（干货）岩石风化的工程地质研究（第四章）

第四章岩石风化的工程地质研究第一节概述第二节影响岩石风化的诱因第三节风化壳的垂直分带第四节预防岩石风化的举措一、定义风化：岩石在各类风化营力作用下，发生的化学和物理变化过程。导致地层风化的营力主要指太阳能、地表与地下水、空气及生物等。风化壳：遭到风化的岩石圈表层。它是原岩在一定的地质历史时期各类因索综合作用的产物。表层不同深度的岩石，遭到风化程度的不同，产生不同成份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，风化壳有很大差距。其宽度很大差异，厚者可达几百米。地壳表层保留的主要为现代时期产生的风化壳。当风化壳产生后，被后来的堆积物掩埋，被保留出来成为古风化壳。二、风化类型根据风化营力及其引发的岩石变异的方法不同，风化作用通常分为化学风化、化学风化和生物风化三种。化学风化：因为气温变化、水的冻融、盐类结晶、植物根劈等力的作用下，导致岩石的机械破碎，而不伴随有物理成份和矿物成份显著变化的现象。其结果既破坏了岩石的结构构造，增加了岩石的硬度，又为物理风化开了便捷之门。主要发生在旱灾严寒的地区，如我国东北的旱灾严寒及高山严寒地区，风化深度相对较小，通常大于10m。 #

物理风化：岩石在水、氧及有机体等作用下所发生的一系列物理变化过程，导致岩石结构构造、矿物成份和物理成份的变化。其实质是原岩中较开朗的元素发生迁移，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产生的过程。在风化过程中，物理反应的方法较复杂，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。多发生于温暖阴湿的地方，风化深度可达百米以上。生物风化：既有化学风化特征，又具有物理风化特点。生物新陈代谢形成有机质或机械破坏，如释放大量有机物、酸及CO2，强化水碱液溶化能力。三、风化结果地层结构构造发生变化；地层完整性遭到破坏，结构性失去，缝隙性减小，破碎成块石、碎石或砂土；岩石的矿物成份和物理成份发生变化；可溶性矿物溶化流失，耐风化矿物残留出来，产生稳定的次生矿物：如绿泥石、绢云母、高岭石、蒙脱石等；地层的工程地质性质发生变化，如：地层热学硬度与抗变型性能减少、压缩性减小等；地层渗透性提高；次生矿物的抗水性增加、亲水性提高，易崩解、膨胀、软化等。四、研究意义及目的因为风化作用使土体矿物成份与物理成份形成变化，岩石的结构、构造改变，完整性受到破坏，恶化了地层的工程性质。 #

为此，在工程选址、岩土体稳定、地基处理、灾害预防、工程造价等方面都有重要意义。按照岩石风化的程度及空间分布，选择最易于修筑建筑的坝址，进行合理布局依照风化岩石的化学热学性质及其与建筑物类型、等级、荷载性质及大小的适应性，确定合理的建基面标高、确定土层按照岩石风化速率、风化程度及各风化带岩石的化学热学性质，确定各种顶管坝体的合理坡角；按照风化产物的特点（破碎程度、坚固性等）及场地工程地质条件，选择地下洞室施工顶管的设备及方式，确定对已风化岩石的处理举措按照岩石风化速率、风化营力、风化作用类型及影响诱因等，确定岩基曝露的安全年限与防治风化的举措，如确定边坡、路堑保持开场状态的安全时限，选择避免岩石风化的举措等气候诱因气候是控制风化营力的性质及硬度的主要诱因。反映气候特征的气象要素好多，其中对岩石风化影响较大的主要是气温和降水量。气温温差大、冷热变化频度快：化学风化气温高低：除了直接影响岩石热胀冷缩和水的化学状态，并且对矿物在水底的溶化度、生物的新陈代谢、各种水碱液的含量和物理反应的速率都有很大的影响。暴雨（温度）：为岩石化校风化提供了必需的水碱液，控制着风化营力的性质和硬度，影响风化作用类型及风化速率。 #

