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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流第六章岩石风化工程地质研究.精品文档.第五章岩石风化工程地质研究本章概述介绍基本概念，影响岩石风化因素，风化壳及分带标志和方法，岩石风化防护措施。重难点本章教与学两方面没有难度，主要问题是实际工作中风化岩分带的标准很难把握，带有很大的不确定性，最好配合现场考察进行教学。第一节概 述组成地壳的岩石其形成环境是十分复杂的。在内力和外力地质作用下，深埋于地下的岩石可能处于地壳表层，进入与成岩环境不同的新环境中，必然通过原岩的变异，才能适应新的环境。 岩石在各种风化营力作用下，所发生的物理和化学变化的过程称为岩石风化)(RockWeathering)
2、。它包括岩石所感受的风化作用及其所产生的结果两个方面。与其它动力地质作用相比较，引起岩石风化的营力很多，但主要的是太阳热能、水溶液(地表、地下及空气中的水)、空气(02及C02等)及生物有机体等。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。生物风化既有物理的也有化学的作用。因此，风化作用主要是物理风化和化学风化两种。物理风化是由于温度的变化(特别是昼夜的温变)、水的冻融、干湿交替、盐类结晶、矿物水化和植物根劈等作用下所产生的应力，引起岩石的机械破碎，而不伴随化学成分和矿物成分的显著变化，其结果既破坏了岩石的结构构造，降低了岩石的强度，又为化学风化
3、打开了方便之门。这种作用主要发生在干寒地区，如我国北方、西北的干旱寒冷及高山寒冷地区，岩石的风化深度较小，一般小于10m。岩石在氧、水溶液及有机体等作用下所发生的一系列复杂的化学反应，引起其结构构造、矿物成分和化学成分发生变化的过程，称为化学风化。其实质是原岩中较活泼的元素发生迁移，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形成的过程。在风化过程中，化学反应的方式较复杂，有氧化、还原、溶解、结晶、水化，水解、碳酸化、硫酸化、去碳、中和等作用。在自然界中，化学风化是多种方式综合作用的结果，其中以水化、溶解、水解和氧化作用最为常见。化学风化多以水为介质，其影响深度与地下水
4、的循环交替条件极为密切。岩石一般风化深度为数十米，大者可达100余米，因而工程上的实际意义也较大。 遭受风化的岩石圈表层叫做风化壳(weathered crust)，它是原岩在一定的地质历史时期各种因索综合作用的产物。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：(1)岩体的结构构造发生变化，即其完整性遭到削弱和破坏风化作用不仅使岩体原有裂隙扩大，还形成新的风化裂隙，同时因活动性元素的迁移，使原岩孔隙增大。总之，岩石风化后其空隙性增大，块度变小，原岩破碎成块石、碎石、砂粒，粉粒及粘粒。这种变化使原岩的结晶联结削弱以致丧失，成为水胶联结甚至无联结状
5、态，使完整性较好、坚固性较高的岩体，变成破碎松软、性质易变的土体。(2)岩石的矿物成分和化学成分发生变化 风化过程中，原岩中的矿物逐渐解体变异，活动性较强的元素不断随水迁移流失；同时，由于风化营力所携带的新元素的参与，形成了新的次生矿物。如绿泥石，绢云母等鳞片状矿物，细分散的高岭石，蒙脱石，水云母等粘士矿物，铁、铝、硅的氧化物或氢氧化物。这些次生矿物不仅在晶系特点、晶粒大小、结晶程度均与原生矿物不同，而且还增加了水及有机组分。(3)岩石的工程地质性质恶化岩石风化后，由于岩石的矿物成分、化学成分和结构构造发生变化，而导致岩石工程地质性质上的一系列变化。如力学强度降低，压缩性可以从基本不可压缩的基
