馬爾代夫某項(xiàng)目礁灰?guī)r的強(qiáng)度及變形特性研究

孫小紅，何英博

（1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071；2.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081）

引 言

礁灰?guī)r作為礁島陸基的主體，具有密度輕、多孔隙、強(qiáng)度各向變異顯著的特點(diǎn)，是一種典型的低強(qiáng)度軟巖，因此，礁灰?guī)r標(biāo)準(zhǔn)樣的獲取難度也較大。同時(shí)，受珊瑚礁生長地域生態(tài)環(huán)境的變化，礁灰?guī)r也具有不同的地域?qū)傩裕患词乖谕唤笉u區(qū)，受珊瑚礁生長的沉積歷史環(huán)境、沉積相帶演變，珊瑚礁灰?guī)r的結(jié)構(gòu)性、粒度組成、膠結(jié)程度也具有明顯的差異性。目前，關(guān)于礁灰?guī)r的研究主要集中在油藏儲(chǔ)層的滲透特性方面，其強(qiáng)度和變形特性及其關(guān)聯(lián)性的研究相對(duì)較少。孫宗勛[1]和王新志等[2]分別對(duì)南沙群島珊瑚礁灰?guī)r的物理和力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明珊瑚礁的波速和單軸抗壓強(qiáng)度變化范圍較大，單軸抗壓強(qiáng)度低于 10 MPa。楊永康等[3]進(jìn)一步研究了西沙群島珊瑚礁灰?guī)r物理力學(xué)參數(shù)間的關(guān)系，并提出了單軸抗壓強(qiáng)度隨縱波波速的演化方程。劉志偉等[4]通過運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)沙特阿拉伯紅海海岸處的礁灰?guī)r進(jìn)行了較完整的物理力學(xué)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明礁灰?guī)r在平面和深度方向并無規(guī)律性。以上研究表明，礁灰?guī)r屬于一種低強(qiáng)度的特殊巖土材料，在礁島地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)首先要考察該類特殊巖土的地質(zhì)屬性和力學(xué)特性，本文以某珊瑚環(huán)礁礁灰?guī)r為研究對(duì)象，對(duì)該區(qū)域礁灰?guī)r的強(qiáng)度和變形特性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)研究，為類似的礁灰?guī)r地區(qū)工程建設(shè)提供參考。

1 礁灰?guī)r的物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試方法

試樣取自某珊瑚環(huán)礁鉆孔，覆蓋了陸地和海底區(qū)域。礁灰?guī)r是海島的主體和承載層，孔隙結(jié)構(gòu)較發(fā)育。礁灰?guī)r的物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試主要包括單軸壓縮強(qiáng)度、縱波波速、點(diǎn)荷載強(qiáng)度以及孔隙率測(cè)試，測(cè)試方法參考我國《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，具體測(cè)試過程如下：

將現(xiàn)場(chǎng)取得的不同埋深礁灰?guī)r樣，通過加工切割成直徑為50 mm、高度100 mm的標(biāo)準(zhǔn)樣，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行抽真空飽和后，利用樁基超聲波檢測(cè)儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)礁灰?guī)r樣進(jìn)行聲波測(cè)試；將波速測(cè)試后的試樣在RMT多功能巖石剛性試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得到其應(yīng)力應(yīng)變曲線，從而計(jì)算出單軸壓縮強(qiáng)度和彈性模量；由于點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)無需對(duì)試樣進(jìn)行加工且設(shè)備輕便，是特別適于破碎和低強(qiáng)度巖石的一種簡便測(cè)試方法，因此，另外取部分相同位置的非標(biāo)準(zhǔn)樣進(jìn)行了點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)，采用STDZ-1型點(diǎn)荷載試驗(yàn)儀測(cè)定礁灰?guī)r樣的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)，利用下式轉(zhuǎn)換為直徑為50 mm的標(biāo)準(zhǔn)樣的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)：

式中：Is(50)為直徑50 mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)樣的點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)為等價(jià)巖心直徑，W為圓柱樣高度，D為圓柱樣直徑；m為修正指數(shù)，本文取為建議值0.45。

礁灰?guī)r孔隙率通過測(cè)量干燥和飽和試樣的質(zhì)量及體積，采用下式確定：

式中：ms、md為巖樣的飽和質(zhì)量和干燥質(zhì)量；ρw為水的密度；Vr為巖樣體積。

2 礁灰?guī)r物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試及關(guān)聯(lián)性分析

