劉景儒，王其涵，王建平，王新志

（1.海軍工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100070；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢 430071）

1 引 言

作為工程建設(shè)場(chǎng)地，珊瑚島礁地區(qū)的工程地質(zhì)特性具有復(fù)雜性和特殊性。隨著珊瑚島礁理論研究和工程實(shí)踐的不斷發(fā)展，人們對(duì)珊瑚島礁場(chǎng)地工程地質(zhì)特點(diǎn)和珊瑚島礁巖土特性的認(rèn)識(shí)也持續(xù)深入。部分學(xué)者從工程巖土學(xué)、巖土力學(xué)角度出發(fā)，以室內(nèi)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)珊瑚礁巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)機(jī)制、顆粒二次破碎特性、樁土相互作用等方面作了比較深入的研究[1-6]。部分學(xué)者通過(guò)珊瑚島礁地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，對(duì)地形地貌、海洋水動(dòng)力條件、珊瑚礁體結(jié)構(gòu)、沉積物相帶等工程地質(zhì)特性進(jìn)行了總結(jié)分析[7-9]。以上兩方面基本代表了目前珊瑚礁工程地質(zhì)研究的主要方向。

與從海洋大陸坡、洋盆底部發(fā)育而來(lái)的大洋珊瑚礁不同，三亞海岸的珊瑚礁以岸礁、裾礁為主，是全新世以來(lái)才生長(zhǎng)發(fā)育起來(lái)的，礁體規(guī)模小，時(shí)代新，有著島嶼陸源碎屑物占優(yōu)勢(shì)的沉積背景。與之相伴沉積的生物鈣質(zhì)地層厚度數(shù)米至十?dāng)?shù)米，分布于現(xiàn)代海岸線上下，受當(dāng)時(shí)和現(xiàn)代珊瑚礁生長(zhǎng)范圍控制，生物鈣質(zhì)地層在平面上的分布規(guī)模大小不一，“覆蓋鑲嵌”于周?chē)ｊ懴嗟貙又g。由于所處地質(zhì)地貌環(huán)境和自身性質(zhì)的特殊性，場(chǎng)地工程地質(zhì)條件具有自身特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行深入分析，不僅能夠填補(bǔ)珊瑚礁工程地質(zhì)研究的空白，豐富珊瑚礁特殊巖土體的研究?jī)?nèi)容，而且，對(duì)在相似場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行工程建設(shè)具有十分重要的指導(dǎo)作用。本文在系統(tǒng)野外調(diào)查研究和占有大量地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，利用多種技術(shù)手段進(jìn)行綜合勘探分析，對(duì)三亞海岸珊瑚礁場(chǎng)地的沉積歷史，地層成因、地形地貌，地層結(jié)構(gòu)，礦物成分和化學(xué)成分等方面進(jìn)行了深入研究和總結(jié)，特別是對(duì)不同工程地質(zhì)單元場(chǎng)地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)和相關(guān)原位測(cè)試，在此基礎(chǔ)上，對(duì)某珊瑚礁場(chǎng)地進(jìn)行了工程地質(zhì)分區(qū)，并對(duì)各分區(qū)的場(chǎng)地工程特性和建設(shè)適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

2 珊瑚礁場(chǎng)地沉積歷史

三亞海岸珊瑚礁是隨著末次冰期結(jié)束，海平面升高逐步形成的[8]。全新世以來(lái)，三亞海域曾出現(xiàn)過(guò)高出現(xiàn)今海平面2～8 m 的高海面，然后逐漸小幅震蕩下降到現(xiàn)今海面高度[10]。伴隨海平面上升，一些原來(lái)緊靠海岸的山谷凹地逐漸為海水所占據(jù)，成為適宜珊瑚生長(zhǎng)的淺水海灣或?yàn)a湖，沉積生物鈣質(zhì)地層。后期海平面下降，海水退出，瀉湖逐漸消失，珊瑚死亡，珊瑚等生物碎屑經(jīng)短距離搬運(yùn)或原地堆積，之后又接受了地表徑流和人類(lèi)活動(dòng)的改造，逐步形成了現(xiàn)今沿海岸零星分布、地勢(shì)平坦、總體微向海傾的小規(guī)模濱海平原。這些微型濱海平原規(guī)模不大，一般面積在一個(gè)平方公里到幾個(gè)平方公里，基本繼承了原始山谷凹地的外形輪廓，三面環(huán)山，一側(cè)靠海。由于地形起伏不大，又相對(duì)開(kāi)闊，成為居民聚居的村莊和耕地，同時(shí)也成為海岸工程的理想選址場(chǎng)地。本文所指的珊瑚礁場(chǎng)地特指沉積了一定厚度的生物鈣質(zhì)地層、地形比較開(kāi)闊、適宜進(jìn)行工程建設(shè)的濱海平原和與之相鄰的現(xiàn)代珊瑚礁生長(zhǎng)的海岸帶及水下岸坡區(qū)域。下面以三亞某工程珊瑚礁場(chǎng)地為例，進(jìn)行工程地質(zhì)條件分析和分區(qū)研究。

