工程地质ch61

1、6 地表地质作用6.1 风化作用6.1.1 基本概念 岩石出露地表，在太阳辐射作用下并与水圈、大气圈和生物圈接触，为适应地表新的物理、化学环境，必然会发生变化，这种变化虽然缓慢，但年深日久，就会逐渐崩解、分离为岩屑或土层。岩石的这种物理、化学性质的变化称为风化；引起岩石这种变化的作用称为风化作用；被风化的岩石圈表层称为风化壳；在风化壳中，岩石经过风化作用后，形成松散的岩屑和土层，残留在原地的堆积物称为残积土。尚保留原岩结构和构造的风化岩石称为风化岩6.1.2 风化作用的类型 1. 物理风化（机械风化）：地表岩石因温度变化和孔隙中水的冻融以及盐类的结晶而产生的机械崩解过程。使岩石由完整固结变为松

2、散破碎； 热力风化地球表面受太阳辐射有昼夜和季节变化，受阳光影响的岩石昼夜及季节温差，使表层岩体膨胀产生压应力、收缩产生张应力，其频繁交替遂使岩石表层产生裂缝以至片状剥落。热力风化 冻融风化（冰劈作用）：岩石孔隙或裂隙中的水在结冰时，体积膨胀，使岩石裂隙加宽加深，而冰融化时，水渗入扩大的裂隙进入岩石深部，并再次结冰。这样冻结、融化频繁交替，不断使裂隙加深扩大，进而使岩石崩裂称岩屑。2. 化学风化 岩石在水、水溶液和空气中的氧与CO2等的作用下所发生的溶解、水化、水解、碳酸化和氧化等一系列复杂的化学变化。化学风化的方式主要有： 溶解作用矿物离子与水分子相互吸引，矿物遇水后，就会不同程度地被溶解。

3、 水化作用易溶矿物和水接触后，形成新的含水化合物。（如：硬石膏水化成为石膏） 水解作用弱酸强碱化合物（如硅酸盐和铝硅酸盐）水解作用较普遍（如正长石水解为高岭土） 碳酸化作用溶于水的CO2形成CO2-3和HCO3-离子，夺取盐类矿物中的K、Na、Ca等金属离子，结合成易溶的碳酸盐而随水迁移，使原有矿物分解。如： 正长石碳酸化成高岭土。 氧化作用在水的参与下，通过空气和水中的游离氧而实现。氧化作用有：1.矿物中的某种元素与氧结合形成新矿物（黄铁矿褐铁矿）；2.许多变价元素在缺氧条件下形成的低价矿物，在地表氧化环境下转化为高价化合物，原有矿物被解体。（如：磁铁矿褐铁矿）。地表岩石风化后多呈黄褐色多因

4、风化产物中含褐铁矿。黄铁矿褐铁矿磁铁矿3. 生物风化：生物在其生长和分解过程中，直接或间接地对岩石矿物所起的物理和化学的风化作用。 如：植物根劈 动物的挖掘和穿凿（穿山甲） 生物新陈代谢分泌物的化学作用4. 风化作用类型之间的相互关系 岩石的风化作用，实质上只有物理风化和化学风化两种基本类型。物理风化和化学风化紧密联系。物理风化是化学风化的前驱和必要条件；化学风化是物理风化的继续和深入。两者在自然界往往是同时进行、相互影响、相互促进；风化作用是一个复杂统一的过程。只有在具体条件和阶段上，物理风化和化学风化才有主次之分。6.1.3 影响风化作用的因素1. 气候因素 气候对风化的影响主要通过温度、

5、雨量以及生物繁殖状况来实现的。温差造成物理风化，且其变化的频率比变化的幅度更重要。 多雨地区利于化学风化和生物风化的进行。 气候基本决定了风化的类型及其发育程度。2. 地形因素 高度、坡度和切割程度影响着风化的强度、深度和保存风化物的厚度及分布状况。 山区风化强度和深度大于平原和低缓的丘陵，但风化层较后者不易保存。 强烈的剥蚀区和堆积区都不利于化学风化作用的进行。山地阳坡较阴坡风化强度大且风化层易于保存，风化层厚度较大。沟谷密集的侵蚀切割地区，地表水和地下水循环好，风化作用强烈，但其剥蚀强烈，所以风化层厚度不大。3. 地质因素 岩石的矿物组成、结构和构造都直接影响风化的速度、深度和风化阶段。

