任世鋒，席文熙，曹中興

（中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京100007）

珊瑚礁物理力學(xué)性質(zhì)分析及工程應(yīng)用

任世鋒，席文熙，曹中興

（中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京100007）

為滿足生產(chǎn)和生活需要，人類對海洋空間的利用日益迫切，隨著海上工程活動日益增多，遇到許多與珊瑚礁相關(guān)的巖土問題。結(jié)合現(xiàn)場原位測試及室內(nèi)巖土試驗，對巴哈馬北阿巴科港地區(qū)珊瑚礁的工程物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了總結(jié)分析。

珊瑚礁；物理力學(xué)性質(zhì)；工程應(yīng)用

珊瑚礁是中低緯度淺海區(qū)最常見的生物沉積巖之一，主要分布于南北回歸線之間的熱帶海洋中，總面積約28．43萬km2，其中印度洋—太平洋地區(qū)（包括紅海、印度洋、東南亞和太平洋）占91．9%的面積，大西洋和加勒比海約占全世界的7．6%。

隨著人類對珊瑚礁分布區(qū)域的開發(fā)建設(shè)活動越來越多，遇到了很多有關(guān)珊瑚礁的巖土工程問題，如該層強度、均勻性、承載力和開挖分級等。目前，國內(nèi)尚無珊瑚礁類巖土相關(guān)的工程地質(zhì)專著及規(guī)范。本文主要基于加勒比海地區(qū)工程實例，對珊瑚礁的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，簡要介紹珊瑚礁的工程應(yīng)用。

1 分類

根據(jù)珊瑚礁與岸線的關(guān)系，可分為岸礁、堡礁和環(huán)礁，根據(jù)礁體形態(tài)分為臺礁和點礁。岸礁和堡礁又通稱為近岸礁，環(huán)礁和臺礁通稱為大洋礁或遠(yuǎn)洋礁。顧名思義，近岸礁靠近大陸的連緣，遠(yuǎn)洋礁坐落于汪洋之中，點礁則是位于瀉湖內(nèi)的小礁體（圖1～3）。

圖1 澳大利亞昆士蘭大堡礁（近岸礁）

圖2 努庫羅環(huán)礁（遠(yuǎn)洋礁）

圖3 西印度群島點礁（點礁）

2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造［1］

珊瑚礁是由造礁珊瑚骨骼沉積、膠結(jié)而成，其分布規(guī)律服從珊瑚生長規(guī)律，并與相應(yīng)地質(zhì)時代的自然環(huán)境有關(guān)。宏觀而言，珊瑚礁灰?guī)r地層分布是比較有規(guī)律的［2］，呈較明顯的輪回建造、軟硬交替的特征，即造礁珊瑚經(jīng)過一個階段生長后，由于環(huán)境變化等原因而死亡、風(fēng)化，之后新的造礁珊瑚礁在其之上生長直至死亡、風(fēng)化，如此循環(huán)堆積。

珊瑚礁復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)派生出珊瑚礁巖特殊的孔隙結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［3］，珊瑚礁巖中的孔隙有4種類型：微孔隙、空隙、空穴、溶洞。微孔隙直徑小于1mm，主要有鈣質(zhì)顆粒黏結(jié)后形成的孔隙，該孔隙多分布于細(xì)顆粒鈣質(zhì)膠結(jié)形成的碳酸鹽質(zhì)巖石中，巖石較為致密；空隙直徑在1～8mm之間，多分布于珊瑚礁灰?guī)r中，呈管狀、放射狀、纖維狀分布，連通性很好；空穴直徑在5～15mm之間，多分布在珊瑚碎屑巖中，空穴無規(guī)則，無充填；溶洞主要分布于較深的珊瑚礁巖中，無規(guī)則，連通性一般。資料表明，珊瑚礁的溶洞大小不一，在空間上分布也不均勻。

珊瑚礁地層從上到下一般可分為生物碎屑砂礫層、次生礁、原生礁3個層次（圖4～5）。各層結(jié)構(gòu)特點如下：

珊瑚碎屑土是由原生或次生珊瑚礁巖和珊瑚、貝殼殘骸等生物經(jīng)風(fēng)化作用或海水動力作用搬運堆積或殘積尚未膠結(jié)成巖的土，該層從上至下顆粒逐漸變細(xì)，從無膠結(jié)到弱膠結(jié)，呈松散—中密狀態(tài)。

