珊瑚礁巖土材料物理學(xué)性能研究綜述

李鵬飛

摘要：珊瑚礁作為一種巖土材料可用于戰(zhàn)略性工程建設(shè)，本文總結(jié)了近年來(lái)學(xué)者們對(duì)珊瑚礁研究的相關(guān)文獻(xiàn)。主要包括四部分內(nèi)容：闡述珊瑚礁的形成和類別;分析珊瑚礁的分布;分析珊瑚礁的基本形態(tài)、材料微觀特征、礁灰?guī)r物理特征、鈣質(zhì)砂物理特征;分析礁灰?guī)r力學(xué)特征、鈣質(zhì)砂壓縮特性、鈣質(zhì)砂的破碎性和鈣質(zhì)砂動(dòng)力特征。

關(guān)鍵詞：珊瑚礁;鈣質(zhì)砂;礁灰?guī)r;物理學(xué)性能

中圖分類號(hào)：P5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

珊瑚礁在我國(guó)南海諸島和北部沿岸分布較多，特別是在南海島礁[1]。珊瑚礁作為一種巖土材料可用于戰(zhàn)略性工程建設(shè)，因此需要分析珊瑚礁的物理學(xué)性能以便更好地使用。但是國(guó)內(nèi)外目前對(duì)珊瑚礁的研究較少，尚處于探索階段，這對(duì)珊瑚礁的大量開(kāi)發(fā)使用有一定影響。珊瑚礁形成機(jī)制復(fù)雜，作為一種多孔、易破碎的材料將其投入到施工中相對(duì)困難，需要全面分析珊瑚礁的物理學(xué)性能，物盡其用。

1 珊瑚礁的形成及類別

海洋中生活的石珊瑚即造礁珊瑚在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)不斷吸收海水中的鈣和二氧化碳，分泌碳酸鈣形成外骨骼。在這些石珊瑚死亡之后，表面的附礁生物、生活在其中的藻類等被壓實(shí)、石化，形成海底隆起，這就是人們常說(shuō)的珊瑚礁[2]。珊瑚礁是一種特殊的巖土材料，關(guān)于珊瑚礁的形成人們提出了諸多理論，例如：有學(xué)者認(rèn)為是因?yàn)楹Ｆ矫娴淖兓纬缮汉鹘?而另一些學(xué)者認(rèn)為珊瑚礁的形成和海平面無(wú)關(guān)。珊瑚礁的分類有兩種：根據(jù)珊瑚礁和海岸線的關(guān)系可以將其分為岸礁、堡礁和環(huán)礁;根據(jù)形態(tài)可將珊瑚礁分為太礁、點(diǎn)礁、塔礁和礁灘[3]。

2 珊瑚礁的分布

珊瑚礁主要分布在南北半球的熱帶海洋中，其中30oS到30oN之間分布較多[4]。全球中多數(shù)珊瑚礁分布在太平洋、印度洋和大西洋的兩側(cè)的沿岸和海洋。印度尼西亞、菲律賓等東南亞國(guó)家和紅海、波斯灣各有30%的珊瑚礁分布;25%分布在太平洋其他海域;14%的珊瑚礁分布在加勒比海和北大西洋;其余珊瑚礁分布在南大西洋[5]。我國(guó)的珊瑚礁集中在北回歸線附近以南的南海諸島和北海沿岸，其中南海諸島珊瑚礁分布最多，分布量占全球的5%。

3 珊瑚礁巖土材料的物理特征

珊瑚礁表面是松散的沙粒層，主要是鈣質(zhì)砂、海洋鈣質(zhì)生物的碎片，下層是礁灰?guī)r。珊瑚礁中含有豐富的文石、云白石和方解石，這些礦物質(zhì)是由碳酸鈣構(gòu)成的。

3.1 珊瑚礁的基本形態(tài)