6、岩石的抗风化能力主要决定于组成岩石的矿物成分。稳定性造岩矿物极稳定石英稳定白云母、正长石、微斜长石、酸性斜长石欠稳定普通角闪石、辉石类不稳定基性斜长石、碱性角闪石、黑云母、普通辉石、橄榄石、海绿石、方解石、白云石、石膏 粗粒比细粒易风化、多矿物岩石比单矿物岩石易风化、粒度差别大和有斑晶的岩石比均粒岩石易风化。 断裂破碎带的裂隙、节理、劈理、层理与页理便于风化，密度越大，风化越强烈。风化作用沿着某些张性的深大断裂深入到地下很深的地方，形成所谓风化囊袋。6.1.4 岩石风化的勘查评价与防治1. 风化作用的工程意义 岩石的裂隙度、空隙度、透水性、亲水性、胀缩性和可塑性等都随风化程度加深而增大。 岩石

7、的抗压和抗剪强度等都随风化程度加深而降低。风化壳成分的不均匀性、产状和厚度的不规则性都随风化程度加深而增大。 岩石风化程度影响到建筑物地基承载力和边坡的稳定性。 风化程度对工程设计和施工均有直接影响。如矿山建设、厂址选择、水库坝基、路基、桥基等，边坡的治理及开挖深度、地基设计深度等均随风化程度而变化；工程建设前必须对岩石的风化程度、速度、深度和分布状况进行调查研究。2. 岩石风化的勘查与评价 查明风化程度，确定风化层的工程性质，以便考虑建筑物的结构和施工方法。风化层的分带：在野外，根据岩石的颜色、结构和破碎程度等宏观地质特征和强度进行初步划分（可分为五个风化带，见P65表6.2），还须结合矿物

8、组分、化学成分分析、声波测试等进行准确划分； 查明风化层厚度和分布，选择最佳建筑地点。 查明风化速度和主诱发因素，制订预防措施。 对风化层进行划分，特别注意对地基稳定性有直接影响的粘土（如：蒙脱石、高岭石、水云母等）的含量和成分进行必要的分析。3. 岩石风化的防治 挖除法适用于较薄的风化层； 抹面法使用水密和气密材料，如：沥青、水泥、粘土层等覆盖岩层； 胶结灌浆法使用水泥、粘土等浆液灌入岩层或裂隙中，以加强岩层的强度，降低其透水性； 排水法为了减少具侵蚀性的地表水和地下水的溶解侵蚀，采取部分排水措施。6.2 河流的侵蚀、搬运与沉积作用 河流是河谷中经常性的水流。河谷通常由几个要素组成。河谷：侵

9、蚀的槽形凹地。谷底：河谷底部较平坦部分。河床：河水占据的沟槽。谷坡 ： 谷底至分水岭的斜坡。阶地：谷坡上的阶梯状平台。6.2.1 河流的侵蚀、搬运与沉积 1. 河流水动力学特征 河水水流的紊流特征 河水水流一般处于紊流状态，也可有涡流，且具有脉动特征。 脉动：按照紊流运动的性质，水流每点的瞬时流速，不论其方向和大小都在不断变化着。 河水平均流速在接近水面处最大，向河底、岸壁递减。 平滑边界紧靠边壁处存在层流区（层流亚层或边界层）；粗糙边界的边界层常被涡流破坏。(P66图6.3） 流速的脉动特点对水流的侵蚀、搬运能力具有十分明显的影响。流速较大的水流（特别是底床糙凸），靠近底部的水流可因流速梯度

