孫小紅，何英博

（1.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.武漢科技大學 資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430081）

引 言

礁灰?guī)r作為礁島陸基的主體，具有密度輕、多孔隙、強度各向變異顯著的特點，是一種典型的低強度軟巖，因此，礁灰?guī)r標準樣的獲取難度也較大。同時，受珊瑚礁生長地域生態(tài)環(huán)境的變化，礁灰?guī)r也具有不同的地域屬性；即使在同一礁島區(qū)，受珊瑚礁生長的沉積歷史環(huán)境、沉積相帶演變，珊瑚礁灰?guī)r的結構性、粒度組成、膠結程度也具有明顯的差異性。目前，關于礁灰?guī)r的研究主要集中在油藏儲層的滲透特性方面，其強度和變形特性及其關聯(lián)性的研究相對較少。孫宗勛[1]和王新志等[2]分別對南沙群島珊瑚礁灰?guī)r的物理和力學性質進行了試驗研究，結果表明珊瑚礁的波速和單軸抗壓強度變化范圍較大，單軸抗壓強度低于 10 MPa。楊永康等[3]進一步研究了西沙群島珊瑚礁灰?guī)r物理力學參數(shù)間的關系，并提出了單軸抗壓強度隨縱波波速的演化方程。劉志偉等[4]通過運用現(xiàn)場測試和室內試驗相結合的方法對沙特阿拉伯紅海海岸處的礁灰?guī)r進行了較完整的物理力學試驗研究，結果表明礁灰?guī)r在平面和深度方向并無規(guī)律性。以上研究表明，礁灰?guī)r屬于一種低強度的特殊巖土材料，在礁島地區(qū)進行工程建設首先要考察該類特殊巖土的地質屬性和力學特性，本文以某珊瑚環(huán)礁礁灰?guī)r為研究對象，對該區(qū)域礁灰?guī)r的強度和變形特性進行了現(xiàn)場和室內試驗研究，為類似的礁灰?guī)r地區(qū)工程建設提供參考。

1 礁灰?guī)r的物理力學參數(shù)測試方法

試樣取自某珊瑚環(huán)礁鉆孔，覆蓋了陸地和海底區(qū)域。礁灰?guī)r是海島的主體和承載層，孔隙結構較發(fā)育。礁灰?guī)r的物理力學參數(shù)測試主要包括單軸壓縮強度、縱波波速、點荷載強度以及孔隙率測試，測試方法參考我國《工程巖體試驗方法標準》進行，具體測試過程如下：

將現(xiàn)場取得的不同埋深礁灰?guī)r樣，通過加工切割成直徑為50 mm、高度100 mm的標準樣，對標準試樣進行抽真空飽和后，利用樁基超聲波檢測儀對標準礁灰?guī)r樣進行聲波測試；將波速測試后的試樣在RMT多功能巖石剛性試驗機上進行單軸壓縮試驗，得到其應力應變曲線，從而計算出單軸壓縮強度和彈性模量；由于點荷載強度試驗無需對試樣進行加工且設備輕便，是特別適于破碎和低強度巖石的一種簡便測試方法，因此，另外取部分相同位置的非標準樣進行了點荷載強度試驗，采用STDZ-1型點荷載試驗儀測定礁灰?guī)r樣的點荷載強度指數(shù)，利用下式轉換為直徑為50 mm的標準樣的點荷載強度指數(shù)：

式中：Is(50)為直徑50 mm的圓柱形標準樣的點荷載強度指數(shù)為等價巖心直徑，W為圓柱樣高度，D為圓柱樣直徑；m為修正指數(shù)，本文取為建議值0.45。

礁灰?guī)r孔隙率通過測量干燥和飽和試樣的質量及體積，采用下式確定：

式中：ms、md為巖樣的飽和質量和干燥質量；ρw為水的密度；Vr為巖樣體積。

2 礁灰?guī)r物理力學參數(shù)測試及關聯(lián)性分析

2.1 礁灰?guī)r單軸壓縮強度的關聯(lián)性分析

根據(jù)以上測試方法和計算公式（1）和（2），可以得到礁灰?guī)r力學強度和物理參數(shù)測試結果，如圖1～6所示?？梢钥闯?，礁灰?guī)r單軸抗壓強度分布值域為[2.8，18.7]MPa，均值為9.43 MPa；點荷載強度指數(shù)值域為[1.1，6.4]MPa，均值為3.19 MPa。從圖1和圖2可以看出，礁灰?guī)r的單軸抗壓強度和點荷載強度可以較好的滿足正態(tài)分布規(guī)律，但分布范圍較廣，離散性大。從圖3和圖4中可以看出，研究區(qū)域的礁灰?guī)r單軸抗壓強度最大不到21 MPa，平均值只有9.43 MPa，遠低于25 MPa，且通過錘擊試驗發(fā)現(xiàn)，該類礁灰?guī)r具有錘擊聲不清脆，無回彈，易擊碎的特點，因此可歸為典型的工程軟巖。