6、岩，变为压缩性颇大的粘性土；透水性发生畸变，在完整风化剖面上，遭受中等风化的岩石其渗透系数比下伏新鲜岩石成倍增加；表层遭受强烈风化的岩石，其渗透系数又降低；岩石彻底风化后所形成的次生矿物，其抗水性降低，亲水性增高，对水的敏感性加大，易于崩解、膨胀和软化。总之，风化后的岩石在工程建筑上的优良性质削弱了，不良性质则增加了，使工程地质条件大为恶化。实践证明，岩石风化是地壳表层大陆化时期较为普遍的动力地质作用，它与工程选址布局、岩(土)体稳定、地基处理、施工方法、施工期限、工程造价等关系极为密切。当在岩石风化强烈、风化深度较大的地区建筑大型工程(如高坝)时，不得不采取大量的挖方措施，清除(部分或全部)
7、风化岩石，将大坝基础置于稳定可靠的基岩之上，或者进行加固或防渗处理。这样必然大大增加造价，又延误工期。有时采取降低工程设计规模，以便与地基状态相适应。如安徽省青弋江陈村水库，其坝基为志留系砂页岩，原拟100m高的混凝土重力坝建在新鲜岩石之上。后因风化壳很厚，开挖及回填工程均较大，经方案的技术，经济比较后，将坝高降低到75m，并以风化岩石为坝基。许多道路及露天矿采坑边坡变形破坏往往与岩石风化有关。如河北省迁安县大石河露天铁矿采坑，由黑云母斜长片麻岩组成，采矿过程中发生多处边坡崩滑，其中规模较大、变形体高达20m以上者，多为强烈风化岩石。在某些花岗岩地区修建地下洞室时，因对岩石风化估计不足而发生洞
8、口坍塌，造成人身事故，又延误工期。风化也使某些作为建筑材料的岩石适用性下降。所以，在工程地质勘察中，岩石风化的研究常是重要的课题之一。为工程建设而进行的岩石风化工程地质研究的目的有以下几点；根据岩石风化的程度及其空间分布，选择最适于修建建筑物的位址，对各种工程建筑物进行合理布局；根据风化岩石的物理力学性质与建筑物类型、等级、荷载性质及大小的适应性，确定地基中需要挖除的风化岩石的厚度，即确定合理的建基面高程；根据岩石风化速度、风化程度及各风化带岩石的物理力学性质，确定基坑、路堑、船闸及露天矿采坑合理的稳定边坡角；根据风化产物的特性(破碎程度、坚固性等)及场地工程地质条件，选择地下洞室施工开挖的设
9、备和方法，确定对已风化岩石的处理措施；根据岩石风化速度、风化营力、风化作用类型及影响岩石风化的因素等，确定基坑、路堑保持开敞状态的安全期限，选择防止岩石风化的措施。第二节影响岩石风化的因素本节概述 岩石风化程度及速度，风化壳厚度及风化产物的性质，不仅在不同地区有所不同，即使在同一地区，甚至在同一建筑场地的一定范围内也有明显的差异。这是由于气候、岩性、地质构造、地形，水文地质条件等因素的影响所致。所以，岩石风化是多种因素综合作用的复杂过程。 一、气候的影响 气候是控制风化营力的性质及强度的主要因素。反映气候特点的气象要素很多，其中对岩石风化影响较大的主要是温度和雨量。在昼夜温差及冷热更替频率较大
10、的地区，有利于物理风化作用。温度的高低，不仅直接影响岩石热胀冷缩和水的物理状态，而且对矿物在水中的溶解度、生物的新陈代谢、各种水溶液的浓度和化学反应的速度都有很大的影响。降雨为岩石化学风化提供了必需的水溶液，降雨量大小控制着风化营力的性质和强度，影响风化作用的类型及岩石风化的速度。在降雨量小而蒸发量大的干旱地区，即使易溶解矿物，亦因溶液易达饱和而不能完全溶解，从而限制了元素的迁移，影响岩石的彻底风化。在潮湿多雨地区，风化营力得以不断补充，又有利于生物的繁殖，岩石风化程度较强，风化速度较快，风化深度亦较大。由温度、降雨量等要素组成的气候类型是很复杂的，不同气候条件下风化作用的类型和强度、风化产物
11、的性质等均不相同。我国地域辽阔，地势复杂，气候类型较多，既有受纬度控制的区域性气候带，也有因地势及其它因素控制的局部性气候带，因而受气候控制的岩石风化作用也具有区域分带现象。从工程建筑来看，应以湿热气候区的岩石风化问题作为研究重点。 二、岩性的影响岩石的抗风化能力与其形成环境、矿物成分及结构构造关系极为密切。如前所述，岩石风化发生于地壳表层，当成岩环境与地表环境差异愈大时，原岩风化变异愈强烈，即岩石的抗风化能力愈弱。岩石抗风化能力的大小，主要决定于组成岩石的矿物成分。不同矿物具有不同的结晶格架，由其化学活泼性所决定的抗风化能力亦不相同。在地表环境下，常见造岩矿物的抗风能力是不同的，其相对稳定性
