第四章 岩石风化的工程地质研究n第一节 概述n第二节 影响岩石风化的因素n第三节 风化壳的垂直分带n第四节 防治岩石风化的措施一、定义n风化：岩石在各种风化营力作用下，发生的物理 和化学变化过程。造成岩体风化的营力主要指太 阳能、地表与地下水、空气及生物等。n风化壳：遭受风化的岩石圈表层。它是原岩在一 定的地质历史时期各种因索综合作用的产物。表 层不同深度的岩石，遭受风化程度的不同，形成 不同成分和结构的多层残积物，由此构成了的复 杂风化壳剖面。不同岩石，不同地区，风化壳有 很大差别。其厚度很大差别，厚者可达几百米。 地壳表层保留的主要为现代时期形成的风化壳。 当风化壳形成后，被后来的堆积物掩埋，被保留 下来成为古风化壳。二、风化类型按照风化营力及其引起的岩石变异的方式不同，风化 作用一般分为物理风化、化学风化和生物风化三种。n物理风化：由于温度变化、水的冻融、盐类结晶、植 物根劈等力的作用下，引起岩石的机械破碎，而不伴 随有化学成分和矿物成分明显变化的现象。其结果既破坏了岩石的结构构造，降低了岩石的强 度，又为化学风化开了方便之门。主要发生在干旱寒冷的地区，如我国西北的干旱寒 冷及高山寒冷地区，风化深度相对较小，一般小于10m 。n化学风化：岩石在水、氧及有机体等作用下所发生的 一系列化学变化过程，引起岩石结构构造、矿物成分 和化学成分的变化。其实质是原岩中较活泼的元素发生迁移，较稳定的 元素残留原地，原生矿物不断变异，与新环境相适应 的次生矿物不断形成的过程。在风化过程中，化学反应的方式较复杂，有氧化、 还原、水化、水解、碳酸化、硫酸化、去碳等。以水 化、溶解、水解和氧化作用最为常见。多发生于温暖潮湿的地方，风化深度可达百米以上 。n生物风化：既有物理风化特点，又具有化学风化特征 。生物新陈代谢产生有机质或机械破坏，如释放大 量有机物、酸及CO2 ，加强水溶液溶解能力 。三、风化结果n岩体结构构造发生变化；岩体完整性遭受破坏，结构性丧失，空隙性增大 ，破碎成块石、碎石或土体；n岩石的矿物成分和化学成分发生变化；可溶矿物溶解流失，耐风化矿物残留下来，形成 稳定的次生矿物：如绿泥石、绢云母、高岭石、蒙 脱石等；n岩体的工程地质性质发生变化，如：岩体力学强度与抗变形性能降低、压缩性增大等 ；岩体渗透性增强；次生矿物的抗水性降低、亲水性增强，易崩解、 膨胀、软化等。 总体上：恶化了岩体的工程地质性质四、研究意义及目的n由于风化作用使岩体矿物成分与化学成分产生变化，岩石 的结构、构造改变，完整性遭到破坏，恶化了岩体的工程 性质。因此，在工程选址、岩土体稳定、地基处理、灾害 防治、工程造价等方面都有重要意义。n根据岩石风化的程度及空间分布，选择最适于修建建筑的 场址，进行合理布局n根据风化岩石的物理力学性质及其与建筑物类型、等级、 荷载性质及大小的适应性，确定合理的建基面高程、确定 持力层n根据岩石风化速度、风化程度及各风化带岩石的物理力学 性质，确定各类开挖边坡的合理坡角；n根据风化产物的特性（破碎程度、坚固性等）及场地工程 地质条件，选择地下洞室施工开挖的设备及方法，确定对 已风化岩石的处理措施n根据岩石风化速度、风化营力、风化作用类型及影响因素 等，确定岩基暴露的安全期限与预防风化的措施，如确定 基坑、路堑保持开场状态的安全期限，选择防止岩石风化 的措施等气候因素气候是控制风化营力的性质及强度的主要因素。反映气候 特点的气象要素很多，其中对岩石风化影响较大的主要是温度 和降雨量。n温度n温差大、冷热变化频率快：物理风化n温度高低：不仅直接影响岩石热胀冷缩和水的物理状态，而且对矿 物在水中的溶解度、生物的新陈代谢、各种水溶液的浓度和化学反 应的速度都有很大的影响。n降雨（湿度）：为岩石化学风化提供了必需的水溶液，控 制着风化营力的性质和强度，影响风化作用类型及风化速 度。n在降雨量小而蒸发量大的干旱地区，多为物理风化。