岩体岩体风化分带——风化岩体的工程地质风化系数

石家庄经济学院石家庄）中国地质大学（北京）北京摘要：本文论证了微裂隙的增加是岩体风化的重要地质特征及其对岩体工程地质性质的重要影响；论证了用风化差异系作为岩石风化度量指标的工程意义和用孔隙率、吸水率、纵波波速、动弹性模量、抗压强度、点荷载强度等试验指标表示该度量指标的可行性。提出了用多个试验指标表征风化差异系数表达式。通过对国内外岩体风化带划分界限的统计分析，提出了综合的与常规地质描述相对应的风化差异系数表示的风化分带界限值。关键词：岩石风化分级岩体风化分带风化系数风化差异系数(,),):.,,s,,..:,sub-,t,、引言如所周知，目前一般工程都处于地壳的表层，绝大多数工程环境中的岩体为不同风化程度的风化岩体。 #

长期以来，如何确定岩体的风化程度，如何把不同风化程度的工程岩体区别开来，怎样进行岩体风化分带，是风化岩体的工程地质研究的热点。然而岩体风化程度的量度指标是岩体风化分带的基础，风化岩体的量度指标的正确确定，不仅使风化分带标准趋于合理，而且还将揭示不同风化程度的风化岩体与新鲜岩体的相关性，解决长期以来由于取样或实验困难等因素促成的缺乏风化岩工程地质经验指标的现状，岩石风化程度的度量指标的研究具有重要的工程意义和理论意义。上世纪60年代以前，一直用风化程度对其显著影响的工程地质参数的绝对指标作为衡量岩石风化程度的指标，如岩石的抗压强度、弹性模量、纵波速度等。60年代至70代，国内外室内和现场的弹性波测试得以广泛开展，为了便于不同岩性岩石风化程度的衡量与对比，开始用工程地质参数的相对指标衡量岩石的风化程度。如1966年保加制亚学者提出按风化系数衡量岩石的风化速度；1962年日本利用室内外声波法测定岩石的动弹性模量，以“裂缝系数”、“坚固度”评价岩石风化等级；1962布也提出用风化岩及新鲜岩石的长石与石英含量的比例评价岩石的风化程度；80年代魏克建议用岩石的点荷载抗拉强度及风化岩的波速降低率对岩体进行风化分带都属于用岩石的工程地质参数的相对指标作为岩石风化的度量指标。 #

从60年代初至目前，岩石风化度量指标的研究另一个途径是多因素相对指标的研究。1964年我国水电部成都勘察设计院科研所提出以岩石单轴抗压强度，吸水率和孔隙率的变化比表示的岩石风化程度系数表征岩石的风化程度。80年代以后，许多这方面的研究者仍然用多个观测与测试参数作为衡量岩石风化程度的指标，主要采用了完整性系数、裂隙间距、RQD指标、比重、孔隙率、吸水率、饱税率等参数，并试图寻找它们的相关规律。有的研究者用几个参数表示的综合指标，例如建立“熟化度”的概念，衡量岩石的风化程度以岩石单一的工程地质参数的绝对指标到相对指标作为衡量岩石风化程度指标，使不同岩性的风化程度有了同一的对比标准，使不同工程或同一工程不同岩性的岩体有了定量对比的根据。水电部成都勘察院科研所提出的多因素相对指标使岩石风化程度度量指标的来源扩大了。这些岩石风化程度度量指标经多年应用，在岩石的风化分级和岩体的风化分带中起到了关键作用，使基岩风化问题有同一衡量尺度和不同岩性风化程度对比有了指标根据。我们在应用中感到不满足的是除了单轴抗压强度，吸水率和孔隙率参数外，还有哪些参数可以参与到多因素相对指标之中，以及对于不同风化带它们的界限值是多少，这些关键问题还有待于解决。

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2、岩石风化的实质与因素长期以来，人们对岩石风化的实质及其相关因素有较为统一的认识，例如，化学风化使岩体最终成为粘土矿物；物理风化作用下生成风化裂隙，化学风化改变岩石矿物结构形成蚀变矿物。生物风化是二者兼有之。此外，岩体风化的实质及影响因素还有如下新近的进展：2.1岩石的微裂隙2.1.1观测试验方法将白山电站坝基大口径钻孔混合花岗岩切割成448（cm）岩样，抛光后用反射光100—300倍显微镜下观测0.1mm面积内的岩面，无论对于新鲜岩石还是风化岩，都可以清晰地观测到不同宽度、不同长度的微裂隙。2.1.2观测试验结果大部分微裂隙有明显的方向性。其走向与区域上构造体系是一致的属于构造微裂隙。一部分走向杂乱无章，应属于非构造微裂隙。非构造微裂隙的一小部分是沿着正长石或斜长石与辉石、角闪石及石英等矿物边缘分布的，属于成岩微裂隙。新鲜岩石的微裂隙密度小于，当岩石风化后，微裂隙的密度明显增多，其长度和宽度明显增多，见表（2-1）。当岩石的风化程度处于微风化或弱风化等较低的风化级别时，微裂隙增加是岩石风化的显著的地质特征，这就使岩石风化后吸水率增加、波阻抗增加、容重、密度减小，弹性波速度降低，抗压、抗剪、弹模等力学指标明显下降。 #

