杨永康， 丁学武， 冯春燕， 徐新星

(1. 海南有色工程勘察设计院，海南 海口 570100; 2.广州大学 土木工程学院， 广东 广州 510006)

西沙群岛珊瑚礁灰岩物理力学特性试验研究

杨永康1， 丁学武1， 冯春燕1， 徐新星2

(1. 海南有色工程勘察设计院，海南 海口 570100; 2.广州大学 土木工程学院， 广东 广州 510006)

珊瑚礁灰岩是一种特殊的岩土类型，由于其物质组成、结构和发育环境的特殊性，导致其具有独特的物理力学特性.文章通过对西沙群岛珊瑚礁灰岩的室内物理力学特性展开试验，设定试验流程，分析珊瑚礁灰岩的纵波波速试验、密度试验、孔隙率试验及单轴抗压强度试验等结果，采用回归分析方法，提出珊瑚礁灰岩岩块密度ρ与纵波波速VP、孔隙率n与干燥波速VP以及单轴抗压强度R与岩块纵波波速VP的回归方程.

西沙群岛； 珊瑚礁灰岩； 纵波波速试验； 单轴抗压强度试验； 孔隙率

珊瑚礁在岩石学上统称为礁灰岩，礁灰岩是造礁石珊瑚群体死亡后其遗骸经过漫长的地质作用后形成的[1-5].珊瑚死后仍留在海底原地，丛生的珊瑚群体死后其遗骸构成的岩体，堆积在死前原生长地称为原生礁；死或活的珊瑚被波浪破坏后，其残肢和各种附礁生物贝类及藻类的遗骸堆积胶结在一起构成次生礁.原生礁和次生礁构成了水中珊瑚礁灰岩地质体[6-9].

南海西沙群岛的绝大多数岛屿都是由珊瑚礁构成的，随着南海石油天然气资源、渔业资源的开发和国防建设的进行，迫切需要建设大型的珊瑚岛礁工程.而珊瑚礁灰岩有着独特的工程力学性质，对珊瑚礁灰岩的力学特性研究，可为珊瑚礁工程的布局、规划和设计提供科学数据.

为研究珊瑚礁的工程力学性质，2013年6月～10月期间，在西沙群岛的5个渔民集中居住的岛礁进行了22个50 m钻孔钻探工作，现场选取块径大、结构完整性好的珊瑚礁灰岩样品进行室内力学试验研究.

1 试验概况

1.1 试验流程

在本次岛礁钻探试验中，共采取了379件珊瑚礁灰岩岩样.由于珊瑚礁灰岩具有疏松多孔、质脆易碎等特点，导致在采取、运输和制备过程中容易产生缺陷，从5个岛礁钻孔中现场取回的379件岩样中，选取了其中167件珊瑚礁灰岩进行其物理力学性质试验，其试验流程见图1.

图1 珊瑚礁灰岩物理力学性质试验流程图

1.2 岩样制备

根据规范《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266-2013)[10]的相关要求，采用钻孔岩芯制备试件，把岩芯切割成直径为50 mm、高为100 mm的圆柱体，此时试件内应力分布较均匀，易处于弹性稳定状态.试件2端面不平行度误差小于0.05 mm，沿试件高度直径的误差小于0.3 mm，端面垂直于试件轴线，偏差小于0.25°.

2 珊瑚礁灰岩物理特性

2.1 纵波波速试验

珊瑚礁灰岩是比较复杂的非均质各向异性体，其物理力学性质差异较大，生物组分、成岩程度、非均匀性、孔隙类型、裂隙的发育等因素对礁灰岩物理力学试验结果的影响较大.为能较合理地分析比较不同的室内测试方法所得结果，减少对比、统计过程中的离散性，可根据岩石的纵波波速大小对试件进行分组，在各组再选择其它室内试验项目，进而对试验结果进行对比、统计、分析，以达到确定其最佳估值的目的.

在制备完试样后，对167件珊瑚礁灰岩样品均进行了天然状态下的纵波波速测试.在试验的基础上，对样品中的99件岩样进行干燥处理(其中的36件样品先进行干燥处理及测试干燥波速，用于估算岩样的孔隙率)，68件进行饱和处理，以测试干燥和饱和状态下珊瑚礁灰岩的力学性质.根据测试成果，按纵波波速VP<3 000 m·s-1、3 000 m·s-1≤VP<3 500 m·s-1、3 500 m·s-1≤VP<4 000 m·s-1和VP≥4 000 m·s-1把干燥和饱和状态下珊瑚礁灰岩分别分为4组，干燥、饱和纵波试验结果见表1，部分岩样的天然、干燥、饱和状态的纵波波速对比见表2.

表1 珊瑚礁灰岩干燥、饱和状态纵波波速结果统计表

由试验结果可知：

(1)珊瑚礁灰岩在天然、干燥和饱和状态下的纵波波速分别在2 311～4 230 m·s-1、2 530～4 167 m·s-1、2 352～4 190 m·s-1之间.

