馬爾代夫珊瑚礁巖土工程特性研究

肖向陽 張 榮 彭登峰

(中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430056)

新生代時期，造礁石珊瑚繁生，附著在硬質(zhì)淺海海底，逐漸發(fā)育成珊瑚礁，經(jīng)過長期的生物化學及物理化學作用后形成礁灰?guī)r，其沉積年代新，大多屬于現(xiàn)代海相生物成因的碳酸鹽巖。實際上，生物成因的珊瑚礁巖體保留了原生生物骨架中的孔隙，具有高孔隙率、疏松易破碎、高壓縮、強度差別大等特征[1-3],其與常規(guī)巖土體之間具有較大差別，是一種具有特殊工程性質(zhì)的巖土體[4，5]。以馬爾代夫某橋梁工程為例，從工程應用的角度對珊瑚礁的物理力學性質(zhì)進行試驗和相關(guān)評價，以探討珊瑚礁灰?guī)r的工程性質(zhì)，為進一步的研究和工程建設(shè)提供參考。

1 珊瑚礁巖土的組成及地層特征

珊瑚礁體表層以全新世礁砂礫層為主，往下為固結(jié)的礁灰?guī)r。松散砂礫層主要為鈣質(zhì)砂，由造礁珊瑚及其他海洋鈣質(zhì)生物碎屑組成，其礦物成份主要為文石、方解石和白云石，化學成分主要為碳酸鈣。珊瑚礁碳酸鈣巖土組分的粒徑變化較大，多呈白色至淡黃色[6-8]。多孔隙的生物結(jié)構(gòu)以及遠低于陸源石英砂的硬度，都使碳酸鹽質(zhì)的碎屑顆粒更容易破碎[9]。

勘探揭示，研究場區(qū)100 m范圍內(nèi)，表層分布有一層厚度較薄的礁灰?guī)r硬殼；其下為珊瑚礫砂混礫塊層，一般呈粗礫砂狀-角礫狀，結(jié)構(gòu)疏松，標貫擊數(shù)較??；往下的地層強度較大，巖芯多呈塊狀和圓柱狀，根據(jù)其動力觸探擊數(shù)和巖芯完整程度，可依次定名為弱膠結(jié)珊瑚礁灰?guī)r、中等膠結(jié)珊瑚礁灰?guī)r、強膠結(jié)珊瑚礁灰?guī)r。再往下的地層，又是較早期的一個旋回，交替分布著珊瑚砂礫(角礫)層及珊瑚礁灰?guī)r膠結(jié)層。即地層呈現(xiàn)出較有規(guī)律的多個旋回堆積，膠結(jié)礁灰?guī)r中可見大小不均的溶洞，地層分布見表1。

表1 場地地層特征

2 礁灰?guī)r孔隙及空洞

珊瑚礁灰?guī)r成巖作用復雜，因其成巖作用弱、膠結(jié)物質(zhì)特殊及主要成分為生物骨架三因素疊加，導致礁灰?guī)r具有較高的孔隙率。從取出巖芯可以看到，孔壁上有較多孔隙和坑洞(見圖1)，后經(jīng)浪蝕作用易形成溝槽、空洞等。珊瑚礁灰?guī)r在成巖過程中易受生物侵蝕、化學溶解、物理侵蝕的綜合影響，進一步形成規(guī)模大小不均的礁灰?guī)r空洞?？斩匆?guī)模大小不一，洞徑從數(shù)厘米至數(shù)米均有分布。

研究場區(qū)內(nèi)，通過鉆探手段，發(fā)現(xiàn)在某主橋墩范圍內(nèi)，其垂直方向發(fā)育有大小不一的空洞，洞徑為0.2～4.9 m。為了查明大孔徑的空洞在水平方向上是否處于連通狀態(tài)，在現(xiàn)場實施了跨孔CT測試，波速分布結(jié)果見圖2。

圖1 礁灰?guī)r孔隙及孔洞

圖2 跨孔CT波速分布

在圖2中，不同的顏色表示不同的波速，紅色為高波速區(qū)，經(jīng)黃色、綠色、淺藍色到深藍色，波速逐漸降低。分析圖2可知： 23-1號孔高程-72 m到23-4號孔高程-70 m為低速分布區(qū)，其波速為1 400～1 600 m/s，而海水的波速為1 450 m/s左右，故判定此低速區(qū)為空洞區(qū)，且該空洞走向為斜向分布。同理，可判定23-1號孔(高程-80 m，橫向1 m距離處)以及23-4號孔高程-90 m附近存在空洞區(qū)。

綜合鉆探和跨孔CT孔內(nèi)測試結(jié)果，可以證實在該橋墩處，礁灰?guī)r中洞徑大者呈連通狀，洞頂高程為-67.00～-70.07 m，洞底高程為-71.35～-72.72 m，洞高2.65～4.9 m；洞徑小者分布不均，一般洞徑為0.2～0.65 m，孤立分布；空洞內(nèi)無充填物。

礁灰?guī)r空洞對工程建設(shè)將產(chǎn)生不利影響，應分別針對橫向和縱向的空洞采取不同的處理措施，并提前灌注足量混凝土，以確保樁基礎(chǔ)的成樁質(zhì)量。

