珊瑚礁物理力学性质分析及工程应用

任世锋，席文熙，曹中兴

（中交水运规划设计院有限公司，北京100007）

珊瑚礁物理力学性质分析及工程应用

任世锋，席文熙，曹中兴

（中交水运规划设计院有限公司，北京100007）

为满足生产和生活需要，人类对海洋空间的利用日益迫切，随着海上工程活动日益增多，遇到许多与珊瑚礁相关的岩土问题。结合现场原位测试及室内岩土试验，对巴哈马北阿巴科港地区珊瑚礁的工程物理力学性质进行了总结分析。

珊瑚礁；物理力学性质；工程应用

珊瑚礁是中低纬度浅海区最常见的生物沉积岩之一，主要分布于南北回归线之间的热带海洋中，总面积约28．43万km2，其中印度洋—太平洋地区（包括红海、印度洋、东南亚和太平洋）占91．9%的面积，大西洋和加勒比海约占全世界的7．6%。

随着人类对珊瑚礁分布区域的开发建设活动越来越多，遇到了很多有关珊瑚礁的岩土工程问题，如该层强度、均匀性、承载力和开挖分级等。目前，国内尚无珊瑚礁类岩土相关的工程地质专著及规范。本文主要基于加勒比海地区工程实例，对珊瑚礁的物理力学性质进行分析，简要介绍珊瑚礁的工程应用。

1 分类

根据珊瑚礁与岸线的关系，可分为岸礁、堡礁和环礁，根据礁体形态分为台礁和点礁。岸礁和堡礁又通称为近岸礁，环礁和台礁通称为大洋礁或远洋礁。顾名思义，近岸礁靠近大陆的连缘，远洋礁坐落于汪洋之中，点礁则是位于泻湖内的小礁体（图1～3）。

图1 澳大利亚昆士兰大堡礁（近岸礁）

图2 努库罗环礁（远洋礁）

图3 西印度群岛点礁（点礁）

2 结构构造［1］

珊瑚礁是由造礁珊瑚骨骼沉积、胶结而成，其分布规律服从珊瑚生长规律，并与相应地质时代的自然环境有关。宏观而言，珊瑚礁灰岩地层分布是比较有规律的［2］，呈较明显的轮回建造、软硬交替的特征，即造礁珊瑚经过一个阶段生长后，由于环境变化等原因而死亡、风化，之后新的造礁珊瑚礁在其之上生长直至死亡、风化，如此循环堆积。

珊瑚礁复杂的立体结构派生出珊瑚礁岩特殊的孔隙结构特征，根据相关文献［3］，珊瑚礁岩中的孔隙有4种类型：微孔隙、空隙、空穴、溶洞。微孔隙直径小于1mm，主要有钙质颗粒黏结后形成的孔隙，该孔隙多分布于细颗粒钙质胶结形成的碳酸盐质岩石中，岩石较为致密；空隙直径在1～8mm之间，多分布于珊瑚礁灰岩中，呈管状、放射状、纤维状分布，连通性很好；空穴直径在5～15mm之间，多分布在珊瑚碎屑岩中，空穴无规则，无充填；溶洞主要分布于较深的珊瑚礁岩中，无规则，连通性一般。资料表明，珊瑚礁的溶洞大小不一，在空间上分布也不均匀。

珊瑚礁地层从上到下一般可分为生物碎屑砂砾层、次生礁、原生礁3个层次（图4～5）。各层结构特点如下：

珊瑚碎屑土是由原生或次生珊瑚礁岩和珊瑚、贝壳残骸等生物经风化作用或海水动力作用搬运堆积或残积尚未胶结成岩的土，该层从上至下颗粒逐渐变细，从无胶结到弱胶结，呈松散—中密状态。

次生礁岩也称为现代“海滩岩”，是在原生礁岩的孔隙、凹穴沟槽中以及礁坪上充填和堆积珊瑚以及喜礁生物碎屑经过胶结压密作用形成的礁体。岩石呈块状构造，多孔结构，局部呈蜂窝状、树枝状结构，断面可看到胶结特征。

原生礁岩是由珊瑚和一些珊瑚藻自然生长形成的，岩石呈多孔疏松结构或致密结构，块状构造，断面呈白色。疏松结构的珊瑚礁岩断面形似莲藕，致密结构断面形似微孔海绵，整体性强，可视为碎裂结构岩体。

