1.武汉中学2015级高三（2）班 湖北武汉 430061
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摘要：针对珊瑚岛礁开发面临的钙质砂与礁灰岩二元体地基承载力小、变形大等问题，提出了一种适用于潟湖相岛礁环境下的组合基础，本组合基础满足岛礁开发结构承载及位移要求，具有刚度大、承载力高以及施工快、好、省等特点，能适应孤岛海域施工条件，让在珊瑚潟湖地基上修筑机场等高架式造陆工程成为可能。
关键词：珊瑚潟湖；钙质砂；礁灰岩；组合基础
珊瑚岛礁开发的关键问题是造陆，以高架平台结构形式在潟湖相岛礁内大规模高效造陆，主体结构采用模块化工厂预制及现场拼装，具有工期快、技术成熟，并且环境影响较小，利于快速修复使用等优点，基础结构的设计与施工是岛礁高桩平台结构体系的关键。珊瑚潟湖地质系由海洋生物成因的钙质砂及礁灰岩二元地质体组成，其物理力学特性与陆源岩土介质相差甚远，尤其是钙质砂颗粒破碎性与经典土力学假设条件相悖，传统的工程经验已难以适用。王丽等[1]提出了一种加固钙质砂地基的桶基础，江浩[2]、秦月[3]等分析了钙质砂地基中桩基承载特性，还有学者探索了组合基础，王磊[4]、张勋[5]等研究了加桩沉箱组合基础水平承载性能，钟锐等[6～7]研究了加桩沉箱组合基础地震响应特性。上述基础结构研究均为有益地探索，但基于经典力学原理的基础结构难以直接用于珊瑚潟湖地基，因此，本文提出了一种组合基础结构，并分析其承载性能。
1常规基础结构适用性分析
1.1珊瑚潟湖地质特性
珊瑚岛礁生成取决于造礁石珊瑚群落，由于造礁石珊瑚生活环境严苛，造就了珊瑚岛礁地质共性，如图1所示。钙质砂由珊瑚等海洋生物骨架及碎屑近源搬运沉积生成，具有分选性差、棱角度高、形状不规则、孔隙率高等物理特性，质地脆与常应力水平下破碎力学特性，导致其高压缩性与界面正应力松弛现象，不能提供有效结构位移约束与侧阻力，其承载力低并与施工工艺密切相关，且各部分发挥程度不一；而礁灰岩属典型的工程软岩，其承载能力较差、变形大，并伴有沉积间断与溶蚀构造，给珊瑚礁基础结构设计与施工带来极大的挑战。但钙质砂具有击实性[8]与胶结性，还有约为10kP粘聚力和37°～45°内摩察角，这给珊瑚潟湖地基开发提供了有利条件。
图1 珊瑚潟湖地层剖面示意图
1.2一般基础结构适用性分析
针对珊瑚潟湖环境，高架平台基础结构自由长度最大可达80m，深入礁灰岩层的桩基其承载力几乎全来源于礁灰岩，而礁灰岩质软、埋深大，导致桩身线刚度不足，故难以限制桩顶水平位移，因此桩基在珊瑚潟湖地基中难以满足承载与位移要求。加之钻孔灌注桩成孔困难，成桩质量不能保障；挤土桩沉桩施工破坏了地层结构，承载能力不能保证；搅拌桩与旋喷桩其承载力低，不能提供足够的承载力，因而桩基在珊瑚潟湖地基中不能单独使用。珊瑚潟湖地层不能提供管柱基础端部固支约束，而柱塞现场浇筑施工质量也得不到保证，故管柱基础不能运用于珊瑚潟湖地基。珊瑚潟湖地层提供的水平抗力有限，因而水平限位能力差，加之上部结构自由长度较大，荷载产生的倾覆力矩大，须加大沉井基础与沉箱基础结构体量方能满足承载要求，而加大体量，降低了地基有效承载量，且工程量、工期、施工难度与风险均大幅增加，经济性差，所以沉井基础与沉箱基础在珊瑚潟湖地基中不宜单独使用。考虑岛礁开发基础设施建设主要为机场、码头，尤其机场运营载荷大，因此，珊瑚潟湖地基制约基础结构设计与施工。所以，常规基础结构不适用于珊瑚潟湖地基。
2组合基础结构设计
针对珊瑚岛礁复杂严苛的建设条件，常规单一的基础结构不能满足承载要求，将桩基础与其它基础组合，以协同承载或改善承载性能的方式构筑珊瑚潟湖地基基础是一种有效手段。
2.1结构设计
根据§0分析，提出了一种适用于珊瑚潟湖地基的组合基础结构，如图2所示，本基础结构置于经高压旋喷桩加固的珊瑚潟湖地基上，由预制钻孔沉管桩、预制沉箱及预制承台组成。预制沉箱坐落在高压旋喷稳定桩之上，并在侧限约束高压旋喷桩构成帷幕之内，预制钻孔沉管桩穿过预制沉箱预留井孔并伸入礁灰岩一定深度，钻孔沉管桩顶刚性嵌入预制承台且与预制沉箱刚接成整体，协同承载。预制钻孔沉管桩以远离结构平面形心为原则布桩，其桩径根据风力、波浪力等水平荷载确定，若水深过大宜设置多道刚系梁，以增强结构刚度。其中，预制沉箱与预制钻孔沉管桩均为中空结构，尤其是预制沉箱设有占体积比50～70%隔舱空间，减少了基础结构恒载，并配有溢浆孔呈梅花型布置的注浆系统，能处理礁灰岩溶蚀构造，还增强了组合基础结构界面连接强度，提高了组合基础结构活载承载力。
2.2承载模式分析
