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随着建设“一带一路”“21世纪海上丝绸之路”倡议的提出，岛礁工程建设在国内积极推进。

礁灰岩作为珊瑚礁岩土的主体，是岛礁工程建设的基础和立足点，其物理特性和工程性质决定了各项工程建设的稳定性，同时，又由于礁灰岩成份特殊，成因复杂，与其他常见沉积岩石性质差异较大，引起了国内外学者的广泛关注。

本文从分布分类、矿物成分及微观结构、物理力学特性、工程性质、化学性质五个方面对国内外礁灰岩相关研究进行了梳理。

珊瑚礁是造礁石珊瑚群体死亡后，由其遗骸、各种附礁生物以及一些贝类和藻类等，经过地质沉积、生物破坏及海洋动力等共同作用后，相互胶结而形成的岩土体。

礁灰岩是珊瑚礁下部成岩部分，是珊瑚岛礁岩体的主体部分，其主要矿物成分为碳酸钙（CaCO3），故将其称为礁灰岩。

礁灰岩的分布及分类

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礁灰岩分布

全球珊瑚礁总面积约为28.43×104 km2，主要分布在30°S至30°N之间的热带和亚热带海洋地区，位于太平洋、印度洋和大西洋沿岸，或者岛滩浅水区中，其中印度洋—太平洋地区占主要部分，约为总量的91.9%。

中国珊瑚礁资源丰裕，占全球总面积的2.57%，为全球第八，主要分布在海南岛、澎湖列岛、南海诸岛等礁区。

其中，南海诸岛为主要礁区，约占面积为0.57×104 km2，为全国珊瑚礁面积的78%，是珊瑚礁建设的重点区域。

海上丝绸之路沿线城市港口均有珊瑚礁分布，因而珊瑚礁岛的建设情况对促进全球经济和贸易十分关键。

礁灰岩是珊瑚礁地质的基础及主体，对于携手推进“一带一路”建设更具有重要的战略意义。

“21世纪海上丝绸之路”沿线珊瑚礁分布

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礁灰岩命名及结构分类

目前，国内主要采用中国科学院南海海洋研究所提出的结构-组分分类命名方案。

将礁灰岩分为6种结构类型，根据岩芯组成成分将礁灰岩分为珊瑚灰岩、珊瑚砾块灰岩、生物砂砾块灰岩、珊瑚砾屑灰岩、生物砂砾屑灰岩、珊瑚藻石砂砾屑灰岩、生物砾砂屑灰岩、含砾砂屑灰岩和生物砂屑灰岩。

珊瑚礁灰岩结构类型

上述命名方案，基于礁灰岩结构类型进行区分后加上成因解释，分类方法简单易观察，在野外及工程中可操作性强，给研究及工程人员带来极大便利，在中国珊瑚礁研究学者中使用频率较高。

礁灰岩的矿物组成与微观结构

岩石的物理力学性质与岩石本身的微观结构、矿物成分、孔隙度、结晶大小、形状等紧密相关，岩体结构破坏是其组成材料及岩石结构破坏的累积过程，礁灰岩的力学性质研究离不开对其矿物成分和微观结构的研究。

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礁灰岩矿物组成

目前对礁灰岩矿物成分的研究方法主要为X射线衍射分析法（XRD），经研究发现各产地礁灰岩均属碳酸盐岩，其矿物成分单一，主要为文石和低/高镁方解石，CaCO3含量高达90%以上。

由于矿物成分的特殊性，加上成岩过程中，深受海水动力条件的影响，极易发生溶蚀现象，在不同层位形成大小不等的孔洞或孔隙，对工程建设十分有害，易发生地基塌陷、潜蚀、渗漏等工程灾害。

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礁灰岩微观结构及胶结成分

礁灰岩微观结构的研究主要通过岩石薄片鉴定和扫描电镜观测，获得其物质成分、胶结模式和生物结晶成分。

礁灰岩主要是由海洋生物遗骸胶结而成，结构中含大量珊瑚残枝及其他藻类，由于海洋生物的孔洞结构及海水水力侵蚀的溶蚀作用，岩石内存在大量孔隙，密度与其他岩石相比偏小，同时结构各向异性特征突出，具有特殊的物理力学特性。

