第五章-岩石风化工程地质研究课件

第五章

岩石风化的工程地质研究提要概述影响岩石风化的因素风化壳的垂直分带防治岩石风化的措施一、定义风化：岩石在各种风化营力作用下，发生的物理和化学变化过程。RockWeathering风化壳weatheredcrust：遭受风化的岩石圈表层叫做风化壳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，由其构成的复杂剖面称为风化壳。不同岩石，不同地区，风化壳有很大差别。其厚度很大差别，大则几百米。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。第一节概述二、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。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。主要发生在干旱寒冷的地区，风化深度相对较小。10m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。多发生于温暖潮湿的地方，风化深度可达百米以上。主要化学风化作用：氧化、溶解、水化、水解、碳酸化和硫酸化等作用。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，如释放大量有机酸及CO2

，加强水溶液溶解能力。

冻融酥松庐山砂岩的裂隙风化★物理风化现象

氧化作用

不均匀风化作用

★化学风化现象

植物根系的作用（花岗岩母质）

动物的挖掘作用

★生物风化作用

风化岩石与原岩比较，已产生了一系列的变化，从工程地质观点出发，这些变化主要表现在以下几个方面：

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，岩体碎成块石、碎石或土体。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，形成稳定性好的次生矿物：如绿泥石、绢云母、高岭石、蒙脱石等。岩体的工程地质性质发生变化

如：力学强度的降低压缩性增大（由基岩→粘土）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。三、风化结果及工程意义工程意义

总体上：恶化了岩石的工程性质，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。基础基面处置、确定矿坑边坡角、洞室围岩支护、基坑开挖层支护、抗滑工程设置等都要考虑到风化问题。

矿业工程中的应用——开采上限的确定——防水煤岩柱的留设第二节影响岩石风化的因素一、气候因素温度温差大、冷热变化频率快有利于物理风化；温度变化对岩石在水中的溶解度和化学反应速度、水溶液浓度都有较大影响，从而影响化学风化的速度。降雨（湿度）

各种化学风化是水（CO2，O2）参与下完成的，运动的水及矿物质运移，破坏化学平衡，促进反应不断进行。水的加入使风化向多样化、深度发展。二岩性因素矿物成分：抗风化能力氧化物>硅酸盐>碳酸盐和硫化物常见造岩矿物易溶解性顺序：食盐、石膏、方解石、橄榄石、辉石、角闪石、滑石、蛇纹石、绿帘石、正长石、黑云母、白云母、石英。最稳定的造岩矿物：石英岩浆岩：酸性岩>中性岩>基性岩>超基性岩（花岗岩）（闪长岩、安山岩）（玄武岩）（橄榄岩）变质岩：浅变质岩>中等变质岩>深变质岩沉积岩：抗风化能力大于岩浆岩、变质岩。化学风化较弱。沉积岩是由前一旋迴的风化矿物组成，遭受二次风化后仍产生水化、水解、淋滤作用。风化厚度不大，但如粘土岩、页岩等风化速度很快。主要矿物蚀变趋势：斜长石：水解作用及脱钙作用黑云母：水化脱钾、氧化→水云母化辉石、角闪石：水解→绿泥石→蒙脱石白云母：→伊利石→蒙脱石→高岭土石英：→硅酸→石髓→次生石英一般：石英、高岭土、氧化铁、铝土矿通常是最终产物的组合。碱性环境酸性环境绢云母—绿泥石、蛭石—蒙脱石高岭石化蛭石绿泥石蒙脱石化学成分活动性强的元素：K、Na等，随水流失。活动性弱的元素：Fe、Al、Si等，残留在原地。含活动元素多者易于风化。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结构特点单一矿物组成的岩石抗风化能力较强：单矿岩>复矿岩矿物成分相同：等粒结构>不等粒结构，单粒结构岩石抗风化能力较强，细粒>粗粒Si质胶结>Ca质胶结>泥质胶结原因：导热性不同、胀缩性不同、比表面积不同。图5－1岩性不同导致的差异风化

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-闪长岩三、地质构造地质结构面：断层、层面、节理、沉积间断面、侵入岩与围岩接触面等断层带（裂隙密集带）：囊状风化层理面：差异风化—崩塌等节理、裂缝面：球形风化

大理岩的球形风化

花岗岩的球状风化

浙江基性火山岩球状风化

安徽大别山花岗岩球状风化

三峡深槽一侧的减荷破裂

花岗岩和砂岩等刚性岩石对压力松弛尤其敏感，密集的减荷破裂(也称减荷节理)使其表层成不规则碎片状。陡崖地形有与崖面近于平行的减荷节理的发育，它使崖壁岩块易于崩落。四、地形地形不同影响气候及水文地质条件、光照、温差条件，沟谷侧向入侵作用，残积物滞留条件。高度海拔高地区：以物理风化为主海拔低地区：化学风化速度较快坡度陡坡地段：风化速度较大，风化壳较薄缓坡地段：风化速度较慢，风化壳较厚其它因素地壳运动强烈上升期：风化速度快，风化壳厚度不大稳定期：风化彻底，风化壳厚度大人类活动人工开挖基坑、边坡、隧洞、砍伐森林等不同深度岩石与风化营力接触时间和程度不同风化营力的作用存在分带性氧化带—水解带—淋滤带—水化带矿物风化具有阶段性钾长石→绢云母→水云母→高岭石黑云母→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。第三节风化岩的垂直分带一分带的意义及可能性地基：选择基础埋深位置边坡：选择稳定的边坡高度和坡度二分带的原则

