熱帶島礁珊瑚礁地層工程性質研究

梁文成，唐群艷

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，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，中下部經歷生物作用和地質作用后成為礁灰巖。

珊瑚礁地層屬生物沉積地層，具有多空隙、脆性等特點，屬鈣質特殊性巖土，其工程性質與普通巖土存在較大差異，目前國內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行鉆探、取樣進行室內試驗以及標準貫入試驗、動力觸探試驗、波速測試等手段獲取的數據，綜合研究珊瑚礁地層的工程性質。

1 地貌特征及地層分布規律

研究區域的地貌單元主要為灰沙礁、礁坪、點礁、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；下部為珊瑚礁灰巖。總體而言珊瑚碎屑層厚度較小，約5～12 m，珊瑚礁灰巖厚度大，本次研究未鉆穿珊瑚礁灰巖，珊瑚碎屑層和珊瑚礁灰巖層中零星分布有大小不一的空洞。典型地層分布規律如圖1所示。

圖1 研究區域典型地層剖面

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，對上碎屑土進行了化學成分分析，其主要化學成分為碳酸鈣，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

3.1 珊瑚碎屑砂礫物理性質分析

1）顆粒組成

本次研究對取得的珊瑚碎屑層樣品進行了顆粒分析試驗，試驗結果顯示，研究區域內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的大顆粒珊瑚膠結體含量較高。

圖2 珊瑚碎屑層顆分曲線

2）密度和比重

根據試驗成果，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行換算。因此，對于珊瑚碎屑層，比重大小會直接影響孔隙比的測定準確性，進而影響其相應變形指標的分析推算。

以往海外項目中看到的勘察成果中曾出現過2.42 g/cm3的低值（如東帝汶區域的珊瑚碎屑砂），查閱了相關文獻，Coop（2003）曾做過大量珊瑚碎屑砂的試驗，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。結果顯示，其值都很穩定地分布在2.78～2.81的比重范圍。為確定試驗過程的準確性，還特別采用標準石英砂參與了同批次的試驗，試驗結果顯示，標準石英砂的比重為2.63，可見試驗過程的可靠性是有保證的。比重分布如圖3所示。在某些項目中出現 2.42 g/cm3的低值應該不符合常規，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致的整體比重測試結果過低的情況。

由密實試驗和比重試驗成果得知，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 珊瑚碎屑砂礫力學性質分析

1）剪切強度特性分析

對珊瑚碎屑砂層進行了水上水下自然休止角試驗，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度特性，進行了三軸固結排水試驗。考慮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行試驗。

試樣采用擾動樣，根據現場一個取樣筒內的級配情況，模擬制備而成。為滿足試驗尺寸要求，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粒徑進行補足，以盡量模擬原位碎屑砂級配情況。

圖4 珊瑚碎屑層土樣應力應變曲線

圖5 珊瑚碎屑層土樣摩爾圓

三軸試驗成果顯示，三軸固結排水剪切內摩擦角為 41°，摩爾圓得出的強度線的線性簡化，使得三軸固結排水剪的 Cd值顯示偏大。其中圍壓加到600 kPa的試樣，在達到峰值后，偏應力出現了急劇下滑（圖4），是因為試樣鋒利的邊角在剪切過程中扎破了三軸橡膠膜，導致試件破膜漏水了。

由三軸試驗成果可知，同樣相對密實度條件下，珊瑚碎屑砂的剪切強度比石英砂的剪切強度大。國內外學者認為，粒狀土的摩擦強度由滑動摩擦強度、干擾重排摩擦強度、剪脹摩擦強度夠成，而干擾重排摩擦強度和剪脹摩擦強度組合則為咬合摩擦強度；其中滑動摩擦強度主導著粒狀土的摩擦強度。滑動摩擦強度與礦物成分有關，珊瑚砂的礦物成分主要為文石和方解石，其滑動摩擦強度比石英大[4]；此外，由于珊瑚碎屑顆粒形狀不規則，其咬合摩擦強度比石英砂大。由此可見珊瑚碎屑砂的剪切強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，且在高壓力下易產生顆粒破碎，因此其變形通常比常規石英砂大。

為研究珊瑚碎屑砂的變形特性，對珊瑚碎屑砂進行了一維壓縮試驗，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，根據原擾動樣的級配情況，對大于5 mm部分的試樣，以2～5 mm粒組樣替代摻入，進行一維壓縮試驗。

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

圖6 珊瑚碎屑砂礫壓縮曲線

表1 一維壓縮試驗壓縮指數

3）顆粒破碎分析

從三軸壓縮試驗曲線來看（圖4），高圍壓的情況下應力應變曲線有明顯拐點，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砂存在顆粒破碎現象[5]；王剛在研究中表面鈣質砂在循環三軸試驗中產生顯著的顆粒破碎[6]。

