珊瑚礁岩土材料物理学性能研究综述

李鹏飞

摘要：珊瑚礁作为一种岩土材料可用于战略性工程建设，本文总结了近年来学者们对珊瑚礁研究的相关文献。主要包括四部分内容：阐述珊瑚礁的形成和类别;分析珊瑚礁的分布;分析珊瑚礁的基本形态、材料微观特征、礁灰岩物理特征、钙质砂物理特征;分析礁灰岩力学特征、钙质砂压缩特性、钙质砂的破碎性和钙质砂动力特征。

关键词：珊瑚礁;钙质砂;礁灰岩;物理学性能

中图分类号：P5 文献标识码：A

珊瑚礁在我国南海诸岛和北部沿岸分布较多，特别是在南海岛礁[1]。珊瑚礁作为一种岩土材料可用于战略性工程建设，因此需要分析珊瑚礁的物理学性能以便更好地使用。但是国内外目前对珊瑚礁的研究较少，尚处于探索阶段，这对珊瑚礁的大量开发使用有一定影响。珊瑚礁形成机制复杂，作为一种多孔、易破碎的材料将其投入到施工中相对困难，需要全面分析珊瑚礁的物理学性能，物尽其用。

1 珊瑚礁的形成及类别

海洋中生活的石珊瑚即造礁珊瑚在生长过程中会不断吸收海水中的钙和二氧化碳，分泌碳酸钙形成外骨骼。在这些石珊瑚死亡之后，表面的附礁生物、生活在其中的藻类等被压实、石化，形成海底隆起，这就是人们常说的珊瑚礁[2]。珊瑚礁是一种特殊的岩土材料，关于珊瑚礁的形成人们提出了诸多理论，例如：有学者认为是因为海平面的变化形成珊瑚礁;而另一些学者认为珊瑚礁的形成和海平面无关。珊瑚礁的分类有两种：根据珊瑚礁和海岸线的关系可以将其分为岸礁、堡礁和环礁;根据形态可将珊瑚礁分为太礁、点礁、塔礁和礁滩[3]。

2 珊瑚礁的分布

珊瑚礁主要分布在南北半球的热带海洋中，其中30oS到30oN之间分布较多[4]。全球中多数珊瑚礁分布在太平洋、印度洋和大西洋的两侧的沿岸和海洋。印度尼西亚、菲律宾等东南亚国家和红海、波斯湾各有30%的珊瑚礁分布;25%分布在太平洋其他海域;14%的珊瑚礁分布在加勒比海和北大西洋;其余珊瑚礁分布在南大西洋[5]。我国的珊瑚礁集中在北回归线附近以南的南海諸岛和北海沿岸，其中南海诸岛珊瑚礁分布最多，分布量占全球的5%。

3 珊瑚礁岩土材料的物理特征

珊瑚礁表面是松散的沙粒层，主要是钙质砂、海洋钙质生物的碎片，下层是礁灰岩。珊瑚礁中含有丰富的文石、云白石和方解石，这些矿物质是由碳酸钙构成的。

3.1 珊瑚礁的基本形态

珊瑚礁整体呈现白色，表面结构松散有不规则的孔洞，被击碎后呈短柱状，珊瑚礁内部有贝壳、鱼类化石[6]。因为珊瑚礁表面由钙质砂形成，所以会呈现块状、树枝状、片状等多种形态。刘崇权认为块状、纺锤状是钙质砂的主要颗粒形状，钙质砂的形状是珊瑚礁不规则形状的原因之一。

3.2 珊瑚礁岩土材料微观特征

因为石珊瑚属于腔肠结构，所以珊瑚礁岩土材料非常特殊，结构中孔隙多且分布不规律。礁灰岩中碳酸钙含量超过90%，是珊瑚礁内部包含的主要矿物之一，所以珊瑚礁内部相对稳固。珊瑚礁表面由形状不规则的钙质砂组成，所以具有易碎、孔隙率高的特点[7]。

珊瑚礁的岩土材料的性质与其微观特征关系密切，所以想要掌握珊瑚礁的物理学性能就需要分析其微观特征。通过扫描珊瑚礁的钙质颗粒发现，形状不规则的钙质砂会形成完全封闭孔隙和连通孔隙，封闭空隙相对简单就是珊瑚礁内部的独立小空间，而连通孔隙会和珊瑚礁的表面的空隙相连形成更加复杂的结构。通常认为珊瑚礁内部的连通空隙和表面的空隙相连是珊瑚礁机构复杂化的主要原因。朱长歧等[8]学者通过分析海南钙质砂结构发现，钙质砂颗粒大小是内孔隙体积和密度主要影响因素，南海钙质砂颗粒小，因此密度高、内孔隙体积小。这也是珊瑚礁空隙密度高的原因之一。

3.3 礁灰岩物理特征

礁灰岩也被称为生物骨架灰岩，是经过生物破坏、洞穴内沉淀、物理破坏后形成的密度稳定、强度高的岩土材料，也是珊瑚礁的主体材料，结构特殊、元素分布不均衡。

礁灰岩和一般灰岩相比密度小、孔隙率高，礁灰岩保留了石珊瑚原本的生物骨架所以礁灰岩呈现多空隙的结构特征。再加上海水侵蚀和生物破坏，礁灰岩呈现出高空隙、低密度的工程特征。

3.4 钙质砂物理特征

钙质砂是珊瑚礁表面的主要材料，全球不同地区珊瑚礁表面的钙质砂主要有三个明显特征：第一，珊瑚礁表面的钙质砂中碳酸钙含量高，一般超过80%;第二，珊瑚礁表面钙质量比重大;第三，钙质土孔隙比高。刘志伟，李灿等人扫描该质量微观特征发现，珊瑚礁表面的钙质砂还具有以下特征：

