4第四章岩石风化工程地质研究1Convertor.doc

第四章 岩石风化工程地质研究 主要内容4.1 基本概念及研究意义 4.2 影响岩石风化的因素 4.3 风化壳的垂直分带 4.4 防治岩石风化的措施 4.1. 基本概念及研究意义 岩石风化（Rock Weathering）：岩石在各种风化营力作用下，所发生的物理和化学变化过程，称为岩石风化 它包括岩石所感受的风化作用和其所产生的结果两个方面 引起岩石风化的营力很多，主要有：太阳热能、水溶液（地表、地下及空气中的水） 、空气（O2、CO2等）及生物机体等 4.1. 基本概念及研究意义 按照风化营力及其引起的岩石变异的方式不同，风化作用可分为物理风化、化学风化和生物风化三种生物风化既有物理风化的，也有化学风化的作用因此，风化作用主要有物理风化和化学风化两种 风化作用：组成地壳上部岩体在各种地质营力作用下，其成分和结构不断发生变化，这些改变岩体成分和结构的地质作用4.1. 基本概念及研究意义 物理风化：指因温度变化、水的冻融、干湿交替、盐类结晶、矿物水化和植物根劈等作用而引起岩石的机械破碎的过程其结果既破坏了岩石结构构造，降低了岩石强度，又为化学风化打开了方便之门风化深度硅酸盐>碳酸盐和硫化物● 最稳定的造岩矿物：石英●岩石抗风化顺序：沉积岩>岩浆岩、变质岩 ● 岩浆岩抗风化顺序：酸性岩（花岗岩）>中性岩（闪长岩、安山岩）>基性岩（玄武岩）>超级性岩（橄榄岩） ； ●变质岩抗风化顺序：浅变质岩>中等变质岩>深变质岩； ●沉积岩风化厚度不大，但风化速度很快。

B、化学成分：● 活动性强的元素：K、Na 等● 活动性弱的元素：Fe、Al、Si 等● 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C、结构特点 单矿岩（石英岩）抗风化能力大于复矿岩 强胶结岩石抗风化能力大于弱胶结岩石 等粒结构岩石>不等粒结构岩石 细粒结晶结构岩石>粗粒结晶结构岩石4.2 .影响岩石风化的因素 4.2 .影响岩石风化的因素 三、地质构造 在成岩过程、地壳运动及其它次生作用下，岩体内部形成了极为复杂的软弱结构面网络这些不同成因的结构面包括：断层面、节理、劈理、片理、片麻理、层理、沉积间断面、侵入体与围岩的接触面、岩浆岩的流面等，它们构成了风化营力（水、气等）侵袭岩石的入侵之门和深入岩体内部的良好通道，对加深及加速岩石的风化起了有力的促进作用主要是风化囊和球状风化● 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：球形风化软弱结构面的组合特点控制着岩石风化产物的形状被三组以上软弱面切割的岩体，风化营力沿软弱结构面发生作用，促使岩体解体，风化产物呈块状或棱角圆化的椭球状及球状，叫做球状风化 在裂隙密集带、断层破碎带，特别是不同方向的断裂交汇处，岩石的风化深度较大，风化壳底界起伏较大，一般大于 10 余米，大者可达数十米，形成宽度不大而深度较大的所谓风化囊。

4.2 .影响岩石风化的因素 囊状风化：岩体中有延伸抗风化能力较地的岩石，如岩脉、断裂带等，风化壳的底部界限会突然加升的现象夹层风化：在风化岩体中夹有成层状的风化显著强烈或较周围岩石强烈的部分风化壳异常结构包括:风化程度的突变、底界突变加深、夹层风化4.2 .影响岩石风化的因素 4.2 .影响岩石风化的因素 四、地形地貌 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，间接地影响岩石的风化在不同地形条件下（高度、坡度、切割程度） ，风化作用的类型、风化速度、风化壳厚度及其空间分布是不同的 4.2 .影响岩石风化的因素 a) 高山区，以物理风化为主；低海拔区，以化学风化为主，风化速度快 b)沟谷发育区岩石风化速度大于沟谷不发育区 c)阳坡风化作用比阴坡强烈 d)风化壳在不同地貌单元的分布规律是：各级阶地处风化壳厚度较大，剧强风化带发育；江槽部位风化壳厚度最薄，常缺失剧强风化带；山坡部位介于二者之间 4.2 .影响岩石风化的因素 五、其它因素 1) 地壳运动的特点控制着风化作用发生的总趋势强烈上升期：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。