3 工程地質(zhì)條件

3.1 地形地貌

珊瑚礁場(chǎng)地由原來(lái)的海灣或?yàn)a湖隨著海水消退逐步形成的，三面環(huán)山，一面臨海，總體微向海傾，地勢(shì)稍有起伏，一般有短程河道與外海相連。從海到陸可以分為潮間及水下岸坡帶、砂壩（砂崗）帶、平原盆地帶3個(gè)微地貌單元。潮間及水下岸坡帶位于現(xiàn)今海岸高潮面之下，其中潮間帶形態(tài)較窄，局部見(jiàn)黑色海灘巖分布，10°～15°向海傾斜；水下岸坡帶為現(xiàn)代珊瑚生長(zhǎng)區(qū)，水深10 m（當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)面高程）以內(nèi)為現(xiàn)今珊瑚主要生長(zhǎng)范圍，海底地形因珊瑚礁生長(zhǎng)起伏變化較大；水深10 m以外珊瑚生長(zhǎng)明顯受到抑制，海底地形逐漸平緩。砂壩帶地勢(shì)相對(duì)較高，高程為3～5 m，發(fā)育比較成熟，幾乎將原瀉湖封閉，僅留一條狹窄水道穿過(guò)，是聯(lián)系古瀉湖和外海的通道，現(xiàn)今瀉湖已經(jīng)消亡，水道仍然存在或僅保留負(fù)地形痕跡，成為聯(lián)系平原盆地和外海的水力通道，暴雨后通過(guò)水道向外海泄洪，風(fēng)暴潮條件下海水通過(guò)水道向平原倒灌；砂壩帶因地勢(shì)高，為居民村落分布區(qū)，自然地形受人工活動(dòng)影響較大，民房建筑密集。平原盆地帶為古瀉湖所在位置，處在珊瑚礁場(chǎng)地的中心，地勢(shì)平坦，高程2～3 m，總體地勢(shì)形同鍋底，見(jiàn)圖1。

圖1 珊瑚礁場(chǎng)地地形地貌Fig.1 The topography of coral reef site

3.2 沉積物特征和地層結(jié)構(gòu)

三亞珊瑚礁場(chǎng)地處在陸源碎屑占優(yōu)勢(shì)的大沉積背景下，在場(chǎng)地內(nèi)部卻有著生物鈣質(zhì)成分為主導(dǎo)的小環(huán)境，主要沉積物表現(xiàn)為珊瑚礁（原生珊瑚礁巖）和珊瑚碎屑（混有貝殼碎屑）及二者混雜堆積而成的復(fù)合體。由于在沉積歷史上，不同位置的沉積環(huán)境、水動(dòng)力強(qiáng)度、珊瑚生物群落組合各不相同，反映在現(xiàn)今不同的地貌單元中，地層結(jié)構(gòu)和沉積物特征也各有不同。按照沉積物特征可分為3 種沉積相類(lèi)型。

第一種類(lèi)型為混雜沉積，現(xiàn)代礁坪相。主要分布在珊瑚生長(zhǎng)的潮間及水下岸坡帶附近，集中在現(xiàn)代珊瑚礁坪和礁坪外側(cè)斜坡，沉積物為珊瑚礁和珊瑚碎屑混雜堆積，最大沉積厚度小于20 m，珊瑚礁和珊瑚碎屑的比例隨所處部位不同會(huì)有所變化，但二者之間沒(méi)有比較清晰的工程層位界線。珊瑚礁以抗浪性強(qiáng)的珊瑚品種（如濱珊瑚、蜂房珊瑚）為主，外觀體量大，渾圓凸起，局部有孔洞，鉆探取樣為較完整的白色或黃白色圓柱狀巖芯（見(jiàn)圖2(c)），但未形成工程意義上連續(xù)的珊瑚礁灰?guī)r層位；碎屑物堆積充填于珊瑚礁格架之間，灰白～白色，粒度成分從粉粒到礫石級(jí)別均有，少量黏粒和碎石級(jí)別，總體具有近岸碎屑顆粒粗、離岸碎屑顆粒細(xì)的特點(diǎn)，珊瑚礁坪前緣和兩翼還有海相軟土分布。該類(lèi)沉積物中珊瑚礁格架較多，說(shuō)明珊瑚礁生物群落中抗浪性品種占相當(dāng)比例。

