珊瑚礁物理力學性質分析及工程應用

任世鋒，席文熙，曹中興

（中交水運規劃設計院有限公司，北京100007）

珊瑚礁物理力學性質分析及工程應用

任世鋒，席文熙，曹中興

（中交水運規劃設計院有限公司，北京100007）

為滿足生產和生活需要，人類對海洋空間的利用日益迫切，隨著海上工程活動日益增多，遇到許多與珊瑚礁相關的巖土問題。結合現場原位測試及室內巖土試驗，對巴哈馬北阿巴科港地區珊瑚礁的工程物理力學性質進行了總結分析。

珊瑚礁；物理力學性質；工程應用

珊瑚礁是中低緯度淺海區最常見的生物沉積巖之一，主要分布于南北回歸線之間的熱帶海洋中，總面積約28．43萬km2，其中印度洋—太平洋地區（包括紅海、印度洋、東南亞和太平洋）占91．9%的面積，大西洋和加勒比海約占全世界的7．6%。

隨著人類對珊瑚礁分布區域的開發建設活動越來越多，遇到了很多有關珊瑚礁的巖土工程問題，如該層強度、均勻性、承載力和開挖分級等。目前，國內尚無珊瑚礁類巖土相關的工程地質專著及規范。本文主要基于加勒比海地區工程實例，對珊瑚礁的物理力學性質進行分析，簡要介紹珊瑚礁的工程應用。

1 分類

根據珊瑚礁與岸線的關系，可分為岸礁、堡礁和環礁，根據礁體形態分為臺礁和點礁。岸礁和堡礁又通稱為近岸礁，環礁和臺礁通稱為大洋礁或遠洋礁。顧名思義，近岸礁靠近大陸的連緣，遠洋礁坐落于汪洋之中，點礁則是位于瀉湖內的小礁體（圖1～3）。

圖1 澳大利亞昆士蘭大堡礁（近岸礁）

圖2 努庫羅環礁（遠洋礁）

圖3 西印度群島點礁（點礁）

2 結構構造［1］

珊瑚礁是由造礁珊瑚骨骼沉積、膠結而成，其分布規律服從珊瑚生長規律，并與相應地質時代的自然環境有關。宏觀而言，珊瑚礁灰巖地層分布是比較有規律的［2］，呈較明顯的輪回建造、軟硬交替的特征，即造礁珊瑚經過一個階段生長后，由于環境變化等原因而死亡、風化，之后新的造礁珊瑚礁在其之上生長直至死亡、風化，如此循環堆積。

珊瑚礁復雜的立體結構派生出珊瑚礁巖特殊的孔隙結構特征，根據相關文獻［3］，珊瑚礁巖中的孔隙有4種類型：微孔隙、空隙、空穴、溶洞。微孔隙直徑小于1mm，主要有鈣質顆粒黏結后形成的孔隙，該孔隙多分布于細顆粒鈣質膠結形成的碳酸鹽質巖石中，巖石較為致密；空隙直徑在1～8mm之間，多分布于珊瑚礁灰巖中，呈管狀、放射狀、纖維狀分布，連通性很好；空穴直徑在5～15mm之間，多分布在珊瑚碎屑巖中，空穴無規則，無充填；溶洞主要分布于較深的珊瑚礁巖中，無規則，連通性一般。資料表明，珊瑚礁的溶洞大小不一，在空間上分布也不均勻。

珊瑚礁地層從上到下一般可分為生物碎屑砂礫層、次生礁、原生礁3個層次（圖4～5）。各層結構特點如下：

珊瑚碎屑土是由原生或次生珊瑚礁巖和珊瑚、貝殼殘骸等生物經風化作用或海水動力作用搬運堆積或殘積尚未膠結成巖的土，該層從上至下顆粒逐漸變細，從無膠結到弱膠結，呈松散—中密狀態。