12、如表51所示。一般情况下，矿物在风化过程中的稳定性由大到小的顺序是:氧化物硅酸盐碳酸盐和硫化物。当岩石中不稳定矿物含量较多时，其抗风化能力较弱；相反，当岩石中含稳定和极稳定矿物较多时，其抗风化能力较强。一般认为:岩浆岩矿物在风化环境中的稳定性顺序，恰与其在鲍文反应系列中的顺序相反。因此，岩浆岩抗风化能力由大到小的顺序是:酸性岩(花岗岩)中性岩(闪长岩、安山岩)基性岩(玄武岩)超基性岩(橄榄岩)。表51常见造岩矿物的抗风化稳定性相对稳定性造岩矿物极稳定石英稳定白云母，正长石、微斜长石、酸性斜长石不大稳定普通角闪石、辉石类不稳定基性斜长石、碱性角闪石、黑云母、普通辉石、橄榄石、海绿石。黄铁矿、方解
13、石，白云石、石膏，盐岩上述稳定性系列也适用于变质作用成因的同样的矿物。因而，在一般情况下，变质岩的抗风化能力从大到小的顺序是。浅变质岩中等变质岩深变质岩。 大多数沉积岩是由前一旋回的风化产物组成的，在其成岩过程中可能只受到较轻微的变质和改造，它的形成环境比岩浆岩、变质岩更接近地表。一般说沉积岩的抗风化能力比岩浆岩及变质岩高，最终的化学变化较小。但是沉积岩的风化问题比较复杂，其主要矿物是前一旋回的风化次生矿物，如粘土矿物、绿泥石、石英及钙-镁碳酸盐。这些矿物颗粒大都极细，比表面积大，因表面效应较强，易遭水化、水解及淋滤作用，以恢复它们对新环境的平衡关系。实践证明:沉积岩中的粘土岩，页岩、粉砂质粘
14、土岩、粘土质粉砂岩等风化厚度虽不大，但风化速度却很快。 组成地壳的岩石是极为复杂的，为工程建筑进行的风化作用的研究，应以岩浆岩、变质岩(深的)、粘土质类岩石为主。在研究岩石风化速度时，尤应以粘土质类岩石(粘土岩、页岩、粉砂质粘土岩及各种泥质胶结的砂岩)为主。 组成岩石的化学成分对抗风化能力也有很太影响，岩石中含K、Na、Li、Cl等元素较多者，因其化学活动性较强，经化学风化后易脱离母岩随水流失。岩石中Fe、Al、Si、Ti等元素的化学稳定性较好，经化学风化后易残留原地。即使同一元素，其所组成的化合物不同时，岩石的抗风化能力也不同，如方解石中的含Ca化合物易风化解体，而斜长石中的含Ca化合物却比
15、较稳定。岩石的抗风化能力不仅决定于其矿物成分和化学成分的活泼性，同时也决定于岩石的结构。单矿岩(如石英岩)的颜色、导热性较均一，在外界因素作用下胀缩性基本一致，不易，形成过大的应力而引起岩石的破坏，故其抗风化能力较强；而复矿岩的成分复杂，矿物的导热性、胀缩性各不相同，易形成过大的应力而引起岩石的破坏，故其抗风化能力较弱。当矿物成分相同时，等粒结构岩石比不等粒结构岩石的抗风化能力强，原因是等粒结构岩石的胀缩性比不等粒结构岩石的胀缩性均一所致。细粒结晶结构岩石受温度变化的影响较小，颗粒比表面积大，连结力较强，晶粒间的空隙较小，水、气等风化营力难以通过，其抗风化能力比成分相近的粗粒结构岩石强。成分相
16、近的碎屑沉积岩的抗风化能力与胶结物性质有关，泥、钙质胶结者比硅质胶结的岩石抗风化能力弱。自然界岩石的矿物成分、化学成分和结构构造十分复杂，其抗风化能力各不相同。当抗风化能力不同的岩石呈相间分布时，就会形成风化深度不等的差异风化(图51)。图51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化岗-闪长岩三、地质构造的影响 在成岩过程，地壳运动及其它次生作用下，使岩体内部形成了极为复杂的软弱结构面网络。这些不同成因的软弱结构面包括:断层、节埋、劈理，片理、片麻理、层理、沉积间断面、侵入体与围岩的接触面、岩浆岩的流面等等，它们构成了风化营力(
