珊瑚礁岩土的工程地质特性研究进展

第36卷 第1期热 带 地 理V ol.36，No.12016年1月TROPICAL GEOGRAPHYJan.，2016收稿日期：2015-11-30；修回日期：2015-12-17基金项目：国家重大科学研究计划项目（2013CB956102）；国家自然科学基金项目（41025007、91428203）作者简介：袁征（1992―），男，河南许昌人，硕士研究生，主要从事珊瑚礁岩土工程研究，（E-mail）501730945@通信作者：余克服（1969―），男，湖北公安人，教授，博士，主要从事南海珊瑚礁地质、生态与环境研究，（E-mail）kefuyu@。

袁征，余克服，王英辉，孟庆山，汪稔．珊瑚礁岩土的工程地质特性研究进展[J]．热带地理，2016，36（1）：87-93．YUAN Zheng ，YU Kefu ，W ANG Yinghui ，MENG Qingshan ，W ANG Ren ．Research Progress in the Engineering Geological Characteristics of Coral Reefs[J]．Tropical Geography ，2016，36（1）：87-93．珊瑚礁岩土的工程地质特性研究进展袁 征1，余克服1ab,2，王英辉1a,b ，孟庆山3，汪 稔1ab,3（1．广西大学 a．珊瑚礁研究中心；b．海洋学院；c．土木建筑工程学院，南宁 530004；2．中国科学院 南海海洋研究所，广州 520301；3．中国科学院 武汉岩土力学研究所，武汉 430071）摘 要：文章综述了珊瑚礁岩土工程的研究意义、珊瑚礁岩土的组成、钙质砂的物理性质、钙质砂的静力学特性、珊瑚礁岩土中的桩基工程、珊瑚礁混凝土等方面的研究现状。

得出：1）颗粒易破碎是钙质砂最重要的特性，直接影响着钙质砂的其他力学性能，而影响钙质砂颗粒破碎的主要因素有围压、有效应力、颗粒级配、初始孔隙比、颗粒强度、颗粒形状等；2）生物颗粒的易破碎以及成桩过程对钙质砂结构的扰动，导致钙质砂中的桩基承载力远低于普通石英砂；3）在以珊瑚砂为原料的混凝土工程中，利用抗硫酸盐水泥拌养的珊瑚混凝土，其强度和耐久性相对较好。

最后指出：加强对钙质砂颗粒破碎发生机理的研究以及建立破碎模型、加强对新型珊瑚礁钢筋混凝土和新型桩基的研究、开展珊瑚礁岩土工程的灾害预防与处理以及工程后期的养护等，是珊瑚礁岩土工程进一步研究的方向。

关键词：珊瑚礁；钙质砂；静力学特性；桩基工程；珊瑚混凝土；礁灰岩中图分类号：P731.1 文献标志码：A 文章编号：1001-5221（2016）01-0087-07 DOI：10.13284/ki.rddl.002808造礁石珊瑚群体死亡后，其遗骸经过漫长的地质作用形成的岩土体即为珊瑚礁。