次生礁巖也稱為現代“海灘巖”，是在原生礁巖的孔隙、凹穴溝槽中以及礁坪上充填和堆積珊瑚以及喜礁生物碎屑經過膠結壓密作用形成的礁體。巖石呈塊狀構造，多孔結構，局部呈蜂窩狀、樹枝狀結構，斷面可看到膠結特征。

原生礁巖是由珊瑚和一些珊瑚藻自然生長形成的，巖石呈多孔疏松結構或致密結構，塊狀構造，斷面呈白色。疏松結構的珊瑚礁巖斷面形似蓮藕，致密結構斷面形似微孔海綿，整體性強，可視為碎裂結構巖體。

圖4 典型珊瑚礁砂

圖5 典型珊瑚礁石

3 基本物理力學特性

珊瑚礁成層構造、多孔結構，后期的充填和溶蝕導致其軟硬、疏密不均勻，工程性質指標離散和變異性較大。

圖6為巴哈馬地區的典型地質剖面。根據勘察成果，在深度50m范圍內，主要巖層為珊瑚礁灰巖，自上而下可分為3個層次。

圖6 巴哈馬北阿巴科港典型地質剖面示意

3．1 天然密度

室內試驗測定了巴哈馬北阿巴科港區域內②1～②3層珊瑚礁灰巖的天然密度，范圍值為1．50～2．10g／cm3，密度分布不均。與一般石英砂及灰巖相比，具有天然密度小、孔隙率大的特征，該特征主要與其復雜的生長結構和膠結狀態有關。

3．2 標準貫入試驗擊數

珊瑚礁的多孔不均勻和軟硬交替成層特征，呈現出了標貫擊數的離散和在垂直方向的變化，各地層標貫試驗統計見表1。

表1 標貫試驗統計

3．3 單軸抗壓強度

單軸抗壓強度試驗結果表明（表2），珊瑚礁巖抗壓強度指標相對一般灰巖較小，且離散性較大，屬軟質巖石范疇。根據相關文獻，礁灰巖破壞形態屬拉張破壞，破裂面沿著珊瑚生長線形成，即珊瑚生長線是礁灰巖最脆弱的部位。礁灰巖破壞后仍具有較高的殘余強度，最高可達到峰值強度的61%，這與灰巖等脆性巖石破壞后強度完全喪失有別。礁灰巖破壞后強度是逐步降低的，這在工程設計中具有重要意義。

表2 珊瑚礁單軸抗壓強度值

3．4 抗剪強度

珊瑚礁具有硬而脆的特征，其抗剪強度參數跟成分、膠結和密實程度有關，因難以采取原狀樣品，抗剪強度的測試數據較少。表3列出了本工程所采用的抗剪強度參數。

表3 珊瑚礁巖體抗剪強度指標

3．5 滲透特性［4］

珊瑚礁的滲透性與孔隙和裂隙的發育程度及其連通性有關，為掌握場區珊瑚礁灰巖的滲透性，分別進行了現場和室內滲透試驗，結果如下：

3．5．1 鉆孔內試抽水情況

抽水試驗，通過抽水設備，在揭露含水層的鉆孔、豎井、民井、試坑中抽水，可以獲得一定的水位降低值（降深）和相應的流量，依據降深和流量，按不同的邊界條件采用相應的計算公式，確定含水層滲透性及了解相關水文地質條件的一種原位試驗方法。

滲透系數計算采用公式為：

式中：Q為涌水量（m3／d）；R為影響半徑（m）；r為抽水孔半徑（m）；H為含水層厚度（m）；S為水位降深（m）。

選擇場區內代表性鉆孔進行了簡易抽水試驗（利用已有水井及井上現有抽水設備，只有一次降深并保持動水位穩定2～4h的簡化的單井抽水試驗），抽水結果：采用額定功率22m3／h的水泵，試抽2h，水位降深0．38m，涌水量約9．02m3／h。試抽說明場區基巖裂隙水滲透性強、涌水量大。

