熱帶島礁珊瑚礁地層工程性質(zhì)研究

梁文成，唐群艷

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

引 言

珊瑚礁是以造珊瑚礁石群體及其遺骸為主體，夾其它造礁和附礁生物遺骸共同構(gòu)成的巖體[1]。熱帶各島礁的地層多為珊瑚礁，厚度大，如永興島的珊瑚礁地層厚 1 251 m，其它島礁勘探深度 152～802 m均未鉆穿珊瑚礁地層[2]。一般而言，熱帶島礁珊瑚礁地層表層為珊瑚碎屑，中下部經(jīng)歷生物作用和地質(zhì)作用后成為礁灰?guī)r。

珊瑚礁地層屬生物沉積地層，具有多空隙、脆性等特點(diǎn)，屬鈣質(zhì)特殊性巖土，其工程性質(zhì)與普通巖土存在較大差異，目前國內(nèi)外對珊瑚礁地層的工程特性也在研究摸索和積累中。通過在熱帶海洋某島礁鄰近水域進(jìn)行鉆探、取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)以及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)、波速測試等手段獲取的數(shù)據(jù)，綜合研究珊瑚礁地層的工程性質(zhì)。

1 地貌特征及地層分布規(guī)律

研究區(qū)域的地貌單元主要為灰沙礁、礁坪、點(diǎn)礁、水下斜坡（礁外坡）及階地和泄湖。

地層分布較為簡單，上部為珊瑚碎屑層，主要為珊瑚砂礫和珊瑚碎石；下部為珊瑚礁灰?guī)r?？傮w而言珊瑚碎屑層厚度較小，約5～12 m，珊瑚礁灰?guī)r厚度大，本次研究未鉆穿珊瑚礁灰?guī)r，珊瑚碎屑層和珊瑚礁灰?guī)r層中零星分布有大小不一的空洞。典型地層分布規(guī)律如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域典型地層剖面

2 珊瑚礁地層礦物成分

珊瑚礁地層主要礦物成分為文石和鎂方解石[3]，本次研究中，對上碎屑土進(jìn)行了化學(xué)成分分析，其主要化學(xué)成分為碳酸鈣，含量在94 %以上，其次為碳酸鎂，SiO2、Al2O3、Fe2O3、MnO等含量不高。

3 珊瑚碎屑砂礫工程性質(zhì)

3.1 珊瑚碎屑砂礫物理性質(zhì)分析

1）顆粒組成

本次研究對取得的珊瑚碎屑層樣品進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，研究區(qū)域內(nèi)的珊瑚碎屑主要由礫砂和角礫組成。珊瑚碎屑棱角分明。綜合顆分曲線如圖2所示。由顆粒分析曲線得知，珊瑚碎屑層粒徑小于 0.075 mm的細(xì)顆粒含量 5 %～18 %不等；某些角礫層，大于20 mm的大顆粒珊瑚膠結(jié)體含量較高。

圖2 珊瑚碎屑層顆分曲線

2）密度和比重

根據(jù)試驗(yàn)成果，珊瑚碎屑砂干密度為1.481 g/cm3，濕密度為 1.555 g/cm3；珊瑚礫石干密度為1.456～1.567 g/cm3，濕密度為 1.582～1.645 g/cm3。

由于珊瑚碎屑砂的孔隙比較大，而孔隙比的測定，通常需要通過珊瑚碎屑料的顆粒比重進(jìn)行換算。因此，對于珊瑚碎屑層，比重大小會(huì)直接影響孔隙比的測定準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響其相應(yīng)變形指標(biāo)的分析推算。

以往海外項(xiàng)目中看到的勘察成果中曾出現(xiàn)過2.42 g/cm3的低值（如東帝汶?yún)^(qū)域的珊瑚碎屑砂），查閱了相關(guān)文獻(xiàn)，Coop（2003）曾做過大量珊瑚碎屑砂的試驗(yàn)，提出其典型的比重值通常分布在2.70～2.80 g/cm3之間[7]。本次研究對珊瑚碎屑層測量了比重。結(jié)果顯示，其值都很穩(wěn)定地分布在2.78～2.81的比重范圍。為確定試驗(yàn)過程的準(zhǔn)確性，還特別采用標(biāo)準(zhǔn)石英砂參與了同批次的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，標(biāo)準(zhǔn)石英砂的比重為2.63，可見試驗(yàn)過程的可靠性是有保證的。比重分布如圖3所示。在某些項(xiàng)目中出現(xiàn) 2.42 g/cm3的低值應(yīng)該不符合常規(guī)，推測可能是在測試過程中未能充分排除珊瑚碎屑砂中的氣泡導(dǎo)致的整體比重測試結(jié)果過低的情況。

