馬爾代夫珊瑚礁巖土工程特性研究

2018-05-30 09:14:29肖向陽彭登峰

鐵道勘察 2018年2期

肖向陽張榮彭登峰

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢 430056)

新生代時期，造礁石珊瑚繁生，附著在硬質淺海海底，逐漸發育成珊瑚礁，經過長期的生物化學及物理化學作用后形成礁灰巖，其沉積年代新，大多屬于現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],其與常規巖土體之間具有較大差別，是一種具有特殊工程性質的巖土體[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進行試驗和相關評價，以探討珊瑚礁灰巖的工程性質，為進一步的研究和工程建設提供參考。

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，往下為固結的礁灰巖。松散砂礫層主要為鈣質砂，由造礁珊瑚及其他海洋鈣質生物碎屑組成，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]。多孔隙的生物結構以及遠低于陸源石英砂的硬度，都使碳酸鹽質的碎屑顆粒更容易破碎[9]。

勘探揭示，研究場區100 m范圍內，表層分布有一層厚度較薄的礁灰巖硬殼；其下為珊瑚礫砂混礫塊層，一般呈粗礫砂狀-角礫狀，結構疏松，標貫擊數較小；往下的地層強度較大，巖芯多呈塊狀和圓柱狀，根據其動力觸探擊數和巖芯完整程度，可依次定名為弱膠結珊瑚礁灰巖、中等膠結珊瑚礁灰巖、強膠結珊瑚礁灰巖。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)層及珊瑚礁灰巖膠結層。即地層呈現出較有規律的多個旋回堆積，膠結礁灰巖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 礁灰巖孔隙及空洞

珊瑚礁灰巖成巖作用復雜，因其成巖作用弱、膠結物質特殊及主要成分為生物骨架三因素疊加，導致礁灰巖具有較高的孔隙率。從取出巖芯可以看到，孔壁上有較多孔隙和坑洞(見圖1)，后經浪蝕作用易形成溝槽、空洞等。珊瑚礁灰巖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，進一步形成規模大小不均的礁灰巖空洞。空洞規模大小不一，洞徑從數厘米至數米均有分布。

研究場區內，通過鉆探手段，發現在某主橋墩范圍內，其垂直方向發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，在現場實施了跨孔CT測試，波速分布結果見圖2。

圖1 礁灰巖孔隙及孔洞

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，經黃色、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，其波速為1 400～1 600 m/s，而海水的波速為1 450 m/s左右，故判定此低速區為空洞區，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。

綜合鉆探和跨孔CT孔內測試結果，可以證實在該橋墩處，礁灰巖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；空洞內無充填物。

礁灰巖空洞對工程建設將產生不利影響，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，以確保樁基礎的成樁質量。

3 礁灰巖波速特性

礁灰巖的結構、成份、巖性及膠結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系：孔隙率小，礁灰巖致密，彈性波傳播速度大;孔隙率大，礁灰巖松散，彈性波傳播速度小。

分別對干燥狀態和飽和狀態的部分礁灰巖試樣進行相關試驗，測試結果如表2。珊瑚礁灰巖的天然含水率為13%～20%，干燥密度為1.43～2.27 g/cm3，飽和密度為1.81～2.61 g/cm3。與常見灰巖相比，礁灰巖的密度明顯偏小；平均天然縱波波速為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 礁灰巖波速測試結果

礁灰巖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系。孔隙率可通過巖樣的飽和質量、干燥質量、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為飽和試樣質量，md為干燥試樣質量，V為試樣總體積，Vv為試樣中孔隙體積。

通過式(1)、式(2)計算得到礁灰巖的孔隙率(見表3)。可知礁灰巖的孔隙率為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。

根據試驗測試得到的孔隙率和縱波波速數據，可建立礁灰巖孔隙率和巖體縱波波速間的關系(見圖3)。

表3 礁灰巖的孔隙率和干燥波速

由圖3可知，礁灰巖孔隙率和巖體縱波波速兩者呈負相關關系：礁灰巖孔隙率越大，縱波波速越小。將二者進行擬合處理，可得到礁灰巖孔隙率n和巖體縱波波速Vp之間的擬合關系式

Vp=-5 528.3n+5 018.8

擬合關系式的相關系數為R2=0.882，具有較高的可靠度。

圖3 礁灰巖縱波波速與孔隙率關系

4 礁灰巖基本力學性質

強度和應力-應變關系是巖石最重要的力學性質之一。巖石的強度和變形既是判定巖石工程穩定性的重要判據，也是進行數值計算的基礎數據[10]。

4.1 單軸抗壓強度

對經過干燥和飽和處理后的礁灰巖試樣進行單軸抗壓強度測試，測試結果見表4。

表4 礁灰巖單軸抗壓強度測試結果

由表4可知，礁灰巖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均遠低于一般的石灰巖，這與礁灰巖的疏松生物格架結構，且具有多孔隙和溶蝕孔洞極度發育的結構特征相符合。

根據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]。礁灰巖的破壞形式與其他巖石也有著本質的區別：礁灰巖屬于拉張破壞，與其他巖石沿著最大剪應力面發生剪切破壞不同，而是沿著礁灰巖最脆弱的生長線部位發生拉張破壞，并伴有局部的摩擦印痕，形成多個碎條狀巖塊(見圖4)。

圖4 礁灰巖破壞形態

4.2 抗拉強度

將地質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，測試礁灰巖在干燥和飽和兩種狀態下的抗拉強度。

由抗拉試驗測試可知，礁灰巖在飽和狀態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。在兩種不同狀態下，飽和礁灰巖的抗拉強度略有降低，但差別并不明顯。由此說明，珊瑚礁灰巖具有較弱的軟化性，這與礁灰巖主要由質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

巖體的剪切強度可通過黏聚力c和內摩擦角φ兩個參數表示。利用礁灰巖單軸抗拉強度σt和單軸抗壓強度σc兩個參數值，根據摩爾-庫倫包絡線按直線推算的計算式(3)、式(4)，可估算礁灰巖強度參數黏聚力c和內摩擦角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：干燥礁灰巖的黏聚力c=1.86 MPa，內摩擦角φ=38.4°；飽和礁灰巖的黏聚力c=1.61 MPa，內摩擦角φ=33.7°，兩者相差不大。

5 自平衡法確定礁灰巖承載力特性

5.1 單樁豎向抗壓極限承載力確定

根據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，由于沒有類似工程經驗，按巖石系數取值，取γ=1.0。

根據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極限承載力計算結果如表5所示。

表5 試樁抗壓極限承載力計算結果

5.2 摩阻力的確定

各土層樁側摩阻力qs可根據下式求得

(6)

式中，qs為樁側各土層的摩阻力/(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摩阻力，并與地勘資料提供的參數作對比(見表6)。

由表6可知，下段樁側摩阻力發揮充分，中段樁體相對于土層向上移動，使樁周土層產生疏松擾動，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，地質勘察提供的極限側阻力標準值為80 kPa，土性相對較差；由于樁土相對位移值較大(41.71 mm)，側阻力發揮充分(實測達到465 kPa)；在中上段所處地層中，提供的極限側阻力標準值可達150 kPa，土層土性相對較好；雖然樁土相對位移僅為7.51 mm，但是實測側阻力值達到962 kPa。在整個試樁范圍內，地質勘察提供的極限側阻力標準值與現場實測側阻力相差可達5～7倍。其主要原因為珊瑚礁灰巖整體強度具有較大的結構性，鉆探過程對礁灰巖地層存在較大的擾動影響，使其試驗所得力學性質嚴重降低。