n在潮湿多雨地区，则以化学风化为主，风化较强烈，风化速度较快 ，风化深度大。不同气候条件下风化作用的类型和强度、风化产物的性 质等均不相同。岩性因素n岩体的抗风化能力与其形成环境、矿物成分及结构构 造关系极为密切。当成岩环境与地表环境差异愈大时 ，原岩风化变异愈强烈，即岩石的抗风化能力愈弱。n矿物成分n化学成分n结构特征矿物成分n岩石抗风化能力的大小，主要决定于组成岩石的矿物成分。n在地表环境下，常见造岩矿物的抗风能力是不同的。一般情况下 ，矿物在风化过程中的稳定性由大到小的顺序是:氧化物硅酸盐 碳酸盐和硫化物。当岩石中不稳定矿物含量较多时，其抗风化 能力较弱；相反，则其抗风化能力较强。最稳定的造岩矿物是石 英n各类岩石的抗风化能力由大到小的顺序如下：n岩浆岩：酸性岩（花岗岩）中性岩（闪长岩、安山岩）基性岩（玄武岩 ）超基性岩（橄榄岩）；n变质岩：浅变质岩中等变质岩深变质岩；n沉积岩：抗风化能力大于岩浆岩、变质岩，风化厚度一般不大。n主要矿物的蚀变趋势为：n斜长石：在碱性环境下蚀变顺序为，绢云母绿泥石、蛭石蒙脱石；在 酸性环境下为高岭石化；n黑云母：水化脱钾、氧化水云母化；n辉石、角闪石：水解绿泥石蒙脱石；n白云母：伊利石蒙脱石高岭土；n石英：硅酸石髓次生石英。n一般情况下岩石风化的最终产物常表现为石英、高岭土、氧化铁 、铝土矿的组合。n化学成分n活动性强的元素：K、Na等，经风化后，易脱离母岩随水溶 液流失n活动性弱的元素：Fe、Al、Si等，经风化后，易于停留在原 处n同一种元素，所组成的化合物不同，岩石的抗风化能力也不 同，如方解石中的含钙化合物易风化，而斜长石中的含钙化 合物较稳定n结构特点n单一矿物组成的岩石抗风化能力较强：单矿岩复矿岩（因 为导热性、膨胀性较均一）n矿物成分相同：等粒结构不等粒结构（胀缩性）n细粒结构岩石抗风化能力较强（因为比表面积大，连结力较 强）n成分相近的碎屑沉积岩的抗风化能力与胶结物性质有关：Si 质胶结Ca质胶结泥质胶结地质构造n在成岩、地壳运动及其它次生作用下，使岩体内 部形成了极为复杂的结构面网络。这些不同成因 的结构面如:断层、节埋、劈理、片理、片麻理、 层理、沉积间断面、侵入岩体与围岩的接触面等 ，构成了风化营力侵蚀岩体的良好通道，对加深 及加速岩体的风化起了有力的促进作用。n断层带（裂隙密集带）：囊状风化n层理面：差异风化崩塌等n节理、裂缝面：球形风化1糜棱岩和角砾岩；2碎裂岩； 3强风化岩及其底板界线； 4弱风化岩及其底板界线； 5微风化和新鲜岩体1强风化岩体及其底板界线； 2弱风化岩体及其底板界线； 3微风化和新鲜岩体；4岩脉； 5花岗-闪长岩球形风化现象 地形n地形条件既可直接影响岩石的风化作用，又可通 过对气候及水文地质条件的影响，间接地影响岩 体的风化。在不同地形条件下（高度、坡度、切 割程度等），风化作用的类型、风化速度、风化 程度、风化壳厚度及其空间分布是不同的。地形 不同还影响沟谷侧侵作用和残积物滞留条件。n高度n海拔高地区：以物理风化为主n海拔低地区：以化学风化为主，风化速度较快n坡度n陡坡地段：风化速度较大，风化壳较薄n缓坡地段：风化速度较慢，风化壳较厚其它因素n地壳运动：特点控制着风化作用发生的总趋势n地壳强烈上升的地区：风化速度较快，但易遭外力侵 蚀剥蚀，风化壳厚度往往并不大。n地壳长期处于相对稳定的地区：岩体与风化营力接触 的时间较长，风化变异彻底，风化壳分布广泛，厚度 也较大。n人类活动人工开挖基坑、边坡、隧洞、砍伐森林等，将已 风化的岩体或覆盖层挖除，使得风化微弱甚至新 鲜岩体裸露，并与活跃的风化营力直接接触从而 加剧了岩体风化。分带的可能性n岩体的风化程度总是在地表比较强烈，从地表向 下至岩体内部，风化程度逐渐变弱，直至新鲜基 岩，即风化壳在铅直剖面上具有分带性。 n不同深度岩石与风化营力接触时间和程度不同， 风化营力多是由表及里的。