马尔代夫某项目礁灰岩的强度及变形特性研究

孙小红，何英博

（1.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071；2.武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081）

引 言

礁灰岩作为礁岛陆基的主体，具有密度轻、多孔隙、强度各向变异显著的特点，是一种典型的低强度软岩，因此，礁灰岩标准样的获取难度也较大。同时，受珊瑚礁生长地域生态环境的变化，礁灰岩也具有不同的地域属性；即使在同一礁岛区，受珊瑚礁生长的沉积历史环境、沉积相带演变，珊瑚礁灰岩的结构性、粒度组成、胶结程度也具有明显的差异性。目前，关于礁灰岩的研究主要集中在油藏储层的渗透特性方面，其强度和变形特性及其关联性的研究相对较少。孙宗勋[1]和王新志等[2]分别对南沙群岛珊瑚礁灰岩的物理和力学性质进行了试验研究，结果表明珊瑚礁的波速和单轴抗压强度变化范围较大，单轴抗压强度低于 10 MPa。杨永康等[3]进一步研究了西沙群岛珊瑚礁灰岩物理力学参数间的关系，并提出了单轴抗压强度随纵波波速的演化方程。刘志伟等[4]通过运用现场测试和室内试验相结合的方法对沙特阿拉伯红海海岸处的礁灰岩进行了较完整的物理力学试验研究，结果表明礁灰岩在平面和深度方向并无规律性。以上研究表明，礁灰岩属于一种低强度的特殊岩土材料，在礁岛地区进行工程建设首先要考察该类特殊岩土的地质属性和力学特性，本文以某珊瑚环礁礁灰岩为研究对象，对该区域礁灰岩的强度和变形特性进行了现场和室内试验研究，为类似的礁灰岩地区工程建设提供参考。

1 礁灰岩的物理力学参数测试方法

试样取自某珊瑚环礁钻孔，覆盖了陆地和海底区域。礁灰岩是海岛的主体和承载层，孔隙结构较发育。礁灰岩的物理力学参数测试主要包括单轴压缩强度、纵波波速、点荷载强度以及孔隙率测试，测试方法参考我国《工程岩体试验方法标准》进行，具体测试过程如下：

将现场取得的不同埋深礁灰岩样，通过加工切割成直径为50 mm、高度100 mm的标准样，对标准试样进行抽真空饱和后，利用桩基超声波检测仪对标准礁灰岩样进行声波测试；将波速测试后的试样在RMT多功能岩石刚性试验机上进行单轴压缩试验，得到其应力应变曲线，从而计算出单轴压缩强度和弹性模量；由于点荷载强度试验无需对试样进行加工且设备轻便，是特别适于破碎和低强度岩石的一种简便测试方法，因此，另外取部分相同位置的非标准样进行了点荷载强度试验，采用STDZ-1型点荷载试验仪测定礁灰岩样的点荷载强度指数，利用下式转换为直径为50 mm的标准样的点荷载强度指数：

式中：Is(50)为直径50 mm的圆柱形标准样的点荷载强度指数为等价岩心直径，W为圆柱样高度，D为圆柱样直径；m为修正指数，本文取为建议值0.45。

礁灰岩孔隙率通过测量干燥和饱和试样的质量及体积，采用下式确定：

式中：ms、md为岩样的饱和质量和干燥质量；ρw为水的密度；Vr为岩样体积。

2 礁灰岩物理力学参数测试及关联性分析

2.1 礁灰岩单轴压缩强度的关联性分析

根据以上测试方法和计算公式（1）和（2），可以得到礁灰岩力学强度和物理参数测试结果，如图1～6所示。可以看出，礁灰岩单轴抗压强度分布值域为[2.8，18.7]MPa，均值为9.43 MPa；点荷载强度指数值域为[1.1，6.4]MPa，均值为3.19 MPa。从图1和图2可以看出，礁灰岩的单轴抗压强度和点荷载强度可以较好的满足正态分布规律，但分布范围较广，离散性大。从图3和图4中可以看出，研究区域的礁灰岩单轴抗压强度最大不到21 MPa，平均值只有9.43 MPa，远低于25 MPa，且通过锤击试验发现，该类礁灰岩具有锤击声不清脆，无回弹，易击碎的特点，因此可归为典型的工程软岩。

图1 单轴抗压强度分布规律

图2 点荷载强度分布规律

加工礁灰岩的标准样较困难，且从礁岛将试样运输到实验室成本也较高，因此如果能够采用易获取的物理力学指标间接获取软弱礁灰岩的单轴抗压强度和弹性模量具有重要意义。本文利用礁灰岩点荷载强度指数对其单轴抗压强度进行统计分析（如图3所示），可以看出，两者之间具有较好的线性关系，拟合度达到了0.87，满足了工程应用需求。因此可利用下式估算礁灰岩的单轴抗压强度：

需要指出的是，虽然两者线性关系的拟合度较高，但误差范围在±6 MPa之间，说明礁灰岩的力学强度离散性较大。此外，本文得到的软弱礁灰岩单轴抗压强度与点荷载强度的比值只有2.79，远小于国际岩石力学学会试验方法委员会（20～25）和工程岩体分级标准给出的建议值（22.82）。因此，对于礁灰岩的力学强度值，需结合地域特点进行针对性研究，不可简单引用。

同理，可利用纵波波速对其单轴抗压强度进行统计分析，如图4所示，可见纵波波速和单轴抗压强度之间也具有较好的线性关系，误差在-3～3 MPa之间。因此，如果能够获取纵波波速，也可利用下式估算该区域礁灰岩的单轴抗压强度：

2.2 礁灰岩弹性模量的关联性分析

点荷载强度和纵波波速是估算软岩弹性模量常用的指标。首先利用线性方程进行拟合（如图5），可以看出弹性模量和点荷载强度指数可以很好地满足线性关系，误差为±3 GPa；但通过尝试发现软弱礁灰岩的纵波波速与弹性模量的线性相关性较差。根据动弹性模量的定义和量纲和谐原理，可尝试采用下式进行弹性模量估算：

式中：k=(1-2ν)(1+ν)/[(1-ν)(3.8αs-0.68)]，其中ν、αs分别为岩石的泊松比和声波空间衰减参数。

本文分别采用该线性方程以及其指数形式对弹性模量进行关联性分析（如图6所示），可以看出采用指数方程的拟合度明显高于直线方程，因此弹性模量与纵波波速的拟合函数关系可表示为：

图3 UCS与Is(50)的关系

图4 UCS与Vpr的关系

图5 Es与Is(50)的关系

图6 Es与Vpr的关系

3 结 论

本文对珊瑚环礁礁灰岩的强度和变形特性进行了试验研究和关联性分析，可得出如下结论：

1）礁灰岩的纵波波速值域位于[3 900，4 900]m/s，单轴压缩强度值域位于[2.8，18.7]MPa，点荷载强度低于7 MPa，属于较破碎的工程软岩。

2）礁灰岩的单轴抗压强度和点荷载强度指数均满足正态分布，但强度离散性较大，且强度与埋深无规律可循。

3）单轴压缩强度与点荷载强度指数和纵波波速均有较强的线性相关性，且通过拟合得到的软弱礁灰岩单轴抗压强度与点荷载强度指数的比值仅为2.79，远小于国际岩石力学学会的建议值范围。

4）礁灰岩的弹性模量位于1.8～13.8 GPa之间，范围较广，且礁灰岩的弹性模量与点荷载强度呈线性函数关系，与纵波波速的平方呈指数函数关系。