马尔代夫珊瑚礁岩土工程特性研究

肖向阳 张 荣 彭登峰

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉 430056)

新生代时期，造礁石珊瑚繁生，附着在硬质浅海海底，逐渐发育成珊瑚礁，经过长期的生物化学及物理化学作用后形成礁灰岩，其沉积年代新，大多属于现代海相生物成因的碳酸盐岩。实际上，生物成因的珊瑚礁岩体保留了原生生物骨架中的孔隙，具有高孔隙率、疏松易破碎、高压缩、强度差别大等特征[1-3],其与常规岩土体之间具有较大差别，是一种具有特殊工程性质的岩土体[4，5]。以马尔代夫某桥梁工程为例，从工程应用的角度对珊瑚礁的物理力学性质进行试验和相关评价，以探讨珊瑚礁灰岩的工程性质，为进一步的研究和工程建设提供参考。

1 珊瑚礁岩土的组成及地层特征

珊瑚礁体表层以全新世礁砂砾层为主，往下为固结的礁灰岩。松散砂砾层主要为钙质砂，由造礁珊瑚及其他海洋钙质生物碎屑组成，其矿物成份主要为文石、方解石和白云石，化学成分主要为碳酸钙。珊瑚礁碳酸钙岩土组分的粒径变化较大，多呈白色至淡黄色[6-8]。多孔隙的生物结构以及远低于陆源石英砂的硬度，都使碳酸盐质的碎屑颗粒更容易破碎[9]。

勘探揭示，研究场区100 m范围内，表层分布有一层厚度较薄的礁灰岩硬壳；其下为珊瑚砾砂混砾块层，一般呈粗砾砂状-角砾状，结构疏松，标贯击数较小；往下的地层强度较大，岩芯多呈块状和圆柱状，根据其动力触探击数和岩芯完整程度，可依次定名为弱胶结珊瑚礁灰岩、中等胶结珊瑚礁灰岩、强胶结珊瑚礁灰岩。再往下的地层，又是较早期的一个旋回，交替分布着珊瑚砂砾(角砾)层及珊瑚礁灰岩胶结层。即地层呈现出较有规律的多个旋回堆积，胶结礁灰岩中可见大小不均的溶洞，地层分布见表1。

表1 场地地层特征

2 礁灰岩孔隙及空洞

珊瑚礁灰岩成岩作用复杂，因其成岩作用弱、胶结物质特殊及主要成分为生物骨架三因素叠加，导致礁灰岩具有较高的孔隙率。从取出岩芯可以看到，孔壁上有较多孔隙和坑洞(见图1)，后经浪蚀作用易形成沟槽、空洞等。珊瑚礁灰岩在成岩过程中易受生物侵蚀、化学溶解、物理侵蚀的综合影响，进一步形成规模大小不均的礁灰岩空洞。空洞规模大小不一，洞径从数厘米至数米均有分布。

研究场区内，通过钻探手段，发现在某主桥墩范围内，其垂直方向发育有大小不一的空洞，洞径为0.2～4.9 m。为了查明大孔径的空洞在水平方向上是否处于连通状态，在现场实施了跨孔CT测试，波速分布结果见图2。

图1 礁灰岩孔隙及孔洞

图2 跨孔CT波速分布

在图2中，不同的颜色表示不同的波速，红色为高波速区，经黄色、绿色、浅蓝色到深蓝色，波速逐渐降低。分析图2可知： 23-1号孔高程-72 m到23-4号孔高程-70 m为低速分布区，其波速为1 400～1 600 m/s，而海水的波速为1 450 m/s左右，故判定此低速区为空洞区，且该空洞走向为斜向分布。同理，可判定23-1号孔(高程-80 m，横向1 m距离处)以及23-4号孔高程-90 m附近存在空洞区。

综合钻探和跨孔CT孔内测试结果，可以证实在该桥墩处，礁灰岩中洞径大者呈连通状，洞顶高程为-67.00～-70.07 m，洞底高程为-71.35～-72.72 m，洞高2.65～4.9 m；洞径小者分布不均，一般洞径为0.2～0.65 m，孤立分布；空洞内无充填物。

礁灰岩空洞对工程建设将产生不利影响，应分别针对横向和纵向的空洞采取不同的处理措施，并提前灌注足量混凝土，以确保桩基础的成桩质量。

3 礁灰岩波速特性

礁灰岩的结构、成份、岩性及胶结程度对其孔隙率影响较大，而孔隙率是影响弹性波特性的一个重要指标，两者之间存在某种定量和定性的关系：孔隙率小，礁灰岩致密，弹性波传播速度大;孔隙率大，礁灰岩松散，弹性波传播速度小。