2)地下水的化学成分、补给、径流、排泄和埋藏条件，直接影响风化速度 3)外力侵蚀剥蚀作用促进岩石风化作用 4)人类活动加剧了岩石风化作用（人工开挖基坑、边坡、隧洞、砍伐森林等） 4.3 .风化壳的垂直分带 一、分带的实际意义 在风化带铅直剖面上，从上到下岩石的风化程度是不同的，其物理力学性质也不相同，因而对建筑的适应能力也不一样合理分带具有如下实际意义： 1. 确定合理的建基面高程：可以改变建筑物基础型式 2. 确定建筑物工程地质评价方法：采用何种方法评价基础稳定性 3. 为建筑场地选择、工程设计、施工及场地处理服务4.3 .风化壳的垂直分带 二、分带的可能性 一般来说，除了由于断裂发育、岩性差异等所造成的囊状风化外，岩石的风化程度总是在地表比较强烈，向下至岩体内部，风化程度逐渐变微弱，直至新鲜基岩 但风化剖面上也会存在一些差异(分带不严格): 可从以下几点说明： 4.3 .风化壳的垂直分带 1.不同深度的岩石与风化营力接触的时间不同：风化营力多由表及里，地表接触时间长;风化程度有同样的关系,风化强 2.风化营力的作用存在分带性：研究表明，硅酸盐风化由开始到最终其主要化学作用的次序为：水化——淋滤——水解——氧化。

因此，风化壳剖面上，由上到下主要化学作用分带次序为：氧化带——水解带——淋滤带——水化带各带岩石风化程度不同而显示其天然分带性 4.3 .风化壳的垂直分带 3.矿物的风化具有显著的阶段性：一种原生矿物风化后，形成与风化环境相适应的最终产物都不是直接完成的，而是通过一些中间阶段，形成一些过渡性矿物后才能实现的如主要硅酸盐矿物风化转变的一般阶段是：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； 黑云母——蛭石——蒙脱石——高岭石 因此，整个风化剖面上，因矿物组合不同而显示其天然分带性 结论：工程地质分带是可能的 4.3 .风化壳的垂直分带 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遵循如下原则： 1.要充分反映各风化带岩石变化的客观规律，反映各带岩石因风化程度不同所具有的不同特性 2.分带标志应既有代表性，又明确，便于掌握，尽量避免人为因素的影响 4.3 .风化壳的垂直分带 3.将定性与定量研究、宏观与微观研究结合起来，综合各种标志进行分带 4.分带数目要考虑工程建筑的实际需要，既不要过于繁琐，分级过多；也不要过于简略，致使同一带内的岩石特性差异过大。

分带方案很不统一 我国多采用四分法：剧、强、弱、微； 地质部门分五级：全、强、中、微、未； 公路部门分四级：全、强、弱、微；4.3 .风化壳的垂直分带 四、分带的标志及各风化带岩石的特征 主要包括下列几个方面： 1.颜色：风化程度不同，颜色有明显差异如有的原岩新鲜色为灰绿色，风化后，由上至下：黄绿色、黄褐色、棕红色、红色 2.岩体破碎程度：随着风化程度加深，完整岩石逐渐变为碎块状、碎石土状、砂粒、粉粒、粘粒破碎程度加大 3.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4.3 .风化壳的垂直分带 4.岩石水理、物理、力学性质变化：在风化壳剖面上，有上到下这些性质变化趋势是：①孔隙性、压缩性有大到小；②吸水性由强到弱；③声波速度由小到大；④强度由低到高等 5.钻探掘进及开挖中的技术特性：风化程度不同的岩石，其完整性和坚固性不同，因此，勘探中的钻探方法、钻进速度、岩芯采取率、掘进方法及难易程度是不同的，同时施工中开挖方法及进度各异 表 4-2 是岩石风化壳分带及各带基本特征。