珊瑚礁岩体的主要成分为碳酸钙，常被称为礁灰岩。

全球现代珊瑚礁主要分布在南北回归线之间的热带太平洋、印度洋和大西洋海域，如著名的澳大利亚大堡礁绵延达逾2 000 km。

我国现代珊瑚礁主要分布在南海诸岛以及北部沿岸，南海的岛礁基本上由珊瑚礁构成[1-3]。

珊瑚礁几乎是我国在南海唯一的陆地国土类型，我国目前在南海所有的军事、渔政设施无一例外地都建在珊瑚礁上，因此南海的珊瑚礁在我国被赋予了多重功能[4]。

近年来，南海岛礁吹填工程是珊瑚礁岩土作为工程介质服务于国家建设的最典型案例。

但由于以往对珊瑚礁岩土利用的实践偏少，目前对珊瑚礁岩土工程特性的认识仍处于探索阶段。

实际上，生物成因的珊瑚礁岩土具有的易破碎、多孔隙、高压缩等特性，以及海水介质的影响，使其与常规的陆地岩土之间存在很大的差异性。

这些差异性给珊瑚岛礁工程建设带来了很多不确定性。

本文总结珊瑚礁岩土工程地质特性的相关研究成果，以期为南海岛礁工程建设提供依据，也为珊瑚礁岩土工程特性的深入研究提供参考资料。

1 珊瑚礁岩土的组成珊瑚礁体通常的结构是表层以全新世松散礁砂砾层为主，以下则为固结的礁灰岩。

松散砂砾层主要为钙质砂，由造礁珊瑚及其他海洋钙质生物碎屑组成，并主要由生物过程形成的一种沉积物。

其矿物成分主要为文石、白云石和方解石，化学成分主要为碳酸钙。

珊瑚礁碳酸钙岩土组分的颗粒尺寸变化较大，颜色常常呈淡黄色至白色，无塑性[5-7]。

南海的珊瑚礁钙质砂因区域不同其成分通常有一些差异，如西沙、南沙群岛钙质砂的组分基本上全部为碳酸钙，而南海北部岸礁区域（如雷州半岛、涠洲88 热 带 地 理 36卷岛等）钙质砂的组分则以碳酸钙为主，辅以其它陆源组分。

多孔隙的生物结构以及远低于陆源石英砂的硬度，都使碳酸盐质的碎屑颗粒更容易破碎[8]。

余克服等[9]对南沙群岛信义礁等4座环礁的现代碎屑沉积物进行研究发现：相同地貌带的碎屑沉积物具有相似的沉积特征，不同地貌带的碎屑沉积物沉积特征相差较大，主要表现在沉积颗粒的粒度和生物组成等方面。

例如在粒度上，沿礁坪向潟湖盆底方向，沉积物粒度逐渐变细。

在生物组分上，礁坪沉积物一般以珊瑚屑和珊瑚藻屑为主，有孔虫含量低；潟湖盆底沉积物以仙掌藻片和有孔虫含量高为普遍特征；潟湖坡沉积物中的生物组分介于礁坪和潟湖盆底之间。

2 珊瑚礁钙质砂的物理性质2.1 颗粒密度钙质砂的颗粒密度一般在 2.70~2.85 g/cm3之间，大于石英砂的平均颗粒密度2.65 g/cm3。

因钙质砂颗粒表面含有易溶盐，利用不同介质测量时颗粒密度值会有所不同，且颗粒粒径越小，颗粒密度越大[5,10-11]。

汪稔等[8]利用浮称法和虹吸法测定永暑礁珊瑚块的密度，浮称法结果为2.53~2.71 g/cm3，虹吸法结果为2.25~2.33 g/cm3，不少实验室认为虹吸法由于粗粒实体积测量不准确，测得密度较小。

刘崇权等[12]分别用比重瓶法、浮称法和虹吸筒法测量钙质砂颗粒密度，结果显示：采用煤油作为液体的比重瓶法测得的钙质砂颗粒密度较为准确，其颗粒密度为2.73 g/cm3。

2.2 孔隙比钙质砂的孔隙由2部分组成，即颗粒间的外孔隙与颗粒本身的内孔隙。

钙质砂孔隙比范围为0.54~ 2.97，远高于石英砂通常的范围（0.4~0.9）。

实验结果显示：钙质砂内孔隙约占全部孔隙的10%左右，它反映了钙质砂颗粒本身的疏松、多孔程度[5]。

在压缩过程中，钙质砂颗粒重新排列引起体积收缩；同时在颗粒破碎过程中，内孔隙得到释放，释放后的内孔隙被更小的颗粒填充，加剧体积收缩[5,10-11]。

陈海洋[13]对钙质砂进行显微实验，获取钙质砂内孔隙的显微图片，同时利用分形几何学分析了孔隙形状，证明了钙质砂内孔隙具有较好的分形特征，分形维数在0.95~1.07之间。

汪稔[8]、朱长岐[14]等通过实验获取钙质砂颗粒的内孔隙显微图像，定量分析了钙质砂的内孔隙参数，得出较大颗粒钙质砂的内孔隙断面孔隙度相对较大，小孔隙数量较多，而大孔隙所占空间则较大。

3 珊瑚礁钙质砂的静力学特性3.1 钙质砂的压缩性高压缩性是钙质砂颗粒的重要特性之一。

实验显示钙质砂的压缩指数是石英砂的100倍，这是由钙质砂颗粒本身的性质决定的。

一方面，与石英砂相比，钙质砂颗粒硬度低、棱角度高、具有较多的内孔隙；另一方面，钙质砂在常应力水平下的颗粒破碎也被认为是造成其高压缩性的主要原因。

此外，由于钙质砂颗粒形状不规则，在外力作用下颗粒之间的相对位置调整比石英砂缓慢，因此其压缩固结的时间要比石英砂长[15]。

张家铭[15]分析了钙质砂一维与等向下的压缩特性后指出：钙质砂的压缩特性类似于正常固结黏结性土，在低压阶段，压缩变形主要在于颗粒之间位置重新调整；高压阶段，颗粒破碎对其压缩特性起控制作用。

