第四章 岩石风化

第四章岩石风化工程地质

第一节概述第二节影响岩石风化的因素第三节风化壳岩石的垂直分带第四节岩体风化速度的研究第五节防治岩石风化的措施一、风化和风化作用的概念风化：岩石在各种风化营力作用下，发生的物理和化学变化过程。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。第一节概述风化作用:地壳表层岩石在各种风化营力作用下所发生的一切物理和化学变化的地质作用称为风化作用。风化分为物理风化、化学风化和生物风化。风化作用的类型：物理风化:是指在气候和温度变化、岩石裂隙或空隙中水的冻溶或盐类结晶所产生的应力等作用下岩石在原地发生的机械崩解或作用或破碎过程。这种作用主要发生在地表，它使岩石裂开或崩解成大小不等的碎块，从比较完整坚硬的状态变为松散破碎的状态，在成分上并未发生显著的变化，它主要有以下方式：1）温度变化（特别是昼夜的温度）引起岩石矿物的热胀冷缩；2）冰劈作用；3）盐分结晶的撑裂和潮解作用。化学风化：是指在氧、水溶液及二氧化碳等作用下，所发生的一系列复杂化学变化，引起岩石的结构构造、矿物成分和化学成分发生变化的过程。其主要方式有：1）氧化作用：是大气和水中的游离氧与矿物化合生成氧化物的过程。2）溶解作用：是指矿物溶于水的过程。3）水化作用：有些矿物能够吸收一部分中性水分子参加到矿物晶格中去，形成新的含水矿物。称为水化作用。这种作用常使矿物体积膨胀，对周围岩石产生压力，促使岩石破坏。4）水解作用：矿物在溶于水的过程中，其自身离解出的离子与水中部分离解的和离子间的交换反应，称为水解。5）碳酸化作用：溶于水中的CO2形成CO-3和HCO-3，它们可以夺取盐类矿物中的一部分金属离子，结合成易溶的碳酸盐而随水迁移，使原来的矿物分解，这种变化称为碳酸化作用。在化学风化过程中，岩石和矿物不仅会破碎，还会被分解，矿物的内部结构受到破坏，直至形成在地表条件下稳定的新矿物，使岩石的化学成分和物理性质都发生显著变化。生物风化作用:是由于生物的生命过程中，直接和间接引起的岩石破坏作用。它也可分为二种类型，即生物物理风化和生物化学风化。前者如植物在生长过程中，深入岩石空隙的根系逐渐变粗、增长和加多，使岩石裂隙拓宽、加深和形成新裂隙，从而引起岩石破坏的根劈作用。后者则是通过生物的新陈代谢和生物遗体腐烂分解进行的。生物在新陈代谢过程中分泌出的各种物质以及生物死亡后分解成的腐殖质，都可以引起岩石的化学变化。上述三类风化作用及其风化方式都具有独立的意义。但是在许多情况下，它们相伴而生，并相互影响和促进，共同破坏着岩石。由于各种风化营力的结合不同，常使某些地区以某一种风化为主。风化壳:是遭受风化的岩石圈表层。风化岩:是指岩石经风化后在结构、成分、性质等产生不同程度变异的岩石。残积土:岩石已完全风化成土而未经搬运的称为残积土

二、风化岩石的工程性状及工程意义岩石风化后，发生了一系列不同程度的变化，从而改变了岩石的工程特性，主要表现在：岩石矿物成分和化学成分发生变化。原生矿物经受水解、水化、氧化等作用后，逐渐转化生成新的次生矿物，特别是粘土矿物，从而改变了岩石的性质。结构构造的变化。岩石的完整性遭到破坏，风化破坏岩石颗粒间联接，扩大岩石原有裂隙，产生新的风化裂隙，降低结构面的粗糙程度，使岩石分裂成碎块，破坏岩体的完整性。整体状、块状、层状结构岩体变为碎裂结构岩体，甚至散体结构的土体。坚硬岩石可变为软弱岩石，甚至松散土。岩石的工程性质恶化。如透水性增强，抗水性减弱，亲水性增加，强度和弹性模量降低，变形量增大等。总之，风化后的岩石在工程建筑上优良性质减弱了，不良性质则增加了，使工程地质条件恶化。

