中国南海天然珊瑚砾石土的取样技术与力学特性研究——基于微结构观测的机理分析

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Natural biogenic coral gravel soils in coastal areas in southern China: Sampling, mechanical characterization, and microstructure observation

本研究针对天然珊瑚砾石土（CGS）取样困难、力学机理不明的问题，通过改进Mazier取样技术（结合SAND-DRILL化学添加剂），在海南榆林湾成功获取高质量原状样本，结合原位测试、三轴剪切实验和CT扫描，首次系统揭示了CGS的物理力学特性及剪切过程中珊瑚砾破碎-重组机制，为珊瑚礁地质区工程建设提供了关键理论依据。

　　

在热带沿海地区的工程建设中，珊瑚砾石土（Coral Gravel Soil, CGS）是一种广泛分布却极具挑战性的地质材料。这种由珊瑚残骸（直径可达数厘米）和细粒基质组成的混合土，因珊瑚砾（Coral Gravel, CG）具有生物成因、不规则形状、高孔隙性等特性，其力学行为与常见陆相土壤存在本质差异。然而，天然CGS的力学性质长期笼罩在迷雾中，主要障碍在于取样难度极大——传统取样器易导致珊瑚砾破碎或移位，破坏原始结构。更棘手的是，现有分类体系（如USCS）对CGS的适用性有限，且其高压缩性、易破碎性和强摩擦特性间的耦合机制尚未明确。这一认知空白直接制约了珊瑚礁区域基础设施的安全建设。

为破解这一难题，中国科学院武汉岩土力学研究所张先伟团队在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》发表研究，通过技术革新与多尺度实验，首次系统揭示了天然CGS的力学行为机理。研究团队在海南三亚榆林湾（北纬18.2°，东经109.5°）沿海平原钻探9个孔位，创新性地采用改进式Mazier取样器，配合浓度为1:500的SAND-DRILL聚合物钻井液，成功在2–16米深度获取高质量原状样本。通过原位测试（标准贯入试验SPT、剪切波速测量）、室内物理力学试验（颗粒分析、阿太堡界限、X射线衍射XRD、固结排水三轴试验CD）和微结构观测（扫描电镜SEM、计算机断层扫描CT），建立了CGS的物理-矿物-力学特性剖面，并追踪了剪切过程中微观结构演化。

关键技术方法概述

研究通过优化Mazier取样技术（静态压入+旋转切割，配合SAND-DRILL溶液保护细颗粒），结合原位SPT、剪切波速测试和实验室三轴剪切试验（试样直径75毫米，高度150毫米，加载速率1×10^–4min^–1），利用CT扫描实时观测剪切带形成，并通过相对破碎指数B_r量化颗粒破碎程度。所有试验均遵循ASTM标准，确保数据可比性。

3.1 试样质量

基于Δe/e₀（体积变化率）和V_s,lab/V_s,in-situ（波速比）评估标准，多数样本质量达“良好”以上（Δe/e₀< 0.05，V_s,lab/V_s,in-situ> 0.7）。CT图像显示珊瑚砾在基质中随机分布，无定向排列，证明取样技术有效保持原始结构。

3.2 原位特征与物理性质

SPT击数N₆₀随深度增加而降低（1–5击），因珊瑚砾易被挤压或破碎，导致SPT低估土层抗力；剪切波速V_s,in-situ同样随深度减小，但在10米处因CG含量突增出现异常高值。颗粒组成分析表明，CG含量由2米处56.3%降至16米处34.17%，土壤分类介于GM（粉质砾）与SM（粉质砂）之间。细粒基质中碳酸钙矿物主导（63.9%），黏土矿物稀少，导致多数样本呈非塑性（塑性指数I_p< 20）。

3.3 矿物与化学组成

XRD显示CGS以文石和方解石为主（总量最高86%），随深度增加，文石向稳定方解石转化。黏粒组分以高岭石和伊利石为主，与日本CGS差异显著，反映沉积环境差异。

3.4 土壤剪切行为

三轴试验揭示CG含量控制剪切响应：当CG > 47.75%（深度≤4米），应力-应变曲线呈应变软化，伴明显剪切带和剪胀；CG含量较低时（深度>4米），表现为硬化型响应，延性增强。天然样本较重塑样本强度高约6%，且剪胀更早发生，证明天然结构增强粒间咬合。摩擦角峰值φ_p最高达55.67°，远超常规粗粒土，归因于CG不规则形态与粗糙表面。

3.5 微结构特性与剪切演化

SEM显示CG具开放孔腔结构，文石纤维呈刀片状或颗粒状，弱区易破碎；CT扫描追踪剪切过程：轴向应变ε_a达10%时CG局部破碎形成裂隙，15%时颗粒旋转重组形成剪切带，20%时沿带滑动导致试样S形变形。

3.6 颗粒破碎评估

相对破碎指数B_r与CG含量正相关（最高0.12），显示CGS破碎潜力显著高于碳酸盐砂。破碎通过增加颗粒棱角（提强度）与细化级配（降强度）共同影响力学行为，机制复杂需进一步研究。

结论与意义

本研究通过创新取样技术攻克了天然CGS研究瓶颈，首次系统构建其物理-力学-结构本构关系。明确CG含量是剪切行为主导因素，但临界阈值受级配、孔隙比等多参数影响；揭示了剪切过程中CG破碎-重组-剪胀的连锁机制，为珊瑚礁地质区地基设计、边坡稳定等工程提供了关键参数和理论支撑。未来需深化颗粒破碎与力学响应的定量耦合模型，推动钙质土力学理论发展。