第二種類(lèi)型為粗碎屑沉積，古礁后瀉湖相。分布在平原盆地帶和砂壩帶下部，時(shí)代相對(duì)較老，沉積物以枝杈狀珊瑚碎屑為主（見(jiàn)圖2(d)），淺灰、深灰～灰黑色，基本無(wú)分選，顆粒大小混雜，粒組分布跨度大，從粉粒到碎石級(jí)別，下部混有淤泥成分，局部見(jiàn)有珊瑚礁塊體，厚度小于20 m。上述特征說(shuō)明沉積水體能量較低，發(fā)育的珊瑚礁群落組合以枝杈狀低抗浪性的珊瑚品種為主，破碎后基本原地堆積。該類(lèi)沉積物的上部厚約1 m 左右為硬殼層，剖面上呈現(xiàn)為二元結(jié)構(gòu)類(lèi)型，見(jiàn)圖3。

第三種類(lèi)型為細(xì)碎屑沉積，砂堤砂壩相。主要分布在砂壩（砂崗）帶，沉積物以粗砂、礫砂珊瑚碎屑為主，白～淺灰白色，層狀沉積特征明顯，見(jiàn)圖2(a)；局部見(jiàn)鈣質(zhì)膠結(jié)層，膠結(jié)層較緊密，鍬鎬難挖，一般厚20～50 cm，見(jiàn)圖2(b)。上述沉積物特征反映了砂壩相沉積環(huán)境特點(diǎn)，水體能量較高，波浪往復(fù)作用，沉積物破碎程度高，有分選。該層沉積物厚約2～4 m。砂壩處在平原盆地和潮間帶之間，其下伏地層主要為第二類(lèi)沉積物，在剖面上呈現(xiàn)為典型的二元結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3。

圖2 珊瑚礁場(chǎng)地沉積物特征Fig.2 Characteristics of sediments in coral reef site

圖3 不同地貌單元的地層結(jié)構(gòu)(單位:m)Fig.3 The stratum structure of different geomorphic units(unit:m)

3.3 化學(xué)成分與礦物成分

試驗(yàn)結(jié)果表明，地層的主要化學(xué)成分是CaCO3。由于三亞珊瑚礁依托陸地生長(zhǎng)，沉積物不可避免的摻入了陸源物質(zhì)成分。其成分變化具有自己的獨(dú)特規(guī)律，如圖4 所示。

圖4 CaCO3含量變化Fig.4 Changes of CaCO3content

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，雖然不同測(cè)試方法得到的具體數(shù)值有所差異，但其反映的CaCO3含量在剖面上的變化規(guī)律一致：以10 m為界，10 m 以上樣品中CaCO3含量比較均一，一般都在80% 左右，說(shuō)明在這個(gè)深度（時(shí)間）范圍，主要沉積物來(lái)源于珊瑚礁，場(chǎng)地內(nèi)此時(shí)珊瑚生長(zhǎng)開(kāi)始達(dá)到鼎盛，環(huán)境比較穩(wěn)定；10 m 以下，CaCO3含量顯著降低，且降低的速度也比較快；10 m 左右，CaCO3含量還維持在30%～10%，到15 m 左右，此數(shù)值快速下降為3%～1%，相應(yīng)的石英、長(zhǎng)石等陸源物質(zhì)明顯增高，表明在深度10～15 m 范圍內(nèi)是珊瑚剛剛開(kāi)始生長(zhǎng)并快速繁衍階段。因?yàn)樵囼?yàn)樣品取自一個(gè)孤立鉆孔，指示的10 m 深度界線還不能代表整個(gè)珊瑚礁場(chǎng)區(qū)，但可以肯定場(chǎng)區(qū)地層存在一個(gè)CaCO3含量躍變面，該面以上為以CaCO3為主的鈣質(zhì)土，該面以下為正常的陸源沉積土。

三亞珊瑚礁場(chǎng)地附近海域沉積的軟土中普遍存在方解石，采用酸堿中和法測(cè)得其含量為6.78～10.12%[11]，明顯高于上海等地的軟土，由于三亞為熱帶、亞熱帶濕熱酸性土壤環(huán)境，沒(méi)有陸源方解石的形成條件，之前分析認(rèn)為三亞海域軟土中的CaCO3是在微堿性海洋環(huán)境中形成的自生方解石，現(xiàn)在看來(lái)，其來(lái)源于周邊珊瑚礁場(chǎng)地的可能性更大。

