疏浚珊瑚礁巖特性及相互關(guān)系分析

張更生

（中交天津航道局有限公司，天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457）

0 引言

為了適應(yīng)和滿(mǎn)足今后大型珊瑚礁疏浚工程建設(shè)的要求，從珊瑚礁工程特性角度出發(fā)，正確分析評(píng)價(jià)疏浚困難珊瑚礁巖物理力學(xué)性質(zhì)及其相互關(guān)系，是深入、全面地了解珊瑚礁巖對(duì)絞吸船挖掘、輸送特性和疏浚物料資源化利用基礎(chǔ)性問(wèn)題，同時(shí)也為珊瑚礁疏浚吹填工程的設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)支撐。

1 珊瑚礁巖分布特征

依據(jù)外海海洋水動(dòng)力環(huán)境、沉積環(huán)境、地層巖性、礁巖體結(jié)構(gòu)特征及工程地質(zhì)性質(zhì)，在地貌相帶劃分基礎(chǔ)上，將珊瑚礁劃分為5個(gè)工程地質(zhì)相帶[1]：a）外礁坪劇烈沖刷帶；b）中礁坪礫塊堆積帶；c）內(nèi)礁坪珊瑚生長(zhǎng)帶；d）瀉湖砂質(zhì)堆積帶；e）灰砂島堆積帶。如圖1所示。

圖1 珊瑚礁工程地質(zhì)分布示意圖Fig.1 Geological distribution of coral reef engineering

抗壓強(qiáng)度高和完整性好的珊瑚礁巖主要分布在外礁坪劇烈沖刷帶，即為疏浚中常說(shuō)的挖掘困難的口門(mén)地帶，珊瑚礁巖分布區(qū)域通常從礁緣至礁坪凸起帶，寬度一般為30～40 m，礁面向外海傾斜。該帶多被礁脊-槽溝系切割，槽溝大體與礁邊緣垂直。大潮最低潮時(shí)外礁坪干出，但潮流和波浪流在該帶往復(fù)沖刷。該帶主要由塊狀珊瑚組成，珊瑚藻發(fā)育，珊瑚藻包裹于鈣質(zhì)骨殼上生長(zhǎng)或在粒與粒的間隙生長(zhǎng)，這種由生物體和鈣質(zhì)膠結(jié)固結(jié)成整體形成的原生礁，構(gòu)成珊瑚礁的骨架。它完整性程度高，也成為巖盆結(jié)構(gòu)的盆沿。外礁坪分布的珊瑚礁巖，礁體結(jié)構(gòu)性好，裂隙發(fā)育少，整體性強(qiáng)，礁巖密度高，水動(dòng)力作用強(qiáng)烈，礁坪沖刷嚴(yán)重，距離外海近，具有較高的抗壓強(qiáng)度。

2 珊瑚礁巖物理力學(xué)特性

基于難挖珊瑚礁巖疏浚工程的土工試驗(yàn)測(cè)試資料，對(duì)影響挖掘的關(guān)鍵特性指標(biāo)孔隙率、密度、飽和抗壓強(qiáng)度、飽和抗拉強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、凝聚力、完整性指數(shù)和軟化系數(shù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，得出疏浚珊瑚礁巖特性指標(biāo)如表1所示。

表1 珊瑚礁巖特性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值Table1 Statistical value of reef rock characteristics