(2)受结构面和孔隙水的影响，天然状态的纵波波速比干燥状态的大，饱和状态的纵波波速比天然状态的大.这是由于声波在不同介质中传播速度不一样，在水中的传播速度比在空气中的传播速度快，而珊瑚礁灰岩的孔隙较多，水充填了岩块的孔隙后使其波速增大.

2.2 密度试验

在把珊瑚礁灰岩试样按纵波波速分组的基础上，对样品中的99件经干燥处理的岩样进行干燥密度试验，对68件经饱和处理的岩样进行饱和密度试验，其中36件用作孔隙率试验的岩样进行干燥和饱和密度试验.试验结果表明，天然状态、干燥状态和饱和状态下珊瑚礁灰岩的密度分别在1.12～3.08 g·cm-3、1.11～2.92 g·cm-3、1.12～3.07 g·cm-3之间.部分岩样天然状态的密度比饱和状态的密度大，是由于在饱和过程中有部分碎屑脱落，导致称得的饱和质量减少.

2.3 孔隙率试验

由于珊瑚礁灰岩的孔洞、凹槽较多，这种特性对其物理力学性质影响较大.在此背景下，在天然状态下的纵波波速测试后，按波速分为1～4组，分别选取7件、16件、10件和3件岩样(共36件)，先进行烘干，称得干燥质量md，再进行饱和处理，测出饱和质量mw，假设岩样无密闭孔隙，且在饱和过程中全部被水填满，则孔隙率n可按式(1)计算.

(1)

式中，Vv为孔隙体积，V为岩样体积，ρw为水的密度.

表2 部分岩样的天然、干燥和饱和状态纵波波速对比表

Table 2 Parts of wave test on coral reefs calcareous rock in native, dry and saturation state

(m·s-1)

从孔隙率计算结果可知，珊瑚礁灰岩的孔隙率n在5.81%～36.33%之间，随着纵波波速增加，孔隙率呈减少的趋势.

2.4 纵波波速VP与密度ρ的关系

由于珊瑚礁灰岩岩块存在较多孔隙、裂隙，为研究珊瑚礁灰岩的致密程度对其纵波波速的影响，在干燥状态和饱和状态纵波波速试验前，采用量积法分别进行了干燥、饱和状态下的珊瑚礁灰岩岩样的密度试验.结合试验数据，利用最小二乘法分别建立了干燥、饱和状态下的珊瑚礁灰岩密度ρ与纵波波速VP之间的回归方程.

干燥岩块密度ρd与纵波波速VP之间的回归方程见式(2),相关曲线见图2.

ρd=0.697 1e2.915 2×10-4×VP(n=63，R2=0.816 5)

(2)

图2 干燥岩块密度ρd与纵波波速VP关系图

Fig.2 Relationship between densityρdand waveVPof calcareous rock in dry state

饱和岩块密度ρsat与纵波波速VP之间的回归方程见式(3)，相关曲线见图3.

ρsat=1.007 2e2.042 7×10-4×VP(n=68，R2=0.571 4)

(3)

图3 饱和岩块密度ρsat与纵波波速VP关系图

Fig.3 Relationship between densityρsatand waveVPof calcareous rock in saturation state

上述研究结果表明，在干燥状态下岩块密度ρd与纵波波速VP相关性好，礁灰岩密度越大，其弹性波波速越大.而饱和状态下岩块密度ρsat与纵波波速VP相关性稍差，是由于礁灰岩结构疏松多孔，且珊瑚骨骼中不同程度地填充有珊瑚碎屑，部分碎屑与珊瑚骨骼胶结得不紧密，在浸水饱和过程中，与珊瑚骨骼胶结得不紧密的碎屑会脱落，使称量出的饱和质量减少.然而，每个岩样根据其胶结紧密程度不同，脱落的碎屑质量也不一致，从而导致统计结果离散性增大.

2.5 纵波波速VP与孔隙率n的关系

由珊瑚礁形成的过程可知，礁灰岩是由珊瑚、各种附礁生物贝类及藻类的遗骸等在钙质胶结物的胶结作用下形成的，在胶结的过程中，珊瑚骨骼间被珊瑚碎屑、生物碎屑填充，但存在大量孔隙未被填实.由于孔隙的存在，影响了礁灰岩的纵波波速，也降低了岩块的抗压强度.

结合孔隙率计算结果以及干燥波速测试结果，建立孔隙率n与干燥波速VP的关系式(4)(统计过程中剔除了6个异常点)，其相关曲线见图4.

图4 干燥岩块纵波波速VP与孔隙比n关系图

Fig.4 Relationship between waveVPand porositynof calcareous rock in dry state

(n=30，R2=0.856 1)

(4)

3 珊瑚礁灰岩力学特性

3.1 单轴抗压强度试验

单轴抗压强度是划分岩石的坚硬程度、研究其力学性质的重要指标，是开挖分级、确定可钻性等的重要依据.为研究珊瑚礁灰岩的强度特性，对5个岛礁的131个岩样进行单轴抗压强度试验，在礁灰岩岩样按纵波波速分成1～4组的基础上，对经干燥处理的63个岩样以及经饱和处理的68个岩样分别进行单轴干燥抗压强度试验和单轴饱和抗压强度试验.干燥、饱和状态的单轴抗压强度汇总表见表3.

