疏浚珊瑚礁岩特性及相互关系分析

张更生

（中交天津航道局有限公司，天津市疏浚工程技术企业重点实验室，天津 300457）

0 引言

为了适应和满足今后大型珊瑚礁疏浚工程建设的要求，从珊瑚礁工程特性角度出发，正确分析评价疏浚困难珊瑚礁岩物理力学性质及其相互关系，是深入、全面地了解珊瑚礁岩对绞吸船挖掘、输送特性和疏浚物料资源化利用基础性问题，同时也为珊瑚礁疏浚吹填工程的设计和施工提供技术支撑。

1 珊瑚礁岩分布特征

依据外海海洋水动力环境、沉积环境、地层岩性、礁岩体结构特征及工程地质性质，在地貌相带划分基础上，将珊瑚礁划分为5个工程地质相带[1]：a）外礁坪剧烈冲刷带；b）中礁坪砾块堆积带；c）内礁坪珊瑚生长带；d）泻湖砂质堆积带；e）灰砂岛堆积带。如图1所示。

图1 珊瑚礁工程地质分布示意图Fig.1 Geological distribution of coral reef engineering

抗压强度高和完整性好的珊瑚礁岩主要分布在外礁坪剧烈冲刷带，即为疏浚中常说的挖掘困难的口门地带，珊瑚礁岩分布区域通常从礁缘至礁坪凸起带，宽度一般为30～40 m，礁面向外海倾斜。该带多被礁脊-槽沟系切割，槽沟大体与礁边缘垂直。大潮最低潮时外礁坪干出，但潮流和波浪流在该带往复冲刷。该带主要由块状珊瑚组成，珊瑚藻发育，珊瑚藻包裹于钙质骨壳上生长或在粒与粒的间隙生长，这种由生物体和钙质胶结固结成整体形成的原生礁，构成珊瑚礁的骨架。它完整性程度高，也成为岩盆结构的盆沿。外礁坪分布的珊瑚礁岩，礁体结构性好，裂隙发育少，整体性强，礁岩密度高，水动力作用强烈，礁坪冲刷严重，距离外海近，具有较高的抗压强度。

2 珊瑚礁岩物理力学特性

基于难挖珊瑚礁岩疏浚工程的土工试验测试资料，对影响挖掘的关键特性指标孔隙率、密度、饱和抗压强度、饱和抗拉强度、内摩擦角、凝聚力、完整性指数和软化系数进行数理统计，得出疏浚珊瑚礁岩特性指标如表1所示。

表1 珊瑚礁岩特性指标统计值Table1 Statistical value of reef rock characteristics

从表1可以看出，珊瑚礁岩孔隙率变化大，在16.2%～54.4%，平均值为33.5%，为其它沉积岩的3～4倍，孔隙分布规律性差。从而导致珊瑚礁岩具有物理力学指标变化范围大的特点，局部沉积无规律性，软硬交替、交错分布，珊瑚礁岩具有独特的工程性质，各向异性效应明显。珊瑚礁岩的饱和单轴抗压强度在3.0～25.0 MPa之间，平均值为11.3 MPa，多为软岩，疏浚岩土工程分级为11～13级[2]，需要使用绞吸船进行挖掘施工，管道输送适宜性尚可，由于部分珊瑚礁密度较高，坚硬程度大，会给疏浚施工带来挖掘困难问题，从而产生刀齿磨损和效率低下，输送时对管线的磨损加剧，造成成本上升风险。饱和抗拉强度在0.38～4.44 MPa之间，平均值为1.46 MPa，抗拉强度一般为抗压强度的0.07～0.27，平均为0.12。珊瑚礁岩体的完整性指数为0.09～0.69，完整程度为极破碎—较完整，完整性指数平均值为0.43，完整程度多为较破碎，岩体基本质量等级多为鹰级[3]。珊瑚礁岩的软化系数范围为0.47～0.93，平均值为0.73。依据岩石软化类别分类规则，珊瑚礁岩的软化系数KR普遍小于0.75，为软化岩石。当珊瑚礁在疏浚开挖过程中遇到挖掘困难问题时，建议依据硬质珊瑚礁分布情况分层开挖，经过48 h浸泡后，礁岩孔隙浸水饱和，珊瑚礁的物理力学性质弱化，抗压强度普遍能下降26.2%，易于珊瑚礁岩的开挖[4-6]。

3 珊瑚礁岩特性指标相互关系分析

以珊瑚礁疏浚工程为依托，对采取的代表性疏浚珊瑚礁岩样品进行了物理和力学性质测试工作。基于大量现场珊瑚礁勘察资料，应用室内土工试验、筛选、统计和回归分析的方法，研究了外海施工珊瑚礁岩物理力学指标特性，以及影响珊瑚礁挖掘和输送特性指标的相互关系，建立了特性指标之间的经验关系式，如图2～图5所示。