17、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。当结构面网络较均一，岩性及其它条件相同时，风化壳底界虽有起伏，但相差不大，变化仅在数米之内，并大致与地面平行。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(图52)。如三峡水利枢纽三斗坪、太平溪等坝段的河漫滩部位，于古老结晶岩中发现风化囊多处，其弱风化带底界比周围低20m以上，其延伸长度数十米至数日米不等。图52囊状风化1糜棱岩和角砾岩；2碎裂岩；3强风化岩及其底板界线；4弱风化岩及
18、其底板界线；5微风化和新鲜岩体 深度较大的囊状风化，当其强度较低或渗透性过大，不能满足工程的要求时，则处理工程较为复杂。因此，为工程建筑的目的所进行的岩石风化研究，对囊状风化发育情况尤应注意。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。这种类型常见于岩浆岩及厚层砂层中。被两组软弱结构面切割的岩体，风化产物多呈柱状或针状。这种情况在我国分布较广的志留系页岩中多见之。一组软弱结构画极为发育的岩体，风化产物多呈板状或片状，在板岩、千枚岩、片岩、页岩分布区多见之。四、地形地貌
19、的影响 地形条件既可直接影响岩石的风化作用，义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、切割程度等)，风化作用的类型、风化速度、风化程度、风化壳厚度及其空间分布是不同的。在同一纬度带，气候类型有随高程不同的垂直分带规律。因此，随着地面高程不同风化作用也有明显的差异。如在中、低纬度的高山区，以物理风化为主；在海拔较低的地区则以化学风化为主，风化速度较快，岩石变异较彻底。由于沟谷的切割，加强了风化营力对岩体的侧面入侵作用，沟谷切割深度及密度较大的地区，岩石风化速度及深度比沟谷不甚发育的地区大。 在同一山地的不同部位亦可显示风化的差异。如向阳山坡的光照时间
20、较阴坡长，昼夜温差较阴坡大，故其风化作用较阴坡强烈，风化壳也较厚。 陡坡地段，地表水及地下水较活泼，岩石风化速度较快，但风化产物易被剥蚀冲刷，风化壳厚度一般较薄，风化深度不大。缓坡地段则相反，风化壳厚度较大，岩石风化较彻底，剧强风化带厚度较大。因此，不同地貌单元的岩石风化程度和风化壳厚度是不同的。长江三峡水利枢纽坝区出露的前震旦纪花岗岩、闪长岩及二者的过渡岩石，它们的综合抗风化能力相差不大，但地形地貌条件的影响却较显著。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。五、其它因素的影响 地壳运动的特点控
21、制着风化作用发生的总趋势。地壳长期处于相对稳定的地区，岩石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，厚度也较大。地壳强烈上升的地区，虽然有时风化速度较快，但易遭外力侵蚀剥蚀，风化壳厚度并不大。地壳下降甚至沉入海面以下的地区，风化作用较微弱，有时为海蚀或海积所代替。地下水的化学成分、补给、径流、排泄和埋藏条件，直接影响风化速度及深度。地下水的补给来源充足，游离氧和二氧化碳不断得到补充，同时又具备良好的径流排泄条件时，地下水始终保持其旺盛的侵蚀能力，岩石风化的速度和深度较大。一般说，地下水位以上氧化作用强烈，因此地下水埋藏较深的地区，风化壳厚度亦较大。由于外力侵蚀剥蚀作用所引起的天然
22、应力释放，导致岩体松动，并进而产生新的卸荷裂隙，或使原生节理裂隙扩大，对岩石风化起了促进作用。这种作用在天然应力较高的深切河谷区尤为显著。人类活动对岩石风化起着愈来愈显著的作用。据实际观测可知：岩石风化过程的不同阶段中其速度是不同的。当新鲜岩石与风化营力接触初期，岩石的变化较快，经过一定时间后则变化十分缓慢。由于人类工程活动所开挖的基坑、路堑、边坡、隧洞，或开荒毁林等，将已风化的岩石或复盖层挖除后，使得风化微弱甚至新鲜岩石裸露，与活跃的风化营力直接接地从而加剧了岩石风化。第三节风化壳的垂直分带一、分带的实际意义 在风化壳铅直剖面上，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
