热带岛礁珊瑚礁地层工程性质研究

梁文成，唐群艳

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

引 言

珊瑚礁是以造珊瑚礁石群体及其遗骸为主体，夹其它造礁和附礁生物遗骸共同构成的岩体[1]。热带各岛礁的地层多为珊瑚礁，厚度大，如永兴岛的珊瑚礁地层厚 1 251 m，其它岛礁勘探深度 152～802 m均未钻穿珊瑚礁地层[2]。一般而言，热带岛礁珊瑚礁地层表层为珊瑚碎屑，中下部经历生物作用和地质作用后成为礁灰岩。

珊瑚礁地层属生物沉积地层，具有多空隙、脆性等特点，属钙质特殊性岩土，其工程性质与普通岩土存在较大差异，目前国内外对珊瑚礁地层的工程特性也在研究摸索和积累中。通过在热带海洋某岛礁邻近水域进行钻探、取样进行室内试验以及标准贯入试验、动力触探试验、波速测试等手段获取的数据，综合研究珊瑚礁地层的工程性质。

1 地貌特征及地层分布规律

研究区域的地貌单元主要为灰沙礁、礁坪、点礁、水下斜坡（礁外坡）及阶地和泄湖。

地层分布较为简单，上部为珊瑚碎屑层，主要为珊瑚砂砾和珊瑚碎石；下部为珊瑚礁灰岩。总体而言珊瑚碎屑层厚度较小，约5～12 m，珊瑚礁灰岩厚度大，本次研究未钻穿珊瑚礁灰岩，珊瑚碎屑层和珊瑚礁灰岩层中零星分布有大小不一的空洞。典型地层分布规律如图1所示。

图1 研究区域典型地层剖面

2 珊瑚礁地层矿物成分

珊瑚礁地层主要矿物成分为文石和镁方解石[3]，本次研究中，对上碎屑土进行了化学成分分析，其主要化学成分为碳酸钙，含量在94 %以上，其次为碳酸镁，SiO2、Al2O3、Fe2O3、MnO等含量不高。

3 珊瑚碎屑砂砾工程性质

3.1 珊瑚碎屑砂砾物理性质分析

1）颗粒组成

本次研究对取得的珊瑚碎屑层样品进行了颗粒分析试验，试验结果显示，研究区域内的珊瑚碎屑主要由砾砂和角砾组成。珊瑚碎屑棱角分明。综合颗分曲线如图2所示。由颗粒分析曲线得知，珊瑚碎屑层粒径小于 0.075 mm的细颗粒含量 5 %～18 %不等；某些角砾层，大于20 mm的大颗粒珊瑚胶结体含量较高。

图2 珊瑚碎屑层颗分曲线

2）密度和比重

根据试验成果，珊瑚碎屑砂干密度为1.481 g/cm3，湿密度为 1.555 g/cm3；珊瑚砾石干密度为1.456～1.567 g/cm3，湿密度为 1.582～1.645 g/cm3。

由于珊瑚碎屑砂的孔隙比较大，而孔隙比的测定，通常需要通过珊瑚碎屑料的颗粒比重进行换算。因此，对于珊瑚碎屑层，比重大小会直接影响孔隙比的测定准确性，进而影响其相应变形指标的分析推算。

以往海外项目中看到的勘察成果中曾出现过2.42 g/cm3的低值（如东帝汶区域的珊瑚碎屑砂），查阅了相关文献，Coop（2003）曾做过大量珊瑚碎屑砂的试验，提出其典型的比重值通常分布在2.70～2.80 g/cm3之间[7]。本次研究对珊瑚碎屑层测量了比重。结果显示，其值都很稳定地分布在2.78～2.81的比重范围。为确定试验过程的准确性，还特别采用标准石英砂参与了同批次的试验，试验结果显示，标准石英砂的比重为2.63，可见试验过程的可靠性是有保证的。比重分布如图3所示。在某些项目中出现 2.42 g/cm3的低值应该不符合常规，推测可能是在测试过程中未能充分排除珊瑚碎屑砂中的气泡导致的整体比重测试结果过低的情况。

由密实试验和比重试验成果得知，珊瑚碎屑的颗粒比重并不比石英砂低，但由于珊瑚碎屑具多孔性，同样密实度下珊瑚碎屑的密度比石英砂小。

图3 珊瑚碎屑层比重分布

3.2 珊瑚碎屑砂砾力学性质分析

1）剪切强度特性分析

对珊瑚碎屑砂层进行了水上水下自然休止角试验，测得水上天然坡角为 37°～42°，水下天然休坡脚为 32°～38°。

此外，为研究珊瑚碎屑砂的受力强度特性，进行了三轴固结排水试验。考虑到珊瑚碎屑砂颗粒较大，本次研究采用了直径6.18 cm，高12 cm的较大尺寸三轴制备样进行试验。

