第四章 第四纪沉积土及 其工程地质特征,4, 4.1 风化作用及残积土 4.2 暂时性水流的地质作用及其沉积土 4.3 河流的地质作用及冲积土 4.4 湖泊和沼泽的地质作用及湖积土 4.5 海洋的地质作用及海积土 4.6 冰川的地质作用及冰积土 4.7 风的地质作用及风积土 4.8 特殊土及其工程地质特征, 4.1 风化作用及残积土,第四纪是地球发展的最新阶段，它包括更新世和全新世。研究第四纪地貌形态以及沉积土的类型和特征，对人类合理开发地质环境、利用地质环境、使工程活动与地质环境协调，都是极其重要的。 第四纪沉积土即为组成地壳的岩石在长期的外动力地质作用下破坏、搬运、堆积而成的未经胶结成岩作用的沉积土。 根据地质成因，第四纪沉积土可分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、海积土、冰积土和风积土等几大类。, 4.1.1 风化作用类型,1. 物理风化作用,处于地表的岩石主要由于温度变化在原地产生机械破碎，而不改变其化学成分，不形成新矿物的作用称为物理风化作用或机械风化作用。其方式主要有温差风化、冰冻风化等。,(1) 温差变化,温度变化是引起物理风化作用的最主要因素，温差可促使岩石膨胀和收缩交替地进行，久之则引起岩石的破裂。不同矿物受热的体积膨胀系数各不相同，各种矿物的体积胀缩也有差异，在它们接触界面产生应力，从而破坏它们之间的结合能力。这样会导致岩石由表及里不断崩解，碎裂成大小不一的碎块(图4-1)。 温差风化的强弱主要取决于温度变化的速度和幅度。另外还取决于岩石的性质。,图4-1 温差风化使岩石逐渐崩解的过程示意图,(2) 冰冻风化,充填在岩石裂隙中的水分结冰使岩石破坏的作用，称为冰冻风化。这是温度变化间接地使岩石破碎的现象。,水结成冰，体积会比原来增大9%左右，由于体积增大，对岩石裂隙可产生很大的压力(可达96200MPa)，使岩石裂隙加宽、加深，故称冰劈作用。外界气温若在0上下波动时，充填在岩石裂隙中的水就会反复融化、冻结，就会使岩石裂隙不断扩大。加深，从而崩裂成碎块(图4-2)。,图4-2 水的冻结引起岩石膨胀示意图,2. 化学风化作用,地表岩石与水溶液和气体等在原地发生化学反应逐渐使岩石破坏，不仅改变其物理状态，同时也改变其化学成分，并可形成新矿物的作用，称为化学风化作用。,水直接溶解岩石中矿物成分的作用。,(1) 溶解作用,有些矿物 与水作用时，能够吸收水分作为自己的组成部分，形成含水的新矿物。如硬石膏水化作用成石膏。,(2) 水化作用,某些矿物溶于水后，出现离解现象，其离解物可与水中的H+和OH-离子发生化学反应，形成新的矿物。如正长石经水解作用的化学反应为： 4K(AlSiO3O8)+6H20 4KOH+8SiO2+Al4(Si4O10)(OH)8,(3) 水解作用,当水中溶有CO2时，与水结合形成碳酸，碳酸根(CO32-)易与矿物中的阳离子化合成易溶于水的碳酸盐，从而使水溶液对岩石中的矿物离解能力加强，化学反应速度加快，这种化学作用即碳酸化作用。如正长石经碳酸化作用后的化学反应为： 4K(AlSiO3O8)+4H20 +2CO2 2K2CO3+8SiO2+Al4(Si4O10)(OH)8,(4) 碳酸化作用,矿物中的低价元素与大气中的游离氧化物合变为高价元素的作用，称为氧化作用。,(5) 氧化作用,3. 生物风化作用,岩石在动植物及微生物影响下所起的破坏作用称为生物风化作用。,生物的物理风化作用是生物的活动对岩石产生机械破坏作用。如蚂蚁、蚯蚓等钻洞挖土，对岩石产生机械破碎；岩石裂隙中的植物其根部生长撑裂岩石，不断使岩石裂隙扩大、加深。,(1) 生物的物理风化作用,生物的化学风化作用是生物的新陈代谢(如分泌有机酸、碳酸、硝酸和氢氧化铵等溶液腐蚀岩石)、死亡后遗体腐烂分解(如CO2、H2S等)而与岩石发生化学反应，促使岩石破坏的作用。