在暴雨量小而蒸发量大的旱灾地区，多为化学风化。在阴湿多雨地区，则以物理风化为主，风化较强烈，风化速率较快，风化深度大。不同气候条件下风化作用的类型和硬度、风化产物的性质等均不相同。岩性诱因地层的抗风化能力与其产生环境、矿物成份及结构构造关系极为密切。当作岩环境与地表环境差别愈大时，原岩风化变异愈强烈，即岩石的抗风化能力愈弱。矿物成份物理成份结构特点矿物成份岩石抗风化能力的大小，主要决定于组成岩石的矿物成份。在地表环境下，常见造岩矿物的抗风能力是不同的。通常情况下，矿物在风化过程中的稳定性由大到小的次序是:氧化物>硅酸盐>氯化盐和硫化氢。当岩石中不稳定矿物浓度较多时，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各种岩石的抗风化能力由大到小的次序如下：岩浆岩：碱性岩（大理石）>中性岩（闪长岩、安山岩）>基性岩（花岗岩）>超基性岩（橄榄岩）；基岩：浅基岩>中等基岩>深地幔；沉积岩：抗风化能力小于岩浆岩、变质岩，风化长度通常不大。主要矿物的蚀变趋势为：斜长石：在酸性环境下蚀变次序为，绢云母→绿泥石、蛭石→蒙脱石；在碱性环境下为高岭石化；黑云母：水化脱钾、氧化→水云母化；辉石、角闪石：酯化→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。 #

通常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。物理成份活动性强的元素：K、Na等，经风化后，易脱离母岩随水碱液流失活动性弱的元素：Fe、Al、Si等，经风化后，便于逗留在原处同一种元素，所组成的化合物不同，岩石的抗风化能力也不同，如橄榄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结构特征单一矿物组成的岩石抗风化能力较强：单矿岩>复矿岩（由于导热性、膨胀性较均一）矿物成份相同：等粒结构>不等粒结构（胀缩性）泥岩结构岩石抗风化能力较强（由于比表面积大，联结力较强）成份相仿的残渣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>泥质胶结地质构造在成岩、地壳运动及其它次生作用下，使地层内部产生了极为复杂的结构面网路。那些不同动因的结构面如:断层、节埋、劈理、片理、片麻理、层理、沉积间断面、侵入地层与泥岩的接触面等，构成了风化营力侵蚀地层的良好通道，对加深及加速地层的风化起了有力的推动作用。断层带（节理密集带）：囊状风化层理面：差别风化—崩塌等基岩、裂缝面：球状风化地形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，间接地影响地层的风化。 #

在不同地形条件下（高度、坡度、切割程度等），风化作用的类型、风化速率、风化程度、风化壳长度及其空间分布是不同的。地形不同还影响溪河侧侵作用和残积物滞留条件。高度海拔高地区：以化学风化为主海拔低地区：以物理风化为主，风化速率较快斜度陡坡地段：风化速率较大，风化壳较薄缓坡地段：风化速率较慢，风化壳较厚其它诱因地幔运动：特性控制着风化作用发生的总趋势地幔强烈上升的地区：风化速率较快，但易遭外力侵蚀冲蚀，风化壳长度常常并不大。地幔常年处于相对稳定的地区：地层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，长度也较大。人类活动人工顶管边坡、边坡、隧洞、砍伐森林等，将已风化的地层或覆盖层挖除，致使风化微弱甚至新鲜地层裸露，并与活跃的风化营力直接接触进而激化了基岩风化。分带的可能性地层的风化程度总是在地表比较强烈，从地表向上至基岩内部，风化程度渐渐变弱，直到新鲜地层，即风化壳在铅直剖面上具有分带性。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。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：钾方解石→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。 #