23、建筑物的适应能力不一样。 对重型建筑物地基来说，当风化壳厚度不大时，可将全部风化岩石清除，使建筑物基础砌置在新鲜基岩上。这时勘察的主要任务是确定风化壳的厚度及空间分布；当风化壳厚度较大时，全部挖除风化岩石，既不经济，又无必要，有时技术上也存在一定困难。当工程规模未定时，可以根据风化程度不同的岩石特征，来确定与其相适应的工程规模；当工程规模已定时，可根据工程建筑对地基的要求，确定对风化岩石清除的深度，即确定合理的建基面高程。 地下洞室通过不同风化程度的岩石时，围岩的自稳能力、变形破坏的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。由风化程度不同的岩石组成的天然斜坡，其稳定坡高或坡
24、角是不同的。在风化程度不同的岩石中的深挖边坡(露天采坑、道路、船闸等)，为了工程的安全稳定与经济合理，需根据风化程度不同的岩石的性质和厚度，分别设计其合理的边坡角。 总之，对整个风化壳剖面按照岩石风化程度不同进行分带，以便区别对待，这对于建筑场地的选择、工程设计、施工和处理等都是十分必要的。二、分带的可能性 一般说来，除了由于断裂发育、岩性差异等所形成的囊状风化和夹层风化外，岩石的风化程度总是在地表比较强烈，从地表向下至岩体内部，风化程度逐渐变得微弱，直至新鲜基。在保留完整的风化剖面上，风化程度不同的岩石是逐渐过渡的，其间并不像地层岩性那样，存在着较为清晰和确切的地质界面(线)。但在整个风化剖
25、面上，地表为松软土，下部为新鲜基岩，从上到下存在着性质迥然不同的岩石。据研究，这是由于以下原因造成的:(1)不同深度的岩石与风化营力接触的时间不同 风化营力多是由表及里的。因此，上部岩石总是与风化营力首先接触。当风化作用经历某一时间后，岩石已经发生了一定程度的变化，而地表以下的岩石可能刚与风化营力接触，开始发生风化；而埋藏更深的岩石，可能尚未与风化营力接触，仍保持原岩状态。从地质历史来看，地表的岩石与风化营力接触的时间比其下部岩石长，故其风化程度比下部岩石深。(2)风化营力的作用存在分带性据研究，在潮湿温暖的气候条件下，硅酸盐的风化由开始到最终起主要化学作用的依次为:水化淋滤水解氧化。因此，在
26、风化壳剖面上，从上到下主要化学作用带依次为:氧化带水解带淋滤带水化带。各带岩石的风化程度不同而显示其天然分带性。 (3)矿物的风化具有显著的阶段性一般说来，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高岭石；黑云母蛭石蒙脱石高岭石。因此，在整个风化壳剖面上，因矿物的组合不同而显示其天然分带性。以上说明：在整个风化壳剖面上，虽然风化程度不同的岩石是逐渐过渡的，但进行工程地质分带是可能的。三、分带的原则 为工程建筑目的
27、而进行的风化壳垂直分带应考虑以下原则：(1)要充分反应各风化带岩石变化的客观规律，反应各带岩石因风化程度不同所具有的不同特性。(2)分带标志视具体条件选择，应既有代表性，又明确，便于掌握，尽量避免人为因素的影响。(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。目前，岩石风化壳垂直分带方案很不统一，有二分法、三分法、四分法、五分法等，分带数目各不相同。此外，各带命名也较混乱。在工程实践中，我国多采用四分法，从上到下风化程度由强到弱分别叫做:剧风化带、强风化带、
28、弱风化带、微风化带。四、分带的标志及各风化带岩石的基本特征 主要包括下列几个方面：(1)颜色风化程度不同的岩石，在外观上首先表现在颜色上的差异。如有的原岩新鲜时为灰绿色，风化后在风化壳剖面上由下往上则变为:黄绿色、黄褐色、棕红色、红色，这是从整体来看的。此外，从局部或某一色彩看，颜色的变化程度也有所不同，有的仅沿岩石的裂隙面发生变化，有的仅部分岩体发生变化，有的全部岩体均发生变化。(2)岩体破碎程度风化剖面上岩体的破碎程度反应了岩石的风化程度。随着岩石风化程度的加深，完整坚硬的岩体逐渐破碎成块石、碎石、砂粒、粉粘粒。在风化剖面从上到下的不同部位上，这些颗粒所占的比例是不同的，上部以粉粘粒为主，