,(2) 生物的化学风化作用, 4.1.2 影响岩石风化的因素,1 岩石性质,不同矿物具有不同的结晶格架，由其化学性质所决定的抗风化能力亦不相同。 矿物风化过程中稳定性由大到小的顺序一般是： 氧化物 硅酸盐 碳酸盐和硫化物 岩浆岩抗风化能力由大到小一般是： 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)； 变质岩抗风化能力由大到小一般是： 浅变质岩 中等变质岩 深变质岩 一般来说沉积岩的抗风化能力比岩浆岩和变质岩高，但沉积岩的风化问题比较复杂，如沉积岩的粘土岩、而岩风华速度很快。,(1) 岩石的矿物组成,岩石中矿物颗粒的粗细、均匀的程度，胶结的方式和胶结物的成分，层理的厚薄等都影响风化速度。,(2) 岩石的结构、构造,裂隙发育的岩石有利于风化作用的进行。岩块中两组裂隙相交的棱或三组裂隙相交的棱角处，岩石的自由表面最大，易受温度、水溶液、气体等因素的作用而首先风华破坏，经过一段时间后，使岩块的棱角逐渐消失而圆化，形成大大小小的球休和椭球体，这种现象称球状风华，如图4-3所示。,(3) 岩石中节理发育情况,图4-3 球状风化演变图 a) 岩石被裂隙所切割 b) 球状风化的初期 c) 球状风化的晚期,2. 气候因素,气候因素主要体现在气温变化、降水和生物的繁殖情况。地表条件下温度增加10,化学反应速度增加一倍；水分充足有利于物质间化学反应。故气候可控制风化作用的类型和风化速度。,3. 地形,地形影响风化作用的速度、深度、风化产物的堆积厚度及分布。 地形起伏较大、陡峭、切割较深地区以物理风化为主，岩石表面风化后岩屑不断崩落，新鲜岩石直接露出地面而遭受风化，且风化产物较薄。 地形起伏较小，流水可缓慢流经的地区以化学风化作用为主，岩石风化彻底，风化产物较厚。 在低洼有沉积土覆盖地区，由于有覆盖物的保护不易风化。, 4.1.3 岩石风化程度的划分,岩石按风化程度分类列表(表4-1)。,表4-1 岩石风化程度分类,注：1. 波速比Kv为风化岩石与新鲜岩石压缩波速度之比。 2. 风化系数Kf为风化岩石与新鲜岩石饱和单轴抗压强度之比。, 4.1.4 残积土,岩石风化后未经搬运而残留在原地松散物。,地面流水可分片流、洪流、河流三种类型。,分布：主要分布在岩石暴露于地表而受到强烈风化作用的山区、丘陵及剥蚀平原。,物理特点：一般不具层理，碎块呈棱角状，土质不均，具有较大孔隙。,厚度变化：山坡顶部较薄，低洼处较厚。,成分：与母岩成分及所受风化作用的类型有密切的关系。,残积土特点,残积土, 4.2 暂时性水流的地质作用及其沉积土, 4.2.1 片流的地质作用及坡积土(Qdl),坡积土：片流自高向低流动，不断使坡面上细小岩石碎屑和粘土物质向下移动，最后在坡脚或山坡低凹处沉积下业形成坡积土。,洗刷作用：片流对整个坡面进行的这种均匀、缓慢和在短期内并不显著的地质作用称洗刷作用。,是河流中搬运的泥砂的主要来源。,产物,强度,与气候、地面坡度、岩性以及植被的覆盖程度有关。,坡积裙：指坡积层沿山坡的坡脚或山坡的凹坡呈缓倾斜状分布。,碎屑棱角分明， 分选性不好， 天然孔隙度很高 含有棱角状碎石 物质成分与斜坡基岩相同,特点,坡积土, 4.2.2 洪流的地质作用及洪积土(Qpl),冲刷作用：河流以其自身的水力和携带的砂石，对沟底和沟壁进行冲击和磨蚀，这个过程称为洪流的冲刷作用。,冲沟：由冲刷作用形成的沟底狭窄、两臂陡峭的沟谷叫冲沟。初始形成的冲沟在洪流的不断作用下，可以不断地加深，展宽和向沟头方向伸长，并可在冲沟沟壁上形成支沟 (图4-4) 。,图4-4 冲沟的形成和发展示意图,洪积土是由山洪急流搬运的碎屑物质组成的。,洪积扇：当山洪夹带大量的泥砂石块流出沟口后，由于沟床纵坡变缓，地形开阔，水流分散，流速降低，搬运能力骤然减小，所夹带的石块、岩屑、砂砾等粗大碎屑先在沟口堆积下来，较细的泥砂继续随水搬运，多堆积在沟口外围一带。