此外它的断裂力学指标也地明显地变小。表2-1不同风化程度岩石微裂隙特点与JIC和KIC的对比-- 风化程度微裂隙特征 断裂韧度 (kg/mm 临界J积分 (kg/mm) 平均密度 (条/mm 平均长度(mm) 平均宽度 (mm) 10.780.0158 微风化 3.79 0.00304 2.2 风化岩的断裂力学指标 2.2.1 试验条件 因为岩石的平面应力断裂韧度 IC是岩石 的裂隙扩展抗力指标，所以常用来对比岩石的 抗裂隙扩展的能力。J.R.Rice G.F.曾证明 ，临界J积分J IC 无论在线弹性或弹塑 性状态都表示了材料裂隙尖端应力应变场奇 异性强度 。我们可以由试验求得临界J 积分J IC ，间接获得断裂韧度K IC 避免了为保证裂隙尖端的平面应变状态，对试件大尺寸的要求。如果临界荷载前试件消耗的 变形能为 U，预制裂隙的长度为 a，试件的高 度和长度分别以W和B 表示，则临界J 积分： ICIC 为岩石的弹性模量和泊松比。试验采用三点弯曲法，岩样预制的裂隙 是在高频疲劳试验机在疲劳荷载小于 60%极限 荷载条件下预制的，共长度大于 2mm，且大于 （0.4—0.5）W，且使 1.5。

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如果以S代表三点弯曲试验的跨距，则B:W:S＝1:2:8。 我们切制的试件厚度B 有1.5cm、2cm、2.5cm、 3cm 四种，每组5 块试样。测试的位移传感器 为双夹式引伸仪，荷载传感器量程为2T，用声 发射仪监测临界荷载，用函数记录仪记录测试 曲线。 2.2.2 试验结果 关于对风化岩断裂力学参数试验结果见 表（2-1）所列数据。微风化的断裂韧度仅是 新鲜岩石的 ，而临界J积分仅为新鲜岩石的 ，足见，当岩石稍有风化后，其抵抗裂隙扩展能力降低的幅度之显著。 2.3 地质构造对岩体风化的作用 长期以来，人们熟知地质构造作用风化的 控制作用为断层使岩体破碎和带型动力变质 体，沟通和扩大了地下水、空气及其它环境介 质与岩体的接触通道，增加了其风化速度。 经过大量的地质调查，构造应力使岩体中 长生的微裂隙，当岩体被剥蚀接近地表，应力 解除以至于发生卸荷作用，微裂隙扩展为破劈 理，它的产状与区域构造线一致，其发育的深 度与区域风化壳的厚度一致，它的间距，既有 随埋深减小的特点，又有断层及构造挤压带的 成带性的特点。在平面或剖面的延伸形态上， 它常常具有舒缓波状的特征，因为绝大多数的 这种“构造风化裂隙”是由压性或压扭性成因 的微结构面继生而成。 #

它也是岩体风化的重要 因素。在地壳表层，这一因素无处不在，其影 响范围远大于断层的影响。它的产状特殊，是 因为违反了传统的地质学认为风化裂隙产状 以杂乱无章为特征。该风化裂隙是一种特殊的 成因类型：构造裂隙继承型。 例如，在长江三峡三斗坪坝址的 3001 平硐中我们曾观测到一些定向的破劈理，与区域构造破碎夹层产状相一致，这种劈理愈 接近硐口愈发育，而在硐体深处消失，故可以 认为这种劈理是成因比较特殊的风化裂隙，在 各种风化营力的作用下，使构造微裂隙扩展逐 渐贯通，如上所述的。而这种在构造微裂隙合 微裂隙为基础发展而来的风化裂隙，其产状是 有序的。 岩石风化程度的质量指标4.1 度量指标的提出 根据风化的实质我们有理由把岩石或岩 体的由于风化可引起明显变化的工程地质试 验指标的风化前后的增量的绝对值与未风化 的同一试验指标之比作为其风化程度的度量 指标。因为它函概了风化与未风化岩的试验指 标的差异及其对于未风化岩的变化比例，可作 为次都灵指标参量的远不止纵波速度，我们称 其为风化差异系数。如果有多个对风化程度相 关的工程地质试验参量，且认定它们对岩石风 化反映有相同的权数，则风化差异系数 。 #