29、夹有砂粒及碎石；向下过渡为以砂粒为主夹有粉粘粒及碎石；再向下以碎石为主夹有块石及少量粉粘粒；再向下则以块石为主夹碎石等。破碎程度还表现在风化产物破碎时的难易，如用锤难以击碎的，用锤易击碎的，用手指能捏碎的，轻微接触即行松散的等。(3)矿物成分的变化如前所述，不同矿物的抗风化能力是不同的，岩石中总是那些不稳定的矿物首先风化变异，当风化作用持续进行时，稍稳定的、稳定的矿物才顺次开始发生风化，这时不稳定的矿物可能已变得面目全非了。既使同一矿物在不同风化阶段所形成的新矿物也不一样。此外，化学风化在不同时期起主要作用的化学反应是不同的。因此，在风化壳剖面的不同部他，具有不同的矿物共生组合，根据具体条件下
30、风化岩石中矿物的共生组合规律，可作为风化壳垂直分带的标志。(4)水理性质及物理力学性质的变化风化岩石水理性质及物理力学性质的变化，是原岩矿物成分和结构变化的综合反映。在风化壳剖面上，由上到下这些性质变化的趋势是：孔隙性和压缩性由大到小；吸水性由强到弱；声波速度由小到大；强度由低到高等等。这些性质指标的变化是风化壳分带的重要的定量标志。(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、岩心采取率、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亦各异。岩性及起主要作用的风化类型不同，风化壳各带的特征是不同的，表52列出了花岗岩、闪长
31、岩等结晶岩类风化壳各风化带岩石的基本特征。五、分带的方法 风化壳分带的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；详勘肘以定量标志为主，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。目前进行风化壳分带的方法主要有以下几种：表52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 程土状，或粘性土夹碎屑，结构已彻底改变，有时外观保持原岩
32、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 力学性质较愿岩低，单轴抗
33、压强度为原岩的1/32/3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 与原岩相差无几 纵波声速值高，声速曲线摆动小 锤击声清脆，须爆破开挖 1.地质分析法 该法属定性分析法，通过各种勘察手段，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和室内实验，实测
34、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。该法仍需经验，亦有人为因素的影响。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，仪介绍以下几种: (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:(51)(52)(53)(54)表53按风化系数进行风化壳分带风化分带 风化系数Kv强度降低%全风化岩石 强风化岩石 半风化岩石 若风化岩石 新鲜岩石（包括微风化） 0.20.20.40.40.750.750.900.901.0 80608025601025025式中：Ky为风化系数；、分别为