分别对干燥状态和饱和状态的部分礁灰岩试样进行相关试验，测试结果如表2。珊瑚礁灰岩的天然含水率为13%～20%，干燥密度为1.43～2.27 g/cm3，饱和密度为1.81～2.61 g/cm3。与常见灰岩相比，礁灰岩的密度明显偏小；平均天然纵波波速为2 863 m/s，平均干燥纵波波速为2 802 m/s， 平均饱和纵波波速为2 994 m/s。饱和后波速略有增大，干燥后波速略有减小。

表2 礁灰岩波速测试结果

礁灰岩中存在的孔隙和空洞，不仅降低了岩体的强度，也影响了波速在岩体中的传播。因此，可采用孔隙率来表征岩体孔隙与波速间的关系。孔隙率可通过岩样的饱和质量、干燥质量、岩样体积测试求得。求解式为

Vv=(m-md)/ρw

(1)

n=(Vv/V)×100%

(2)

式中：ρw为水的密度，m为饱和试样质量，md为干燥试样质量，V为试样总体积，Vv为试样中孔隙体积。

通过式(1)、式(2)计算得到礁灰岩的孔隙率(见表3)。可知礁灰岩的孔隙率为30%～49%，与其他岩石相比，其孔隙率较高，从而导致其波速相对较低。

根据试验测试得到的孔隙率和纵波波速数据，可建立礁灰岩孔隙率和岩体纵波波速间的关系(见图3)。

表3 礁灰岩的孔隙率和干燥波速

由图3可知，礁灰岩孔隙率和岩体纵波波速两者呈负相关关系：礁灰岩孔隙率越大，纵波波速越小。将二者进行拟合处理，可得到礁灰岩孔隙率n和岩体纵波波速Vp之间的拟合关系式

Vp=-5 528.3n+5 018.8

拟合关系式的相关系数为R2=0.882，具有较高的可靠度。

图3 礁灰岩纵波波速与孔隙率关系

4 礁灰岩基本力学性质

强度和应力-应变关系是岩石最重要的力学性质之一。岩石的强度和变形既是判定岩石工程稳定性的重要判据，也是进行数值计算的基础数据[10]。

4.1 单轴抗压强度

对经过干燥和饱和处理后的礁灰岩试样进行单轴抗压强度测试，测试结果见表4。

表4 礁灰岩单轴抗压强度测试结果

由表4可知，礁灰岩的单轴抗压强度变化较大(干燥岩样1.1～33.18 MPa，饱和岩样1.07～29.27 MPa)，具有较大的变异性，变异系数为0.3～0.87。按饱和单轴抗压强度分类，属于极软岩-软岩范畴，抗压强度和软化系数均远低于一般的石灰岩，这与礁灰岩的疏松生物格架结构，且具有多孔隙和溶蚀孔洞极度发育的结构特征相符合。

根据岩石的破坏类型及微观破坏机制，岩石的基本破坏形式只有拉坏和剪坏两类[11]。礁灰岩的破坏形式与其他岩石也有着本质的区别：礁灰岩属于拉张破坏，与其他岩石沿着最大剪应力面发生剪切破坏不同，而是沿着礁灰岩最脆弱的生长线部位发生拉张破坏，并伴有局部的摩擦印痕，形成多个碎条状岩块(见图4)。

图4 礁灰岩破坏形态

4.2 抗拉强度

将地质勘探取出的岩芯制成圆柱样，试样尺寸直径为90 mm，高度为100 mm，采用巴西劈裂法，测试礁灰岩在干燥和饱和两种状态下的抗拉强度。

由抗拉试验测试可知，礁灰岩在饱和状态下的平均抗拉强度为1.82 MPa，分布范围为1.58～2.54 MPa；在干燥状态下的平均抗拉强度为2.03 MPa，分布范围为1.71～2.65 MPa。在两种不同状态下，饱和礁灰岩的抗拉强度略有降低，但差别并不明显。由此说明，珊瑚礁灰岩具有较弱的软化性，这与礁灰岩主要由质地较脆且软化性差的方解石和文石这两种矿物组成相符。

4.3 剪切强度参数

岩体的剪切强度可通过黏聚力c和内摩擦角φ两个参数表示。利用礁灰岩单轴抗拉强度σt和单轴抗压强度σc两个参数值，根据摩尔-库伦包络线按直线推算的计算式(3)、式(4)，可估算礁灰岩强度参数黏聚力c和内摩擦角φ

(3)

(4)

式中，σt和σc分别取试验所得的平均单轴抗拉强度和平均单轴抗压强度。

由式(3)和式(4)计算得出：干燥礁灰岩的黏聚力c=1.86 MPa，内摩擦角φ=38.4°；饱和礁灰岩的黏聚力c=1.61 MPa，内摩擦角φ=33.7°，两者相差不大。

5 自平衡法确定礁灰岩承载力特性

5.1 单桩竖向抗压极限承载力确定

根据静载试验的最终加载值，可按式(5)确定试桩的极限承载力

(5)