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。基础建基面处置、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。三.岩石风化工程地质研究的目的根据岩石风化的程度及其空间分布，选择最适宜的建筑物的场址；根据岩石物理力学性质和建筑物的类型、等级等，根据工程要求，合理确定基岩的利用高程，确定地基中需挖除的风化岩石的厚度，减少岩石工程施工中的剥离量，以节省工程投资，加快施工进展；根据岩石风化程度、速度及性质，确定合理的斜坡稳定边坡角；根据岩石风化程度和特性及场地工程地质条件，选择地下洞室施工开挖的设备和方法，确定对已风化岩石的处理措施;根据岩石风化的速度、风化营力的大小和风化作用的类型等因素，确定基坑、路堑敞开时的安全期限，选择防止岩石风化的措施。为此，必须注意研究以下问题：1.加强不同气候带、不同地质地理地区，在不同风化营力作用下，风化壳的形成、分布规律及其区域工程地质特征的研究；2.加强风化岩体结构、构造的研究以及对物理力学性质的影响，特别要重视不同风化带岩石的微结构特征；3.风化软弱夹层的工程地质性质的研究；4.采用各种新技术、新方法研究岩石风化程度和风化带划分的定量评价指标；5.重视岩体风化速度的观测各预测。第二节影响岩石风化的因素岩石风化是多种因素综合作用的复杂过程，主要与气候、岩性、地质构造、地形地貌、水文地质等因素的不同影响有关.1.气候气候是控制风化性质和强度的主要因素。温度和降雨量是物理风化、化学风化和生物风化的基础，是风化过程和风化强度的推动力，其地带性导致风化壳分别的地带性。温度影响化学反应的速率，温度增高，岩石及矿物的风化作用加剧；降雨量控制着化学反应以及淋滤可溶性矿物所需的水分，水分增多，风化壳中粘粒含量增多。在潮湿的热带，风化强度约是温带的3倍，寒带的10倍（Bridges,E.M,1978）。所以在湿热地区一般以化学风化为主，风化深度较大；高寒地区气温低，干旱荒漠地区日照强烈且年降雨量小。这些地区的岩石多以物理风化为主，风化深度一般不大。2.岩性软质岩石比硬质岩石更易风化。岩石之成因及化学成分、结构和构造是影响岩石风化的重要因素，通常成岩环境与地表环境差异愈大，岩石抗风化能力愈弱，岩石中原来就是已风化搬运的物质，如沉积岩，抗风化能力较强；岩浆岩中从超基性岩、基性岩、中性岩到酸性岩，抗风化能力依次增加；变质岩中深变质岩比浅变质岩更易风化。就岩石结构而言，岩石的颗粒愈细，粒度愈均匀，则抗风化能力愈高；斑晶、粗晶结构岩石的风化速度要比细晶、隐晶结构快。各大类岩石的风化特点如下：岩浆岩类：这类岩石相对均匀和均质，造岩矿物呈无规则排列，岩石的风化作用从节理面向岩块中间发展。随着风化作用的进行，裂隙间的岩块变得越来越圆，也越来越小，形成圆状或浑圆状的弧形石块，如蘑菇石，并逐渐变小甚至消失，这类岩石是在高温或高温高压下形成的，形成后所处的环境较形成时有较大的变化。因此其矿物成分多数容易遭受风化，同时产生体积、质量的变化，可溶性风化产物遭受淋滤。2.沉积岩类：这类岩石一般呈层状，节理裂隙较少而具一定规律，风化作用一般垂直层面逐渐向下发展。岩石中的物质多数经过风化、搬运再沉积下来。其环境条件与形成前没有太大变化。因此其矿物成分不容易改变，变化较大的一般是胶结物风化剖面保存了原始沉积物的成层及成分基本相同的特点，体积和质量没有重大的改变。碳酸盐类：其岩石风化特点是在轻度的酸性水中发生溶解。岩石被水溶液从上向下溶解，可溶性物质带走而不溶物质遗留下来。由于岩石中不溶物质一般甚少，故很难形成残积土。因此这类岩石一般不具有垂直分带的风化剖面。而在地表出现石林、石芽或带溶隙溶沟的岩石。向下沿裂隙、节理或层面而形成溶槽、溶洞等，并堆积有松散的沉积物、石灰华等。因此这类岩石的风化剖面极其复杂且发育不完全。3.变质岩类：这类岩石可根据变质程度从低到高的不同，可从不均质到均质，矿物可有具有一定规律排列到不规则排列。变质又分正变质和副变质，所以其风化可具有岩浆岩或沉积岩的特点。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。