王新志等[16]对南海渚碧礁潟湖的钙质砂进行室内载荷试验，结果表明：钙质砂的承载力和变形模量随相对密实度的增大而显著提高，可以通过夯实的办法显著提高地基的承载力，并且钙质砂地基中土压力的有效影响深度为基础宽度的2~3倍。

3.2 钙质砂的抗剪特性抗剪特性是钙质砂颗粒的另一重要特性。

张家铭等[17-19]通过三轴剪切试验得出：钙质砂颗粒质脆，在剪切作用下会产生大量的颗粒破碎，从而影响钙质砂的力学性质；钙质砂的三轴剪切应力-应变关系随应力水平的变化而变化，其颗粒的剪胀性和峰值应力比与围压关系密切；低围压下剪胀对其强度的影响远远大于颗粒破碎，随着围压的增加，钙质砂颗粒破碎加剧，剪胀影响越来越小，而颗粒破碎对抗剪强度的影响越来越大。

胡波[20]通过三轴试验发现：钙质砂排水剪切和不排水剪切所测得的强度参数有很大不同，固结不排水剪切时钙质砂应以峰值有效应力比作为破坏标准比较合适。

3.3 颗粒的破碎性经典土力学认为：土颗粒是不可压缩和破碎的，其变形由土体孔隙中气、水排出和颗粒的重组造成，且其强度理论建立在颗粒摩擦和滑移基础之上。

实际上，土颗粒在受到大于其自身强度的应力作用下会产生部分或整体破裂[15,21]。

Hardin等[22]通过实验得出：土体颗粒破碎与颗粒级配、颗粒形状、有效应1期 袁 征等：珊瑚礁岩土的工程地质特性研究进展 89力、颗粒强度等因素有关。

张家铭等[23]采用Hardin 的破碎势模型分析钙质砂压缩试验的数据后发现：大颗粒在压缩过程中的破碎形式主要是棱角的折断和颗粒间的研磨。

同时，张家铭等[17,19]还通过三轴剪切实验对钙质砂在剪切作用下的颗粒破碎情况进行研究发现：围压越大，剪切应变越大，颗粒破碎越明显；颗粒破碎对抗剪强度有很大影响，随着颗粒破碎的加剧，这种影响越显著。

吴京平等[24]通过三轴剪切试验发现：钙质砂较大的体积应变主要是由特殊的颗粒形状和颗粒破碎引起的，破碎引起的体积应变与颗粒相对破碎度呈递增的直线关系，而且破碎程度与受力过程中所吸收的塑性功的大小密切相关。

陈清运等[25]通过声发射试验发现：随着围压的增加，颗粒破碎先加剧后减弱，存在一个界限围压；钙质砂存在一个界限孔隙比，当初始孔隙比偏离该值时，颗粒破碎有不同程度提高；颗粒破碎程度还与级配有关。

胡波[20]通过三轴压缩试验得出：钙质砂颗粒破碎程度随着粒径的增加而增大；级配不良的钙质砂比级配良好的钙质砂颗粒破碎更显著；颗粒形状对钙质砂破碎的影响十分显著。

Shahnazari等[26]通过三轴压缩试验发现：与其他一些因素相比，围压对钙质砂的颗粒破碎的影响程度最大。

上述研究揭示了珊瑚礁钙质砂的一些基本力学性能。

颗粒易破碎是钙质砂最重要的特性，这一特性影响了钙质砂的其他力学性能，而影响钙质砂颗粒破碎的主要因素有围压、有效应力、颗粒级配、初始孔隙比、颗粒强度和颗粒形状等。

4 珊瑚礁岩土中的桩基工程特性桩基具有承载力高、沉降量小且较均匀的特点，几乎可以应用于各种工程地质条件和各种类型的工程，因此海洋平台基础类型首选桩基。

然而，大量的试验和工程实例表明：基于常规地基材料的桩基础设计经验在钙质砂土中是不适用的[27-34]。