试样采用扰动样，根据现场一个取样筒内的级配情况，模拟制备而成。为满足试验尺寸要求，先将土样过5 mm的筛，去掉5 mm的过大颗粒，对除去的大于5 mm的部分，采用2～5 mm粒径进行补足，以尽量模拟原位碎屑砂级配情况。

图4 珊瑚碎屑层土样应力应变曲线

图5 珊瑚碎屑层土样摩尔圆

三轴试验成果显示，三轴固结排水剪切内摩擦角为 41°，摩尔圆得出的强度线的线性简化，使得三轴固结排水剪的 Cd值显示偏大。其中围压加到600 kPa的试样，在达到峰值后，偏应力出现了急剧下滑（图4），是因为试样锋利的边角在剪切过程中扎破了三轴橡胶膜，导致试件破膜漏水了。

由三轴试验成果可知，同样相对密实度条件下，珊瑚碎屑砂的剪切强度比石英砂的剪切强度大。国内外学者认为，粒状土的摩擦强度由滑动摩擦强度、干扰重排摩擦强度、剪胀摩擦强度够成，而干扰重排摩擦强度和剪胀摩擦强度组合则为咬合摩擦强度；其中滑动摩擦强度主导着粒状土的摩擦强度。滑动摩擦强度与矿物成分有关，珊瑚砂的矿物成分主要为文石和方解石，其滑动摩擦强度比石英大[4]；此外，由于珊瑚碎屑颗粒形状不规则，其咬合摩擦强度比石英砂大。由此可见珊瑚碎屑砂的剪切强度比石英砂大是合理的。

2）变形特性分析

珊瑚碎屑砂由于有较大的空隙，且在高压力下易产生颗粒破碎，因此其变形通常比常规石英砂大。

为研究珊瑚碎屑砂的变形特性，对珊瑚碎屑砂进行了一维压缩试验，最高压力3 200 kPa。为更接近地模拟原状砂样的压缩情况，同样先将砂样过5 mm的筛，同时，根据原扰动样的级配情况，对大于5 mm部分的试样，以2～5 mm粒组样替代掺入，进行一维压缩试验。

从制备样的压缩曲线来看，珊瑚碎屑砂压缩指数在0.12～0.2之间。而常规石英砂的压缩指数基本分布在0.004～0.1的范围（见表1），可见，对于珊瑚碎屑砂而言，其压缩变形确实较常规石英砂大。典型e-p曲线如图6。

图6 珊瑚碎屑砂砾压缩曲线

表1 一维压缩试验压缩指数

3）颗粒破碎分析

从三轴压缩试验曲线来看（图4），高围压的情况下应力应变曲线有明显拐点，推测为颗粒破碎的原因。张家铭也指出在高围压的条件下钙质砂存在颗粒破碎现象[5]；王刚在研究中表面钙质砂在循环三轴试验中产生显著的颗粒破碎[6]。

从一维压缩曲线情况来看，珊瑚砂的e-logp曲线呈现跟粘性土类似的性质，普遍存在较为明显的变形拐点，有类似前期固结压力存在的情况。推测此即为颗粒破碎的结果呈现。当珊瑚钙质砂在较高压力下（约1 000 kPa）破碎之后，各种级配的土样压缩指数趋向相同。级配在超过一定压力之后，对变形的影响会变小。此外，对单向有侧限压缩试验后的颗粒进行分析，对比试验之前的结果，显示结果见表2。

表2 珊瑚砂3 200 kPa压缩后颗粒成分前后变化

表中信息显示在承受3 200 kPa的压力后，2～5 mm粒径的含量明显减少，0.25～0.5 mm的粒径含量也都呈现减少现象，小于0.075 mm的细颗粒含量基本都有增加，对于0.5～2 mm的粒径组，也普遍呈现增加状态。

综上所述，珊瑚碎屑在较小的应力下颗粒基本不产生颗粒破碎，在较大的应力下，存在颗粒破碎的现象，在循环荷载下颗粒破碎尤为显著。

4 礁灰岩工程性质

4.1 礁灰岩物理性质分析

为研究珊瑚礁灰岩的常规物理性质，进行了比重试验、干密度和饱和密度测试，礁灰岩饱和密度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 %。对礁灰岩试样采用磨粉法和沉水法分别进行比重试验，两种试验结果显示结果基本无差异，试验成果在2.69～2.70之间。