由于山洪急流的长期作用，在沟口一带就形成了扇形展布的堆积体，在地貌上称为洪积扇。,洪积扇,过渡带经常有地下水溢出，水文地质条件不良，对工程建筑不利。,粗碎屑沉积地段，孔隙大，透水性强，地下水埋藏深，承载力高，是天然良好的地基。,细碎屑沉积地段，如果在沉积过程中受到周期性干燥，粘土颗粒发生凝聚并析出可溶盐，则洪积层结构牢固，承载力也较高。,图4-5 洪积扇剖面图, 4.2.3 泥石流,是发生在山区的一种含有大量泥砂、石块的特殊洪流。与一般洪流的主要区别，在于它是具有固体和液体（土和水）两相物质组成的流体，并且固体物质的体积超过10%,密度大于1300Kg/m3。 活动特点：突然爆发，能量巨大，历时短暂，且复发频繁，破坏力巨大。,流通区一般位于中下游，多为沟谷地形，河床狭窄，纵坡大，多陡坎和跌水。,形成区位于流域上游，包括汇水动力区和固体物质供给区。形成区内岩层破碎，风化严重，植被稀少，水土流失严重，崩塌、滑坡发育，松散堆积物丰富。,堆积区多在沟谷出口处。地形开阔，纵坡平缓，泥石流在此漫流扩散，流速降低，固体物质大量堆积，形成规模不同的洪积扇。,图4-6 典型泥石流流域示意图 -形成区(1汇水动力区；2 固体物质补给区) -流通区 -堆积区,1. 泥石流的形成条件,地形条件：陡峭的山区，沟床纵坡大，典型的泥石流沟上游多为三面环山,一面出口的漏斗状地形。这样的地形条件有利于承受周围山坡上的固体物质,也有利于集中水流。,地质条件：地质构造复杂、岩石风化破碎、新构造运动活跃、崩塌滑坡多发的地段。,气象水文条件：水既是泥石流的重要组成部分，也是泥石流活动的基本动力和触发条件。我国泥石流的水源主要是暴雨、长时间的连续降雨等。,2. 泥石流的分类,流域呈扇形，具有明显的形成区、流通区和堆积区，面积较大，有雨几到几十平方千米。,(1) 按泥石流流域形态分类,1) 标准型泥石流,2) 河谷型泥石流,流域呈狭长条形，形成区多为河流上游沟谷，固体物质来源于沟谷中分散的坍塌体，流通区与堆积区往往不能明显分开，在流通区内既有冲刷，又有堆积。,3) 山坡型泥石流,流域面积小，流域呈斗状，无明显流通区，形成区与堆积区直接相连。,图4-7 河谷型泥石流流域示意图,图4-8 山坡型泥石流流域示意图,固体物质主要是石块和砂砾，粘土质细粒物质含量少。堆积物常为很大的粗碎屑物质。,(2) 按泥石流固体组成物质分类,1) 水石型泥石流,2) 泥石流型泥石流,固体物质为很不均一的粗碎屑成分，又含有相当多的粘土质细粒物质。堆积物常形成为粘接较牢固的土石混合物。,3) 泥水流型泥石流,固体物质基本上由细碎屑和粘土物质组成，粗碎屑物质含量少，甚至没有。,(3) 按泥石流液体性质分类,1) 粘性泥石流,含大量粘性土的泥石流或泥流。固体物质占40-60，最高达80。水和泥砂石块凝聚成一个粘稠的整体，粘性很大，其密度大于1600Kg/m3。在堆积区不发生散流，而是以狭窄条带状向下奔流和堆积。,水是主要成分，固体物质占10-40，细粒物质少。有很大分散性。水为搬运介质，石块以滚动或跃移方式前进，具有较强的冲刷力。堆积物地面较平坦，结构松散，层次不明显，沿途堆积物有一定的分选性。,2) 稀性泥石流,3. 泥石流的防治措施,生物措施,工程措施,防治措施,恢复和培育植被、合理耕牧，维持生态平衡。,蓄水、引水工程,支挡工程,拦挡工程,排导工程,储淤工程,图4-9 河谷要素图,水流的能量,E = (1/ 2) M v 2,式中,E水流的动能 M流量 v流速, 4.3 河流的地质作用及冲积土, 4.3.1 河流的地质作用,河流运动破坏河谷岩土体侵蚀,据侵蚀作用方向： 下蚀作用（沿垂直方向进行） 侧蚀作用（沿水平方向进行）,按破坏方式：冲蚀、磨蚀、溶蚀；,类型,1. 河流的侵蚀作用,加深,加長,加寬,(1) 下蚀作用,与流速和河水中泥砂的含量有关。,与河床的岩石性质及地质构造有关。,作用强度,