由密實(shí)試驗(yàn)和比重試驗(yàn)成果得知，珊瑚碎屑的顆粒比重并不比石英砂低，但由于珊瑚碎屑具多孔性，同樣密實(shí)度下珊瑚碎屑的密度比石英砂小。

圖3 珊瑚碎屑層比重分布

3.2 珊瑚碎屑砂礫力學(xué)性質(zhì)分析

1）剪切強(qiáng)度特性分析

對珊瑚碎屑砂層進(jìn)行了水上水下自然休止角試驗(yàn)，測得水上天然坡角為 37°～42°，水下天然休坡腳為 32°～38°。

此外，為研究珊瑚碎屑砂的受力強(qiáng)度特性，進(jìn)行了三軸固結(jié)排水試驗(yàn)?？紤]到珊瑚碎屑砂顆粒較大，本次研究采用了直徑6.18 cm，高12 cm的較大尺寸三軸制備樣進(jìn)行試驗(yàn)。

試樣采用擾動(dòng)樣，根據(jù)現(xiàn)場一個(gè)取樣筒內(nèi)的級配情況，模擬制備而成。為滿足試驗(yàn)尺寸要求，先將土樣過5 mm的篩，去掉5 mm的過大顆粒，對除去的大于5 mm的部分，采用2～5 mm粒徑進(jìn)行補(bǔ)足，以盡量模擬原位碎屑砂級配情況。

圖4 珊瑚碎屑層土樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 珊瑚碎屑層土樣摩爾圓

三軸試驗(yàn)成果顯示，三軸固結(jié)排水剪切內(nèi)摩擦角為 41°，摩爾圓得出的強(qiáng)度線的線性簡化，使得三軸固結(jié)排水剪的 Cd值顯示偏大。其中圍壓加到600 kPa的試樣，在達(dá)到峰值后，偏應(yīng)力出現(xiàn)了急劇下滑（圖4），是因?yàn)樵嚇愉h利的邊角在剪切過程中扎破了三軸橡膠膜，導(dǎo)致試件破膜漏水了。

由三軸試驗(yàn)成果可知，同樣相對密實(shí)度條件下，珊瑚碎屑砂的剪切強(qiáng)度比石英砂的剪切強(qiáng)度大。國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為，粒狀土的摩擦強(qiáng)度由滑動(dòng)摩擦強(qiáng)度、干擾重排摩擦強(qiáng)度、剪脹摩擦強(qiáng)度夠成，而干擾重排摩擦強(qiáng)度和剪脹摩擦強(qiáng)度組合則為咬合摩擦強(qiáng)度；其中滑動(dòng)摩擦強(qiáng)度主導(dǎo)著粒狀土的摩擦強(qiáng)度?；瑒?dòng)摩擦強(qiáng)度與礦物成分有關(guān)，珊瑚砂的礦物成分主要為文石和方解石，其滑動(dòng)摩擦強(qiáng)度比石英大[4]；此外，由于珊瑚碎屑顆粒形狀不規(guī)則，其咬合摩擦強(qiáng)度比石英砂大。由此可見珊瑚碎屑砂的剪切強(qiáng)度比石英砂大是合理的。

2）變形特性分析

珊瑚碎屑砂由于有較大的空隙，且在高壓力下易產(chǎn)生顆粒破碎，因此其變形通常比常規(guī)石英砂大。

為研究珊瑚碎屑砂的變形特性，對珊瑚碎屑砂進(jìn)行了一維壓縮試驗(yàn)，最高壓力3 200 kPa。為更接近地模擬原狀砂樣的壓縮情況，同樣先將砂樣過5 mm的篩，同時(shí)，根據(jù)原擾動(dòng)樣的級配情況，對大于5 mm部分的試樣，以2～5 mm粒組樣替代摻入，進(jìn)行一維壓縮試驗(yàn)。