表 4—2 岩石风化壳分带及各带基本特征风化分带岩石颜色 矿物成分 岩体破碎特点 物理力学性质 声速特性 其他特征 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、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，侵水能崩解，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 大部变色，岩块中心部分尚较新鲜 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，声速曲线摆动较大 锤击声哑 锹镐可挖偶须爆破 弱 风 化 带 岩体表面及裂隙面大部分变色，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 岩体一般完好，原岩结构构造清晰，风化裂隙尚发育，时夹少量岩屑 岩体一般完好，原岩结构构造清晰，风化裂隙尚发育，时夹少量岩屑 纵波声速值较高，声速曲线摆动较大 锤击声不够清脆，须爆破开挖 微 风 化 带 仅沿裂隙面颜色略有改变 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 岩体完整性较好，风化裂隙少见 纵波声速值高，声速曲线摆动小 锤击声清脆，须爆破开挖 4.3 .风化壳的垂直分带 五、分带的方法 风化壳分带方法随工程建筑要求及勘测阶段而定，如初勘时以定性标志为主；详勘时以定量标志为主，同时考虑定性标志。

在考虑定量指标时，有的采用相对值，试图应用于各种岩石；有的采用绝对值，以便直接应用于工程设计目前对风化壳分带的方法主要有以下几种：4.3 .风化壳的垂直分带 1.地质分析法 该法属定性分析法，通过各种勘查手段，观测风化岩石的颜色、破碎程度、坚固性、矿物成分等方面的变化特点为主，兼以开凿岩体的难易程度及锤击声的音响特点等鉴别岩体的风化程度，根据现场观测及实践经验确定风化等级界限 该方法适于初勘阶段，在生产中已积累了较丰富的经验，但有较大的人为性2.指标定量法 通过现场及室内实验，实测风化岩石的物理力学性质指标，结合地质分析法，给出各风化带试验指标的区间值，确定风化剖面上可能作为分带界线的试验点该方法仍需经验，亦有人为因素影响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具体方法较多，仅介绍以下几种：4.3 .风化壳的垂直分带 (1)风化系数法：水电部成都水电勘测设计院建议用下式进行风化壳分带： (4-1) (4-2) (4-3) (4-4) 4.3 .风化壳的垂直分带 式中，Ky 为风化系数；Kn、Kw、KR 分别为孔隙率系数、吸水率系数、强度系数；n、w、R 分别为孔隙率、吸水率、单轴抗压强度；符号中的下角标 1、2 分别为新鲜岩石和风化岩石。

根据风化系数按表 4-3 标准进行分带该法适用于各种岩石的风化壳分带 表 4—3 按风化系数进行风化壳分带(2)声波测试法 岩石风化后其声波传播速度比原岩慢据声波在风化程度不同的岩体中传播速度及波速随深度变化曲线的形态不同，可以作为风化壳分带依据 如某坝址地基为前震旦纪结晶岩，经大量声波测井工作，测得不同风化带纵波速度如表 4-4 所示声波曲线形态如图 4-3：4.3 .风化壳的垂直分带 图 4—3 各风化带 声速曲线形态特征表 4—4 结晶岩各风化带的纵波速度剧风化带，纵波速度低，其变幅亦较小； 强风化带，纵波速度中等，其变幅较大； 弱风化带，纵波速度较大，其变幅亦较大； 微风化带，纵波速度大，其变幅较小 当岩性、构造和水文地质条件较简单时，该方法效果较好； 当岩性、构造和水文地质条件较复杂时，要在掌握工程地质条件的基础上，参考。