3．5．2 室內滲透試驗

1）試驗原理。水在巖石中呈低流速層流運動時服從達西定律。據此可以通過試驗計算巖石的滲透系數。

2）滲透系數的測定。室內巖石滲透試驗的儀器和方法與土的滲透儀相類似，不過做試驗時采用的壓力差（水頭差）比做土的試驗要大得多。本次試驗巖樣取樣深度分布在0．39～12．22m之間，所處巖層產生的圍巖屬于小圍巖應力區，為更好地模擬現場實際情況，本次室內巖石滲透試驗施加的圍壓為0MPa，施加的軸向應力（荷載）也為0MPa，通過高壓泵提升巖樣進水口端的水頭，按照由低向高的壓力順序逐級進行，試驗過程中若巖樣破壞或壓力超過5．5MPa停止試驗。

3）試驗結果。試驗結果見表4。

3．5．3 滲透性評價

室內巖石滲透試驗結果：②1珊瑚礁灰巖層垂直向滲透系數（cm／s，下同）為1．52×10－5～2．55× 10－3、水平向滲透系數為1．73×10－5～1．17× 10－3，②3珊瑚礁灰巖層垂直向滲透系數為4．28× 10－7～5．05×10－6、水平向滲透系數為5．14×10－7～1．13×10－6。現場抽水試驗結果：采用額定功率22m3／h的水泵，試抽2h，水位降深0．38m，涌水量約9．02m3／h，滲透系數約1×10－3。

表4 巖石滲透系數

室內巖石試驗結果僅代表巖樣的滲透性，而實際巖體滲透性受控于巖體結構和構造，如孔隙和裂隙的發育程度及其連通性，而這種特征不能在巖樣的成分中體現，因此原位滲透試驗結果更能夠反映實際情況。因此，該項目珊瑚灰巖最終采納了現場滲透試驗成果。

4 工程應用

4．1 基礎持力層

珊瑚礁灰巖有一的定強度和厚度，可作為重力式基礎或樁基持力層使用，表5為本工程采用的承載力和樁基參數。

表5 珊瑚巖層承載力容許值及樁基參數［5］

4．2 地基處理

表層和上部的珊瑚礁碎屑土及礁灰巖均勻性和穩定性較差，若上部荷載較大，則不能滿足承載力和沉降變形穩定的要求，需進行相應的地基處理。不同類型構筑物基礎可根據其場地工程地質條件采用不同的地基處理措施。

考慮珊瑚礁及碎屑本身強度較高，但其孔隙率大、結構疏松，導致地基松散。地基處理的主要目的是提高密實度，可采用強夯、分層碾壓或振沖密實的方法，能滿足一般道路、機場、五層以下工民建的地基承載力及變形指標要求。若荷重較大，影響深度較深，可考慮采用水泥壓漿加固或鉆孔灌注樁的加固方法。

4．3 珊瑚礁可挖性及其作為填料的適宜性

珊瑚礁灰巖地層呈軟硬交替分布，總體而言屬開挖困難的地層。巴哈馬采用合適機械先絞碎后再進行開挖，取得了較好的成果，且絞碎后其管道輸送性較好。

綜合分析場區巖芯揭露情況、標貫試驗、抗壓試驗等，按照疏浚規范，珊瑚礁應參照巖石類分級。因此，②1珊瑚礁灰巖以碎塊狀、塊狀為主，局部短柱狀，定為12級；②2珊瑚礁灰巖以碎塊狀或散砂狀為主，可挖性介于碎石與巖石之間，定為10～11級；②3珊瑚礁灰巖以碎塊狀、塊狀為主，局部短柱狀、柱狀，定為12～13級。