從制備樣的壓縮曲線來看，珊瑚碎屑砂壓縮指數(shù)在0.12～0.2之間。而常規(guī)石英砂的壓縮指數(shù)基本分布在0.004～0.1的范圍（見表1），可見，對于珊瑚碎屑砂而言，其壓縮變形確實(shí)較常規(guī)石英砂大。典型e-p曲線如圖6。

圖6 珊瑚碎屑砂礫壓縮曲線

表1 一維壓縮試驗(yàn)壓縮指數(shù)

3）顆粒破碎分析

從三軸壓縮試驗(yàn)曲線來看（圖4），高圍壓的情況下應(yīng)力應(yīng)變曲線有明顯拐點(diǎn)，推測為顆粒破碎的原因。張家銘也指出在高圍壓的條件下鈣質(zhì)砂存在顆粒破碎現(xiàn)象[5]；王剛在研究中表面鈣質(zhì)砂在循環(huán)三軸試驗(yàn)中產(chǎn)生顯著的顆粒破碎[6]。

從一維壓縮曲線情況來看，珊瑚砂的e-logp曲線呈現(xiàn)跟粘性土類似的性質(zhì)，普遍存在較為明顯的變形拐點(diǎn)，有類似前期固結(jié)壓力存在的情況。推測此即為顆粒破碎的結(jié)果呈現(xiàn)。當(dāng)珊瑚鈣質(zhì)砂在較高壓力下（約1 000 kPa）破碎之后，各種級配的土樣壓縮指數(shù)趨向相同。級配在超過一定壓力之后，對變形的影響會(huì)變小。此外，對單向有側(cè)限壓縮試驗(yàn)后的顆粒進(jìn)行分析，對比試驗(yàn)之前的結(jié)果，顯示結(jié)果見表2。

表2 珊瑚砂3 200 kPa壓縮后顆粒成分前后變化

表中信息顯示在承受3 200 kPa的壓力后，2～5 mm粒徑的含量明顯減少，0.25～0.5 mm的粒徑含量也都呈現(xiàn)減少現(xiàn)象，小于0.075 mm的細(xì)顆粒含量基本都有增加，對于0.5～2 mm的粒徑組，也普遍呈現(xiàn)增加狀態(tài)。

綜上所述，珊瑚碎屑在較小的應(yīng)力下顆?；静划a(chǎn)生顆粒破碎，在較大的應(yīng)力下，存在顆粒破碎的現(xiàn)象，在循環(huán)荷載下顆粒破碎尤為顯著。

4 礁灰?guī)r工程性質(zhì)

4.1 礁灰?guī)r物理性質(zhì)分析

為研究珊瑚礁灰?guī)r的常規(guī)物理性質(zhì)，進(jìn)行了比重試驗(yàn)、干密度和飽和密度測試，礁灰?guī)r飽和密度2.17～2.40 g/cm3，干密度 1.86～2.22 g/cm3，孔隙率17.6 %～31.5 %，吸水率2.4 %～13.7 %。對礁灰?guī)r試樣采用磨粉法和沉水法分別進(jìn)行比重試驗(yàn)，兩種試驗(yàn)結(jié)果顯示結(jié)果基本無差異，試驗(yàn)成果在2.69～2.70之間。

此外，對珊瑚礁灰?guī)r進(jìn)行了原位波速測試并在室內(nèi)測試巖塊波速。巖體剪切波速在 1 125～1 656 m/s之間，縱波波速在1 963～3 261 m/s之間；巖塊剪切波速在1 695～2 301 m/s之間，縱波波速在2 745～3 682 m/s之間；由此可知研究區(qū)域內(nèi)珊瑚礁灰?guī)r巖體完整性指數(shù)在 0.56～0.91之間，平均為0.70，即巖體較完整～完整。但由于珊瑚礁灰?guī)r具多孔隙性，且孔隙發(fā)育具不均衡性，所以采用波速比來判定巖體完整性可能具有一定的偏差。