2.1 礁灰?guī)r單軸壓縮強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性分析

根據(jù)以上測(cè)試方法和計(jì)算公式（1）和（2），可以得到礁灰?guī)r力學(xué)強(qiáng)度和物理參數(shù)測(cè)試結(jié)果，如圖1～6所示?？梢钥闯觯富?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度分布值域?yàn)閇2.8，18.7]MPa，均值為9.43 MPa；點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)值域?yàn)閇1.1，6.4]MPa，均值為3.19 MPa。從圖1和圖2可以看出，礁灰?guī)r的單軸抗壓強(qiáng)度和點(diǎn)荷載強(qiáng)度可以較好的滿足正態(tài)分布規(guī)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(qū)域的礁灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度最大不到21 MPa，平均值只有9.43 MPa，遠(yuǎn)低于25 MPa，且通過錘擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該類礁灰?guī)r具有錘擊聲不清脆，無回彈，易擊碎的特點(diǎn)，因此可歸為典型的工程軟巖。

圖1 單軸抗壓強(qiáng)度分布規(guī)律

圖2 點(diǎn)荷載強(qiáng)度分布規(guī)律

加工礁灰?guī)r的標(biāo)準(zhǔn)樣較困難，且從礁島將試樣運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室成本也較高，因此如果能夠采用易獲取的物理力學(xué)指標(biāo)間接獲取軟弱礁灰?guī)r的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量具有重要意義。本文利用礁灰?guī)r點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)對(duì)其單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（如圖3所示），可以看出，兩者之間具有較好的線性關(guān)系，擬合度達(dá)到了0.87，滿足了工程應(yīng)用需求。因此可利用下式估算礁灰?guī)r的單軸抗壓強(qiáng)度：

需要指出的是，雖然兩者線性關(guān)系的擬合度較高，但誤差范圍在±6 MPa之間，說明礁灰?guī)r的力學(xué)強(qiáng)度離散性較大。此外，本文得到的軟弱礁灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度與點(diǎn)荷載強(qiáng)度的比值只有2.79，遠(yuǎn)小于國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)方法委員會(huì)（20～25）和工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)給出的建議值（22.82）。因此，對(duì)于礁灰?guī)r的力學(xué)強(qiáng)度值，需結(jié)合地域特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性研究，不可簡單引用。

同理，可利用縱波波速對(duì)其單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖4所示，可見縱波波速和單軸抗壓強(qiáng)度之間也具有較好的線性關(guān)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(qū)域礁灰?guī)r的單軸抗壓強(qiáng)度：

2.2 礁灰?guī)r彈性模量的關(guān)聯(lián)性分析

點(diǎn)荷載強(qiáng)度和縱波波速是估算軟巖彈性模量常用的指標(biāo)。首先利用線性方程進(jìn)行擬合（如圖5），可以看出彈性模量和點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)可以很好地滿足線性關(guān)系，誤差為±3 GPa；但通過嘗試發(fā)現(xiàn)軟弱礁灰?guī)r的縱波波速與彈性模量的線性相關(guān)性較差。根據(jù)動(dòng)彈性模量的定義和量綱和諧原理，可嘗試采用下式進(jìn)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(shù)。

本文分別采用該線性方程以及其指數(shù)形式對(duì)彈性模量進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析（如圖6所示），可以看出采用指數(shù)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(shù)關(guān)系可表示為：

圖3 UCS與Is(50)的關(guān)系

圖4 UCS與Vpr的關(guān)系

圖5 Es與Is(50)的關(guān)系

圖6 Es與Vpr的關(guān)系

3 結(jié) 論

本文對(duì)珊瑚環(huán)礁礁灰?guī)r的強(qiáng)度和變形特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究和關(guān)聯(lián)性分析，可得出如下結(jié)論：

1）礁灰?guī)r的縱波波速值域位于[3 900，4 900]m/s，單軸壓縮強(qiáng)度值域位于[2.8，18.7]MPa，點(diǎn)荷載強(qiáng)度低于7 MPa，屬于較破碎的工程軟巖。

2）礁灰?guī)r的單軸抗壓強(qiáng)度和點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)均滿足正態(tài)分布，但強(qiáng)度離散性較大，且強(qiáng)度與埋深無規(guī)律可循。

3）單軸壓縮強(qiáng)度與點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)和縱波波速均有較強(qiáng)的線性相關(guān)性，且通過擬合得到的軟弱礁灰?guī)r單軸抗壓強(qiáng)度與點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)的比值僅為2.79，遠(yuǎn)小于國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)的建議值范圍。

4）礁灰?guī)r的彈性模量位于1.8～13.8 GPa之間，范圍較廣，且礁灰?guī)r的彈性模量與點(diǎn)荷載強(qiáng)度呈線性函數(shù)關(guān)系，與縱波波速的平方呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。