10、大或糙凸处的搅动而产生轴线近水平且与水流方向近正交的旋涡流，使上部流速增大，底部则因反向旋涡流的阻挡而减速。（P66图6.4）流速的这种差异造成垂直方向上的压力差，使涡流离开河底上升，并随水流向下游扩散逐渐消失。旋涡流加强了水流在垂直方向上的交替，增强了水流的冲刷能力。 横向环流与螺旋流 水流的运动受到河槽周界的限制，其平均方向决定于槽线的方向。槽线的曲折和断面形态的改变会使水流内部形成一种规模较大、比较稳定的旋转运动，其与涡流有所不同。此即为环流。 弯道离心力引起的环流弯道水流在离心力的作用下，水面形成横比降，使得凹岸水面抬高，凸岸水面降低。水流离心力的大小与流速的平方成正比，而流速是表面大

11、深处小，故离心力随深度增加而减小。倾向凸岸的横比降又会在水中产生附加应力，其方向与离心力相反，且在所有深度上均相等。进而，在水面上部，离心力与附加应力之向量和指向凹岸，在下部正好相反，向量和指向凸岸。正是上述力的综合作用，使上层水流产生向凹岸的分流，下层水流产生向凸岸的分流。从而，在水流惯性力的作用下，形成螺旋状的横向环流。（P67图6.5、6.6） 横向环流 地球自转的影响 地面上运动的物体，均受到地球自转的影响（Coriolis加速度)，使其运动方向发生偏离。Coriolis加速度所产生的惯性力作用方向是：在北半球，顺着水流的流向看，作用于河流的右岸；而在南半球则正好相反；Coriolis

12、力也会引起横向环流。在中高纬度地区， Coriolis力引起的横向环流，与弯道离心力可以是同一数量级。 横向环流的形成使得水流的流速在同一断面上表现出规律性变化：在表流下沉转变为底流的部位，由于重力的作用，流速递增；在底流上升为表流的部位，要克服重力，流速递减。 水流流速的这一规律性是河流在同一断面上既有侵蚀又有淤积的重要原因。（P68图6.7） 6.2.1.2. 河流的侵蚀作用 水流的侵蚀：地表泥砂被水流带走的过程。其形成主要决定于泥砂起动条件；在垂直于河流流向的断面上，岩体受到的动水压力：20/2pKFvg式中：p-动水压力（kN); r0-河水的重度（kN/m3); K-岩体形状系数（实

13、验测定）； F-水流作用面积（m2)； 流速的增减对动水压力的大小起着很重要的作用，呈二次方的关系。流速较小时，岩体不会破坏；流速增加到临界流速时，岩体处于极限平衡状态；流速超过临界流速，岩体遭受侵蚀破坏。 不同强度的岩石，所要求的侵蚀临界速度也不同；整体的坚硬岩石，内聚力很大，自然河流的最大流速远远小于其侵蚀临界流速。 因此，自然河流无法侵蚀完整的坚硬岩石，只能沿岩体中内聚力很小的裂隙面进行侵蚀另一方面，流向与冲刷面的关系也决定了冲刷力的大小：在同样流速下，冲刷面愈平行于流向，其所受的冲刷力愈小。（如桥墩）6.2.1.3. 河流的搬运作用 水流对固体物质的搬运方式有： 1.水流使砂、砾等沿河

14、底推移； 2.细小物质在水中呈悬浮状态移动（悬移）； 砂砾在水流作用下，其粒径与流速的二次方成正比，而砂砾的体积或重量与其粒径的三次方成正比，故颗粒的重量与流速间呈六次方的关系，流速增加一倍，河流搬运泥砂的重量可增加64倍。由此，山区河流可搬运粗大砾石。6.2.1.4. 河流的沉积作用 河流的流速低于推移临界速度时，泥砂河流的流速低于推移临界速度时，泥砂便沉积下来；便沉积下来； 沉积物质的数量取决于河流含砂量与搬沉积物质的数量取决于河流含砂量与搬运能力的对比；运能力的对比； 沉积作用主要受流速、流量和搬运物的沉积作用主要受流速、流量和搬运物的影响。影响。6.2.2 河流地貌河流的侵蚀、搬运与沉