4.2 礁灰?guī)r力學(xué)性質(zhì)分析

本次研究對珊瑚礁灰?guī)r進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)。單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程中，會(huì)首先出現(xiàn)微裂隙的破壞，試驗(yàn)過程中可以明顯聽到破裂的聲音，但有時(shí)峰值強(qiáng)度并未在小裂隙時(shí)達(dá)到，后續(xù)仍有可能達(dá)到更大的單軸抗壓強(qiáng)度峰值；可見礁灰?guī)r孔隙較多。單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖7，單軸抗壓強(qiáng)度離散性較大，分布范圍為 2～15 MPa，飽和狀態(tài)和天然狀態(tài)強(qiáng)度平均約5 MPa，干燥狀態(tài)強(qiáng)度平均約8 MPa，由此可見珊瑚礁灰?guī)r屬軟質(zhì)巖石，泡水有一定的軟化。筆者也總結(jié)了紅海兩岸礁灰?guī)r的單軸抗壓強(qiáng)度，蘇丹沿海的礁灰?guī)r天然和飽和單軸抗壓強(qiáng)度在3.2～13.6 MPa之間，沙特礁灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度平均值約4.3 MPa，均為軟質(zhì)巖石。

圖7 珊瑚礁灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度

三軸剪切試驗(yàn)過程中，由于其表面空洞較多造成試件表面凹凸不平，應(yīng)變片難以處治，多次爆膜，因此本次試驗(yàn)僅獲得一個(gè)試樣的多級加壓試驗(yàn)的強(qiáng)度結(jié)果。本次三軸試驗(yàn)，采用低速率加圍壓和軸壓，先施加接觸壓力，在接觸壓力施加到約2 kN（約1 MPa），為防止軸壓下破裂，馬上同時(shí)開啟軸壓和圍壓，施加速率均為0.2 MPa/s，其中第一級圍壓設(shè)定為5 MPa。軸壓施加前的破壞準(zhǔn)則選擇為10 %的軸壓損失判定為試樣破壞。試驗(yàn)過程中緊密觀察軸壓情況，發(fā)現(xiàn)軸壓在5 MPa圍壓下趨于平直走勢時(shí)（軸壓48 kN，約24 MPa），馬上提升圍壓，進(jìn)入下一級圍壓8 MPa，加載速率同樣為0.2 MPa/s。試樣在軸壓達(dá)到86 kN（約43 MPa）時(shí)，軸壓突然掉落超過10 %，剪切自動(dòng)停止，卸載圍壓。

5 結(jié) 語

1）珊瑚礁地層是造珊瑚礁石群體及其遺骸為主體構(gòu)成的巖土體，主要礦物成分為文石和鎂方解石，具有多孔隙性、脆性等特點(diǎn)，其工程性質(zhì)與其它巖土體具有較大的差異。

2）珊瑚碎屑砂礫層密度比石英砂小，但其比重比石英砂大，顆粒比重值普遍為2.79～2.80，而標(biāo)準(zhǔn)石英砂顆粒比重才2.63，這是由于珊瑚碎屑孔孔隙性造成的。

3）珊瑚碎屑砂礫的滑動(dòng)摩擦強(qiáng)度和咬合摩擦強(qiáng)度均比石英砂大，本區(qū)域珊瑚碎屑砂水上天然坡角為 37°～42°，水下天然休坡角為 32°～38°；三軸固結(jié)排水剪試驗(yàn)結(jié)果則顯示，鉆孔內(nèi)的珊瑚碎屑層內(nèi)摩擦角約41°。

4）研究區(qū)珊瑚碎屑砂層，一維壓縮的壓縮指數(shù)為0.12～0.2，一維壓縮變形在超過1 000 kPa高壓后，其級配對變形影響變小，珊瑚碎屑砂總體變形較常規(guī)石英砂大。

5）研究區(qū)珊瑚礁灰?guī)r空隙大，裂隙多，其顆粒比重反而比珊瑚碎屑砂層普遍低，約為2.6～2.7，礁灰?guī)r飽和密度 2.17～2.4 g/cm3，干密度 1.86～2.22 g/cm3，孔隙率 17.6 %～31.5 %，吸水率2.4 %～13.7 %，剪切波速和縱波波速均較小。

6）研究區(qū)珊瑚礁灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度分布范圍為2～15 MPa，由于各巖芯樣孔洞發(fā)育情況不一而呈現(xiàn)較為離散的狀態(tài)；根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，飽和及天然單軸抗壓強(qiáng)度平均約 5 MPa，干燥單軸抗壓強(qiáng)度約8 MPa，大多數(shù)都未超過15 MPa，單軸抗壓強(qiáng)度不高，三軸試驗(yàn)強(qiáng)度結(jié)果也顯示，珊瑚礁灰?guī)r強(qiáng)度較低，在圍壓5 MPa情況下，峰值強(qiáng)度約24 MPa，圍壓8 MPa情況下，峰值強(qiáng)度約43 MPa。