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：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点。分带的标志应有代表性、又明晰，以便把握将定性与定量结合上去分带数量既不要过多，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颜色风化岩石在外形上表现出颜色的差别如有的岩石新鲜时为灰红色，风化后由下往上则变为:黄红色、黄褐色、棕褐色、红色。破碎程度：风化程度越深石灰岩为什么没有强风化最新变化，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：在风化剖面从上到下的不同部位上，这种颗粒所占的比列是不同的，下部以粉粘粒为主石灰岩为什么没有强风化最新变化，夹有砂及砂砾；向上过渡为以砂为主夹有粉、粘粒及砂砾；再向上以砂砾为主夹有块石及少量粉粘粒；再向上则以块石为主夹砂砾等。破碎程度还表现在风化产物破碎时的难易，如用锤无法打碎的，用锤易打碎的，用右手能打碎的，轻微接触即行松散的等。分带的标志矿物成份变化：不同风化带、矿物组合特性不同不同矿物的抗风化能力是不同的，岩石中总是这些不稳定的矿物首先风化。 #

即使同一矿物在不同风化阶段所产生的新矿物也不一样。据悉，物理风化在不同时期起主要作用的物理反应是不同的。为此，在风化壳剖面的不同部位，具有不同的矿物共生组合剧风化带：除石英外，大部份矿物早已变异，产生稳定的次生矿物，如黏土矿物等弱、微风化带：矿物变异主要发生在块石裂纹周围，产生薄膜状分带的标志水理性质及化学热学性质的变化：风化壳分带的重要定量标志在风化壳剖面上，由上至下这种性质变化的趋势是：孔隙性、压缩性由大变小吸水性由强→弱声波速率由小→大硬度由低→高勘探采煤及顶管中的技术特点风化程度不同的岩石，其完整性和结实性不同，因而，钻探中的勘探技巧、钻进速率、岩心采取率、掘进方式及难易程度是不同的；同时，施工中顶管方式及进度亦各异。分带的方式工程的初勘阶段：以定性分带为主工程的详勘阶段：以定量分带为主地质剖析法—定性剖析方式通过观测风化岩石的颜色、破碎程度、坚固性、矿物成份等方面的变化特征为主，兼以修筑地层的难易程度及锤击声的音箱特性等鉴定地层的风化程度，按照现场观测及实践经验确定风化等级界限。该法易于初勘阶段，在生产中已积累了较丰富的经验，但有较大的人为性。

风化系数法防治方面指导思想通过人工举措，使风化营力与岩石隔离，使岩石免遭继续风化，或延缓风化营力的作用硬度，缓解岩石的风化速率防治对象：黏土岩类防治手段表面铺盖（黏土、水泥、沥青材料）物理材料充填（在岩石节理中充填物理材料，产生保护膜）次生林处理方面风化长度较小，施工条件简单时，全部挖除风化长度较大，数十米以上时，处理举措视具体条件而定通常工业民用建筑物，可选择足够硬度的风化层作地基，设置合理的基础埋置深度重大工程，需挖除对工程构成危险的风化岩石对于囊状或夹层风化带，可采用局部挖除或铺盖跨越**总体上：恶化了基岩的工程地质性质1－糜棱岩和角矿床；2－崩裂岩；3－强风化岩及其底板界线；4－弱风化岩及其底板界线；5－晚风化和新鲜地层1－强风化基岩及其底板界线；2－弱风化基岩及其底板界线；3－晚风化和新鲜地层；4－岩脉；5－花岗-闪长岩球状风化现象其实：在整个风化剖面上，风化程度不同的岩石表现出不同的化学、矿物组合特点。从地表至深部新鲜地层，风化是逐步过渡的。岩石风化壳分带及各带基本特点指标定量法通过现场和室内实验，实测风化岩石的化学热学性质指标，结合工程地质剖析进行分带的方式。

实践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。声波测试法：岩石风化后，声波速率变慢据声波在风化程度不同的地层中传播纵波速率Vp（m／s）作为风化壳分带的根据。通常采用的分带界限为：剧风化带，。其中：Kn=n1/n2—孔隙率系数Kω=ω1/ω2—吸水率系数KR=R2/R1—强度系数（单轴抗压硬度）n、ω、R分别为孔隙率、吸水率和单轴抗压硬度；符号中的下角标1、2分别为新鲜岩和风化岩石。按照风化系数Ky大小进行分带的标准为：剧风化带：Ky≤0.2；强风化带：Ky=0.2—0.4；弱风化带：Ky=0.4—0.9；晚风化带：Ky=0.9—1.0。

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