3 礁灰?guī)r波速特性

礁灰?guī)r的結(jié)構(gòu)、成份、巖性及膠結(jié)程度對其孔隙率影響較大，而孔隙率是影響彈性波特性的一個重要指標，兩者之間存在某種定量和定性的關(guān)系：孔隙率小，礁灰?guī)r致密，彈性波傳播速度大;孔隙率大，礁灰?guī)r松散，彈性波傳播速度小。

分別對干燥狀態(tài)和飽和狀態(tài)的部分礁灰?guī)r試樣進行相關(guān)試驗，測試結(jié)果如表2。珊瑚礁灰?guī)r的天然含水率為13%～20%，干燥密度為1.43～2.27 g/cm3，飽和密度為1.81～2.61 g/cm3。與常見灰?guī)r相比，礁灰?guī)r的密度明顯偏?。黄骄烊豢v波波速為2 863 m/s，平均干燥縱波波速為2 802 m/s， 平均飽和縱波波速為2 994 m/s。飽和后波速略有增大，干燥后波速略有減小。

表2 礁灰?guī)r波速測試結(jié)果

礁灰?guī)r中存在的孔隙和空洞，不僅降低了巖體的強度，也影響了波速在巖體中的傳播。因此，可采用孔隙率來表征巖體孔隙與波速間的關(guān)系?？紫堵士赏ㄟ^巖樣的飽和質(zhì)量、干燥質(zhì)量、巖樣體積測試求得。求解式為

Vv=(m-md)/ρw

(1)

n=(Vv/V)×100%

(2)

式中：ρw為水的密度，m為飽和試樣質(zhì)量，md為干燥試樣質(zhì)量，V為試樣總體積，Vv為試樣中孔隙體積。

通過式(1)、式(2)計算得到礁灰?guī)r的孔隙率(見表3)?？芍富?guī)r的孔隙率為30%～49%，與其他巖石相比，其孔隙率較高，從而導致其波速相對較低。

根據(jù)試驗測試得到的孔隙率和縱波波速數(shù)據(jù)，可建立礁灰?guī)r孔隙率和巖體縱波波速間的關(guān)系(見圖3)。

表3 礁灰?guī)r的孔隙率和干燥波速

由圖3可知，礁灰?guī)r孔隙率和巖體縱波波速兩者呈負相關(guān)關(guān)系：礁灰?guī)r孔隙率越大，縱波波速越小。將二者進行擬合處理，可得到礁灰?guī)r孔隙率n和巖體縱波波速Vp之間的擬合關(guān)系式

Vp=-5 528.3n+5 018.8

擬合關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)為R2=0.882，具有較高的可靠度。

圖3 礁灰?guī)r縱波波速與孔隙率關(guān)系

4 礁灰?guī)r基本力學性質(zhì)

強度和應力-應變關(guān)系是巖石最重要的力學性質(zhì)之一。巖石的強度和變形既是判定巖石工程穩(wěn)定性的重要判據(jù)，也是進行數(shù)值計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[10]。

4.1 單軸抗壓強度

對經(jīng)過干燥和飽和處理后的礁灰?guī)r試樣進行單軸抗壓強度測試，測試結(jié)果見表4。

表4 礁灰?guī)r單軸抗壓強度測試結(jié)果

由表4可知，礁灰?guī)r的單軸抗壓強度變化較大(干燥巖樣1.1～33.18 MPa，飽和巖樣1.07～29.27 MPa)，具有較大的變異性，變異系數(shù)為0.3～0.87。按飽和單軸抗壓強度分類，屬于極軟巖-軟巖范疇，抗壓強度和軟化系數(shù)均遠低于一般的石灰?guī)r，這與礁灰?guī)r的疏松生物格架結(jié)構(gòu)，且具有多孔隙和溶蝕孔洞極度發(fā)育的結(jié)構(gòu)特征相符合。

根據(jù)巖石的破壞類型及微觀破壞機制，巖石的基本破壞形式只有拉壞和剪壞兩類[11]。礁灰?guī)r的破壞形式與其他巖石也有著本質(zhì)的區(qū)別：礁灰?guī)r屬于拉張破壞，與其他巖石沿著最大剪應力面發(fā)生剪切破壞不同，而是沿著礁灰?guī)r最脆弱的生長線部位發(fā)生拉張破壞，并伴有局部的摩擦印痕，形成多個碎條狀巖塊(見圖4)。

圖4 礁灰?guī)r破壞形態(tài)

4.2 抗拉強度

將地質(zhì)勘探取出的巖芯制成圓柱樣，試樣尺寸直徑為90 mm，高度為100 mm，采用巴西劈裂法，測試礁灰?guī)r在干燥和飽和兩種狀態(tài)下的抗拉強度。