35、孔隙率系数、吸水率系数、强度系数；n、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分别为新鲜岩和风化岩石。根据风化系数按表53标准进行分带。该法适用于各种岩石的风化壳分带。(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的依据。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54所示。声波速度随深度变化曲线的形态，在不同风化带内是不同的(图53)。如在剧风化带，纵波速度低，其变幅亦较小；在强风化带中，纵波速度中等，其变幅较大；在弱风化带中，纵波速度较大，其变幅亦较大
36、；在微风化带中，纵波速度大，其变幅较小。表54结晶岩各风化带的纵波速度风化壳分带纵波速度Vp(ms)剧风化带强风化带弱风化带微风化带10002000200030002500500050006000当岩性、构造及水文地质条件较简单时，利用声波法进行风化壳分带效果较好。当岩性及构造等条件比较复杂时，要在掌握工程地质条件的基础上，参考其他标志，才能获得满意的效果。(3)抗拉强度指数法 日本的木宫-帮等，开始了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:Bs=lgSt(55)式中St
37、为风化岩石点荷载试验抗拉强度。木宫一帮通过野外观察和试验研究，对日本三河高原早白垩世武节花岗岩按Bs值不同进行了风化分带(表55)。图5各风化带声速曲线形态特征表55花岗岩风化带抗拉强度指数据(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 土壤 及 风化砂 -1.47-1.500.23-1.03-1.72 风化花岗岩 -0.200.180.350.46-0.66 0.750.770.361.500.00 花岗岩 1.701.690.232.171.17 2.002.070.212.391.47除了以上两类方法外，近年来有人提出了采用数理统计学的方差分析理论，来探讨风化壳
38、分带的定量评价方法。其主要优点是能够根据一定地质条件和工程要求，确定风化壳分带的最优界限，它较好地处理了风化壳分带界限的模糊性，更好地避免了人为因素的影响。第四节防治岩石风化的措施本节概述 为制定防治岩石风化的正确措施，首先必须查明建筑场地影响岩石风化的主要地质营力、风化作用的类型、岩石风化速度、风化先壳垂直分带及其空间分布、各风化带岩石的物理力学性质，同时必须了解建筑物的类型、规模及其对地质体的要求。防治岩石风化的措施一般包括两个方面:一是对已风化产物的含理利用与处理；二是防止岩石进一步风化。现简要介绍如下：一、对风化岩石的处理措施 当风化壳厚度较小(如数米之内)，施工条件简单时，可将风化岩
39、石全部挖除，使重型建筑物基础砌置在稳妥可靠的新鲜基岩上。当风化壳厚度较大，如10余米、几十米以上时，处理措施应视具体条件而定。对于荷载不大，对地基要求不高的建筑物，如一般工业民用建筑物，强风化带甚至剧风化带亦能满足要求时，根本不用挖除，必须选择合理的基础砌置深度。对于重型建筑物，特别是重型水工建筑物，对地基岩体稳定要求较高，其挖除深度应视建筑物类型、规模及风化岩石的物理力学性质而定，需要挖除的只是那些物理力学性质变得足以威胁到建筑物稳定的风化岩石。如我国三峡水利枢纽，大坝选在强度较高的前震旦系结晶岩上，根据巨型大坝的要求，经多年反复研究，在弱风化带内部以声波纵速为4000ms为界分为上下两带，
40、弱风化带上带及其以上的剧、强风化带需要挖除，将大坝基础砌置于弱风化带下带的顶部。当风化壳厚度虽较大，但经处理后在经济上和效果上反比挖除合理时，则不必挖除。如地基强度不能满足要求，可用锚杆或水泥灌浆加固，以加强地基岩体的完整性和坚固性。若为水工建筑物地基防渗重求，则可用水泥、沥青。粘土等材料进行防渗帷幕灌浆处理。当地基存在囊状风化，且其深度不大时，在可能条件下可将其挖除。当囊状风化深度较大时，应视具体条件或用混凝土盖板跨越，或进行加固处理。开凿于剧强风化带中的边坡和地下洞室，应进行支挡、加固、防排水等措施，以保证施工及应用期间边坡岩体及洞室围岩的稳定性。二、预防岩石风化的措施 大部分岩石经风化后