图2 含水率与单轴饱和抗压强度关系曲线Fig.2 Relationship curve between moisture content and uniaxial saturation compressive strength

图3 含水率与单轴饱和抗拉强度关系曲线Fig.3 Relationship curve between moisture content and uniaxial saturation tensile strength

图4 饱和块体密度与孔隙率关系曲线Fig.4 Relationship curve between saturation massdensity and porosity

图5 饱和抗压强度与抗拉强度关系曲线Fig.5 Relationship curve between saturation compressive strength and tensilestrength

从图2～图5拟合曲线可以看出，珊瑚礁岩含水率w与单轴饱和抗压强度、单轴饱和抗拉强度指标存在指数相关关系，饱和块体密度ρ2与孔隙率e指标之间为简单线性相关关系，饱和抗压强度与抗拉强度指标之间为幂函数关系，回归系数均在0.699以上，相关性较高。

从珊瑚礁岩含水率w与单轴饱和抗压强度、单轴饱和抗拉强度指标关系可知，随含水率的增加，珊瑚礁的单轴抗压和抗拉强度逐渐降低，但降低的速率不同，主要受珊瑚礁的组分、结构和风化程度的影响。水对珊瑚礁的力学性质有重要的影响，归结起来其原因主要是珊瑚礁的水化作用，即物理弱化作用和力学作用。1）物理弱化作用：珊瑚礁块浸水后，水顺着裂隙、孔隙进入珊瑚礁中，润湿每块全部自由面上的每个颗粒，性质由好向坏转变。2）力学作用：珊瑚礁块浸水后，进入到珊瑚礁体孔隙、裂隙中的水会产生压力，使珊瑚礁体弹性屈服极限降低，易于产生塑性变形而发生剪切破坏导致强度降低。基于上述原理，利用疏浚珊瑚礁岩遇水软化的特性，疏浚施工时可分层浸泡开挖，提高挖掘效率，节约成本。

饱和块体密度ρ2与孔隙率e指标之间存在线性反比关系，珊瑚礁饱和块体密度约为1.38～2.56 g/cm3，孔隙率在16.2%～54.4%之间，随着孔隙率的增大珊瑚礁岩逐渐疏松，强度降低，饱和块体密度下降，疏浚船舶挖掘逐渐变得容易。

珊瑚礁岩饱和抗压强度与抗拉强度指标存在正比关系，抗拉强度随着抗压强度的增大而增大。抗拉强度远小于抗压强度，之所以出现这种现象，是因为在压缩条件下，裂缝扩展受阻止的机会比在拉伸条件下要多得多，决定抗拉强度的因素不只是礁体颗粒间的黏聚力，还有摩擦力。而在拉伸条件下，珊瑚礁中裂隙扩展速率比压缩时快，因为在拉应力场中，储存能释放速率随裂隙尺寸微量增加而迅速增大，决定抗拉强度的因素主要是岩石颗粒的黏聚力，从数据的分析可得出这样一个结论，抗拉强度一般为抗压强度的 0.07～0.27，平均为 0.12。

基于以上疏浚珊瑚礁岩特性指标经验公式，由易测试的含水率和孔隙率等指标快速计算得到疏浚珊瑚礁岩的力学指标，可为珊瑚礁岩疏浚工程投标决策、工艺管理和施工管理等提供基础资料。

4 结语

1）基于远海海洋水动力环境、沉积环境、地层岩性、礁岩体结构特征及工程地质性质，提出抗压强度高和完整性好的珊瑚礁岩主要分布在外礁坪剧烈冲刷带，即挖掘困难的口门地带。

2）依据难挖珊瑚礁岩疏浚工程的土工试验测试资料，分析可知：疏浚珊瑚礁岩具有物理力学指标变化范围大的特点。疏浚岩土工程分级为11～13级，完整程度为极破碎—较完整，为软化珊瑚礁岩，需要使用绞吸船进行挖掘施工，管道输送适宜性尚可，由于部分珊瑚礁密度较高，坚硬程度大，会给疏浚施工带来挖掘困难问题，从而产生刀齿磨损和效率低下，输送时对管线的磨损加剧，造成成本上升风险。

3）基于数理统计和回归分析方法，建立了疏浚珊瑚礁岩特性指标之间的经验公式。经验公式的回归系数均在0.699以上，具有较高相关关系。

4）利用拟合的经验公式，由易测试的含水率和孔隙率等指标快速计算得到疏浚珊瑚礁岩的力学指标，为珊瑚礁岩疏浚工程投标决策等提供资料，为类似工程及建立地区经验公式提供重要参考。

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