表3 珊瑚礁灰岩干燥、饱和状态的单轴抗压强度汇总表

由试验结果可知，珊瑚礁灰岩的单轴干燥抗压强度在1.82～27.42 MPa之间，平均为9.15 MPa，单轴饱和抗压强度在0.86～18.94 MPa之间，平均为7.30 MPa.经计算，珊瑚礁灰岩的平均软化系数在0.69～0.91之间.

3.2 单轴抗压强度R与纵波波速VP的关系

声波测试和强度试验都是了解岩石力学特性的重要手段.由以上分析可知，随着珊瑚礁灰岩孔隙率的增加，纵波波速急剧减少，与此同时，礁灰岩的抗压强度也随孔隙率的增加而减少.因此，礁灰岩的声波特性与强度之间也必然存在一种联系.根据珊瑚礁灰岩干燥状态和饱和状态下的纵波波速试验及单轴抗压强度试验结果，将实验样本按干燥状态和饱和状态分类，并进行拟合分析.

单轴干燥抗压强度Rd与干燥岩块纵波波速VP之间的回归方程见式(5),相关曲线见图5.

Rd=7.138 4×10-2×e1.376 6×10-3×VP

(n=48，R2=0.831 6)

(5)

图5 单轴干燥抗压强度Rd与干燥岩块纵波波速VP关系图

Fig.5 Relationship between uniaxial compressive strengthRdand waveVPof calcareous rock in dry state

单轴饱和抗压强度Rw与饱和岩块纵波波速VP之间的回归方程见式(6)，相关曲线见图6.

Rw=6.776 1×10-2×e1.331 4×10-3×VP

(n=60，R2=0.825 4)

(6)

图6 单轴饱和抗压强度Rw与饱和岩块纵波波速VP关系图

Fig.6 Relationship between uniaxial compressive strengthRwand waveVPof calcareous rock in dry state

由试验结果可知，在干燥状态和饱和状态下，珊瑚礁灰岩的单轴抗压强度R与纵波波速VP均呈指数关系，统计的关联程度较高.拟合结果反映了珊瑚礁灰岩的物理与力学性质是相关联的，岩块随着纵波波速的增大，其单轴抗压强度增长速率较快.由于岩石单轴抗压强度试验是破坏性且不可逆的，而纵波波速试验具有无损性，并且可以重复进行，拟合结果可在特殊条件或要求下，根据纵波波速结果来估算其单轴抗压强度.

4 结 论

通过对西沙群岛珊瑚礁灰岩的物理力学特性进行研究，得出以下结论：

(1)受结构面和孔隙水的影响，天然状态的纵波波速比干燥状态的大，饱和状态的纵波波速比天然状态的大，是由于声波在不同的介质中传播的速度不一样，在水中的传播速度比在空气中传播速度快，而珊瑚礁灰岩的孔隙较多，水充填了岩块的孔隙后使其波速增大.

(2)在干燥状态下岩块密度ρd与纵波波速VP相关性好，礁灰岩密度越大，其弹性波波速越大.而饱和状态下岩块密度ρsat与纵波波速VP相关性稍差，是由于礁灰岩结构疏松多孔，且珊瑚骨骼中不同程度地填充有珊瑚碎屑，部分碎屑与珊瑚骨骼胶结得不紧密，在浸水饱和过程中，与珊瑚骨骼胶结得不紧密的碎屑会脱落，使称量出的饱和质量减少，从而导致统计结果离散性增大.

(3)随着礁灰岩的孔隙率n的增大，纵波波速减少速率较快.回归分析是假设孔隙全部被水填满，实际上岩样孔隙未必全都是大开孔隙且相互连通，且饱和过程中，有部分碎屑脱落，导致计算得到的孔隙率比实际稍小.

(4)珊瑚礁灰岩的单轴抗压强度R与纵波波速VP均呈指数关系，统计的关联程度较高.

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【责任编辑： 孙向荣】

Experimental research on physics mechanics characteristics of coral reefs calcareous rock in Xisha Islands

YANGYong-kang1，DINGXue-wu1，FENGChun-yan1，XUXin-xing2

(1. Hainan Nonn-Ferrous Engineering Investigation and Design Institute, Haikou 570100, China;2. School of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

Coral reefs calcareous rock, being a special type of rock, has special physical and mechanical properties due to its composition, structure and sedimentary environment. Based on the physical and mechanical characteristics of coral reefs calcareous rock in Xisha Islands, testing process is set up, the results of wave test, density test, porosity test and uniaxial compressive strength test are analyzed, the regression analysis method is adopted, the regression equations of densityρand waveVP, porositynand waveVP, uniaxial compressive strengthRand waveVPof calcareous rock are put forward.

Xisha Islands; coral sand; bearing capacity characteristics; deformation characteristics; plate loading test

2016-06-30;

2016-09-12

杨永康(1986-)，男，工程师，硕士.E-mail：yangyongkang2005@126.com

1671- 4229(2016)05-0078-06

TU 43

A