次生礁巖也稱為現(xiàn)代“海灘巖”，是在原生礁巖的孔隙、凹穴溝槽中以及礁坪上充填和堆積珊瑚以及喜礁生物碎屑經(jīng)過膠結(jié)壓密作用形成的礁體。巖石呈塊狀構(gòu)造，多孔結(jié)構(gòu)，局部呈蜂窩狀、樹枝狀結(jié)構(gòu)，斷面可看到膠結(jié)特征。

原生礁巖是由珊瑚和一些珊瑚藻自然生長形成的，巖石呈多孔疏松結(jié)構(gòu)或致密結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，斷面呈白色。疏松結(jié)構(gòu)的珊瑚礁巖斷面形似蓮藕，致密結(jié)構(gòu)斷面形似微孔海綿，整體性強，可視為碎裂結(jié)構(gòu)巖體。

圖4 典型珊瑚礁砂

圖5 典型珊瑚礁石

3 基本物理力學(xué)特性

珊瑚礁成層構(gòu)造、多孔結(jié)構(gòu)，后期的充填和溶蝕導(dǎo)致其軟硬、疏密不均勻，工程性質(zhì)指標(biāo)離散和變異性較大。

圖6為巴哈馬地區(qū)的典型地質(zhì)剖面。根據(jù)勘察成果，在深度50m范圍內(nèi)，主要巖層為珊瑚礁灰?guī)r，自上而下可分為3個層次。

圖6 巴哈馬北阿巴科港典型地質(zhì)剖面示意

3．1 天然密度

室內(nèi)試驗測定了巴哈馬北阿巴科港區(qū)域內(nèi)②1～②3層珊瑚礁灰?guī)r的天然密度，范圍值為1．50～2．10g／cm3，密度分布不均。與一般石英砂及灰?guī)r相比，具有天然密度小、孔隙率大的特征，該特征主要與其復(fù)雜的生長結(jié)構(gòu)和膠結(jié)狀態(tài)有關(guān)。

3．2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)

珊瑚礁的多孔不均勻和軟硬交替成層特征，呈現(xiàn)出了標(biāo)貫擊數(shù)的離散和在垂直方向的變化，各地層標(biāo)貫試驗統(tǒng)計見表1。

表1 標(biāo)貫試驗統(tǒng)計

3．3 單軸抗壓強度

單軸抗壓強度試驗結(jié)果表明（表2），珊瑚礁巖抗壓強度指標(biāo)相對一般灰?guī)r較小，且離散性較大，屬軟質(zhì)巖石范疇。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，礁灰?guī)r破壞形態(tài)屬拉張破壞，破裂面沿著珊瑚生長線形成，即珊瑚生長線是礁灰?guī)r最脆弱的部位。礁灰?guī)r破壞后仍具有較高的殘余強度，最高可達(dá)到峰值強度的61%，這與灰?guī)r等脆性巖石破壞后強度完全喪失有別。礁灰?guī)r破壞后強度是逐步降低的，這在工程設(shè)計中具有重要意義。

表2 珊瑚礁單軸抗壓強度值

3．4 抗剪強度

珊瑚礁具有硬而脆的特征，其抗剪強度參數(shù)跟成分、膠結(jié)和密實程度有關(guān)，因難以采取原狀樣品，抗剪強度的測試數(shù)據(jù)較少。表3列出了本工程所采用的抗剪強度參數(shù)。

表3 珊瑚礁巖體抗剪強度指標(biāo)

3．5 滲透特性［4］

珊瑚礁的滲透性與孔隙和裂隙的發(fā)育程度及其連通性有關(guān)，為掌握場區(qū)珊瑚礁灰?guī)r的滲透性，分別進(jìn)行了現(xiàn)場和室內(nèi)滲透試驗，結(jié)果如下：

3．5．1 鉆孔內(nèi)試抽水情況

抽水試驗，通過抽水設(shè)備，在揭露含水層的鉆孔、豎井、民井、試坑中抽水，可以獲得一定的水位降低值（降深）和相應(yīng)的流量，依據(jù)降深和流量，按不同的邊界條件采用相應(yīng)的計算公式，確定含水層滲透性及了解相關(guān)水文地質(zhì)條件的一種原位試驗方法。

滲透系數(shù)計算采用公式為：

式中：Q為涌水量（m3／d）；R為影響半徑（m）；r為抽水孔半徑（m）；H為含水層厚度（m）；S為水位降深（m）。

選擇場區(qū)內(nèi)代表性鉆孔進(jìn)行了簡易抽水試驗（利用已有水井及井上現(xiàn)有抽水設(shè)備，只有一次降深并保持動水位穩(wěn)定2～4h的簡化的單井抽水試驗），抽水結(jié)果：采用額定功率22m3／h的水泵，試抽2h，水位降深0．38m，涌水量約9．02m3／h。試抽說明場區(qū)基巖裂隙水滲透性強、涌水量大。