图4 典型珊瑚礁砂

图5 典型珊瑚礁石

3 基本物理力学特性

珊瑚礁成层构造、多孔结构，后期的充填和溶蚀导致其软硬、疏密不均匀，工程性质指标离散和变异性较大。

图6为巴哈马地区的典型地质剖面。根据勘察成果，在深度50m范围内，主要岩层为珊瑚礁灰岩，自上而下可分为3个层次。

图6 巴哈马北阿巴科港典型地质剖面示意

3．1 天然密度

室内试验测定了巴哈马北阿巴科港区域内②1～②3层珊瑚礁灰岩的天然密度，范围值为1．50～2．10g／cm3，密度分布不均。与一般石英砂及灰岩相比，具有天然密度小、孔隙率大的特征，该特征主要与其复杂的生长结构和胶结状态有关。

3．2 标准贯入试验击数

珊瑚礁的多孔不均匀和软硬交替成层特征，呈现出了标贯击数的离散和在垂直方向的变化，各地层标贯试验统计见表1。

表1 标贯试验统计

3．3 单轴抗压强度

单轴抗压强度试验结果表明（表2），珊瑚礁岩抗压强度指标相对一般灰岩较小，且离散性较大，属软质岩石范畴。根据相关文献，礁灰岩破坏形态属拉张破坏，破裂面沿着珊瑚生长线形成，即珊瑚生长线是礁灰岩最脆弱的部位。礁灰岩破坏后仍具有较高的残余强度，最高可达到峰值强度的61%，这与灰岩等脆性岩石破坏后强度完全丧失有别。礁灰岩破坏后强度是逐步降低的，这在工程设计中具有重要意义。

表2 珊瑚礁单轴抗压强度值

3．4 抗剪强度

珊瑚礁具有硬而脆的特征，其抗剪强度参数跟成分、胶结和密实程度有关，因难以采取原状样品，抗剪强度的测试数据较少。表3列出了本工程所采用的抗剪强度参数。

表3 珊瑚礁岩体抗剪强度指标

3．5 渗透特性［4］

珊瑚礁的渗透性与孔隙和裂隙的发育程度及其连通性有关，为掌握场区珊瑚礁灰岩的渗透性，分别进行了现场和室内渗透试验，结果如下：

3．5．1 钻孔内试抽水情况

抽水试验，通过抽水设备，在揭露含水层的钻孔、竖井、民井、试坑中抽水，可以获得一定的水位降低值（降深）和相应的流量，依据降深和流量，按不同的边界条件采用相应的计算公式，确定含水层渗透性及了解相关水文地质条件的一种原位试验方法。

渗透系数计算采用公式为：

式中：Q为涌水量（m3／d）；R为影响半径（m）；r为抽水孔半径（m）；H为含水层厚度（m）；S为水位降深（m）。

选择场区内代表性钻孔进行了简易抽水试验（利用已有水井及井上现有抽水设备，只有一次降深并保持动水位稳定2～4h的简化的单井抽水试验），抽水结果：采用额定功率22m3／h的水泵，试抽2h，水位降深0．38m，涌水量约9．02m3／h。试抽说明场区基岩裂隙水渗透性强、涌水量大。

3．5．2 室内渗透试验

1）试验原理。水在岩石中呈低流速层流运动时服从达西定律。据此可以通过试验计算岩石的渗透系数。

2）渗透系数的测定。室内岩石渗透试验的仪器和方法与土的渗透仪相类似，不过做试验时采用的压力差（水头差）比做土的试验要大得多。本次试验岩样取样深度分布在0．39～12．22m之间，所处岩层产生的围岩属于小围岩应力区，为更好地模拟现场实际情况，本次室内岩石渗透试验施加的围压为0MPa，施加的轴向应力（荷载）也为0MPa，通过高压泵提升岩样进水口端的水头，按照由低向高的压力顺序逐级进行，试验过程中若岩样破坏或压力超过5．5MPa停止试验。

3）试验结果。试验结果见表4。

3．5．3 渗透性评价

室内岩石渗透试验结果：②1珊瑚礁灰岩层垂直向渗透系数（cm／s，下同）为1．52×10－5～2．55× 10－3、水平向渗透系数为1．73×10－5～1．17× 10－3，②3珊瑚礁灰岩层垂直向渗透系数为4．28× 10－7～5．05×10－6、水平向渗透系数为5．14×10－7～1．13×10－6。现场抽水试验结果：采用额定功率22m3／h的水泵，试抽2h，水位降深0．38m，涌水量约9．02m3／h，渗透系数约1×10－3。

表4 岩石渗透系数

室内岩石试验结果仅代表岩样的渗透性，而实际岩体渗透性受控于岩体结构和构造，如孔隙和裂隙的发育程度及其连通性，而这种特征不能在岩样的成分中体现，因此原位渗透试验结果更能够反映实际情况。因此，该项目珊瑚灰岩最终采纳了现场渗透试验成果。

