西沙群島珊瑚礁灰巖物理力學特性試驗研究

楊永康， 丁學武， 馮春燕， 徐新星

(1. 海南有色工程勘察設計院，海南 海口 570100; 2.廣州大學 土木工程學院， 廣東 廣州 510006)

西沙群島珊瑚礁灰巖物理力學特性試驗研究

楊永康1， 丁學武1， 馮春燕1， 徐新星2

(1. 海南有色工程勘察設計院，海南 海口 570100; 2.廣州大學 土木工程學院， 廣東 廣州 510006)

珊瑚礁灰巖是一種特殊的巖土類型，由于其物質組成、結構和發育環境的特殊性，導致其具有獨特的物理力學特性.文章通過對西沙群島珊瑚礁灰巖的室內物理力學特性展開試驗，設定試驗流程，分析珊瑚礁灰巖的縱波波速試驗、密度試驗、孔隙率試驗及單軸抗壓強度試驗等結果，采用回歸分析方法，提出珊瑚礁灰巖巖塊密度ρ與縱波波速VP、孔隙率n與干燥波速VP以及單軸抗壓強度R與巖塊縱波波速VP的回歸方程.

西沙群島； 珊瑚礁灰巖； 縱波波速試驗； 單軸抗壓強度試驗； 孔隙率

珊瑚礁在巖石學上統稱為礁灰巖，礁灰巖是造礁石珊瑚群體死亡后其遺骸經過漫長的地質作用后形成的[1-5].珊瑚死后仍留在海底原地，叢生的珊瑚群體死后其遺骸構成的巖體，堆積在死前原生長地稱為原生礁；死或活的珊瑚被波浪破壞后，其殘肢和各種附礁生物貝類及藻類的遺骸堆積膠結在一起構成次生礁.原生礁和次生礁構成了水中珊瑚礁灰巖地質體[6-9].

南海西沙群島的絕大多數島嶼都是由珊瑚礁構成的，隨著南海石油天然氣資源、漁業資源的開發和國防建設的進行，迫切需要建設大型的珊瑚島礁工程.而珊瑚礁灰巖有著獨特的工程力學性質，對珊瑚礁灰巖的力學特性研究，可為珊瑚礁工程的布局、規劃和設計提供科學數據.

為研究珊瑚礁的工程力學性質，2013年6月～10月期間，在西沙群島的5個漁民集中居住的島礁進行了22個50 m鉆孔鉆探工作，現場選取塊徑大、結構完整性好的珊瑚礁灰巖樣品進行室內力學試驗研究.

1 試驗概況

1.1 試驗流程

在本次島礁鉆探試驗中，共采取了379件珊瑚礁灰巖巖樣.由于珊瑚礁灰巖具有疏松多孔、質脆易碎等特點，導致在采取、運輸和制備過程中容易產生缺陷，從5個島礁鉆孔中現場取回的379件巖樣中，選取了其中167件珊瑚礁灰巖進行其物理力學性質試驗，其試驗流程見圖1.

圖1 珊瑚礁灰巖物理力學性質試驗流程圖

1.2 巖樣制備

根據規范《工程巖體試驗方法標準》(GB/T50266-2013)[10]的相關要求，采用鉆孔巖芯制備試件，把巖芯切割成直徑為50 mm、高為100 mm的圓柱體，此時試件內應力分布較均勻，易處于彈性穩定狀態.試件2端面不平行度誤差小于0.05 mm，沿試件高度直徑的誤差小于0.3 mm，端面垂直于試件軸線，偏差小于0.25°.

2 珊瑚礁灰巖物理特性

2.1 縱波波速試驗

珊瑚礁灰巖是比較復雜的非均質各向異性體，其物理力學性質差異較大，生物組分、成巖程度、非均勻性、孔隙類型、裂隙的發育等因素對礁灰巖物理力學試驗結果的影響較大.為能較合理地分析比較不同的室內測試方法所得結果，減少對比、統計過程中的離散性，可根據巖石的縱波波速大小對試件進行分組，在各組再選擇其它室內試驗項目，進而對試驗結果進行對比、統計、分析，以達到確定其最佳估值的目的.