3.地质构造断层、节理、层理、沉积间断面等均可以构成风化营力（水、气等）深入岩石内部的良好通道，加深和加速岩石风化。如在断裂的交汇处风化深度往往较大，即可形成所谓的风化囊（图）。在节理裂隙较发育的地方，岩石风化的深度一般比裂隙不发育的岩石要大。在褶皱核部或断层破碎带，因其裂隙发育，岩石风化深度亦往往较大。各种成因的软弱结构面构成了风化营力侵袭岩石的良好通道，促进风化加深。按产状风化形式可分为四类：面状风化，带状风化，囊状风化，夹层风化(见表)。此外，地壳运动的特点控制着风化作用的总趋势。地壳相对稳定的地区，岩石与风化营力接触时间较长，风化较彻底，风化壳广泛分布，且厚度较大；地壳强烈上升的地区，侵蚀剥蚀明显，风化壳厚度不大；地壳下降地区，风化作用较弱。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

4.地形及排水条件地形条件对风化作用的进程和风化产物的积存起重要的控制作用，因而影响着岩石风化类型和速度以及风化岩的厚度。地形可使同一纬度的山地气候产生随高程不同的垂直分带现象，从而使不同高度的岩石存在不同类型的风化作用。向阳坡由于光照时间长，昼夜温差大，因而风化作用较阴坡强。地势的陡缓也有影响，陡峭地区，水加速流动，剥蚀较强，新鲜基岩易于暴露，故以物理风化为主，风化层厚度较小；平坦低洼地区排水条件差，深入岩石的水量较大，以化学风化和生物风化为主，有助于风化达到较深的深度。同时，可溶性成分就地保留于环境水中，妨碍了原岩的进一步破坏，并造成适宜于碱性降低的环境。因此理想的化学风化条件是地形稍有起伏的缓坡，这些地方径流速度不大，地表排水也不会受阻。第三节风化壳岩石的垂直分带一、分带的意义在风化壳垂直剖面上，由于从上到下岩石风化程度不同，故其物理力学性质亦不同，因而对建筑物的适应能力也不一样。对不同重要性和荷重的建筑物的地基，可根据风化壳厚度的大小及工程建筑物对地基的要求，确定对地基风化岩清除的深度，即确定合理的基建面高程。对通过不同风化程度岩石的地下洞室，围岩的变形破坏方式及稳定性的评价方法，洞室的施工方法及处理措施等都是不同的。对天然斜坡，岩石的风化程度不同，其稳定坡高和坡角是不同的。在风化程度不同岩石中开挖边坡，特别是高边坡，从工程安全稳定性与经济性考虑，需要根据风化不同程度岩石的性质和厚度，设计合理的边坡角。总之，对由不同风化程度岩石组成的风化壳剖面进行分带以区别对待，对于建筑场地的选择、工程设计、施工和处理等都是非常必要的。二、分带的原因在风化剖面上，风化程度不同的岩石是逐渐过渡的，主要有以下原因：1.不同深度的岩石与风化营力接触时间不同：风化营力多是由表及里进行作用的，因此上部岩石总是与风化营力首先接触，然后逐渐与深度不同的岩石发生作用，而更深部的岩石可能尚未与风化营力接触而保持原岩状态。所以，风化壳上部岩石风化程度比下部深。2.风化营力的作用存在分带性：在温暖潮湿的气候条件下，硅酸盐的风化由始至终所受的化学作用依次为：水化、淋滤、水解、氧化。故在风化剖面上从上至下可分为：氧化带、水解带、淋滤带、水化带。3.矿物风化具有阶段性：一般地，原生矿物开始风化到最终产物不是直接完成的，而是经过一些中间阶段，形成一些过渡性矿物。如钾长石—绢云母—水云母—高岭石；辉石、角闪石—绿泥石—水绿泥石—蒙脱石—多水高岭石—高岭石；黑云母—蛭石—蒙脱石—高岭石。因此在整个风化剖面上，各带显示不同的矿物组合。所以在风化壳剖面上，由于岩石风化程度不同，通常存在着客观的地质分带，但各带是逐渐过渡的。三、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：1.目前对于风化剖面的分带不统一，主要由于各地气候和岩石千差万别，且各自的侧重点又不相同，因此对于岩石风化剖面的分带应有一个统一的原则。2.要充分反映各风化带岩石变化规律及各带风化程度不同的岩石的具有的不同特性。3.分带标志视具体条件选择，应有代表性和明确性、尽量避免人为因素的影响。4.将定性与定量、宏观与微观研究结合起来，综合各种标志进行分带。5.分带数目要合适。既不要繁琐也不要过于简单，要考虑工程建筑的实际需要。在工程实际中，我国多采用四分法，从上到下风化程度有强到弱分别为：剧风化带、强风化带、弱风化带、微风化带。四、风化壳的结构正常的风化壳，自上而下为残积土、全风化、强风化、弱风化、微风化，再下为新鲜岩体。在某些条件下，也常出现风化壳的异常结构和特殊类型：1.风化夹层或夹层状风化沿层状岩体的层间挤压破碎带