1）充分反映各风化带岩石变化的客观规律，反映各风化带岩石所具有的不同特征；

2）分带的标志应有代表性、明确，便于掌握；

3）将定性与定量结合起来；

4）分带数目既不要过多，也不太少。一般采用三分法、四分法、五分法

四分法：全风化带、强风化带、弱风化带、微风化带风化分带岩石颜色矿物颜色岩体破碎特点物理力学性质声速特性其它特点剧风化带原岩完全变色，常呈黄褐、棕红、红色除石英外，其余矿物多已变异，形成绿泥石、绢云母、蛭石、滑石、石膏、盐类及粘土矿物等次生矿物呈土状，或粘性土夹碎屑，结构已彻底改变，有时外观保持原岩状态强度很低，浸水能崩解，压缩性能增大，手指可捏碎纵波声速值低，声速曲线摆动小锤击声哑，锹镐可挖动强风化带大部分变色，岩快中心部分尚较新鲜除石英外大部分矿物均已变异，仅岩快中心变异较轻,次生矿物广泛出现岩体强烈破碎，呈岩块、岩屑、时夹粘性土物理力学性质不大均一，强度较低，岩块单轴抗压强度小于原岩的1/3，风化较深的岩块手可压碎纵波声速值较低，声速曲线摆动大锤击声哑，用锹镐开挖，偶须爆破弱风化带岩体表面及裂隙表面大部分变色，断口颜色仍较新鲜沿裂隙面矿物变异明显，有次生矿物出现岩体一般较好，原岩结构构造清晰，风化裂隙尚发育，时夹少量岩屑力学性质较原岩低，单轴抗压强度为原岩的1/3－2/3纵波声速值较高，声速曲线摆动较大锤击发声不够清脆，须爆破开挖微风化带仅沿裂隙表面略有改变仅沿裂隙面有矿物轻微变异，并有铁质，钙质薄膜岩体完整性较好，风化裂隙少见与原岩相差无几纵波声速值高，声速曲线摆动较小锤击发声清脆，须爆破开挖岩石风化壳分带及各带基本特征三、分带的标志颜色风化岩石在外观上表现出颜色的差异破碎程度：风化程度越深，原岩破碎程度愈大从深部完整新鲜岩石至地表：岩块→块石→碎石→砂粒→粉粘粒总体上：上部以粉粘粒为主，夹砂粒、碎石下部以块石、碎石为主，裂缝中夹粉粘粒、砂粒矿物成分变化：不同风化带、矿物组合特点不同剧风化带：除石英外，大部分矿物已经变异，形成稳定的矿物，如粘土矿物弱、微风化带：矿物变异主要发生在块石裂缝周围，形成薄膜水理性质及物理力学性质的变化由上至下：孔隙性、压缩性由大变小吸水性由强→弱波速由小→大强度由低→高全风化带：疏松、半疏松碎、块石占95%。纵波速度500-2000m/s，渗透系数0.1-2.6m/d，结构松散，强度低。强风化带：疏松、半疏松岩石夹半坚硬岩石，疏松者占30-70%，纵波速度2000-3000m/s，渗透系数0.1-4m/d，抗压强度<20MPa弱风化：上部坚硬块石夹半疏松碎屑，碎屑含<20%，结构面发育。RQD50-90%，纵波速度3000-5000m/s微风化：坚硬岩石，沿裂面风化，约1mm厚风化皮，RQD90-95%，纵波速度5000-6000m/s。四、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：以定量分带为主地质分析法—定性分析方法：通过岩石颜色、破碎程度、矿物成分的变化指标定量法(1)声波测试法：岩石风化后，声波速度变慢全风化带纵波速1000-2000m/s强风化带纵波速2000-3000弱风化带纵波速3000-5000微风化带纵波速5000-6000

风化带声速曲线形态特征Kn=n1/n2—孔隙率系数Kω=ω1/ω2

—吸水率系数KR=R1/R2—强度系数（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

按风化系数Ky大小分带(2)风化系数法

(3)抗拉强度指数法日本的木宫一帮等，开始对点荷载试验用于划分岩石风化带的探索。他们发现:通过点荷载试验测定的岩石抗拉强度与岩石的风化程度是相互对应的，并提出用岩石抗拉强度指数B，作为岩石风化分带的指标:

式中

为风化岩石点荷载试验抗拉强度

花岗岩风化带抗拉强度指数

(木宫一帮)风化分带岩石特征平均值中值标准差范围最大最小Ⅶ土壤

Ⅵ及Ⅴ风化砂-1.47-1.500.23-1.03-1.72Ⅳ风化花岗岩-0.200.180.350.46-0.66Ⅲ0.750.770.361.500.00Ⅱ花岗岩1.701.690.232.171.17Ⅰ2.002.070.212.391.47第四节防治措施

风化厚度较小，施工条件简单时，全部挖除。

风化厚度较大，数十米以上时，处理措施视具体条件而定。一般工业民用建筑物，可选