15、积作用是改变地表地形的重要地质作用。水文气象因素和构造运动因素又影响和制约河流的侵蚀、沉积以及河床的演变。1. 河漫滩：靠近主槽、洪水时淹没、平水时出露的滩地。平原河流都有广阔的河漫滩、阶地 河漫滩可调节洪水、削减洪峰、储存泥沙并通过滩槽水流交换影响主槽冲淤等作用，沉积物特点在相当大的程度上决定了河流的边界条件。 河漫滩 河漫滩相沉积:雏形河漫滩形成后，洪水时河漫滩水深比河床浅，使河漫滩流速减小，平水期与枯水期植物在滩面上生长，进一步降低了滩面上的流速，引起悬移质在河漫滩上沉积，使河漫滩沉积一层粘性土，也即河漫滩相沉积； 二元相沉积：下部为河床相砂砾层，上部为河漫滩相粘土层；（P70图6.9）

16、 截弯取直：由于河流的侵蚀和沉积作用，会使河曲自然截弯取直； 牛轭湖相沉积：河曲自然截弯取直后，形成废弃河道，河漫滩相覆盖层加厚，出现牛轭湖相沉积。 河床的横向移动为河漫滩地貌的发展创造了空间条件，决定了河漫滩的规模和类型。 砾石河漫滩沉积物不稳定 冲积性河床形成河岸沙堤（见P70图6.10） 河岸沙堤与河床之间有边滩 边滩可逐渐发展成为新的河漫滩 新老河漫滩组合在一起，使河漫滩结构复杂化。因演变过程的不同，河漫滩有多种组合形式。边滩2. 河流阶地河流阶地：河流阶地是在地壳构造运动与河流的侵蚀、沉积作用综合作用下形成的；在河谷两坡形成阶梯状地形称为阶地； 阶地的形态特征：阶地面平坦表面，后缘堆

17、积有坡积物和洪积物，标志河流以侧蚀或沉积为主；阶地斜坡陡坎，朝向河谷轴部，标志河流转向深切侵蚀； 阶地的形成：地壳上升或侵蚀基准面相对下降，已形成河漫滩的河流重新下切侵蚀。原来的谷底呈阶梯状残留在新的谷坡上，在河谷两坡形成阶地； 阶地的类型： 侵蚀阶地：发育在构造抬升的山区河谷中，出露基岩，沉积物很薄,侵蚀作用强； 堆积阶地：多见于河流中下游，由河流沉积物组成。其又可分为内叠和上叠阶地；（见P72图6.12） 基座阶地：上部为河流的沉积物，下部基岩。（见P72图6.13）埋藏阶地：阶地形成后，地壳下降或基准面上升，引起河流大量堆积，使阶地被堆积物覆盖，埋藏于地下。河 流 的 空 间 形 态山口

18、山口沉积作用沉积作用谷底沉积作用谷底沉积作用河口沉积作用河口沉积作用6.2.3 河流侵蚀、淤积作用的防治1. 凹岸的坍塌和凸岸的淤涨 坍岸的成因分析 坍岸一是由于水流（直接带走泥沙、淘蚀坡脚导致坍塌）的作用，二是外界条件造成的土体强度减弱和风化。两者往往同时存在。 各类土质河岸的坍岸情况 坍岸与河岸的高度、坡度、形状、土层情况和土质特性均有密切联系。 无粘性土河岸 稳定性可由其移动的动力与阻力之比来确定。分排水好（强度降低和坡脚淘空而坍塌）和排水差（土体饱和与否，增加了孔隙水压力的作用）两种情况。 粘性土河岸 形成团粒，内聚合力大，抗冲刷力强。分圆弧滑动、浅层滑动和平面滑动三种。（P73图6.

