马尔代夫珊瑚礁岩土地层结构与波速特征

2023-01-09徐青青乔建伟

岩土工程技术 2022年6期

李硕徐青青乔建伟

（1. 中国水利水电工程建设咨询西北有限公司，陕西西安 710100；2. 陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院，陕西咸阳 712000；3. 机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043）

0 引言

马尔代夫是世界上最大的珊瑚岛国，是珊瑚礁岩土发育最为广泛的地区之一。珊瑚礁岩土包括上部松散的珊瑚砂和下部固结的礁灰岩。珊瑚砂是由珊瑚碎屑和其他海洋生物碎屑在风和水动力作用下原地堆积或近距离搬运异地堆积形成的特殊生物碎屑沉积物，矿物成分主要为文石和高镁方解石，碳酸钙含量高达 96%以上，因此又称钙质砂[1-4]。礁灰岩是造礁石珊瑚群体死亡后其遗骸经过漫长的成岩作用形成的碳酸盐岩[5-6]。珊瑚礁岩土体特殊的沉积环境、物质组成和结构特征，使其具有颗粒不规则、易破碎和高内摩擦角等特点，其与陆源沉积砂工程性质存在较大差别，是一种具有特殊工程性质的岩土体[7-8]。

目前对珊瑚礁岩土的研究多取材于我国南海各群岛，研究包括地层结构特征、常规物理力学特性和化学特性等方面[9-11]。针对珊瑚礁岩土的地层结构特征，中国科学院南海海洋研究所根据岩石结构构造的差异性，将珊瑚礁灰岩划分为5 种类型[12]。针对礁灰岩的波速特性，郑坤等[13]研究发现其与孔隙度、干密度和回弹模量具有很好的相关关系，并建立了拟合方程。因此，研究马尔代夫珊瑚礁岩土的地层结构和波速特性，不仅对揭示该区珊瑚礁岩土物理力学特性具有重要的参考价值，还对指导该区工程建设具有重要意义。本文在马尔代夫胡鲁马累岛选择典型试验场地，通过工程地质钻探、标准贯入、室内试验、波速测试和面波法对该区珊瑚礁岩土的地层结构和波速特征开展研究，研究成果可为该区工程建设提供一定的参考。

1 试验场地位置

试验场地位于马尔代夫胡鲁马累岛，属于 2012年人工吹填岛，场地地势平坦，地表高程约为 1.5 m，场地面积为 100 m×80 m，场地中心坐标为 N：4°13′39″，E：73°32′49″（见图1）。

图1 试验场地位置

2 试验场地地层特征与原位测试

2.1 地层特征

在试验场地布设4 个深度80 m 钻孔，采用旋转钻进并进行全岩芯取样。钻探取样结果显示马尔代夫80 m 以内珊瑚礁岩土包括珊瑚砂和礁灰岩。浅表部为吹填珊瑚砂，包括①层细中砂和②层粗砾砂，对试验点所取的珊瑚砂土样采用筛析法[12]测试颗粒级配，根据试验结果，统计了珊瑚砂（细中砂9 组、粗砾砂15 组）小于各粒径的质量百分比平均值，绘制颗粒分析曲线如图2 所示。从图中可以看出，试验场地珊瑚砂以砂粒（d=0.075～2 mm）为主，以粉黏粒（d＜0.075 mm）和砾粒（d＞2 mm）为辅。细中砂的颗粒分析统计结果显示，砂粒含量平均值为84%，粉黏粒含量平均值为8%，砾粒平均值含量为8%；粗砾砂的颗粒分析统计结果显示，砂粒含量平均值为78%，粉黏粒含量为5%，砾粒含量为17%。

图2 珊瑚砂颗粒分析曲线

地表深度13 m 以下为礁灰岩，岩芯呈碎块状和圆柱状（见图3），从岩芯可以看出块状和柱状礁灰岩均含有大量的孔隙和孔洞，后经浪蚀作用易进一步形成坑槽和空洞。碎块状礁灰岩岩芯采取率均小于50%，且局部深度内出现掉钻现象，进一步表明礁灰岩中存在大量空洞，单次掉钻最大长度约120 cm，表明礁灰岩地层中空洞最大高度可达120 cm；碎块状颗粒粒径大小变化范围较大，颗粒磨圆度低。柱状礁灰岩岩芯采取率多大于70%，岩芯呈短柱状，最大连续长度达1.2 m。统计礁灰岩岩芯中空洞大小，发现其直径变化范围较大，最大范围为1～50 mm，主要分布范围为8～20 mm。空洞的存在一方面增加了礁灰岩的渗透性，加大了礁灰岩取样和基坑降水的难度，导致工程造价增加；另一方面降低了其密度和强度，进而导致礁灰岩地层承载力和桩基承载力降低，威胁工程建筑的安全运营。