一般风化岩石而言岩石风化程度判别，0＜ 4.2岩石风化度量指标的统一界限 1999 年以前，我国的水利水电部门对岩石 风化分级采用四分法，交通部与建设部采用三 分法。目前采用的三分法对风化岩的风化程度 进行分级。规范中把风化岩石与新鲜岩石纵波 速度之比作为定量指标，对岩石的风化程度进 行分级。对比不同部门的规范，同一衡量风化 级别的某一风化级别有不统一之处。见表4-1。 表4-1 不同规范岩石风化分级定量指标界限 Table 4-1 rs 风化程度 岩土工程勘察规范 （—2001） 水利水电工程地质勘察规范 （—99） 波速比（Kv） 风化系数Kf 波速比（Kv） 残积土 ＜0.2 全风化0.2-0.4 ＜0.4强风化 0.4-0.6 ＜0.4 0.4-0.6 中等风化 0.6-0.8 0.4-0.8 ＞0.6-0.8 微风化 0.8-0.9 0.8-0.9 ＞0.8-1.0 未风化 0.9-1.0 0.9-1.0 ＞1.0 这种矛盾的出现是由于经验数据的来源 不同，或许是对风化程度不同部门有不同的理 解，使衡量界限标准不同，有待研究统一的根 据。 #

另一方面，根据对岩石风化实质的研究， 微裂隙或宏观裂隙及粘土矿物的增加，不仅反 应在纵波速度和单轴抗压强度的改变，还有许 多工程地质参数发生改变，还可以扩充哪些参 数，也很值得深入研究。为此，我们多年来收 集了多组四分法的岩石分级数据资料，列于表 4-2。这些四分法风化分级的统计结果来源于世 界不同地区，是不同工程地质试验获得的结 无论是四分法还是三分法，风化差异系数都在0 之间变化。按照通常的理解和地质工程的技术上可比性出发，我们把不同级别的 风化差异系数之差看成是理想的等间距。故以 直角坐标系的纵座标将 横座标表示风化差系数。这样将风化级别数字化，以0.2、0.4、0.6、0.8 和1.0 分别表示为微 风化、弱风化、强风化、剧风化和全风化。利 用表4-2 不同地区的风化分级成果，经迴归分 析，得到了风化差异系数总量F 的表达式： 094 表4-2国内外风化岩四带划分法风化差异系数界限值 Table 4-2 rock 分级方法 指标 风化程度 方法简述 资料来源 微风化 弱风化 强风化 剧风化 试验内容 研究岩类 0.1~0.350.35~0.65 0.65~0.9 0.9 孔隙率、吸水 率、抗压强度 水电部成都设计院科研所 ＜0.10.1~0.65 0.55~0.85 ＞0.85 点荷载抗拉 强度 东北及东南沿 海花岗岩 ＜0.20.2~0.4 0.4~0.7 ＞0.7 岩体纵波速 0~0.20.2~0.4 0.4~0.6 ＞0.6 岩石的纵波 速度 保加利亚Loia ＜0.10.1~0.25 0.25~0.6 ＞0.6 岩石单轴抗 压强度 0.25~0.50.5~0.65 0.65~0.8 ＞0.8 岩石动弹性 模量 日本 1962 对于目前的三分法，《水利水电勘察规范》在岩体风化带划分的列表中，把中等风特别地 注上（弱风化）的字样，表明编者把原来的四 分法的弱风经带与三分法的中等风人等同对 待，可以认为水利水电工程中历来把弱风化或 弱风化的下带作为可利用的工程岩体，它是水 电部门工程地质勘察的重点，也是为了不同时 期的工程有对比性而采取的技术措施。