根據(jù)X 射線全巖礦物分析（見(jiàn)表1），三亞珊瑚礁場(chǎng)地沉積物中的礦物成分以文石為主，其次為高鎂方解石和方解石，說(shuō)明場(chǎng)地內(nèi)珊瑚礁生物群落以文石質(zhì)骨殼的造礁珊瑚、軟體動(dòng)物骨殼和仙掌藻為主，其次為高鎂方解石質(zhì)骨殼的生物，包括軟珊瑚、珊瑚藻、底棲有孔蟲(chóng)、棘皮類(lèi)、苔蘚蟲(chóng)等。

文石和高鎂方解石是不穩(wěn)定的礦物，隨著環(huán)境的變化和時(shí)間的延長(zhǎng)，二者均會(huì)發(fā)生向方解石的轉(zhuǎn)化。上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明沉積物樣品中原始礦物成分基本未發(fā)生這種轉(zhuǎn)化，這與南沙現(xiàn)代礁坪和瀉湖表層松散沉積物類(lèi)似。一方面是因?yàn)榈貙映练e時(shí)間短，另一方面也與試驗(yàn)樣品所處的具體環(huán)境有關(guān)。表1中樣品取自現(xiàn)今潮間帶以下，南沙環(huán)礁礁坪和瀉湖下沉積物也基本都處在低潮面之下，兩者自沉積以來(lái)都沒(méi)有長(zhǎng)期出露于海水之上，沉積物所處環(huán)境沒(méi)有大的變化，不穩(wěn)定的文石和高鎂方解石均未發(fā)生礦物轉(zhuǎn)化。沙壩帶地層由于長(zhǎng)期出露海平面之上，可能已經(jīng)發(fā)生了文石向方解石方向的轉(zhuǎn)化，有待進(jìn)一步研究。

表1 礦物成分和化學(xué)成分Table 1 Mineral composition and chemical composition

3.4 珊瑚礁某些力學(xué)特性分析

珊瑚礁巖土體力學(xué)性質(zhì)一直以來(lái)是鈣質(zhì)土領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于材料的特殊性、工程實(shí)例少和難以取得原狀樣等原因，人們往往關(guān)注于巖土體微觀結(jié)構(gòu)、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等室內(nèi)試驗(yàn)方法方面的研究，有些結(jié)論性意見(jiàn)常常互相矛盾[5-7]。筆者通過(guò)多年的工程實(shí)踐和研究認(rèn)為，探討珊瑚礁巖土體的工程特性首先不能脫離地層的沉積歷史和沉積環(huán)境，僅僅從物質(zhì)材料上的特殊性來(lái)考慮珊瑚礁地層的力學(xué)特性是片面的。由于沉積時(shí)所處的海洋水動(dòng)力環(huán)境、沉積環(huán)境、生態(tài)環(huán)境的不同，特別是沉積水動(dòng)力環(huán)境的變化，珊瑚礁地層的物理力學(xué)性質(zhì)的變化是比較劇烈的，因此進(jìn)行珊瑚礁場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)原位力學(xué)試驗(yàn)研究至關(guān)重要。

對(duì)三亞某工程珊瑚礁場(chǎng)區(qū)地形地貌分析的基礎(chǔ)上，選取砂壩帶和平原盆帶2個(gè)代表性地段分別進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，在潮間及水下岸坡帶進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果表明不同地區(qū)地層的某些力學(xué)特性相差很大，見(jiàn)表2。

表2 珊瑚礁典型剖面的工程地質(zhì)特性Table 2 The engineering geological properties of the typical profile of stratum

4 工程地質(zhì)分區(qū)和工程適宜性評(píng)價(jià)

根據(jù)上述地形地貌、沉積物特征、地層結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性分析，將珊瑚礁場(chǎng)地劃分為3個(gè)工程地質(zhì)分區(qū)，分別為消亡瀉湖松散堆積區(qū)、砂壩密實(shí)分選堆積區(qū)和現(xiàn)今珊瑚生長(zhǎng)混雜堆積區(qū)，見(jiàn)圖5。