珊瑚礁灰巖作為建筑材料，具有悠久的歷史，而其作為填料，在巴哈馬也廣泛應用于道路墊層。工程實踐證明，珊瑚礁灰巖作為填料的適宜性較好。但應注意的是，珊瑚礁巖土屬于碳酸鹽類巖土，其沉積物極易發生后期變化［6］。其巖土體中多孔隙和裂隙發育，在水動力條件長期作用下，發生溶解現象，水沿節理、裂縫和原生孔隙流動并將孔隙擴大，甚至產生溶洞，引起地基不均勻沉降、地基失穩。此外，在海浪的沖刷、淘蝕作用下也易引起建筑邊坡失穩等工程地質問題。有利的方面是，珊瑚砂有一定的自膠結作用性，回填后在上部荷載作用下，強度會隨著膠結作用增長，體現出珊瑚砂有一定的粘聚性，這一點有別于常規石英砂。在地下水位之上，可以呈陡壁開挖不塌。國外也有多個利用珊瑚砂［7］作為回填材料的成功案例，比如蘇丹港新集裝箱碼頭堆場、沙特RSGT集裝箱碼頭堆場均以珊瑚砂作為填筑材料，采用振動碾壓密實，可以達到預期的效果。

5 結語

1）珊瑚礁屬生物沉積巖，廣泛分布于中低緯度淺海區，呈現岸礁、環礁和點礁等不同形態，具有多孔結構、層狀構造。

2）珊瑚礁呈現硬而脆、疏密不均的特征，其天然密度1．50～2．10g／cm3，實測標貫擊數6擊～＞100擊；單軸飽和抗壓強度1．50～17．40MPa。

3）珊瑚礁具有較強的滲透性，其表層裂隙發育，滲透系數不低于1×10－3cm／s。

4）珊瑚礁表層和上部的均勻性和穩定性較差，可采用強夯、分層碾壓或振沖密實的方式進行地基處理。珊瑚礁下部強度較高、穩定性較好，可作為重力式基礎或樁基持力層使用。

5）珊瑚礁可作為堆場或道路的回填料使用，但應注意其屬于碳酸鹽類巖土，在一定水動力條件下可發生溶蝕現象。可采用先絞碎再開挖的方式進行開挖和疏浚，該層絞碎后適合管道輸送。

［1］嚴與平，柯有青．淺談珊瑚礁工程地質特性及地基處理［J］．資源環境與工程，2008（12）：47－49．

［2］梁文成．蘇丹珊瑚礁灰巖地區地質勘察總結［J］．水運工程，2009（7）：151－153．

［3］白曉宇，張明義，李明懷，等．珊瑚礁地基的工程性狀研究［J］．工程勘察，2010（11）：21－25．

［4］中華人民共和國發展與改革委員會．DL T5355—2006水電水利工程土工試驗規程［S］．北京：電力出版社，2006．

［5］《工程地質手冊》編委會．工程地質手冊［M］．4版．北京：中國建筑工業出版社：384－416，783－792．

［6］孫宗勛，趙煥庭．珊瑚礁工程地質學［J］．水文地質工程地質，1998（1）：1－4．

［7］劉漢文．珊瑚礁砂作回填地基材料的研究及利用［J］，西部探礦工程，1996（3）：1－3．

The Physical and Mechanical Properties Analysis and Engineering Application to Coral－reef

REN Shi－feng，etc．
（CCCC Water Transportation Consultants Co．，Ltd．，Beijing100007，China）

To meet the needs of the human production and human life，the use of marine space by human is becoming more and more urgent．With growing offshore engineering activities，many coral－reef related geotechnical problems are founded．In this paper，combined the in－site test and laboratory geotechnical test，the physical and mechanical properties of coral－reef in the Bahamas Abaco Island port area has been analyzed and summarized，and the results can be used as reference and guidance in the similar geotechnical problems．

coral－reef；physical and mechanical properties；engineering application

P642

A

1009－8984（2016）02－0081－05

10．3969／j．issn．1009－8984．2016．02．020

2016－03－10

任世峰（1981－），男（漢），河北，高級工程師主要研究巖土體物理力學性質。