组合基础承载的核心是充分利用礁灰岩与钙质砂二元地质体的有限承载力，而加固钙质砂是前提。基于钙质砂颗粒破碎性、击实性等特性，采用高压旋喷方法可有效改善其承载性能。从喷嘴喷出高达20～30MPa抗硫化水泥浆可轻易切碎钙质砂颗粒，减小其颗粒粒径，降低其孔隙率，冲击搅拌击实其颗粒间空隙，水泥浆充填空隙与胶结其颗粒，有效改善其界面正应力松弛现象，从而加固钙质砂地基，大幅提高其体积模量与承载力，且能较好地限制组合基础结构水平位移，并使其承载性能符合经典土力学原理，为结构设计提供便利条件。
图3 组合基础力学模型示意图
高压旋喷加固大幅提高了钙质砂变形模量，钙质砂层能提供较大的地基反力，从而约束组合基础结构位移，给组合基础结构以弱固支约束；预制沉箱增加组合基础结构刚度与加强了组合基础结构自由段约束，使其结构荷载响应与管柱基础相似，因而降低了组合基础结构的计算长度，进而将组合基础结构位移限定在运营允许范围内；由于预制沉箱的设置，形成了双承台基础结构受力模式，下承台（预制沉箱）的设置有益于上承台的受力[9]。高压旋喷加固消除钙质砂界面正应力松弛现象，提高其承载能力，考虑预制沉箱增加组合基础结构荷载有效传递面积，降低了组合基础结构界面应力，使钙质砂地基免遭破坏，从而提高了组合基础结构承载力，而水平承载力更为显著。针对上部结构传递的大载荷，水平荷载主要由预制沉箱传给经高压旋喷桩加固钙质砂地基，竖向荷载大部分则有预制钻孔沉管桩传递给深部的礁灰岩地基中，形成竖向多层次多元承载，其受力模式详见图3。
3组合基础结构特点
采用本组合基础结构及辅助措施可有效发挥珊瑚潟湖地基承载力，分散布置的预制钻孔沉管桩有效降低风、浪动力作用与控制基础结构沉降量；预制沉箱结构与预制钻孔沉管桩竖向协同承载，可减少预制钻孔沉管桩竖数量与缩小预制沉箱结构体量，较传统基础工程量省；该组合基础结构除高压旋喷桩为现场施工外，其余结构均为工厂预制浮运拼装，施工高效且可有效保证工程质量。该组合基础具有刚度大、承载力高以及施工快、好、省等特点，能适应孤岛海域施工条件。
4施工方法
根据珊瑚岛礁海域施工条件，提出了适宜组合基础的施工方案，包括如下几个步骤：
（1）于预制沉箱下沉处刃脚平面范围内施工高压旋喷稳定桩，严格控制高压旋喷稳定桩位置，误差≯150mm，中心距≯2.5倍有效桩径。
（2）将预制沉箱浮运至预设位置，吸砂下沉至设计标高。
（3）围绕预制沉箱施工侧限约束高压旋喷桩形成帷幕，且侧限约束高压旋喷桩底伸至中风化礁灰岩顶层处。
（4）在预制沉箱预留井孔处下沉预制钻孔沉管桩。
（5）将预制沉箱与预制钻孔沉管桩固结。
（6）分别于预制沉箱侧壁与预制钻孔沉管桩进行注浆加固其周围岩土体。
（7）最后在预制钻孔沉管桩顶拼装预制承台。
5结论
（1）本组合基础满足岛礁开发承载需求，其承载性能受珊瑚潟湖地基控制。钙质砂作为约束基础结构水平位移的主要地层其加固是必须的。高压旋喷桩不仅有效地加固珊瑚潟湖地层，改变钙质砂力学特性，改善组合基础结构受力状态，还形成了复合地基，大幅提高了珊瑚潟湖地基承载力，同时能有效控制预制沉箱偏斜与超沉，降低了施工风险。
（2）高压旋喷桩加固范围为预制沉箱外0.5～1.0倍预制沉箱宽度区域；且组合基础注浆系统在预制沉箱构件底面上、下0.5倍预制沉箱宽度范围不设溢浆孔，以降低负摩阻力的不利影响。
（3）预制沉箱结构增大了组合基础结构整体刚度，有效降低组合基础结构顶的水平位移，提高了组合基础的水平承载力。
（4）本组合基础满足岛礁开发结构承载及位移要求，具有刚度大、承载力高以及施工快、好、省等特点，能适应孤岛海域施工条件。
参考文献：
[1] 王丽，鲁晓兵，时忠民.钙质砂地基中桶形基础水平动载响应实验研究[J].工程力学，2010，27（02）：193-203.
[2] 江浩，汪稔，吕颖慧，等.钙质砂中群桩模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29（S1）：3023 -3028.
[3] 秦月，孟庆山，汪稔，等.钙质砂地基单桩承载特性模型试验研究[J].岩土力学，2015，36（06）
[4] 王磊，过超，穆保岗，等.带桩沉箱复合基础水平向承载性状模型试验研究[J].岩土力学，2015，36（11）
论文作者:毛炯程1,毛伟琦2
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第23期
论文发表时间:2018/2/26
标签：沉箱论文; 组合论文; 基础论文; 结构论文; 钙质论文; 地基论文; 珊瑚论文; 《建筑科技》2017年第23期论文;