在制備完試樣后，對167件珊瑚礁灰巖樣品均進行了天然狀態下的縱波波速測試.在試驗的基礎上，對樣品中的99件巖樣進行干燥處理(其中的36件樣品先進行干燥處理及測試干燥波速，用于估算巖樣的孔隙率)，68件進行飽和處理，以測試干燥和飽和狀態下珊瑚礁灰巖的力學性質.根據測試成果，按縱波波速VP<3 000 m·s-1、3 000 m·s-1≤VP<3 500 m·s-1、3 500 m·s-1≤VP<4 000 m·s-1和VP≥4 000 m·s-1把干燥和飽和狀態下珊瑚礁灰巖分別分為4組，干燥、飽和縱波試驗結果見表1，部分巖樣的天然、干燥、飽和狀態的縱波波速對比見表2.

表1 珊瑚礁灰巖干燥、飽和狀態縱波波速結果統計表

由試驗結果可知：

(1)珊瑚礁灰巖在天然、干燥和飽和狀態下的縱波波速分別在2 311～4 230 m·s-1、2 530～4 167 m·s-1、2 352～4 190 m·s-1之間.

(2)受結構面和孔隙水的影響，天然狀態的縱波波速比干燥狀態的大，飽和狀態的縱波波速比天然狀態的大.這是由于聲波在不同介質中傳播速度不一樣，在水中的傳播速度比在空氣中的傳播速度快，而珊瑚礁灰巖的孔隙較多，水充填了巖塊的孔隙后使其波速增大.

2.2 密度試驗

在把珊瑚礁灰巖試樣按縱波波速分組的基礎上，對樣品中的99件經干燥處理的巖樣進行干燥密度試驗，對68件經飽和處理的巖樣進行飽和密度試驗，其中36件用作孔隙率試驗的巖樣進行干燥和飽和密度試驗.試驗結果表明，天然狀態、干燥狀態和飽和狀態下珊瑚礁灰巖的密度分別在1.12～3.08 g·cm-3、1.11～2.92 g·cm-3、1.12～3.07 g·cm-3之間.部分巖樣天然狀態的密度比飽和狀態的密度大，是由于在飽和過程中有部分碎屑脫落，導致稱得的飽和質量減少.

2.3 孔隙率試驗

由于珊瑚礁灰巖的孔洞、凹槽較多，這種特性對其物理力學性質影響較大.在此背景下，在天然狀態下的縱波波速測試后，按波速分為1～4組，分別選取7件、16件、10件和3件巖樣(共36件)，先進行烘干，稱得干燥質量md，再進行飽和處理，測出飽和質量mw，假設巖樣無密閉孔隙，且在飽和過程中全部被水填滿，則孔隙率n可按式(1)計算.

(1)

式中，Vv為孔隙體積，V為巖樣體積，ρw為水的密度.

表2 部分巖樣的天然、干燥和飽和狀態縱波波速對比表

Table 2 Parts of wave test on coral reefs calcareous rock in native, dry and saturation state

(m·s-1)

從孔隙率計算結果可知，珊瑚礁灰巖的孔隙率n在5.81%～36.33%之間，隨著縱波波速增加，孔隙率呈減少的趨勢.

2.4 縱波波速VP與密度ρ的關系

由于珊瑚礁灰巖巖塊存在較多孔隙、裂隙，為研究珊瑚礁灰巖的致密程度對其縱波波速的影響，在干燥狀態和飽和狀態縱波波速試驗前，采用量積法分別進行了干燥、飽和狀態下的珊瑚礁灰巖巖樣的密度試驗.結合試驗數據，利用最小二乘法分別建立了干燥、飽和狀態下的珊瑚礁灰巖密度ρ與縱波波速VP之間的回歸方程.

干燥巖塊密度ρd與縱波波速VP之間的回歸方程見式(2),相關曲線見圖2.