图3 礁灰岩岩芯典型照片

2.2 原位测试

在4 个钻孔深度25 m 以内的①层细中砂、②层粗砾砂和③层礁灰岩中分别开展了标准贯入试验，统计不同地层的标贯击数如表1 所示。从表1 可知，①层细中砂标贯击数变化范围为7～20 击，平均值为12.1 击，标准差为4.1，变异系数为0.33；②层粗砾砂标贯击数变化范围为8～30 击，平均值为17.6 击，标准差为5.3，变异系数为0.30；③层礁灰岩标贯击数变化范围为27～114 击，平均值为65.6 击，标准差为27.0，变异系数为0.41。因此，①层细中砂标贯击数平均值最小，②层粗砾砂居中，③层礁灰岩最大。此外，礁灰岩标贯击数标准差和变异系数最大，表明礁灰岩强度具有较大不均匀性。

表1 不同地层标贯击数统计表

3 珊瑚礁岩土的波速特征

3.1 剪切波速与场地类型

在试验场地布设10 个深度20 m 钻孔，采用单孔法测试钻孔深度内珊瑚砂和碎块状礁灰岩的剪切波速。绘制测试深度珊瑚礁岩土随深度变化曲线如图4 所示。从图4 可知，马尔代夫浅地表珊瑚礁岩土剪切波速随深度增加而增加，上部珊瑚砂的剪切波速均小于400 m/s，而礁灰岩的剪切波速则均大于400 m/s，且深度16 m 及其以下礁灰岩的剪切波速均大于500 m/s。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）判定试验场地覆盖层厚度为16 m。①层细中砂剪切波速分布范围为156～221 m/s，平均值185.2 m/s；②层粗砾砂剪切波速分布范围为212～379 m/s，平均值为296.4 m/s，小于①层细中砂平均值的2.5 倍；礁灰岩上部2 m 的剪切波速平均值427.5 m/s。根据式（1）计算场地的等效剪切波速vse为262.3 m/s。

图4 珊瑚礁岩土剪切波速随深度变化特征

3.2 礁灰岩纵波波速与完整性

在试验场地4 个深度80 m 钻孔中使用WSD-3型数字波速仪在每个钻孔内间隔1 m 测试礁灰岩的纵波波速，并测试礁灰岩岩块的纵波波速。统计不同钻孔礁灰岩纵波波速结果如表2 所示。从表2 可以看出，不同钻孔礁灰岩纵波波速变化范围均较大，最小值约为1050 m/s，最大值约为4650 m/s，平均值约为2850 m/s，不同钻孔纵波波速变异系数的变化范围为0.32～0.41。礁灰岩岩块纵波波速的分布范围为4651～5034 m/s，平均值为4800 m/s。

表2 马尔代夫礁灰岩纵波波速统计表

岩体完整性是进行岩体质量分级和评估岩体基本力学性质的重要参数。根据礁灰岩岩体与岩块纵波波速测试结果，采用式（2）计算不同钻孔不同深度礁灰岩的完整性系数（见图5）。从图5 可知： ① 按完整性系数可将礁灰岩依次定名为极破碎、破碎、较破碎、较完整和完整礁灰岩，一定深度范围内完整礁灰岩与破碎程度不同的礁灰岩依次发育，按完整礁灰岩出现次数为一个旋回，发现礁灰岩地层呈现出较有规律的多个旋回沉积，据此可将试验场地深度80 m以内礁灰岩分为3 个旋回沉积；② 深度50 m 以上相同深度不同钻孔礁灰岩完整性系数相差较大，表明水平向上礁灰岩的层序较差，但深度50 m 以下相同深度不同钻孔礁灰岩完整性系数变化范围较小，一定深度范围的礁灰岩完整性系数基本位于同一区间，表明50 m 以下礁灰岩的层序逐渐趋于稳定。