4 工程应用

4．1 基础持力层

珊瑚礁灰岩有一的定强度和厚度，可作为重力式基础或桩基持力层使用，表5为本工程采用的承载力和桩基参数。

表5 珊瑚岩层承载力容许值及桩基参数［5］

4．2 地基处理

表层和上部的珊瑚礁碎屑土及礁灰岩均匀性和稳定性较差，若上部荷载较大，则不能满足承载力和沉降变形稳定的要求，需进行相应的地基处理。不同类型构筑物基础可根据其场地工程地质条件采用不同的地基处理措施。

考虑珊瑚礁及碎屑本身强度较高，但其孔隙率大、结构疏松，导致地基松散。地基处理的主要目的是提高密实度，可采用强夯、分层碾压或振冲密实的方法，能满足一般道路、机场、五层以下工民建的地基承载力及变形指标要求。若荷重较大，影响深度较深，可考虑采用水泥压浆加固或钻孔灌注桩的加固方法。

4．3 珊瑚礁可挖性及其作为填料的适宜性

珊瑚礁灰岩地层呈软硬交替分布，总体而言属开挖困难的地层。巴哈马采用合适机械先绞碎后再进行开挖，取得了较好的成果，且绞碎后其管道输送性较好。

综合分析场区岩芯揭露情况、标贯试验、抗压试验等，按照疏浚规范，珊瑚礁应参照岩石类分级。因此，②1珊瑚礁灰岩以碎块状、块状为主，局部短柱状，定为12级；②2珊瑚礁灰岩以碎块状或散砂状为主，可挖性介于碎石与岩石之间，定为10～11级；②3珊瑚礁灰岩以碎块状、块状为主，局部短柱状、柱状，定为12～13级。

珊瑚礁灰岩作为建筑材料，具有悠久的历史，而其作为填料，在巴哈马也广泛应用于道路垫层。工程实践证明，珊瑚礁灰岩作为填料的适宜性较好。但应注意的是，珊瑚礁岩土属于碳酸盐类岩土，其沉积物极易发生后期变化［6］。其岩土体中多孔隙和裂隙发育，在水动力条件长期作用下，发生溶解现象，水沿节理、裂缝和原生孔隙流动并将孔隙扩大，甚至产生溶洞，引起地基不均匀沉降、地基失稳。此外，在海浪的冲刷、淘蚀作用下也易引起建筑边坡失稳等工程地质问题。有利的方面是，珊瑚砂有一定的自胶结作用性，回填后在上部荷载作用下，强度会随着胶结作用增长，体现出珊瑚砂有一定的粘聚性，这一点有别于常规石英砂。在地下水位之上，可以呈陡壁开挖不塌。国外也有多个利用珊瑚砂［7］作为回填材料的成功案例，比如苏丹港新集装箱码头堆场、沙特RSGT集装箱码头堆场均以珊瑚砂作为填筑材料，采用振动碾压密实，可以达到预期的效果。

5 结语

1）珊瑚礁属生物沉积岩，广泛分布于中低纬度浅海区，呈现岸礁、环礁和点礁等不同形态，具有多孔结构、层状构造。

2）珊瑚礁呈现硬而脆、疏密不均的特征，其天然密度1．50～2．10g／cm3，实测标贯击数6击～＞100击；单轴饱和抗压强度1．50～17．40MPa。

3）珊瑚礁具有较强的渗透性，其表层裂隙发育，渗透系数不低于1×10－3cm／s。

4）珊瑚礁表层和上部的均匀性和稳定性较差，可采用强夯、分层碾压或振冲密实的方式进行地基处理。珊瑚礁下部强度较高、稳定性较好，可作为重力式基础或桩基持力层使用。

5）珊瑚礁可作为堆场或道路的回填料使用，但应注意其属于碳酸盐类岩土，在一定水动力条件下可发生溶蚀现象。可采用先绞碎再开挖的方式进行开挖和疏浚，该层绞碎后适合管道输送。

［1］严与平，柯有青．浅谈珊瑚礁工程地质特性及地基处理［J］．资源环境与工程，2008（12）：47－49．

［2］梁文成．苏丹珊瑚礁灰岩地区地质勘察总结［J］．水运工程，2009（7）：151－153．

［3］白晓宇，张明义，李明怀，等．珊瑚礁地基的工程性状研究［J］．工程勘察，2010（11）：21－25．

［4］中华人民共和国发展与改革委员会．DL T5355—2006水电水利工程土工试验规程［S］．北京：电力出版社，2006．

［5］《工程地质手册》编委会．工程地质手册［M］．4版．北京：中国建筑工业出版社：384－416，783－792．

［6］孙宗勋，赵焕庭．珊瑚礁工程地质学［J］．水文地质工程地质，1998（1）：1－4．

［7］刘汉文．珊瑚礁砂作回填地基材料的研究及利用［J］，西部探矿工程，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（汉），河北，高级工程师主要研究岩土体物理力学性质。