3．5．2 室內(nèi)滲透試驗

1）試驗原理。水在巖石中呈低流速層流運動時服從達(dá)西定律。據(jù)此可以通過試驗計算巖石的滲透系數(shù)。

2）滲透系數(shù)的測定。室內(nèi)巖石滲透試驗的儀器和方法與土的滲透儀相類似，不過做試驗時采用的壓力差（水頭差）比做土的試驗要大得多。本次試驗巖樣取樣深度分布在0．39～12．22m之間，所處巖層產(chǎn)生的圍巖屬于小圍巖應(yīng)力區(qū)，為更好地模擬現(xiàn)場實際情況，本次室內(nèi)巖石滲透試驗施加的圍壓為0MPa，施加的軸向應(yīng)力（荷載）也為0MPa，通過高壓泵提升巖樣進(jìn)水口端的水頭，按照由低向高的壓力順序逐級進(jìn)行，試驗過程中若巖樣破壞或壓力超過5．5MPa停止試驗。

3）試驗結(jié)果。試驗結(jié)果見表4。

3．5．3 滲透性評價

室內(nèi)巖石滲透試驗結(jié)果：②1珊瑚礁灰?guī)r層垂直向滲透系數(shù)（cm／s，下同）為1．52×10－5～2．55× 10－3、水平向滲透系數(shù)為1．73×10－5～1．17× 10－3，②3珊瑚礁灰?guī)r層垂直向滲透系數(shù)為4．28× 10－7～5．05×10－6、水平向滲透系數(shù)為5．14×10－7～1．13×10－6?，F(xiàn)場抽水試驗結(jié)果：采用額定功率22m3／h的水泵，試抽2h，水位降深0．38m，涌水量約9．02m3／h，滲透系數(shù)約1×10－3。

表4 巖石滲透系數(shù)

室內(nèi)巖石試驗結(jié)果僅代表巖樣的滲透性，而實際巖體滲透性受控于巖體結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，如孔隙和裂隙的發(fā)育程度及其連通性，而這種特征不能在巖樣的成分中體現(xiàn)，因此原位滲透試驗結(jié)果更能夠反映實際情況。因此，該項目珊瑚灰?guī)r最終采納了現(xiàn)場滲透試驗成果。

4 工程應(yīng)用

4．1 基礎(chǔ)持力層

珊瑚礁灰?guī)r有一的定強度和厚度，可作為重力式基礎(chǔ)或樁基持力層使用，表5為本工程采用的承載力和樁基參數(shù)。

表5 珊瑚巖層承載力容許值及樁基參數(shù)［5］

4．2 地基處理

表層和上部的珊瑚礁碎屑土及礁灰?guī)r均勻性和穩(wěn)定性較差，若上部荷載較大，則不能滿足承載力和沉降變形穩(wěn)定的要求，需進(jìn)行相應(yīng)的地基處理。不同類型構(gòu)筑物基礎(chǔ)可根據(jù)其場地工程地質(zhì)條件采用不同的地基處理措施。

考慮珊瑚礁及碎屑本身強度較高，但其孔隙率大、結(jié)構(gòu)疏松，導(dǎo)致地基松散。地基處理的主要目的是提高密實度，可采用強夯、分層碾壓或振沖密實的方法，能滿足一般道路、機場、五層以下工民建的地基承載力及變形指標(biāo)要求。若荷重較大，影響深度較深，可考慮采用水泥壓漿加固或鉆孔灌注樁的加固方法。

4．3 珊瑚礁可挖性及其作為填料的適宜性

珊瑚礁灰?guī)r地層呈軟硬交替分布，總體而言屬開挖困難的地層。巴哈馬采用合適機械先絞碎后再進(jìn)行開挖，取得了較好的成果，且絞碎后其管道輸送性較好。

綜合分析場區(qū)巖芯揭露情況、標(biāo)貫試驗、抗壓試驗等，按照疏浚規(guī)范，珊瑚礁應(yīng)參照巖石類分級。因此，②1珊瑚礁灰?guī)r以碎塊狀、塊狀為主，局部短柱狀，定為12級；②2珊瑚礁灰?guī)r以碎塊狀或散砂狀為主，可挖性介于碎石與巖石之間，定為10～11級；②3珊瑚礁灰?guī)r以碎塊狀、塊狀為主，局部短柱狀、柱狀，定為12～13級。