ρd=0.697 1e2.915 2×10-4×VP(n=63，R2=0.816 5)

(2)

圖2 干燥巖塊密度ρd與縱波波速VP關系圖

Fig.2 Relationship between densityρdand waveVPof calcareous rock in dry state

飽和巖塊密度ρsat與縱波波速VP之間的回歸方程見式(3)，相關曲線見圖3.

ρsat=1.007 2e2.042 7×10-4×VP(n=68，R2=0.571 4)

(3)

圖3 飽和巖塊密度ρsat與縱波波速VP關系圖

Fig.3 Relationship between densityρsatand waveVPof calcareous rock in saturation state

上述研究結果表明，在干燥狀態下巖塊密度ρd與縱波波速VP相關性好，礁灰巖密度越大，其彈性波波速越大.而飽和狀態下巖塊密度ρsat與縱波波速VP相關性稍差，是由于礁灰巖結構疏松多孔，且珊瑚骨骼中不同程度地填充有珊瑚碎屑，部分碎屑與珊瑚骨骼膠結得不緊密，在浸水飽和過程中，與珊瑚骨骼膠結得不緊密的碎屑會脫落，使稱量出的飽和質量減少.然而，每個巖樣根據其膠結緊密程度不同，脫落的碎屑質量也不一致，從而導致統計結果離散性增大.

2.5 縱波波速VP與孔隙率n的關系

由珊瑚礁形成的過程可知，礁灰巖是由珊瑚、各種附礁生物貝類及藻類的遺骸等在鈣質膠結物的膠結作用下形成的，在膠結的過程中，珊瑚骨骼間被珊瑚碎屑、生物碎屑填充，但存在大量孔隙未被填實.由于孔隙的存在，影響了礁灰巖的縱波波速，也降低了巖塊的抗壓強度.

結合孔隙率計算結果以及干燥波速測試結果，建立孔隙率n與干燥波速VP的關系式(4)(統計過程中剔除了6個異常點)，其相關曲線見圖4.

圖4 干燥巖塊縱波波速VP與孔隙比n關系圖

Fig.4 Relationship between waveVPand porositynof calcareous rock in dry state

(n=30，R2=0.856 1)

(4)

3 珊瑚礁灰巖力學特性

3.1 單軸抗壓強度試驗

單軸抗壓強度是劃分巖石的堅硬程度、研究其力學性質的重要指標，是開挖分級、確定可鉆性等的重要依據.為研究珊瑚礁灰巖的強度特性，對5個島礁的131個巖樣進行單軸抗壓強度試驗，在礁灰巖巖樣按縱波波速分成1～4組的基礎上，對經干燥處理的63個巖樣以及經飽和處理的68個巖樣分別進行單軸干燥抗壓強度試驗和單軸飽和抗壓強度試驗.干燥、飽和狀態的單軸抗壓強度匯總表見表3.

表3 珊瑚礁灰巖干燥、飽和狀態的單軸抗壓強度匯總表

由試驗結果可知，珊瑚礁灰巖的單軸干燥抗壓強度在1.82～27.42 MPa之間，平均為9.15 MPa，單軸飽和抗壓強度在0.86～18.94 MPa之間，平均為7.30 MPa.經計算，珊瑚礁灰巖的平均軟化系數在0.69～0.91之間.

3.2 單軸抗壓強度R與縱波波速VP的關系

聲波測試和強度試驗都是了解巖石力學特性的重要手段.由以上分析可知，隨著珊瑚礁灰巖孔隙率的增加，縱波波速急劇減少，與此同時，礁灰巖的抗壓強度也隨孔隙率的增加而減少.因此，礁灰巖的聲波特性與強度之間也必然存在一種聯系.根據珊瑚礁灰巖干燥狀態和飽和狀態下的縱波波速試驗及單軸抗壓強度試驗結果，將實驗樣本按干燥狀態和飽和狀態分類，并進行擬合分析.

單軸干燥抗壓強度Rd與干燥巖塊縱波波速VP之間的回歸方程見式(5),相關曲線見圖5.

