李 碩 徐青青 喬建偉

（1. 中國水利水電工程建設(shè)咨詢西北有限公司，陜西西安 710100；2. 陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院勘察分院，陜西咸陽 712000；3. 機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710043）

0 引言

馬爾代夫是世界上最大的珊瑚島國，是珊瑚礁巖土發(fā)育最為廣泛的地區(qū)之一。珊瑚礁巖土包括上部松散的珊瑚砂和下部固結(jié)的礁灰?guī)r。珊瑚砂是由珊瑚碎屑和其他海洋生物碎屑在風和水動力作用下原地堆積或近距離搬運異地堆積形成的特殊生物碎屑沉積物，礦物成分主要為文石和高鎂方解石，碳酸鈣含量高達 96%以上，因此又稱鈣質(zhì)砂[1-4]。礁灰?guī)r是造礁石珊瑚群體死亡后其遺骸經(jīng)過漫長的成巖作用形成的碳酸鹽巖[5-6]。珊瑚礁巖土體特殊的沉積環(huán)境、物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征，使其具有顆粒不規(guī)則、易破碎和高內(nèi)摩擦角等特點，其與陸源沉積砂工程性質(zhì)存在較大差別，是一種具有特殊工程性質(zhì)的巖土體[7-8]。

目前對珊瑚礁巖土的研究多取材于我國南海各群島，研究包括地層結(jié)構(gòu)特征、常規(guī)物理力學特性和化學特性等方面[9-11]。針對珊瑚礁巖土的地層結(jié)構(gòu)特征，中國科學院南海海洋研究所根據(jù)巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造的差異性，將珊瑚礁灰?guī)r劃分為5 種類型[12]。針對礁灰?guī)r的波速特性，鄭 坤等[13]研究發(fā)現(xiàn)其與孔隙度、干密度和回彈模量具有很好的相關(guān)關(guān)系，并建立了擬合方程。因此，研究馬爾代夫珊瑚礁巖土的地層結(jié)構(gòu)和波速特性，不僅對揭示該區(qū)珊瑚礁巖土物理力學特性具有重要的參考價值，還對指導該區(qū)工程建設(shè)具有重要意義。本文在馬爾代夫胡魯馬累島選擇典型試驗場地，通過工程地質(zhì)鉆探、標準貫入、室內(nèi)試驗、波速測試和面波法對該區(qū)珊瑚礁巖土的地層結(jié)構(gòu)和波速特征開展研究，研究成果可為該區(qū)工程建設(shè)提供一定的參考。

1 試驗場地位置

試驗場地位于馬爾代夫胡魯馬累島，屬于 2012年人工吹填島，場地地勢平坦，地表高程約為 1.5 m，場地面積為 100 m×80 m，場地中心坐標為 N：4°13′39″，E：73°32′49″（見圖1）。

圖1 試驗場地位置

2 試驗場地地層特征與原位測試

2.1 地層特征

在試驗場地布設(shè)4 個深度80 m 鉆孔，采用旋轉(zhuǎn)鉆進并進行全巖芯取樣。鉆探取樣結(jié)果顯示馬爾代夫80 m 以內(nèi)珊瑚礁巖土包括珊瑚砂和礁灰?guī)r。淺表部為吹填珊瑚砂，包括①層細中砂和②層粗礫砂，對試驗點所取的珊瑚砂土樣采用篩析法[12]測試顆粒級配，根據(jù)試驗結(jié)果，統(tǒng)計了珊瑚砂（細中砂9 組、粗礫砂15 組）小于各粒徑的質(zhì)量百分比平均值，繪制顆粒分析曲線如圖2 所示。從圖中可以看出，試驗場地珊瑚砂以砂粒（d=0.075～2 mm）為主，以粉黏粒（d＜0.075 mm）和礫粒（d＞2 mm）為輔。細中砂的顆粒分析統(tǒng)計結(jié)果顯示，砂粒含量平均值為84%，粉黏粒含量平均值為8%，礫粒平均值含量為8%；粗礫砂的顆粒分析統(tǒng)計結(jié)果顯示，砂粒含量平均值為78%，粉黏粒含量為5%，礫粒含量為17%。

圖2 珊瑚砂顆粒分析曲線

地表深度13 m 以下為礁灰?guī)r，巖芯呈碎塊狀和圓柱狀（見圖3），從巖芯可以看出塊狀和柱狀礁灰?guī)r均含有大量的孔隙和孔洞，后經(jīng)浪蝕作用易進一步形成坑槽和空洞。碎塊狀礁灰?guī)r巖芯采取率均小于50%，且局部深度內(nèi)出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象，進一步表明礁灰?guī)r中存在大量空洞，單次掉鉆最大長度約120 cm，表明礁灰?guī)r地層中空洞最大高度可達120 cm；碎塊狀顆粒粒徑大小變化范圍較大，顆粒磨圓度低。柱狀礁灰?guī)r巖芯采取率多大于70%，巖芯呈短柱狀，最大連續(xù)長度達1.2 m。統(tǒng)計礁灰?guī)r巖芯中空洞大小，發(fā)現(xiàn)其直徑變化范圍較大，最大范圍為1～50 mm，主要分布范圍為8～20 mm。空洞的存在一方面增加了礁灰?guī)r的滲透性，加大了礁灰?guī)r取樣和基坑降水的難度，導致工程造價增加；另一方面降低了其密度和強度，進而導致礁灰?guī)r地層承載力和樁基承載力降低，威脅工程建筑的安全運營。