其胶结成分主要为方解石、生物微晶及针状文石。

珊瑚礁灰岩扫描电镜图片

珊瑚礁灰岩主要通过胶结作用使沉积物石化成岩，但大部分礁灰岩胶结作用较弱，因此强度普遍较低。

目前，对礁灰岩微观结构及胶结情况的系统研究较少，且未能将其与宏观特性结合分析，今后应加强此方面的研究。

礁灰岩的物理力学特性

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礁灰岩样品及试验方法

珊瑚礁灰岩发育于海洋环境，礁体存在明显的分层，沉积厚度可达10余米。

礁灰岩存在于珊瑚礁体下部，故大部分礁灰岩的研究样品来源于珊瑚礁体钻孔取芯；岩芯样品具有不均质性，呈多种结构，结构内部存在大量孔隙。

珊瑚礁礁体及礁灰岩岩芯样品

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礁灰岩基本物理参数

表征礁灰岩物理特性的参数主要有密度、孔隙度、渗透系数、P波速度等。

不同结构礁灰岩的物理性质相差较大，各项参数值之间跨度均比较大。

由于礁灰岩的成因特殊，其物理性质与其他常见岩石区别明显。

礁灰岩密度及纵波波速整体值均较小，孔隙度较大，这与其疏松多孔的结构特征相符合。

而且，礁灰岩的物理性质与岩石结构、岩性、岩化程度等因素相关，研究时应针对不同的结构区别对待。

礁灰岩与常见岩石物理参数对比

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礁灰岩静力学特性

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礁灰岩强度

岩石抵抗外力破坏的能力称为岩石的强度，由于受力状态不同，岩石的强度可分为单轴抗压强度、单轴抗拉强度和三轴压缩强度等。

礁灰岩干燥和饱和状态下单轴抗压强度试验结果如下表所示，其按分类属于极软岩或软岩。

礁灰岩抗拉强度的试验主要采用巴西劈裂法。

有关珊瑚礁灰岩室内三轴压缩强度的研究较少，礁灰岩的峰值强度与其干密度和胶结度有一定关系，且强度分布不均匀，试验结果离散性高。

与其他常见岩石的强度相比，礁灰岩的强度值相对较小，与其密度小、孔隙度大的物理性质相符。

礁灰岩与常见岩石强度对比

礁灰岩无论是抗压还是抗拉特性都有其特殊性，现有对常见岩石的研究结果并不适用于礁灰岩，应加大其研究力度，以便服务于珊瑚礁工程地质相关工作。

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礁灰岩应力-应变特征

礁灰岩虽然属于软岩，抗压强度低，但又与一般的软岩性质不同，不同孔隙度、结构类型的礁灰岩有不同的应力响应，因此，今后的研究中应将不同结构礁灰岩进行区分研究。

饱和礁灰岩应力-应变曲线

礁灰岩的工程性质

珊瑚礁岛的工程建设历史悠久，目前，国内外已有许多工程建于珊瑚礁之上，工程规模越来越大也越来越复杂。

由于礁灰岩特殊的结构以及物理力学性质，珊瑚礁工程在建设及使用过程中出现了许多问题。

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礁灰岩地基承载力

对礁灰岩地基承载力的研究，主要是为研究珊瑚礁工程建设中地基沉降与变形的问题，珊瑚礁灰岩的地基承载力主要由现场原位测试确定，测试手段有标准贯入、重力触探、平板荷载试验等。

研究结果表明，礁灰岩层不均匀性明显，按传统的承载力计算方法不易确定其地基承载力，如何改进测试方法和计算模型仍是亟需解决的重要问题。

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礁灰岩桩基础

桩基础具有承载力相对较高、沉降量较小的优点，随着珊瑚礁工程规模逐渐扩大，桩基形式被广泛应用到珊瑚礁工程建设中。

由于珊瑚礁岩土的特殊力学特性，按原有经验进行桩基设计并不符合其沉降规律。

目前关于礁灰岩桩的研究较少，主要包括对不同结构礁灰岩极限侧阻力、侧摩阻力等的实测。

未来对礁灰岩层桩基性质的研究应进一步加强。

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珊瑚混凝土

混凝土是工程建设中常备建筑材料，而岛礁工程远离大陆，建筑材料短缺，珊瑚材料拌和混凝土能够较好的解决此问题。

珊瑚混凝土中一般将破碎的礁灰岩块用作粗骨料，珊瑚砂作细骨料，用海水拌和。

通过对拌合材料选择、混凝土力学性质、耐久性和微观结构方面进行研究，发现珊瑚混凝土的强度较低，珊瑚骨料的强度决定混凝土强度，将耐海水腐蚀的纤维材料加入珊瑚混凝土中，能够提高其张拉强度，使用硅酸水泥能获得较好的混凝土强度和耐久性。

目前对珊瑚混凝土的研究多局限于室内试验，对于现场工程实际运用的研究比较少，应加强其应用技术及现场环境下强度和耐久性的研究。

海洋环境对礁灰岩的化学作用

礁灰岩属于方解石含量极高的碳酸盐岩，在海水、降雨及岛礁地下水入侵的作用下将会发生化学侵蚀，其长期性能会受海洋环境的影响。

工业革命以来，大规模化石能源的开发利用导致大气中CO2气体排放大幅增加，其中有30%被海洋吸收，导致海水酸化，碳酸盐饱和度下降，碳酸钙溶解率上升。

碳酸盐岩体系极易在酸性水溶液中发生反应，使得其物理力学性质发生改变，处在海洋环境中的珊瑚礁灰岩的物理力学性质将会受到海洋水化学的作用影响，并且随着海洋酸化的加剧，形势将更加严峻。

结论

珊瑚礁灰岩广泛分布于全球临海地区，在海洋开发中占有重要的战略地位。

由于成岩环境特殊，礁灰岩组成成分单一，具有高孔隙、低密度、低强度的物理力学性质。

作为一种特殊的岩土材料，礁灰岩受力特性与其他常规软岩及脆性岩石均不相同。

因此，开展礁灰岩的物理力学特性研究，不仅可以丰富岩石物理力学理论，同时也有利于“海上丝绸之路”的岛礁建设的推进。

目前对礁灰岩的研究较少，建议未来从以下3个方面开展深入研究：

1）不同结构类型礁灰岩的物理力学性质研究；

2）礁灰岩的微观胶结机理研究；

3）海水侵蚀作用对礁灰岩物理力学性质的影响。

本文作者：钟毓，汪稔，李琦，魏厚振，李霞颖作者简介：钟毓，广西大学土木建筑工程学院，中国科学院武汉岩土力学研究所，博士研究生，研究方向为珊瑚礁岩土工程；李琦（通信作者），中国科学院武汉岩土力学研究所，中国科学院大学，研究员，研究方向为能源、环境与水资源。

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