從一維壓縮曲線情況來看，珊瑚砂的e-logp曲線呈現跟粘性土類似的性質，普遍存在較為明顯的變形拐點，有類似前期固結壓力存在的情況。推測此即為顆粒破碎的結果呈現。當珊瑚鈣質砂在較高壓力下（約1 000 kPa）破碎之后，各種級配的土樣壓縮指數趨向相同。級配在超過一定壓力之后，對變形的影響會變小。此外，對單向有側限壓縮試驗后的顆粒進行分析，對比試驗之前的結果，顯示結果見表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減少現象，小于0.075 mm的細顆粒含量基本都有增加，對于0.5～2 mm的粒徑組，也普遍呈現增加狀態。

綜上所述，珊瑚碎屑在較小的應力下顆粒基本不產生顆粒破碎，在較大的應力下，存在顆粒破碎的現象，在循環荷載下顆粒破碎尤為顯著。

4 礁灰巖工程性質

4.1 礁灰巖物理性質分析

為研究珊瑚礁灰巖的常規物理性質，進行了比重試驗、干密度和飽和密度測試，礁灰巖飽和密度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 %。對礁灰巖試樣采用磨粉法和沉水法分別進行比重試驗，兩種試驗結果顯示結果基本無差異，試驗成果在2.69～2.70之間。

此外，對珊瑚礁灰巖進行了原位波速測試并在室內測試巖塊波速。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；由此可知研究區域內珊瑚礁灰巖巖體完整性指數在 0.56～0.91之間，平均為0.70，即巖體較完整～完整。但由于珊瑚礁灰巖具多孔隙性，且孔隙發育具不均衡性，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 礁灰巖力學性質分析

本次研究對珊瑚礁灰巖進行單軸抗壓強度試驗和三軸剪切試驗。單軸抗壓強度試驗過程中，會首先出現微裂隙的破壞，試驗過程中可以明顯聽到破裂的聲音，但有時峰值強度并未在小裂隙時達到，后續仍有可能達到更大的單軸抗壓強度峰值；可見礁灰巖孔隙較多。單軸抗壓強度試驗結果如圖7，單軸抗壓強度離散性較大，分布范圍為 2～15 MPa，飽和狀態和天然狀態強度平均約5 MPa，干燥狀態強度平均約8 MPa，由此可見珊瑚礁灰巖屬軟質巖石，泡水有一定的軟化。筆者也總結了紅海兩岸礁灰巖的單軸抗壓強度，蘇丹沿海的礁灰巖天然和飽和單軸抗壓強度在3.2～13.6 MPa之間，沙特礁灰巖單軸抗壓強度平均值約4.3 MPa，均為軟質巖石。

圖7 珊瑚礁灰巖單軸抗壓強度

三軸剪切試驗過程中，由于其表面空洞較多造成試件表面凹凸不平，應變片難以處治，多次爆膜，因此本次試驗僅獲得一個試樣的多級加壓試驗的強度結果。本次三軸試驗，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，其中第一級圍壓設定為5 MPa。軸壓施加前的破壞準則選擇為10 %的軸壓損失判定為試樣破壞。試驗過程中緊密觀察軸壓情況，發現軸壓在5 MPa圍壓下趨于平直走勢時（軸壓48 kN，約24 MPa），馬上提升圍壓，進入下一級圍壓8 MPa，加載速率同樣為0.2 MPa/s。試樣在軸壓達到86 kN（約43 MPa）時，軸壓突然掉落超過10 %，剪切自動停止，卸載圍壓。

5 結 語

1）珊瑚礁地層是造珊瑚礁石群體及其遺骸為主體構成的巖土體，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，其工程性質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，而標準石英砂顆粒比重才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摩擦強度和咬合摩擦強度均比石英砂大，本區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°；三軸固結排水剪試驗結果則顯示，鉆孔內的珊瑚碎屑層內摩擦角約41°。

4）研究區珊瑚碎屑砂層，一維壓縮的壓縮指數為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石英砂大。

5）研究區珊瑚礁灰巖空隙大，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，礁灰巖飽和密度 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）研究區珊瑚礁灰巖單軸抗壓強度分布范圍為2～15 MPa，由于各巖芯樣孔洞發育情況不一而呈現較為離散的狀態；根據統計結果，飽和及天然單軸抗壓強度平均約 5 MPa，干燥單軸抗壓強度約8 MPa，大多數都未超過15 MPa，單軸抗壓強度不高，三軸試驗強度結果也顯示，珊瑚礁灰巖強度較低，在圍壓5 MPa情況下，峰值強度約24 MPa，圍壓8 MPa情況下，峰值強度約43 MPa。