由抗拉試驗測試可知，礁灰?guī)r在飽和狀態(tài)下的平均抗拉強度為1.82 MPa，分布范圍為1.58～2.54 MPa；在干燥狀態(tài)下的平均抗拉強度為2.03 MPa，分布范圍為1.71～2.65 MPa。在兩種不同狀態(tài)下，飽和礁灰?guī)r的抗拉強度略有降低，但差別并不明顯。由此說明，珊瑚礁灰?guī)r具有較弱的軟化性，這與礁灰?guī)r主要由質(zhì)地較脆且軟化性差的方解石和文石這兩種礦物組成相符。

4.3 剪切強度參數(shù)

巖體的剪切強度可通過黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ兩個參數(shù)表示。利用礁灰?guī)r單軸抗拉強度σt和單軸抗壓強度σc兩個參數(shù)值，根據(jù)摩爾-庫倫包絡(luò)線按直線推算的計算式(3)、式(4)，可估算礁灰?guī)r強度參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ

(3)

(4)

式中，σt和σc分別取試驗所得的平均單軸抗拉強度和平均單軸抗壓強度。

由式(3)和式(4)計算得出：干燥礁灰?guī)r的黏聚力c=1.86 MPa，內(nèi)摩擦角φ=38.4°；飽和礁灰?guī)r的黏聚力c=1.61 MPa，內(nèi)摩擦角φ=33.7°，兩者相差不大。

5 自平衡法確定礁灰?guī)r承載力特性

5.1 單樁豎向抗壓極限承載力確定

根據(jù)靜載試驗的最終加載值，可按式(5)確定試樁的極限承載力

(5)

式中，Pu為試樁的單樁極限承載力；Qus，Quz，Qux為試樁上、中、下段樁的加載極限值；Ws為試樁荷載箱上部樁自重，單位均為kN；γ為試樁的抗托系數(shù)，由于沒有類似工程經(jīng)驗，按巖石系數(shù)取值，取γ=1.0。

根據(jù)SZ3樁靜載試驗的最終加載值，按式(5)可計算得到該樁極限承載力。試樁SZ3極限承載力計算結(jié)果如表5所示。

表5 試樁抗壓極限承載力計算結(jié)果

5.2 摩阻力的確定

各土層樁側(cè)摩阻力qs可根據(jù)下式求得

(6)

式中，qs為樁側(cè)各土層的摩阻力/(kN/m2)；ΔPZ為樁身量測截面之間的軸向力PZ之差值/kN；ΔF為樁身量測截面之間樁段的側(cè)表面積/m2。

通過樁的應變、斷面剛度和軸向力，進而求出不同深度的樁側(cè)摩阻力， 并與地勘資料提供的參數(shù)作對比(見表6)。

由表6可知，下段樁側(cè)摩阻力發(fā)揮充分，中段樁體相對于土層向上移動，使樁周土層產(chǎn)生疏松擾動，導致樁土界面摩擦力顯著減小；在極限荷載作用下，下段樁產(chǎn)生向下位移，使樁周土層及樁端土體更加密實，下段樁體的泊松效應使得樁土界面摩擦力顯著增大。

在下段樁所處地層中，地質(zhì)勘察提供的極限側(cè)阻力標準值為80 kPa，土性相對較差；由于樁土相對位移值較大(41.71 mm)，側(cè)阻力發(fā)揮充分(實測達到465 kPa)；在中上段所處地層中，提供的極限側(cè)阻力標準值可達150 kPa，土層土性相對較好；雖然樁土相對位移僅為7.51 mm，但是實測側(cè)阻力值達到962 kPa。在整個試樁范圍內(nèi)，地質(zhì)勘察提供的極限側(cè)阻力標準值與現(xiàn)場實測側(cè)阻力相差可達5～7倍。其主要原因為珊瑚礁灰?guī)r整體強度具有較大的結(jié)構(gòu)性，鉆探過程對礁灰?guī)r地層存在較大的擾動影響，使其試驗所得力學性質(zhì)嚴重降低。

表6 試樁各巖(土)層摩阻力

6 結(jié)論

(1)礁灰?guī)r主要為生物骨骼碎屑形成的碳酸鹽巖顆粒，飽和密度介于1.81～2.61 g/cm3，具有孔洞發(fā)育、結(jié)構(gòu)疏松、高孔隙率等特殊的工程特性。

(2)礁灰?guī)r具有很高的孔隙率，從而導致其波速相對較低，兩者呈負相關(guān)關(guān)系。

(3)礁灰?guī)r的破壞屬于拉張破壞，一般沿著礁灰?guī)r最脆弱的生長線部位發(fā)生，并伴有局部的摩擦印痕，形成多個碎條狀巖塊。

(4)礁灰?guī)r在干燥和飽和狀態(tài)下的平均抗拉強度分別為2.03 MPa和1.82 MPa，具有較弱的軟化性。

(5)在整個樁基靜載試驗范圍內(nèi)，地質(zhì)勘察提供的極限側(cè)阻力標準值為80～150 kN，而現(xiàn)場實測側(cè)阻力可達312～962 kN，兩者差距可達5～7倍，主要原因為珊瑚礁灰?guī)r強度具有較大的結(jié)構(gòu)性，鉆探取芯過程對礁灰?guī)r地層存在著極大的擾動影響，使其試驗所得力學性質(zhì)嚴重降低。

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