珊瑚礁整體呈現(xiàn)白色，表面結(jié)構(gòu)松散有不規(guī)則的孔洞，被擊碎后呈短柱狀，珊瑚礁內(nèi)部有貝殼、魚(yú)類化石[6]。因?yàn)樯汉鹘副砻嬗赦}質(zhì)砂形成，所以會(huì)呈現(xiàn)塊狀、樹(shù)枝狀、片狀等多種形態(tài)。劉崇權(quán)認(rèn)為塊狀、紡錘狀是鈣質(zhì)砂的主要顆粒形狀，鈣質(zhì)砂的形狀是珊瑚礁不規(guī)則形狀的原因之一。

3.2 珊瑚礁巖土材料微觀特征

因?yàn)槭汉鲗儆谇荒c結(jié)構(gòu)，所以珊瑚礁巖土材料非常特殊，結(jié)構(gòu)中孔隙多且分布不規(guī)律。礁灰?guī)r中碳酸鈣含量超過(guò)90%，是珊瑚礁內(nèi)部包含的主要礦物之一，所以珊瑚礁內(nèi)部相對(duì)穩(wěn)固。珊瑚礁表面由形狀不規(guī)則的鈣質(zhì)砂組成，所以具有易碎、孔隙率高的特點(diǎn)[7]。

珊瑚礁的巖土材料的性質(zhì)與其微觀特征關(guān)系密切，所以想要掌握珊瑚礁的物理學(xué)性能就需要分析其微觀特征。通過(guò)掃描珊瑚礁的鈣質(zhì)顆粒發(fā)現(xiàn)，形狀不規(guī)則的鈣質(zhì)砂會(huì)形成完全封閉孔隙和連通孔隙，封閉空隙相對(duì)簡(jiǎn)單就是珊瑚礁內(nèi)部的獨(dú)立小空間，而連通孔隙會(huì)和珊瑚礁的表面的空隙相連形成更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。通常認(rèn)為珊瑚礁內(nèi)部的連通空隙和表面的空隙相連是珊瑚礁機(jī)構(gòu)復(fù)雜化的主要原因。朱長(zhǎng)歧等[8]學(xué)者通過(guò)分析海南鈣質(zhì)砂結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，鈣質(zhì)砂顆粒大小是內(nèi)孔隙體積和密度主要影響因素，南海鈣質(zhì)砂顆粒小，因此密度高、內(nèi)孔隙體積小。這也是珊瑚礁空隙密度高的原因之一。

3.3 礁灰?guī)r物理特征

礁灰?guī)r也被稱為生物骨架灰?guī)r，是經(jīng)過(guò)生物破壞、洞穴內(nèi)沉淀、物理破壞后形成的密度穩(wěn)定、強(qiáng)度高的巖土材料，也是珊瑚礁的主體材料，結(jié)構(gòu)特殊、元素分布不均衡。

礁灰?guī)r和一般灰?guī)r相比密度小、孔隙率高，礁灰?guī)r保留了石珊瑚原本的生物骨架所以礁灰?guī)r呈現(xiàn)多空隙的結(jié)構(gòu)特征。再加上海水侵蝕和生物破壞，礁灰?guī)r呈現(xiàn)出高空隙、低密度的工程特征。

3.4 鈣質(zhì)砂物理特征

鈣質(zhì)砂是珊瑚礁表面的主要材料，全球不同地區(qū)珊瑚礁表面的鈣質(zhì)砂主要有三個(gè)明顯特征：第一，珊瑚礁表面的鈣質(zhì)砂中碳酸鈣含量高，一般超過(guò)80%;第二，珊瑚礁表面鈣質(zhì)量比重大;第三，鈣質(zhì)土孔隙比高。劉志偉，李燦等人掃描該質(zhì)量微觀特征發(fā)現(xiàn)，珊瑚礁表面的鈣質(zhì)砂還具有以下特征：