圖3 礁灰?guī)r巖芯典型照片

2.2 原位測試

在4 個鉆孔深度25 m 以內(nèi)的①層細中砂、②層粗礫砂和③層礁灰?guī)r中分別開展了標準貫入試驗，統(tǒng)計不同地層的標貫擊數(shù)如表1 所示。從表1 可知，①層細中砂標貫擊數(shù)變化范圍為7～20 擊，平均值為12.1 擊，標準差為4.1，變異系數(shù)為0.33；②層粗礫砂標貫擊數(shù)變化范圍為8～30 擊，平均值為17.6 擊，標準差為5.3，變異系數(shù)為0.30；③層礁灰?guī)r標貫擊數(shù)變化范圍為27～114 擊，平均值為65.6 擊，標準差為27.0，變異系數(shù)為0.41。因此，①層細中砂標貫擊數(shù)平均值最小，②層粗礫砂居中，③層礁灰?guī)r最大。此外，礁灰?guī)r標貫擊數(shù)標準差和變異系數(shù)最大，表明礁灰?guī)r強度具有較大不均勻性。

表1 不同地層標貫擊數(shù)統(tǒng)計表

3 珊瑚礁巖土的波速特征

3.1 剪切波速與場地類型

在試驗場地布設(shè)10 個深度20 m 鉆孔，采用單孔法測試鉆孔深度內(nèi)珊瑚砂和碎塊狀礁灰?guī)r的剪切波速。繪制測試深度珊瑚礁巖土隨深度變化曲線如圖4 所示。從圖4 可知，馬爾代夫淺地表珊瑚礁巖土剪切波速隨深度增加而增加，上部珊瑚砂的剪切波速均小于400 m/s，而礁灰?guī)r的剪切波速則均大于400 m/s，且深度16 m 及其以下礁灰?guī)r的剪切波速均大于500 m/s。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）判定試驗場地覆蓋層厚度為16 m。①層細中砂剪切波速分布范圍為156～221 m/s，平均值185.2 m/s；②層粗礫砂剪切波速分布范圍為212～379 m/s，平均值為296.4 m/s，小于①層細中砂平均值的2.5 倍；礁灰?guī)r上部2 m 的剪切波速平均值427.5 m/s。根據(jù)式（1）計算場地的等效剪切波速vse為262.3 m/s。

圖4 珊瑚礁巖土剪切波速隨深度變化特征

3.2 礁灰?guī)r縱波波速與完整性

在試驗場地4 個深度80 m 鉆孔中使用WSD-3型數(shù)字波速儀在每個鉆孔內(nèi)間隔1 m 測試礁灰?guī)r的縱波波速，并測試礁灰?guī)r巖塊的縱波波速。統(tǒng)計不同鉆孔礁灰?guī)r縱波波速結(jié)果如表2 所示。從表2 可以看出，不同鉆孔礁灰?guī)r縱波波速變化范圍均較大，最小值約為1050 m/s，最大值約為4650 m/s，平均值約為2850 m/s，不同鉆孔縱波波速變異系數(shù)的變化范圍為0.32～0.41。礁灰?guī)r巖塊縱波波速的分布范圍為4651～5034 m/s，平均值為4800 m/s。

表2 馬爾代夫礁灰?guī)r縱波波速統(tǒng)計表

巖體完整性是進行巖體質(zhì)量分級和評估巖體基本力學性質(zhì)的重要參數(shù)。根據(jù)礁灰?guī)r巖體與巖塊縱波波速測試結(jié)果，采用式（2）計算不同鉆孔不同深度礁灰?guī)r的完整性系數(shù)（見圖5）。從圖5 可知： ① 按完整性系數(shù)可將礁灰?guī)r依次定名為極破碎、破碎、較破碎、較完整和完整礁灰?guī)r，一定深度范圍內(nèi)完整礁灰?guī)r與破碎程度不同的礁灰?guī)r依次發(fā)育，按完整礁灰?guī)r出現(xiàn)次數(shù)為一個旋回，發(fā)現(xiàn)礁灰?guī)r地層呈現(xiàn)出較有規(guī)律的多個旋回沉積，據(jù)此可將試驗場地深度80 m以內(nèi)礁灰?guī)r分為3 個旋回沉積；② 深度50 m 以上相同深度不同鉆孔礁灰?guī)r完整性系數(shù)相差較大，表明水平向上礁灰?guī)r的層序較差，但深度50 m 以下相同深度不同鉆孔礁灰?guī)r完整性系數(shù)變化范圍較小，一定深度范圍的礁灰?guī)r完整性系數(shù)基本位于同一區(qū)間，表明50 m 以下礁灰?guī)r的層序逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 礁灰?guī)r完整性系數(shù)隨深度變化圖

4 結(jié)論

（1）馬爾代夫珊瑚礁巖土由上部珊瑚砂和下部礁灰?guī)r組成，珊瑚砂按顆粒成分可進一步劃分為細中砂和粗礫砂，礁灰?guī)r按膠結(jié)程度可劃分為碎塊狀礁灰?guī)r和柱狀礁灰?guī)r。

（2）馬爾代夫珊瑚砂剪切波速隨深度增加而增加，但均小于400 m/s，礁灰?guī)r表層2 m 的剪切波速分布范圍為400～500 m/s 且表層2 m 以下礁灰?guī)r的剪切波速均大于500 m/s，場地的覆蓋層厚度約為15 m。

（3）礁灰?guī)r巖體的縱波波速分布范圍為1050～4650 m/s，平均值為2850 m/s；礁灰?guī)r巖塊縱波波速的分布范圍為4651～5034 m/s，平均值為4800 m/s。

（4）礁灰?guī)r按完整性程度可依次定名為極破碎、破碎、較破碎、較完整和完整礁灰?guī)r，礁灰?guī)r呈現(xiàn)出較規(guī)律的旋回沉積。