消亡瀉湖松散堆積區(qū)在地貌上位于濱海平原盆地內(nèi)，分區(qū)范圍比平原盆地范圍稍小，地下水埋藏較淺，沉積物以枝杈狀珊瑚碎屑為主，為礫石、碎石級(jí)別，顆粒大小混雜，基本無(wú)分選，顏色為淺灰、深灰～灰黑色，表層硬殼層以下結(jié)構(gòu)疏松，力學(xué)性質(zhì)差，不能直接作為建筑物的持力層，針對(duì)該區(qū)地勢(shì)低特點(diǎn)，可分層回填碾壓至設(shè)計(jì)標(biāo)高，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)驗(yàn)算該層是否滿足承載力和變形要求，或使用樁基礎(chǔ)直接穿過(guò)。

砂壩密實(shí)分選堆積區(qū)與地貌上的砂壩帶基本一致，在靠海一側(cè)向陸地收縮，地勢(shì)稍高，沉積物為珊瑚中粗砂、礫砂，白～淺灰白色，分選明顯，局部見(jiàn)鈣質(zhì)膠結(jié)層，膠結(jié)層較緊密。地層力學(xué)特性良好，可以直接作為建筑物的天然地基。該區(qū)處在居民聚居地段，多有人工開(kāi)挖形成的坑穴，深度1 m左右，作為地基應(yīng)整平碾壓夯實(shí)。

現(xiàn)今水下珊瑚生長(zhǎng)混雜堆積區(qū)包括海岸潮間帶和水下斜坡，沉積物為珊瑚礁與珊瑚碎屑混雜堆積。從動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果分析，該層力學(xué)性質(zhì)差異較大，非常不均勻，大部分處在海水之下，難于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，評(píng)價(jià)難度大，一般認(rèn)為不適宜直接作為基礎(chǔ)持力層。實(shí)際上，該層可以理解為形狀不規(guī)則的剛性樁（珊瑚礁）和松散土層（珊瑚碎屑）共同作用形成的復(fù)合地基，只要做好現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)，作為填海高方下的天然地基是可行的，同時(shí)也要考慮該區(qū)域?yàn)楝F(xiàn)今活珊瑚生長(zhǎng)區(qū)域，由于人類(lèi)活動(dòng)影響，珊瑚已不同程度的受到了影響，野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)局部地段水下珊瑚已經(jīng)出現(xiàn)了死亡白化現(xiàn)象，必須加強(qiáng)保護(hù)。

5 結(jié) 論

（1）三亞珊瑚礁場(chǎng)地是全新世以來(lái)形成的，地層年代新，厚度小，未發(fā)現(xiàn)工程意義上連續(xù)成層的原生礁灰?guī)r分布。

（2）三亞珊瑚礁場(chǎng)地地貌上可劃分為濱海平原盆地帶、砂壩帶、潮間及水下岸坡帶3個(gè)微地貌單元。不同地貌單元的沉積物特征和地層結(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)。

（3）場(chǎng)地內(nèi)地層從上到下，CaCO3含量逐漸降低，從鈣質(zhì)土逐步變?yōu)檎ｊ懺闯练e土層，中間存在一CaCO3含量變化明顯的突變面。

（4）場(chǎng)地內(nèi)地層某些力學(xué)特性與顆粒直徑關(guān)系不大，與地下水位關(guān)系較大。瀉湖相地層粒徑大，承載力卻很低，砂洲相地層粒徑細(xì)，承載力卻較高；水位以上力學(xué)性質(zhì)好，水位以下力學(xué)性質(zhì)差。初步認(rèn)為場(chǎng)地內(nèi)珊瑚礁地層的某些力學(xué)特性與地質(zhì)成因和沉積環(huán)境密切相關(guān)。

（5）根據(jù)工程地質(zhì)條件分析，把場(chǎng)地劃分為消亡瀉湖松散堆積區(qū)、砂壩密實(shí)分選堆積區(qū)和現(xiàn)今水下混雜堆積區(qū)3個(gè)工程地質(zhì)單元。消亡瀉湖松散堆積區(qū)地層力學(xué)性質(zhì)差，不能直接作為建筑物的天然地基，必須進(jìn)行處理；砂壩密實(shí)分選堆積區(qū)地層力學(xué)性質(zhì)良好，可以直接作為多層建筑的天然地基；現(xiàn)今水下珊瑚生長(zhǎng)堆積區(qū)地層力學(xué)性質(zhì)不均勻，可以作為填海高方下的天然地基。

由于人類(lèi)影響，現(xiàn)今水下珊瑚已經(jīng)見(jiàn)有大面積死亡白化現(xiàn)象，工程活動(dòng)必須加強(qiáng)對(duì)珊瑚的保護(hù)。

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