從表1可以看出，珊瑚礁巖孔隙率變化大，在16.2%～54.4%，平均值為33.5%，為其它沉積巖的3～4倍，孔隙分布規(guī)律性差。從而導(dǎo)致珊瑚礁巖具有物理力學(xué)指標(biāo)變化范圍大的特點(diǎn)，局部沉積無(wú)規(guī)律性，軟硬交替、交錯(cuò)分布，珊瑚礁巖具有獨(dú)特的工程性質(zhì)，各向異性效應(yīng)明顯。珊瑚礁巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度在3.0～25.0 MPa之間，平均值為11.3 MPa，多為軟巖，疏浚巖土工程分級(jí)為11～13級(jí)[2]，需要使用絞吸船進(jìn)行挖掘施工，管道輸送適宜性尚可，由于部分珊瑚礁密度較高，堅(jiān)硬程度大，會(huì)給疏浚施工帶來(lái)挖掘困難問(wèn)題，從而產(chǎn)生刀齒磨損和效率低下，輸送時(shí)對(duì)管線(xiàn)的磨損加劇，造成成本上升風(fēng)險(xiǎn)。飽和抗拉強(qiáng)度在0.38～4.44 MPa之間，平均值為1.46 MPa，抗拉強(qiáng)度一般為抗壓強(qiáng)度的0.07～0.27，平均為0.12。珊瑚礁巖體的完整性指數(shù)為0.09～0.69，完整程度為極破碎—較完整，完整性指數(shù)平均值為0.43，完整程度多為較破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)多為鷹級(jí)[3]。珊瑚礁巖的軟化系數(shù)范圍為0.47～0.93，平均值為0.73。依據(jù)巖石軟化類(lèi)別分類(lèi)規(guī)則，珊瑚礁巖的軟化系數(shù)KR普遍小于0.75，為軟化巖石。當(dāng)珊瑚礁在疏浚開(kāi)挖過(guò)程中遇到挖掘困難問(wèn)題時(shí)，建議依據(jù)硬質(zhì)珊瑚礁分布情況分層開(kāi)挖，經(jīng)過(guò)48 h浸泡后，礁巖孔隙浸水飽和，珊瑚礁的物理力學(xué)性質(zhì)弱化，抗壓強(qiáng)度普遍能下降26.2%，易于珊瑚礁巖的開(kāi)挖[4-6]。

3 珊瑚礁巖特性指標(biāo)相互關(guān)系分析

以珊瑚礁疏浚工程為依托，對(duì)采取的代表性疏浚珊瑚礁巖樣品進(jìn)行了物理和力學(xué)性質(zhì)測(cè)試工作。基于大量現(xiàn)場(chǎng)珊瑚礁勘察資料，應(yīng)用室內(nèi)土工試驗(yàn)、篩選、統(tǒng)計(jì)和回歸分析的方法，研究了外海施工珊瑚礁巖物理力學(xué)指標(biāo)特性，以及影響珊瑚礁挖掘和輸送特性指標(biāo)的相互關(guān)系，建立了特性指標(biāo)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，如圖2～圖5所示。

圖2 含水率與單軸飽和抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)Fig.2 Relationship curve between moisture content and uniaxial saturation compressive strength

圖3 含水率與單軸飽和抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3 Relationship curve between moisture content and uniaxial saturation tensile strength

圖4 飽和塊體密度與孔隙率關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4 Relationship curve between saturation massdensity and porosity

圖5 飽和抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)Fig.5 Relationship curve between saturation compressive strength and tensilestrength

從圖2～圖5擬合曲線(xiàn)可以看出，珊瑚礁巖含水率w與單軸飽和抗壓強(qiáng)度、單軸飽和抗拉強(qiáng)度指標(biāo)存在指數(shù)相關(guān)關(guān)系，飽和塊體密度ρ2與孔隙率e指標(biāo)之間為簡(jiǎn)單線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系，飽和抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度指標(biāo)之間為冪函數(shù)關(guān)系，回歸系數(shù)均在0.699以上，相關(guān)性較高。

從珊瑚礁巖含水率w與單軸飽和抗壓強(qiáng)度、單軸飽和抗拉強(qiáng)度指標(biāo)關(guān)系可知，隨含水率的增加，珊瑚礁的單軸抗壓和抗拉強(qiáng)度逐漸降低，但降低的速率不同，主要受珊瑚礁的組分、結(jié)構(gòu)和風(fēng)化程度的影響。水對(duì)珊瑚礁的力學(xué)性質(zhì)有重要的影響，歸結(jié)起來(lái)其原因主要是珊瑚礁的水化作用，即物理弱化作用和力學(xué)作用。1）物理弱化作用：珊瑚礁塊浸水后，水順著裂隙、孔隙進(jìn)入珊瑚礁中，潤(rùn)濕每塊全部自由面上的每個(gè)顆粒，性質(zhì)由好向壞轉(zhuǎn)變。2）力學(xué)作用：珊瑚礁塊浸水后，進(jìn)入到珊瑚礁體孔隙、裂隙中的水會(huì)產(chǎn)生壓力，使珊瑚礁體彈性屈服極限降低，易于產(chǎn)生塑性變形而發(fā)生剪切破壞導(dǎo)致強(qiáng)度降低?；谏鲜鲈恚檬杩Ｉ汉鹘笌r遇水軟化的特性，疏浚施工時(shí)可分層浸泡開(kāi)挖，提高挖掘效率，節(jié)約成本。

