桥为六跨混合梁刚架桥，长度为760米。主桥第19至23号桥墩采用变截面钢桩复合桩基础。钢桩外径范围为3.2米至3.6米，最大现浇桩长度为110米。由于马尔代夫岛屿被强洋流、高浪和长周期的开放海域包围，其建设面临巨大挑战。

通过应用本研究提出的工程技术和设备，项目团队成功提高了施工效率并确保了项目的顺利实施。研究中提出的珊瑚礁地层分类体系，不仅有助于理解珊瑚礁土壤和岩石的工程特性，还为后续的工程实践提供了参考。同时，研究团队提出的侧摩阻力计算方法和现浇桩的施工技术，为珊瑚礁地层中的桩基础建设提供了重要的理论依据和实际指导。这些成果不仅丰富了珊瑚礁地层的工程知识，也为未来的跨海桥梁建设提供了宝贵的经验。