馬爾代夫某項目礁灰巖的強度及變形特性研究

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 資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081）

引 言

礁灰巖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，礁灰巖標準樣的獲取難度也較大。同時，受珊瑚礁生長地域生態環境的變化，礁灰巖也具有不同的地域屬性；即使在同一礁島區，受珊瑚礁生長的沉積歷史環境、沉積相帶演變，珊瑚礁灰巖的結構性、粒度組成、膠結程度也具有明顯的差異性。目前，關于礁灰巖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巖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巖物理力學參數間的關系，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巖進行了較完整的物理力學試驗研究，結果表明礁灰巖在平面和深度方向并無規律性。以上研究表明，礁灰巖屬于一種低強度的特殊巖土材料，在礁島地區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，本文以某珊瑚環礁礁灰巖為研究對象，對該區域礁灰巖的強度和變形特性進行了現場和室內試驗研究，為類似的礁灰巖地區工程建設提供參考。

1 礁灰巖的物理力學參數測試方法

試樣取自某珊瑚環礁鉆孔，覆蓋了陸地和海底區域。礁灰巖是海島的主體和承載層，孔隙結構較發育。礁灰巖的物理力學參數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：

將現場取得的不同埋深礁灰巖樣，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巖樣進行聲波測試；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巖樣的點荷載強度指數，利用下式轉換為直徑為50 mm的標準樣的點荷載強度指數：

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

礁灰巖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 礁灰巖物理力學參數測試及關聯性分析

2.1 礁灰巖單軸壓縮強度的關聯性分析

根據以上測試方法和計算公式（1）和（2），可以得到礁灰巖力學強度和物理參數測試結果，如圖1～6所示。可以看出，礁灰巖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，礁灰巖的單軸抗壓強度和點荷載強度可以較好的滿足正態分布規律，但分布范圍較廣，離散性大。從圖3和圖4中可以看出，研究區域的礁灰巖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，且通過錘擊試驗發現，該類礁灰巖具有錘擊聲不清脆，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律

圖2 點荷載強度分布規律

加工礁灰巖的標準樣較困難，且從礁島將試樣運輸到實驗室成本也較高，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巖的單軸抗壓強度和彈性模量具有重要意義。本文利用礁灰巖點荷載強度指數對其單軸抗壓強度進行統計分析（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巖的單軸抗壓強度：

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，說明礁灰巖的力學強度離散性較大。此外，本文得到的軟弱礁灰巖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，對于礁灰巖的力學強度值，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域礁灰巖的單軸抗壓強度：

2.2 礁灰巖彈性模量的關聯性分析

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可以很好地滿足線性關系，誤差為±3 GPa；但通過嘗試發現軟弱礁灰巖的縱波波速與彈性模量的線性相關性較差。根據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。

本文分別采用該線性方程以及其指數形式對彈性模量進行關聯性分析（如圖6所示），可以看出采用指數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

本文對珊瑚環礁礁灰巖的強度和變形特性進行了試驗研究和關聯性分析，可得出如下結論：

1）礁灰巖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）礁灰巖的單軸抗壓強度和點荷載強度指數均滿足正態分布，但強度離散性較大，且強度與埋深無規律可循。

3）單軸壓縮強度與點荷載強度指數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巖單軸抗壓強度與點荷載強度指數的比值僅為2.79，遠小于國際巖石力學學會的建議值范圍。

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