飽和塊體密度ρ2與孔隙率e指標(biāo)之間存在線(xiàn)性反比關(guān)系，珊瑚礁飽和塊體密度約為1.38～2.56 g/cm3，孔隙率在16.2%～54.4%之間，隨著孔隙率的增大珊瑚礁巖逐漸疏松，強(qiáng)度降低，飽和塊體密度下降，疏浚船舶挖掘逐漸變得容易。

珊瑚礁巖飽和抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度指標(biāo)存在正比關(guān)系，抗拉強(qiáng)度隨著抗壓強(qiáng)度的增大而增大。抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是因?yàn)樵趬嚎s條件下，裂縫擴(kuò)展受阻止的機(jī)會(huì)比在拉伸條件下要多得多，決定抗拉強(qiáng)度的因素不只是礁體顆粒間的黏聚力，還有摩擦力。而在拉伸條件下，珊瑚礁中裂隙擴(kuò)展速率比壓縮時(shí)快，因?yàn)樵诶瓚?yīng)力場(chǎng)中，儲(chǔ)存能釋放速率隨裂隙尺寸微量增加而迅速增大，決定抗拉強(qiáng)度的因素主要是巖石顆粒的黏聚力，從數(shù)據(jù)的分析可得出這樣一個(gè)結(jié)論，抗拉強(qiáng)度一般為抗壓強(qiáng)度的 0.07～0.27，平均為 0.12。

基于以上疏浚珊瑚礁巖特性指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式，由易測(cè)試的含水率和孔隙率等指標(biāo)快速計(jì)算得到疏浚珊瑚礁巖的力學(xué)指標(biāo)，可為珊瑚礁巖疏浚工程投標(biāo)決策、工藝管理和施工管理等提供基礎(chǔ)資料。

4 結(jié)語(yǔ)

1）基于遠(yuǎn)海海洋水動(dòng)力環(huán)境、沉積環(huán)境、地層巖性、礁巖體結(jié)構(gòu)特征及工程地質(zhì)性質(zhì)，提出抗壓強(qiáng)度高和完整性好的珊瑚礁巖主要分布在外礁坪劇烈沖刷帶，即挖掘困難的口門(mén)地帶。

2）依據(jù)難挖珊瑚礁巖疏浚工程的土工試驗(yàn)測(cè)試資料，分析可知：疏浚珊瑚礁巖具有物理力學(xué)指標(biāo)變化范圍大的特點(diǎn)。疏浚巖土工程分級(jí)為11～13級(jí)，完整程度為極破碎—較完整，為軟化珊瑚礁巖，需要使用絞吸船進(jìn)行挖掘施工，管道輸送適宜性尚可，由于部分珊瑚礁密度較高，堅(jiān)硬程度大，會(huì)給疏浚施工帶來(lái)挖掘困難問(wèn)題，從而產(chǎn)生刀齒磨損和效率低下，輸送時(shí)對(duì)管線(xiàn)的磨損加劇，造成成本上升風(fēng)險(xiǎn)。

3）基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)和回歸分析方法，建立了疏浚珊瑚礁巖特性指標(biāo)之間的經(jīng)驗(yàn)公式。經(jīng)驗(yàn)公式的回歸系數(shù)均在0.699以上，具有較高相關(guān)關(guān)系。

4）利用擬合的經(jīng)驗(yàn)公式，由易測(cè)試的含水率和孔隙率等指標(biāo)快速計(jì)算得到疏浚珊瑚礁巖的力學(xué)指標(biāo)，為珊瑚礁巖疏浚工程投標(biāo)決策等提供資料，為類(lèi)似工程及建立地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式提供重要參考。

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