第一，鈣質(zhì)砂由骨骸顆粒、巖石碎屑等形成的包粒、團(tuán)粒，內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，在海水的影響下顆?？赡軙?huì)被擊碎、壓縮，包粒、顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這會(huì)影響鈣質(zhì)砂的力學(xué)特征;第二，因?yàn)殁}質(zhì)砂中碳酸鈣含量高，因此鈣質(zhì)砂顆粒之間存在粘性，進(jìn)而形成易破碎的團(tuán)粒，這也是鈣質(zhì)砂也粘性土結(jié)構(gòu)差異性的原因。鈣質(zhì)砂顆粒在壓縮、剪切時(shí)粘結(jié)性被破壞、強(qiáng)度降低導(dǎo)致鈣質(zhì)砂出現(xiàn)軟化，這個(gè)過(guò)程被稱為膠結(jié)現(xiàn)狀。第三，鈣質(zhì)砂顆?？紫稄?fù)雜。鈣質(zhì)砂除了內(nèi)部有密集的空隙之外，空隙之間也有連通，這讓鈣質(zhì)砂的結(jié)構(gòu)變得異常復(fù)雜，會(huì)影響珊瑚礁巖土的穩(wěn)定性。

4 珊瑚礁巖土材料力學(xué)性質(zhì)

珊瑚礁主要由表面的鈣質(zhì)砂和內(nèi)部的礁灰?guī)r組成，但因?yàn)榻富規(guī)r取樣、運(yùn)輸困難，因此對(duì)礁灰?guī)r的研究較少，對(duì)表層的鈣質(zhì)砂研究較多。

4.1 礁灰?guī)r力學(xué)特征

礁灰?guī)r因軟化導(dǎo)致強(qiáng)度低、抗壓能力小朱長(zhǎng)歧等[9]人對(duì)馬爾代夫礁灰?guī)r進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)礁灰?guī)r的強(qiáng)度明顯低于其他石灰?guī)r等。李莎等[10]人對(duì)馬爾代夫的礁灰?guī)r做點(diǎn)荷載試驗(yàn)和劈裂實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)礁灰?guī)r有豎向碎裂的特點(diǎn)，得出礁灰?guī)r有垂直生長(zhǎng)的特征。王志新[11]等人對(duì)南沙群島的礁灰?guī)r做常規(guī)三軸研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)礁灰?guī)r被破壞時(shí)會(huì)按照生長(zhǎng)線方向破損，破壞后的礁灰?guī)r殘余強(qiáng)度最高能達(dá)到峰值的77%，所說(shuō)明礁灰?guī)r破壞后強(qiáng)度影響較大。

礁灰?guī)r中存在較多的空隙，因?yàn)槁暡ㄔ趲r石中的傳播速度比空氣傳播速度快，所以礁灰?guī)r中的空隙越多聲波傳播越慢，此外礁灰?guī)r的強(qiáng)度和內(nèi)部孔隙數(shù)量、密度、大小有關(guān)，因此克制用聲波來(lái)測(cè)量礁灰?guī)r的內(nèi)部特征。楊永康等人對(duì)西沙群島的礁灰?guī)r進(jìn)行聲波測(cè)試，得出礁灰?guī)r在天然狀體下縱聲波傳播速度低，干燥飽和狀態(tài)下聲波傳播速度快，說(shuō)明在干燥飽和狀態(tài)下礁灰?guī)r的硬度較高。

4.2 鈣質(zhì)砂壓縮特性

鈣質(zhì)砂的性質(zhì)和粘土較為相似，在卸載、加載時(shí)鈣質(zhì)砂的回彈性變小，主要是因?yàn)楦闹粕霸诒粔嚎s時(shí)顆粒破碎，顆粒位置發(fā)生變化，進(jìn)而發(fā)生塑性形變。并且隨著壓縮增加鈣質(zhì)砂的回彈性不斷變小最終趨近于零，和粘土的固結(jié)線類似。鈣質(zhì)砂在一維壓縮條件下不同種類的鈣質(zhì)砂會(huì)出現(xiàn)同樣的壓縮曲線，回彈量變化明顯。而在三維壓縮條件下不同孔隙的鈣質(zhì)回彈性不同，低強(qiáng)度狀態(tài)下不同孔隙的鈣質(zhì)砂壓縮曲線類似，但隨著壓力增強(qiáng)孔隙高的鈣質(zhì)砂被壓縮更明顯，壓力繼續(xù)增大不同孔隙的變形狀態(tài)趨于一致。這是因?yàn)閷?duì)鈣質(zhì)砂的壓力超過(guò)一定限度鈣質(zhì)砂顆粒破碎，產(chǎn)生塑性形變。