此外，对珊瑚礁灰岩进行了原位波速测试并在室内测试岩块波速。岩体剪切波速在 1 125～1 656 m/s之间，纵波波速在1 963～3 261 m/s之间；岩块剪切波速在1 695～2 301 m/s之间，纵波波速在2 745～3 682 m/s之间；由此可知研究区域内珊瑚礁灰岩岩体完整性指数在 0.56～0.91之间，平均为0.70，即岩体较完整～完整。但由于珊瑚礁灰岩具多孔隙性，且孔隙发育具不均衡性，所以采用波速比来判定岩体完整性可能具有一定的偏差。

4.2 礁灰岩力学性质分析

本次研究对珊瑚礁灰岩进行单轴抗压强度试验和三轴剪切试验。单轴抗压强度试验过程中，会首先出现微裂隙的破坏，试验过程中可以明显听到破裂的声音，但有时峰值强度并未在小裂隙时达到，后续仍有可能达到更大的单轴抗压强度峰值；可见礁灰岩孔隙较多。单轴抗压强度试验结果如图7，单轴抗压强度离散性较大，分布范围为 2～15 MPa，饱和状态和天然状态强度平均约5 MPa，干燥状态强度平均约8 MPa，由此可见珊瑚礁灰岩属软质岩石，泡水有一定的软化。笔者也总结了红海两岸礁灰岩的单轴抗压强度，苏丹沿海的礁灰岩天然和饱和单轴抗压强度在3.2～13.6 MPa之间，沙特礁灰岩单轴抗压强度平均值约4.3 MPa，均为软质岩石。

图7 珊瑚礁灰岩单轴抗压强度

三轴剪切试验过程中，由于其表面空洞较多造成试件表面凹凸不平，应变片难以处治，多次爆膜，因此本次试验仅获得一个试样的多级加压试验的强度结果。本次三轴试验，采用低速率加围压和轴压，先施加接触压力，在接触压力施加到约2 kN（约1 MPa），为防止轴压下破裂，马上同时开启轴压和围压，施加速率均为0.2 MPa/s，其中第一级围压设定为5 MPa。轴压施加前的破坏准则选择为10 %的轴压损失判定为试样破坏。试验过程中紧密观察轴压情况，发现轴压在5 MPa围压下趋于平直走势时（轴压48 kN，约24 MPa），马上提升围压，进入下一级围压8 MPa，加载速率同样为0.2 MPa/s。试样在轴压达到86 kN（约43 MPa）时，轴压突然掉落超过10 %，剪切自动停止，卸载围压。

5 结 语

1）珊瑚礁地层是造珊瑚礁石群体及其遗骸为主体构成的岩土体，主要矿物成分为文石和镁方解石，具有多孔隙性、脆性等特点，其工程性质与其它岩土体具有较大的差异。

2）珊瑚碎屑砂砾层密度比石英砂小，但其比重比石英砂大，颗粒比重值普遍为2.79～2.80，而标准石英砂颗粒比重才2.63，这是由于珊瑚碎屑孔孔隙性造成的。

3）珊瑚碎屑砂砾的滑动摩擦强度和咬合摩擦强度均比石英砂大，本区域珊瑚碎屑砂水上天然坡角为 37°～42°，水下天然休坡角为 32°～38°；三轴固结排水剪试验结果则显示，钻孔内的珊瑚碎屑层内摩擦角约41°。

4）研究区珊瑚碎屑砂层，一维压缩的压缩指数为0.12～0.2，一维压缩变形在超过1 000 kPa高压后，其级配对变形影响变小，珊瑚碎屑砂总体变形较常规石英砂大。

5）研究区珊瑚礁灰岩空隙大，裂隙多，其颗粒比重反而比珊瑚碎屑砂层普遍低，约为2.6～2.7，礁灰岩饱和密度 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 %，剪切波速和纵波波速均较小。

6）研究区珊瑚礁灰岩单轴抗压强度分布范围为2～15 MPa，由于各岩芯样孔洞发育情况不一而呈现较为离散的状态；根据统计结果，饱和及天然单轴抗压强度平均约 5 MPa，干燥单轴抗压强度约8 MPa，大多数都未超过15 MPa，单轴抗压强度不高，三轴试验强度结果也显示，珊瑚礁灰岩强度较低，在围压5 MPa情况下，峰值强度约24 MPa，围压8 MPa情况下，峰值强度约43 MPa。