19、14） 弯曲河段的二元结构河岸（组合土层）坍塌形式可分为： 圆弧滑动、平面滑动和坍落。（P73图6.15和图6.16） 凹岸的坍塌和凸岸的淤涨 对于弯曲型河流，凸岸的堆积主要来自凹岸的冲刷，通过弯道环流相联系。凹岸间歇性后退，而在凸岸集中淤积。2. 河流侵蚀、淤积作用的治理 不同类型河床主流线与崩岸位置 河岸崩塌在主流线处，主流线位置因河床类型的不同而各异。弯曲河床上半段，主流线靠近凸岸上方，之后流入凹岸顶点，在下半段靠近凹岸。故弯曲型河床的凸岸边滩上方、凹岸顶点的下方常常崩岸。（见P74图6.17a） 在顺直河床上， 深槽与边滩犬牙交错，深槽处，主流线靠近河岸，成为顺直河床的崩岸部位，随着深

20、槽下移，崩岸位置不再固定（图6.17b）。游荡河床，崩岸位置也不确定，分汊河床，江心洲洲头也是崩岸的多发部位。（图6.17c) 防护措施 对于河流侧向侵蚀及因河道局部冲刷而造成的坍岸等地质灾害，一般采用护岸工程或使主流线偏离被冲刷地段等防治措施。 护岸工程直接加固岸坡：植树、种草；护岸：抛石护岸、砌石护岸（P74图6.18） 约束水流 顺坝(导流坝）和丁坝（斜向下游，夹角60-70） 、 约束水流（束窄河道、封闭支流、截直河道、减少河流的输沙率等）防止淤积岸坡防治6.3 岩溶（喀斯特）作用6.3.1 基本概念与研究意义 引用前南斯拉夫的地名碳酸盐岩地区发育的特殊地貌。岩溶作用：以地下水为主、地

21、表水为辅，以化学过程（溶解、沉淀）为主、机械过程（侵蚀和沉积、重力崩塌和堆积）为辅的对可溶性岩石的破坏和改造作用。岩溶地貌：岩溶作用造成的地表形态和地下形态。岩溶：岩溶作用及其所产生的水文现象和地貌现象。岩溶对工程建设和生产活动均有重要影响。 岩溶在我国分布非常广泛，广西桂林山水、云南路南石林，浙江瑶琳仙境。广西碳酸盐岩出露的面积占全区面积的60%，贵州和云南东南部碳酸盐岩分布的面积占该区总面积的50%以上；全国石灰岩分布面积约130万平方公里，约占全国总面积的13.5%。6.3.2 岩溶作用的基本条件 1. 岩石的可溶性岩石的可溶性主要取决于岩石的成分和结构。可溶性岩石：碳酸盐类岩石、硫酸盐

22、类岩石、卤盐类岩石。溶解度：卤盐类硫酸盐类碳酸盐类，但碳酸盐类岩石分布最广。 2. 岩石的透水性岩石的透水性取决于岩石的裂隙度和孔隙度。褶皱和断裂加强岩石的透水性，对岩溶发育具有一定的控制作用。可溶性与非可溶性岩层的接触带及不整合面等利于水的活动，岩溶易于发育。 褶皱轴部裂隙密集，利于溶蚀和岩溶发育。背斜顶部发育宽度大、分布深的张裂隙，岩溶多以漏斗、竖井等垂直形态为主；向斜轴部垂直、水平通道均易发育，可发育地下河、漏斗及落水洞。富水优势断裂常为较大的地下水和地表水汇集的地方，多发育管状水道或地下河，也为地面塌陷集中带。3. 水的溶蚀力只有水中含有CO2时，才有较强的溶蚀作用，可将碳酸钙溶解。 4. 水的流动性 饱和水溶液一直处于流动状态，可变为非饱和溶液，重新获得溶蚀力。6.3.3 岩溶地貌1. 地表溶蚀地貌 石芽与溶沟 （P76图6.20，图6.21） 漏斗 竖井 落水洞 溶蚀洼地 坡立谷 干谷和盲谷天下第一大漏斗落水洞溶蚀洼地2. 地下岩溶地貌 溶洞 地下河3. 岩溶地貌组