4.3 鈣質(zhì)砂的破碎性

鈣質(zhì)砂顆粒內(nèi)部孔隙密集，容易破碎，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)砂的顆粒形狀、強(qiáng)度、尺寸等都會(huì)影響鈣質(zhì)砂的破碎性[12]。胡波等人研究發(fā)現(xiàn)，鈣質(zhì)砂和陸源砂相比硬度小，在低壓力水平下就會(huì)發(fā)生破碎，隨之壓力增高鈣質(zhì)砂的破碎率不斷提高，最高可達(dá)到80%。此外，他對(duì)混合鈣質(zhì)砂和不同直徑的鈣質(zhì)砂分別研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)混合顆粒的鈣質(zhì)砂在破碎率比均一鈣質(zhì)砂小，以及鈣質(zhì)砂的破碎程度與其顆粒直徑呈正比關(guān)系。秦月等人發(fā)現(xiàn)，鈣質(zhì)砂直徑在0.25mm時(shí)候狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，所以將0.25mm看作鈣質(zhì)砂破碎的界限，但他們并沒(méi)有找出其中機(jī)理[13]。陳清云等人研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)中鈣質(zhì)砂的破碎率會(huì)先增高，在一定數(shù)值時(shí)停止，此時(shí)的圍壓就是鈣質(zhì)砂的界限圍壓[14]。

4.4 鈣質(zhì)砂動(dòng)力特征

鈣質(zhì)砂是珊瑚礁巖土的表面材料，受到海洋、地震等影響鈣質(zhì)砂的動(dòng)力性質(zhì)也在不斷變化。目前國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者進(jìn)行有關(guān)方面的研究，例如Morrison等人分析南非鈣質(zhì)土發(fā)現(xiàn)，鈣質(zhì)土經(jīng)過(guò)多次剪切后，其剪應(yīng)力會(huì)降低。Datta等人通過(guò)分析鈣質(zhì)砂循環(huán)特征得出在密封環(huán)境下鈣質(zhì)砂孔壓變化規(guī)律。劉漢龍等分析南海鈣質(zhì)砂三軸發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)砂在加載時(shí)剪縮和剪脹變化出現(xiàn)，會(huì)一個(gè)鈣質(zhì)砂內(nèi)部的壓強(qiáng)會(huì)發(fā)生變化，持續(xù)軟化。當(dāng)鈣質(zhì)砂軟化之后剪脹力也隨之降低。

考慮到大主應(yīng)力對(duì)鈣質(zhì)砂動(dòng)力影響，李建國(guó)等人對(duì)鈣質(zhì)砂進(jìn)行扭轉(zhuǎn)和豎向耦合實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)砂的動(dòng)強(qiáng)度和主應(yīng)力向角有關(guān)。虞海珍等人模擬海洋環(huán)境對(duì)鈣質(zhì)砂做扭轉(zhuǎn)和豎向的循環(huán)剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)主應(yīng)力的旋轉(zhuǎn)會(huì)增加鈣質(zhì)砂孔隙中的水壓。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析前人研究結(jié)果得出珊瑚礁形成、類型、分布等基本特征，以及礁灰?guī)r力學(xué)特征、鈣質(zhì)砂壓縮特性、鈣質(zhì)砂的破碎性和鈣質(zhì)砂動(dòng)力特征。得出珊瑚礁強(qiáng)度低、易破碎、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特征，目前實(shí)際工程建設(shè)過(guò)程中，現(xiàn)有的工程設(shè)計(jì)及施工技術(shù)不能很好地滿足珊珊礁工程建設(shè)要求，在充分考慮鈣質(zhì)砂力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，形成一套完備的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)至關(guān)重要。

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