n矿物风化具有阶段性，如主要硅酸盐矿物风化转 变的阶段为：n钾长石绢云母水云母高岭石；n辉石角闪石绿泥石水绿泥石蒙脱石多水高 岭石高岭石；n黑云母蛭石蒙脱石高岭石。总之：在整个风化剖面上，风化程度不同的岩石表 现出不同的物理、矿物组合特征。从地表至深部新 鲜基岩，风化是逐渐过渡的。分带的原则为工程建筑目的而进行的风化壳垂直分带应考虑 以下原则：n充分反应各风化带岩石变化的客观规律，反应各风 化带岩石所具有的不同特征。n分带的标志应有代表性、又明确，便于掌握n将定性与定量结合起来n分带数目既不要过多，也不太少。三分法、四分法、五分法 目前地矿与水利水电部门多采用四分法：剧风化带（ 全风化带）、强风化带、弱风化带、微风化带分带的标志n颜色n风化岩石在外观上表现出颜色的差异 如有的岩石新鲜时为灰绿色，风化后由下往上则变为:黄绿色 、黄褐色、棕红色、红色。 n破碎程度：风化程度越深，原岩破碎程度愈大n从深部完整新鲜岩石至地表： 岩块块石碎石砂粒粉粘粒n总体上：在风化剖面从上到下的不同部位上，这些颗粒所 占的比例是不同的，上部以粉粘粒为主，夹有砂及碎石； 向下过渡为以砂为主夹有粉、粘粒及碎石；再向下以碎石 为主夹有块石及少量粉粘粒；再向下则以块石为主夹碎石 等。n破碎程度还表现在风化产物破碎时的难易，如用锤难以击 碎的，用锤易击碎的，用手指能捏碎的，轻微接触即行松 散的等。 分带的标志n矿物成分变化：不同风化带、矿物组合特点不同n不同矿物的抗风化能力是不同的，岩石中总是那 些不稳定的矿物首先风化。既使同一矿物在不同 风化阶段所形成的新矿物也不一样。此外，化学 风化在不同时期起主要作用的化学反应是不同的 。因此，在风化壳剖面的不同部位，具有不同的 矿物共生组合n剧风化带：除石英外，大部分矿物已经变异，形 成稳定的次生矿物，如粘土矿物等n弱、微风化带：矿物变异主要发生在块石裂缝周 围，形成薄膜状分带的标志n水理性质及物理力学性质的变化：风化壳分带的重要 定量标志 在风化壳剖面上，由上至下这些性质变化的趋势是：n孔隙性、压缩性由大变小n吸水性由强弱n声波速度由小大n强度由低高n钻探掘进及开挖中的技术特性 风化程度不同的岩石，其完整性和坚固性不同，因 此，勘探中的钻探方法、钻进速度、岩心采取率、掘 进方法及难易程度是不同的；同时，施工中开挖方法 及进度亦各异。岩石风化壳分带及各带基本特征 分带的方法工程的初勘阶段：以定性分带为主 工程的详勘阶段：以定量分带为主n地质分析法定性分析方法n通过观测风化岩石的颜色、破碎程度、坚 固性、矿物成分等方面的变化特点为主， 兼以开凿岩体的难易程度及锤击声的音响 特点等鉴别岩体的风化程度，根据现场观 测及实践经验确定风化等级界限。该法适 于初勘阶段，在生产中已积累了较丰富的 经验，但有较大的人为性。 n n指标定量法指标定量法 通过现场和室内实验，实测风化岩石的物理力学性通过现场和室内实验，实测风化岩石的物理力学性 质指标，结合工程地质分析进行分带的方法。实践质指标，结合工程地质分析进行分带的方法。实践 中有用单项指标值进行分带，也有采用多项指标综中有用单项指标值进行分带，也有采用多项指标综 合进行分带的。合进行分带的。声波测试法：声波测试法：岩石风化后，声波速度变慢岩石风化后，声波速度变慢n n据声波在风化程度不同的岩体中传播纵波速度据声波在风化程度不同的岩体中传播纵波速度 VpVp（m ms s）作为风化壳分带的依据。）作为风化壳分带的依据。n n一般采用的分带界限为：一般采用的分带界限为：剧风化带，剧风化带，VpVp50005000。n风化系数法其中：Kn=n1/n2孔隙率系数K= 1/ 2 吸水率系数KR=R2/R1 强度系数（单轴抗压强度）n、R分别为孔隙率、吸水率和单轴抗压强度；符号 中的下角标1、2分别为新鲜岩和风化岩石。根据风化系数Ky大小进行分带的标准为：剧风化带：Ky 0.2；强风化带：Ky =0.20