式中，Pu为试桩的单桩极限承载力；Qus，Quz，Qux为试桩上、中、下段桩的加载极限值；Ws为试桩荷载箱上部桩自重，单位均为kN；γ为试桩的抗托系数，由于没有类似工程经验，按岩石系数取值，取γ=1.0。

根据SZ3桩静载试验的最终加载值，按式(5)可计算得到该桩极限承载力。试桩SZ3极限承载力计算结果如表5所示。

表5 试桩抗压极限承载力计算结果

5.2 摩阻力的确定

各土层桩侧摩阻力qs可根据下式求得

(6)

式中，qs为桩侧各土层的摩阻力/(kN/m2)；ΔPZ为桩身量测截面之间的轴向力PZ之差值/kN；ΔF为桩身量测截面之间桩段的侧表面积/m2。

通过桩的应变、断面刚度和轴向力，进而求出不同深度的桩侧摩阻力， 并与地勘资料提供的参数作对比(见表6)。

由表6可知，下段桩侧摩阻力发挥充分，中段桩体相对于土层向上移动，使桩周土层产生疏松扰动，导致桩土界面摩擦力显著减小；在极限荷载作用下，下段桩产生向下位移，使桩周土层及桩端土体更加密实，下段桩体的泊松效应使得桩土界面摩擦力显著增大。

在下段桩所处地层中，地质勘察提供的极限侧阻力标准值为80 kPa，土性相对较差；由于桩土相对位移值较大(41.71 mm)，侧阻力发挥充分(实测达到465 kPa)；在中上段所处地层中，提供的极限侧阻力标准值可达150 kPa，土层土性相对较好；虽然桩土相对位移仅为7.51 mm，但是实测侧阻力值达到962 kPa。在整个试桩范围内，地质勘察提供的极限侧阻力标准值与现场实测侧阻力相差可达5～7倍。其主要原因为珊瑚礁灰岩整体强度具有较大的结构性，钻探过程对礁灰岩地层存在较大的扰动影响，使其试验所得力学性质严重降低。

表6 试桩各岩(土)层摩阻力

6 结论

(1)礁灰岩主要为生物骨骼碎屑形成的碳酸盐岩颗粒，饱和密度介于1.81～2.61 g/cm3，具有孔洞发育、结构疏松、高孔隙率等特殊的工程特性。

(2)礁灰岩具有很高的孔隙率，从而导致其波速相对较低，两者呈负相关关系。

(3)礁灰岩的破坏属于拉张破坏，一般沿着礁灰岩最脆弱的生长线部位发生，并伴有局部的摩擦印痕，形成多个碎条状岩块。

(4)礁灰岩在干燥和饱和状态下的平均抗拉强度分别为2.03 MPa和1.82 MPa，具有较弱的软化性。

(5)在整个桩基静载试验范围内，地质勘察提供的极限侧阻力标准值为80～150 kN，而现场实测侧阻力可达312～962 kN，两者差距可达5～7倍，主要原因为珊瑚礁灰岩强度具有较大的结构性，钻探取芯过程对礁灰岩地层存在着极大的扰动影响，使其试验所得力学性质严重降低。

[1] 孙宗勋，赵焕庭.珊瑚礁工程地质学—新学科的提出[J].水文地质工程地质，1998(1):1-4

[2] 许宁.浅谈珊瑚礁岩土的工程地质特性[J].岩土工程学报，1989，11(4):81-88

[3] 赵焕庭，宋朝景，卢博，等.珊瑚礁工程地质研究的内容和方法[J].工程地质学报，1997，5(1):21-27

[4] 孙宗勋，黄鼎成.珊瑚礁工程地质研究进展[J].地球科学进展，1999，14(6):577-581

[5] 王新志，汪稔，孟庆山，等.南沙群岛珊瑚礁礁灰岩力学特性研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(11):2221-2226

[6] 孙宗勋.南沙群岛珊瑚砂工程性质研究[J].热带海洋，2000，19(2):1-8

[7] 赵焕庭，宋朝景，卢博，等.珊瑚礁工程地质初论—新的研究领域珊瑚礁工程地质[J].工程地质学报，1996(1):86-90

[8] 崔永圣.珊瑚岛礁岩土工程特性研究[J].工程勘察，2014(9):40-44

[9] 汪稔，宋朝景，赵焕庭.南沙群岛珊瑚礁工程地质[M].北京：科学出版社，1997

[10] 刘佑荣，唐辉明.岩体力学[M].武汉：中国地质大学出版社，1998

[11] 臧德胜，李安琴.真单轴压应力场下岩石的力学性质[J].岩石力学与工程学报，2003，22(7)：1099-1103

[12] 李永辉，浦少云，赵卫全，等.基于等幅周期荷载下软岩Bingham本构模型研究[J].水利水电技术，2017(11):179-186