馬爾代夫珊瑚礁巖土地層結(jié)構(gòu)與波速特征

李 碩 徐青青 喬建偉

（1. 中國(guó)水利水電工程建設(shè)咨詢(xún)西北有限公司，陜西西安 710100；2. 陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院，陜西咸陽(yáng) 712000；3. 機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)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(guó)，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(fēng)和水動(dòng)力作用下原地堆積或近距離搬運(yùn)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(dá) 96%以上，因此又稱(chēng)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(guò)漫長(zhǎng)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(diǎn)，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(duì)珊瑚礁巖土的研究多取材于我國(guó)南海各群島，研究包括地層結(jié)構(gòu)特征、常規(guī)物理力學(xué)特性和化學(xué)特性等方面[9-11]。針對(duì)珊瑚礁巖土的地層結(jié)構(gòu)特征，中國(guó)科學(xué)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(lèi)型[12]。針對(duì)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(duì)揭示該區(qū)珊瑚礁巖土物理力學(xué)特性具有重要的參考價(jià)值，還對(duì)指導(dǎo)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(yàn)場(chǎng)地，通過(guò)工程地質(zhì)鉆探、標(biāo)準(zhǔn)貫入、室內(nèi)試驗(yàn)、波速測(cè)試和面波法對(duì)該區(qū)珊瑚礁巖土的地層結(jié)構(gòu)和波速特征開(kāi)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(yàn)場(chǎng)地位置

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

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地位置

2 試驗(yàn)場(chǎng)地地層特征與原位測(cè)試

2.1 地層特征

在試驗(yàn)場(chǎng)地布設(shè)4 個(gè)深度80 m 鉆孔，采用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)并進(jìn)行全巖芯取樣。鉆探取樣結(jié)果顯示馬爾代夫80 m 以?xún)?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(xì)中砂和②層粗礫砂，對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)所取的珊瑚砂土樣采用篩析法[12]測(cè)試顆粒級(jí)配，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了珊瑚砂（細(xì)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(xiàn)如圖2 所示。從圖中可以看出，試驗(yàn)場(chǎng)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(xì)中砂的顆粒分析統(tǒng)計(jì)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(jì)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(xiàn)

地表深度13 m 以下為礁灰?guī)r，巖芯呈碎塊狀和圓柱狀（見(jiàn)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(jìn)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(jìn)一步表明礁灰?guī)r中存在大量空洞，單次掉鉆最大長(zhǎng)度約120 cm，表明礁灰?guī)r地層中空洞最大高度可達(dá)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(zhǎng)度達(dá)1.2 m。統(tǒng)計(jì)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(dǎo)致工程造價(jià)增加；另一方面降低了其密度和強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)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(yùn)營(yíng)。

圖3 礁灰?guī)r巖芯典型照片

2.2 原位測(cè)試

在4 個(gè)鉆孔深度25 m 以?xún)?nèi)的①層細(xì)中砂、②層粗礫砂和③層礁灰?guī)r中分別開(kāi)展了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)不同地層的標(biāo)貫擊數(shù)如表1 所示。從表1 可知，①層細(xì)中砂標(biāo)貫擊數(shù)變化范圍為7～20 擊，平均值為12.1 擊，標(biāo)準(zhǔn)差為4.1，變異系數(shù)為0.33；②層粗礫砂標(biāo)貫擊數(shù)變化范圍為8～30 擊，平均值為17.6 擊，標(biāo)準(zhǔn)差為5.3，變異系數(shù)為0.30；③層礁灰?guī)r標(biāo)貫擊數(shù)變化范圍為27～114 擊，平均值為65.6 擊，標(biāo)準(zhǔn)差為27.0，變異系數(shù)為0.41。因此，①層細(xì)中砂標(biāo)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(biāo)貫擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)最大，表明礁灰?guī)r強(qiáng)度具有較大不均勻性。

表1 不同地層標(biāo)貫擊數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3 珊瑚礁巖土的波速特征

3.1 剪切波速與場(chǎng)地類(lèi)型

在試驗(yàn)場(chǎng)地布設(shè)10 個(gè)深度20 m 鉆孔，采用單孔法測(cè)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(cè)試深度珊瑚礁巖土隨深度變化曲線(xiàn)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(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）判定試驗(yàn)場(chǎng)地覆蓋層厚度為16 m。①層細(xì)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(xì)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(jì)算場(chǎng)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(yàn)場(chǎng)地4 個(gè)深度80 m 鉆孔中使用WSD-3型數(shù)字波速儀在每個(gè)鉆孔內(nèi)間隔1 m 測(cè)試礁灰?guī)r的縱波波速，并測(cè)試礁灰?guī)r巖塊的縱波波速。統(tǒng)計(jì)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(jì)表

巖體完整性是進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí)和評(píng)估巖體基本力學(xué)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(cè)試結(jié)果，采用式（2）計(jì)算不同鉆孔不同深度礁灰?guī)r的完整性系數(shù)（見(jiàn)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(gè)旋回，發(fā)現(xiàn)礁灰?guī)r地層呈現(xiàn)出較有規(guī)律的多個(gè)旋回沉積，據(jù)此可將試驗(yàn)場(chǎng)地深度80 m以?xún)?nèi)礁灰?guī)r分為3 個(gè)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(jìn)一步劃分為細(xì)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(chǎng)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。