所以本 文研究三分法的分带界限也应考虑这个因素。 具体方法是，微风化和中等风化，自以原来的 四分法风化差异系数0.2、0.4 为间距，强风化 取0.4 至1.0 的中位数0.7，再由迴归直线方程 （1）进行修正，计算结果列于表4-3。 表4-3 不同来源的三分法的风化差异系数界限 Table 4-3 s 分带来源 微风化带 中风化带 强风化带 全风化带 本文 ＜0.136 0.136—0.306 0.306—0.704 ＞0.704 水利水电勘察规范 ＜0~0.2 ＜0.2—0.4 0.4—0.6 ＞0.6 岩土工程勘察规范 ＜0.1~0.2 0.2~0.4 0.4—0.6 0.6—0.8 从表4-3 可以看到，现行规范的三分法把 微风化至强风化，风化程度生进一级时，风化 差异系数均匀地增加 0.2岩石风化程度判别，把原来的四分法的 剧风化全部归并到全风化程度去，扩大了全风 化带的范围。事实上，经大量的现场声波测试 证明，对于波速比小于 0.6 的岩石或介于 0.4 —0.6 之间的岩石，在很大程度上与规范的描 述的结构基本破坏，可用镐挖更不是岩石结构 组织完全破坏，分解成土状或沙状，锤击出现 凹坑不祥对应。 #

这是因为，这种把原来四分法 的剧风化和全风化归并一起称为全风化级分 的三分级方法，其中的剧风化级别的岩石，应 分成两部分，其下部与强风化级别相近，应归 并到强风化级别之中，其上部与全风化相近， 归并为全风化级别中，这时不仅与规范中对该 级别岩石的定性描述相接近，而且有利用不同 分级方法资料的延续和可对比性。 多年来，国内外对风化岩级别或岩体风化 带划分的界限积累了丰富的经验和相应的资 料，这些不同岩性、不同地区工程各异的资料 应充分借鉴。表 4-3 中本文提出了三分法界线 是以微风化至强风化风化差异等分，强风化至 全风化取风化差异中位数为基础，结合国内外 一些四分法取样的关系曲线（1）得到的，具 有长期的工程实践基础，更趋于合理。 风化程度度量指标应用的回顾与结论早在“75”早期，我们就将岩石的风化差 异系数与上述分级方法对岩石风化分级的界 限应用于长江三峡三斗坪坝址的坝基内云斜 县花岗岩的“四分法”风化级别的划分用于当 时我们提出的“动态方差分析”定量化分带方 法，使风化带的划分更精确且具有统计数学的 理论根据。所确定的坝基岩体分带界线与平硐 地质观测法相吻合，为“坝基弱风化带岩体利 用标准”这一关键问题提供了根据。 #

确定了按 这一分带方法量化分析得到的弱风化岩体的 下带作为上、下带的分界面作为坝基的建基 面，得了的业已证明成功地应用。此外，对从 白山水电站、辽宁温垞子核电站厂址区的混合 花岗岩、灰岩、长石石英砂岩、安山岩、辉绿 岩三大岩类五种岩石采取上述等间距四分法 并用方程（1）进行修正的方法获得的点荷载 强度取得的风化分级界线实际应用，证明了对 这些参量转化的风化差异系数所划分的风化 级别对工程岩体风化分带的普适性。 微裂隙的增加是风化岩体及风化岩石重 要的地质特征之一。它是工程地质参数因风化 所变化的本质因素，强烈地制约着岩石和岩体 的工程地质指标和断裂力学指标。构造应力产 生的宏观裂隙与微裂隙与岩体的风化息息相 关，它们对岩体风化比断层的影响在平面上分 布更广，因为这种构造裂隙继承型风化裂隙更 广泛地受到岩体卸荷作用。 本文提出的用风化差异系数表示的“三分 法”风化分级界限以不同地区的风化分级的统 计基础为依据，其计算根据式(1)是由世界上不 同地区多种试验方法获得的关系曲线，证明了 除目前规范中规定的纵波波速以外，由动弹性 模量、岩石点荷载强度、单轴抗压强度为参量 得到的风化差异系数作为岩石风化程度的度 量指标的有效性。 #

由此扩大了岩石风化程度分 级界限的工程地质试验方法的范围。 本文提出的岩石风化程度衡量指标经过 了多年的研究与应用，曾得到原长春地质学院 谭周地教授、萧树芳教授、曹柄兰教授、郑达 辉教授的指导与帮助，在此一并致谢！ 参考文献 [1]魏克和.用点荷载法对花岗岩风化程度进行 定量评价的研究[J]. 水文工程地质.1982. , on study ing .1982. [2]蔡美峰，何满朝等，《岩石力学与工程》，科学出版社，2002.8.71-72.. , He " ", Press ,2002.8.71-72 [3]王行本，评《风化岩分带指标的研究》，水利水电技术，1996.4.38-39. study", Water ,1996.4.38-39. [4]李日运，吴林峰，岩石风化程度特征指标的 分析研究，岩石力学与工程学报，23（22） 3830-3833. , rock study, ,23 (22) 3830-3833. G.F., near power-law , J.Mech Phy8. Sol.,16 （1968）p,1. #