珊瑚礁灰?guī)r作為建筑材料，具有悠久的歷史，而其作為填料，在巴哈馬也廣泛應(yīng)用于道路墊層。工程實踐證明，珊瑚礁灰?guī)r作為填料的適宜性較好。但應(yīng)注意的是，珊瑚礁巖土屬于碳酸鹽類巖土，其沉積物極易發(fā)生后期變化［6］。其巖土體中多孔隙和裂隙發(fā)育，在水動力條件長期作用下，發(fā)生溶解現(xiàn)象，水沿節(jié)理、裂縫和原生孔隙流動并將孔隙擴(kuò)大，甚至產(chǎn)生溶洞，引起地基不均勻沉降、地基失穩(wěn)。此外，在海浪的沖刷、淘蝕作用下也易引起建筑邊坡失穩(wěn)等工程地質(zhì)問題。有利的方面是，珊瑚砂有一定的自膠結(jié)作用性，回填后在上部荷載作用下，強度會隨著膠結(jié)作用增長，體現(xiàn)出珊瑚砂有一定的粘聚性，這一點有別于常規(guī)石英砂。在地下水位之上，可以呈陡壁開挖不塌。國外也有多個利用珊瑚砂［7］作為回填材料的成功案例，比如蘇丹港新集裝箱碼頭堆場、沙特RSGT集裝箱碼頭堆場均以珊瑚砂作為填筑材料，采用振動碾壓密實，可以達(dá)到預(yù)期的效果。

5 結(jié)語

1）珊瑚礁屬生物沉積巖，廣泛分布于中低緯度淺海區(qū)，呈現(xiàn)岸礁、環(huán)礁和點礁等不同形態(tài)，具有多孔結(jié)構(gòu)、層狀構(gòu)造。

2）珊瑚礁呈現(xiàn)硬而脆、疏密不均的特征，其天然密度1．50～2．10g／cm3，實測標(biāo)貫擊數(shù)6擊～＞100擊；單軸飽和抗壓強度1．50～17．40MPa。

3）珊瑚礁具有較強的滲透性，其表層裂隙發(fā)育，滲透系數(shù)不低于1×10－3cm／s。

4）珊瑚礁表層和上部的均勻性和穩(wěn)定性較差，可采用強夯、分層碾壓或振沖密實的方式進(jìn)行地基處理。珊瑚礁下部強度較高、穩(wěn)定性較好，可作為重力式基礎(chǔ)或樁基持力層使用。

5）珊瑚礁可作為堆場或道路的回填料使用，但應(yīng)注意其屬于碳酸鹽類巖土，在一定水動力條件下可發(fā)生溶蝕現(xiàn)象?？刹捎孟冉g碎再開挖的方式進(jìn)行開挖和疏浚，該層絞碎后適合管道輸送。

［1］嚴(yán)與平，柯有青．淺談珊瑚礁工程地質(zhì)特性及地基處理［J］．資源環(huán)境與工程，2008（12）：47－49．

［2］梁文成．蘇丹珊瑚礁灰?guī)r地區(qū)地質(zhì)勘察總結(jié)［J］．水運工程，2009（7）：151－153．

［3］白曉宇，張明義，李明懷，等．珊瑚礁地基的工程性狀研究［J］．工程勘察，2010（11）：21－25．

［4］中華人民共和國發(fā)展與改革委員會．DL T5355—2006水電水利工程土工試驗規(guī)程［S］．北京：電力出版社，2006．

［5］《工程地質(zhì)手冊》編委會．工程地質(zhì)手冊［M］．4版．北京：中國建筑工業(yè)出版社：384－416，783－792．

［6］孫宗勛，趙煥庭．珊瑚礁工程地質(zhì)學(xué)［J］．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1998（1）：1－4．

［7］劉漢文．珊瑚礁砂作回填地基材料的研究及利用［J］，西部探礦工程，1996（3）：1－3．

The Physical and Mechanical Properties Analysis and Engineering Application to Coral－reef

REN Shi－feng，etc．
（CCCC Water Transportation Consultants Co．，Ltd．，Beijing100007，China）

To meet the needs of the human production and human life，the use of marine space by human is becoming more and more urgent．With growing offshore engineering activities，many coral－reef related geotechnical problems are founded．In this paper，combined the in－site test and laboratory geotechnical test，the physical and mechanical properties of coral－reef in the Bahamas Abaco Island port area has been analyzed and summarized，and the results can be used as reference and guidance in the similar geotechnical problems．

coral－reef；physical and mechanical properties；engineering application

P642

A

1009－8984（2016）02－0081－05

10．3969／j．issn．1009－8984．2016．02．020

2016－03－10

任世峰（1981－），男（漢），河北，高級工程師主要研究巖土體物理力學(xué)性質(zhì)。