41、，改变了原岩的物理力学性质，形成巨厚的风化壳。这是在地质历史时期发生的结果，其速度一般较慢，在工程使用期限内不致显著降低岩体的稳定性。但是有的岩石，如粘土岩及含粘土质的岩石风化速度较快，它们一旦出露，经数日甚至数分钟就开始出现风化裂隙，经数年甚至数月原岩性质就会发生显著变异。对于施工前能满足建筑物要求，但在工程使用期限内因风化而不能满足建筑物要求的岩石，甚至在施工开挖过程中易于风化的岩石，必须采取预防岩石风化的措施。预防岩石风化的基本指导思想是:通过人工处理后，使风化营力与被保护岩石隔离，以使岩石免遭继续风化；降低风化营力的强度，以减慢岩石的风化速度。例如为防止因温度变化而引起的物理风化，可在
42、被保护岩石表面用粘性土或砂土铺盖，其厚度应超过该地区年温度影响深度510cm。一般说用亚粘土作铺盖材料时效果较好，它既可防止气温变化的影响，又因其渗透性微弱可防止气液的侵入。若是防止水和空气侵入岩体，可用水泥、沥青、粘土等材料涂抹被保护岩石的表面，或用灌浆充填岩石空隙。在国外曾采用各种化学材料浸透岩石，使之充填岩石空隙，或在空隙壁形成保护薄膜，以防止风化营力与岩石直接接触。有的采用化学材料中和风化营力，使其风化能力降低。这些方法由于费用昂贵，技术又较复杂，目前我国尚未普及推广。当以风化速度较快的岩石作地基时，基坑开挖至设计高程后，须立即浇注基础，回填闭。有时基坑开挖未达设计高程前，根据岩石的风
43、化速度，预留一定的岩石厚度，待浇注基础工作准备妥当后，再全段面挖至设计高程，然后迅速回填封闭:或分段开挖，分段回填。这些措施均能达到防止岩石风化的目的。本章小结本章主要介绍了有关岩石风化的基本概念，影响岩石风化因素，风化壳及分带标志和方法，岩石风化防护措施。重点掌握风化壳及分带标志和方法。1、基本概念岩石风化的类型：物理风化、化学风化和生物风化。风化壳：遭受风化的岩石圈表层。2、影响岩石风化的因素？(1)气候因素 温度 温差大、冷热变化频率快：有利于物理风化 温度高：有利于化学风化 降雨(湿度) 降雨量大：有利于化学及生物风化(2)岩性 矿物成分：抗风化能力 氧化物硅酸盐碳酸盐和硫化物 最稳定
44、的造岩矿物：石英 岩浆岩：酸性岩中性岩基性岩超基性岩 变质岩：浅变质岩中等变质岩深变质岩 沉积岩：抗风化能力岩浆岩、变质岩 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 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 Si质胶结Ca质胶结泥质胶结(3)地质结构：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 高度 海拔高地区：以物理风化为主 海拔
45、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(5)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3、岩石风化的分带标志(1)颜色 风化岩石在外观上表现出颜色的差异(2)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(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)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 强度由低高强化练习1、岩石风化的类型2、风化壳的概念3、影响岩石风化的因素？4、岩石风化的分带标志参考答案1、岩石风化的类型有物理风化、化学风化和生物风化。2、风化壳：遭受风化的岩石圈表层。3、(1)气候因素 温度