圖1 單軸抗壓強度分布規(guī)律

圖2 點荷載強度分布規(guī)律

加工礁灰?guī)r的標準樣較困難，且從礁島將試樣運輸?shù)綄嶒炇页杀疽草^高，因此如果能夠采用易獲取的物理力學指標間接獲取軟弱礁灰?guī)r的單軸抗壓強度和彈性模量具有重要意義。本文利用礁灰?guī)r點荷載強度指數(shù)對其單軸抗壓強度進行統(tǒng)計分析（如圖3所示），可以看出，兩者之間具有較好的線性關系，擬合度達到了0.87，滿足了工程應用需求。因此可利用下式估算礁灰?guī)r的單軸抗壓強度：

需要指出的是，雖然兩者線性關系的擬合度較高，但誤差范圍在±6 MPa之間，說明礁灰?guī)r的力學強度離散性較大。此外，本文得到的軟弱礁灰?guī)r單軸抗壓強度與點荷載強度的比值只有2.79，遠小于國際巖石力學學會試驗方法委員會（20～25）和工程巖體分級標準給出的建議值（22.82）。因此，對于礁灰?guī)r的力學強度值，需結合地域特點進行針對性研究，不可簡單引用。

同理，可利用縱波波速對其單軸抗壓強度進行統(tǒng)計分析，如圖4所示，可見縱波波速和單軸抗壓強度之間也具有較好的線性關系，誤差在-3～3 MPa之間。因此，如果能夠獲取縱波波速，也可利用下式估算該區(qū)域礁灰?guī)r的單軸抗壓強度：

2.2 礁灰?guī)r彈性模量的關聯(lián)性分析

點荷載強度和縱波波速是估算軟巖彈性模量常用的指標。首先利用線性方程進行擬合（如圖5），可以看出彈性模量和點荷載強度指數(shù)可以很好地滿足線性關系，誤差為±3 GPa；但通過嘗試發(fā)現(xiàn)軟弱礁灰?guī)r的縱波波速與彈性模量的線性相關性較差。根據(jù)動彈性模量的定義和量綱和諧原理，可嘗試采用下式進行彈性模量估算：

式中：k=(1-2ν)(1+ν)/[(1-ν)(3.8αs-0.68)]，其中ν、αs分別為巖石的泊松比和聲波空間衰減參數(shù)。

本文分別采用該線性方程以及其指數(shù)形式對彈性模量進行關聯(lián)性分析（如圖6所示），可以看出采用指數(shù)方程的擬合度明顯高于直線方程，因此彈性模量與縱波波速的擬合函數(shù)關系可表示為：

圖3 UCS與Is(50)的關系

圖4 UCS與Vpr的關系

圖5 Es與Is(50)的關系

圖6 Es與Vpr的關系

3 結 論

本文對珊瑚環(huán)礁礁灰?guī)r的強度和變形特性進行了試驗研究和關聯(lián)性分析，可得出如下結論：

1）礁灰?guī)r的縱波波速值域位于[3 900，4 900]m/s，單軸壓縮強度值域位于[2.8，18.7]MPa，點荷載強度低于7 MPa，屬于較破碎的工程軟巖。

2）礁灰?guī)r的單軸抗壓強度和點荷載強度指數(shù)均滿足正態(tài)分布，但強度離散性較大，且強度與埋深無規(guī)律可循。

3）單軸壓縮強度與點荷載強度指數(shù)和縱波波速均有較強的線性相關性，且通過擬合得到的軟弱礁灰?guī)r單軸抗壓強度與點荷載強度指數(shù)的比值僅為2.79，遠小于國際巖石力學學會的建議值范圍。

4）礁灰?guī)r的彈性模量位于1.8～13.8 GPa之間，范圍較廣，且礁灰?guī)r的彈性模量與點荷載強度呈線性函數(shù)關系，與縱波波速的平方呈指數(shù)函數(shù)關系。