Rd=7.138 4×10-2×e1.376 6×10-3×VP

(n=48，R2=0.831 6)

(5)

圖5 單軸干燥抗壓強度Rd與干燥巖塊縱波波速VP關系圖

Fig.5 Relationship between uniaxial compressive strengthRdand waveVPof calcareous rock in dry state

單軸飽和抗壓強度Rw與飽和巖塊縱波波速VP之間的回歸方程見式(6)，相關曲線見圖6.

Rw=6.776 1×10-2×e1.331 4×10-3×VP

(n=60，R2=0.825 4)

(6)

圖6 單軸飽和抗壓強度Rw與飽和巖塊縱波波速VP關系圖

Fig.6 Relationship between uniaxial compressive strengthRwand waveVPof calcareous rock in dry state

由試驗結果可知，在干燥狀態和飽和狀態下，珊瑚礁灰巖的單軸抗壓強度R與縱波波速VP均呈指數關系，統計的關聯程度較高.擬合結果反映了珊瑚礁灰巖的物理與力學性質是相關聯的，巖塊隨著縱波波速的增大，其單軸抗壓強度增長速率較快.由于巖石單軸抗壓強度試驗是破壞性且不可逆的，而縱波波速試驗具有無損性，并且可以重復進行，擬合結果可在特殊條件或要求下，根據縱波波速結果來估算其單軸抗壓強度.

4 結 論

通過對西沙群島珊瑚礁灰巖的物理力學特性進行研究，得出以下結論：

(1)受結構面和孔隙水的影響，天然狀態的縱波波速比干燥狀態的大，飽和狀態的縱波波速比天然狀態的大，是由于聲波在不同的介質中傳播的速度不一樣，在水中的傳播速度比在空氣中傳播速度快，而珊瑚礁灰巖的孔隙較多，水充填了巖塊的孔隙后使其波速增大.

(2)在干燥狀態下巖塊密度ρd與縱波波速VP相關性好，礁灰巖密度越大，其彈性波波速越大.而飽和狀態下巖塊密度ρsat與縱波波速VP相關性稍差，是由于礁灰巖結構疏松多孔，且珊瑚骨骼中不同程度地填充有珊瑚碎屑，部分碎屑與珊瑚骨骼膠結得不緊密，在浸水飽和過程中，與珊瑚骨骼膠結得不緊密的碎屑會脫落，使稱量出的飽和質量減少，從而導致統計結果離散性增大.

(3)隨著礁灰巖的孔隙率n的增大，縱波波速減少速率較快.回歸分析是假設孔隙全部被水填滿，實際上巖樣孔隙未必全都是大開孔隙且相互連通，且飽和過程中，有部分碎屑脫落，導致計算得到的孔隙率比實際稍小.

(4)珊瑚礁灰巖的單軸抗壓強度R與縱波波速VP均呈指數關系，統計的關聯程度較高.

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【責任編輯： 孫向榮】

Experimental research on physics mechanics characteristics of coral reefs calcareous rock in Xisha Islands

YANGYong-kang1，DINGXue-wu1，FENGChun-yan1，XUXin-xing2

(1. Hainan Nonn-Ferrous Engineering Investigation and Design Institute, Haikou 570100, China;2. School of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

Coral reefs calcareous rock, being a special type of rock, has special physical and mechanical properties due to its composition, structure and sedimentary environment. Based on the physical and mechanical characteristics of coral reefs calcareous rock in Xisha Islands, testing process is set up, the results of wave test, density test, porosity test and uniaxial compressive strength test are analyzed, the regression analysis method is adopted, the regression equations of densityρand waveVP, porositynand waveVP, uniaxial compressive strengthRand waveVPof calcareous rock are put forward.

Xisha Islands; coral sand; bearing capacity characteristics; deformation characteristics; plate loading test

2016-06-30;

2016-09-12

楊永康(1986-)，男，工程師，碩士.E-mail：yangyongkang2005@126.com

1671- 4229(2016)05-0078-06

TU 43

A