第一，钙质砂由骨骸颗粒、岩石碎屑等形成的包粒、团粒，内部构造复杂，在海水的影响下颗粒可能会被击碎、压缩，包粒、颗粒内部结构发生变化，这会影响钙质砂的力学特征;第二，因为钙质砂中碳酸钙含量高，因此钙质砂颗粒之间存在粘性，进而形成易破碎的团粒，这也是钙质砂也粘性土结构差异性的原因。钙质砂颗粒在压缩、剪切时粘结性被破坏、强度降低导致钙质砂出现软化，这个过程被称为胶结现状。第三，钙质砂颗粒孔隙复杂。钙质砂除了内部有密集的空隙之外，空隙之间也有连通，这让钙质砂的结构变得异常复杂，会影响珊瑚礁岩土的稳定性。

4 珊瑚礁岩土材料力学性质

珊瑚礁主要由表面的钙质砂和内部的礁灰岩组成，但因为礁灰岩取样、运输困难，因此对礁灰岩的研究较少，对表层的钙质砂研究较多。

4.1 礁灰岩力学特征

礁灰岩因软化导致强度低、抗压能力小朱长歧等[9]人对马尔代夫礁灰岩进行研究发现礁灰岩的强度明显低于其他石灰岩等。李莎等[10]人对马尔代夫的礁灰岩做点荷载试验和劈裂实验，发现礁灰岩有竖向碎裂的特点，得出礁灰岩有垂直生长的特征。王志新[11]等人对南沙群岛的礁灰岩做常规三轴研究，结果发现礁灰岩被破坏时会按照生长线方向破损，破坏后的礁灰岩残余强度最高能达到峰值的77%，所说明礁灰岩破坏后强度影响较大。

礁灰岩中存在较多的空隙，因为声波在岩石中的传播速度比空气传播速度快，所以礁灰岩中的空隙越多声波传播越慢，此外礁灰岩的强度和内部孔隙数量、密度、大小有关，因此克制用声波来测量礁灰岩的内部特征。杨永康等人对西沙群岛的礁灰岩进行声波测试，得出礁灰岩在天然状体下纵声波传播速度低，干燥饱和状态下声波传播速度快，说明在干燥饱和状态下礁灰岩的硬度较高。

4.2 钙质砂压缩特性

钙质砂的性质和粘土较为相似，在卸载、加载时钙质砂的回弹性变小，主要是因为改制砂在被压缩时颗粒破碎，颗粒位置发生变化，进而发生塑性形变。并且随着压缩增加钙质砂的回弹性不断变小最终趋近于零，和粘土的固结线类似。钙质砂在一维压缩条件下不同种类的钙质砂会出现同样的压缩曲线，回弹量变化明显。而在三维压缩条件下不同孔隙的钙质回弹性不同，低强度状态下不同孔隙的钙质砂压缩曲线类似，但随着压力增强孔隙高的钙质砂被压缩更明显，压力继续增大不同孔隙的变形状态趋于一致。这是因为对钙质砂的压力超过一定限度钙质砂颗粒破碎，产生塑性形变。

4.3 钙质砂的破碎性

钙质砂颗粒内部孔隙密集，容易破碎，有学者研究发现钙质砂的颗粒形状、强度、尺寸等都会影响钙质砂的破碎性[12]。胡波等人研究发现，钙质砂和陆源砂相比硬度小，在低压力水平下就会发生破碎，随之压力增高钙质砂的破碎率不断提高，最高可达到80%。此外，他对混合钙质砂和不同直径的钙质砂分别研究，结果发现混合颗粒的钙质砂在破碎率比均一钙质砂小，以及钙质砂的破碎程度与其颗粒直径呈正比关系。秦月等人发现，钙质砂直径在0.25mm时候状态相对稳定，所以将0.25mm看作钙质砂破碎的界限，但他们并没有找出其中机理[13]。陈清云等人研究发现，在实验中钙质砂的破碎率会先增高，在一定数值时停止，此时的围压就是钙质砂的界限围压[14]。

4.4 钙质砂动力特征

钙质砂是珊瑚礁岩土的表面材料，受到海洋、地震等影响钙质砂的动力性质也在不断变化。目前国内外大量学者进行有关方面的研究，例如Morrison等人分析南非钙质土发现，钙质土经过多次剪切后，其剪應力会降低。Datta等人通过分析钙质砂循环特征得出在密封环境下钙质砂孔压变化规律。刘汉龙等分析南海钙质砂三轴发现钙质砂在加载时剪缩和剪胀变化出现，会一个钙质砂内部的压强会发生变化，持续软化。当钙质砂软化之后剪胀力也随之降低。

考虑到大主应力对钙质砂动力影响，李建国等人对钙质砂进行扭转和竖向耦合实验发现钙质砂的动强度和主应力向角有关。虞海珍等人模拟海洋环境对钙质砂做扭转和竖向的循环剪切试验，发现主应力的旋转会增加钙质砂孔隙中的水压。

5 结语

本文通过分析前人研究结果得出珊瑚礁形成、类型、分布等基本特征，以及礁灰岩力学特征、钙质砂压缩特性、钙质砂的破碎性和钙质砂动力特征。得出珊瑚礁强度低、易破碎、结构复杂等特征，目前实际工程建设过程中，现有的工程设计及施工技术不能很好地满足珊珊礁工程建设要求，在充分考虑钙质砂力学特性的基础上，形成一套完备的设计和施工技术至关重要。

参考文献

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