岩石风化工程地质

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第六章一、定义

岩石风化工程地质研究第一节 概 述

风 化：地表岩石和矿物在温度、大气、水溶液和生物等 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。

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二、风化类型

物理风化：由于温度变化、水的冻融、盐类结晶、植物根劈等力的作用下，引起岩石的机械破碎，而不伴随有化学成 分和矿物成分明显变化的现象。 主要发生在干旱寒冷的地区，风化深度相对较小。

生物风化：生物新陈代谢产生有机质或机械破坏，如释放大量有机物酸及CO2 ,加强水溶液溶解能力 。

化学风化：岩石在水、氧及有机体等作用下所发生的一系列化学变化过程，引起岩石结构构造、矿物成分和化学成分 的变化。 主要风化作用：氧化、溶解、水、水解、碳酸化和硫酸化 等作用。 多发生于温暖潮湿的地方，风化深度可达百米以上。

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三、风化结果及工程意义

岩体结构构造发生变化岩体完整性遭受破坏，结构性丧失，空隙性增大，矿碎成块石、碎石或土体。

岩石的矿物成分和化学成分发生变化可溶矿物溶解流失，耐风化矿物残留下来，形成稳定性好的次生矿物：如绿泥

石、绢云母、高岭石、蒙脱石等。

岩体的工程地质性质发生变化

如：力学强度的降低 压缩性变增大(由基岩→粘土) 渗透性增强。次生矿物的抗水性降低、亲水性增强，易崩解、膨胀、软化。

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。

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第二节

影响岩石风化的因素

一 气候因素

温度温差大、冷热变化频率快有利于物理风化； 温度变化对岩石在水中的溶解度和化学反应速度、水溶液浓 度都有有较大影响，从而影响化学风化的速度。

降雨(湿度)各种化学风化是水(CO2,O2)参与下完成的，运动的水质 及矿物质运移，破坏化学平衡，促进反应不断进行。水的加入 使风化向多样化、深度发展。

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二 岩性因素

矿物成分：抗风化能力

氧化物>硅酸盐>碳酸盐和硫化物 常见造岩矿物易溶解性顺序：食盐 、石膏、方解石、橄 榄石、辉石、

角闪石、滑石、蛇纹石、绿帘石、正长石、 黑云母、白云母、石英。最稳定的造岩矿物：石英 岩浆岩：酸性岩>中性岩>基性岩>超基性岩(花岗岩)(闪长岩、安山岩)(玄武岩)(橄榄岩)

变质岩：浅变质岩>中等变质岩>深变质岩 沉积岩：抗风化能力大于岩浆岩、变质岩。化学风化较弱 沉积岩是由前一旋迴的风化矿物组成，遭受二次风化后仍 产生水化、水解、淋滤作用。风化厚度不大，但如粘土岩、 页岩等风化速度很快。

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主要矿物蚀变趋势：

碱性环境 酸性环境

斜长石：水解作用及脱钙作用

绢云母—绿泥石、蛭石—蒙脱石 高岭石化 蛭石

蒙脱石 黑云母：水化脱钾、氧化 → 水云母化 绿泥石 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 石英： →硅酸→石髓→次生石英 一般：石英、高岭土、氧化铁、铝土矿通常是最终产物的组合。

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。

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三 地质构造

地质结构面：断层、层面、 节理、沉积间断面、侵入岩 与围岩接触面等囊状风化，差异风化，球形风化 夹层风化，槽状风化

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四 地形地形不同影响气候及水文地质条件、光照、温差条件， 沟谷侧向入侵作用，残积物滞留条件。

高度

海拔高地区：以物理风化为主 海拔低地区：化学风化速度较快 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

坡度

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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

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第三节

风化岩的垂直分带

一 分带的原则

充分反映各风化带岩石变化的客观规律，反 映各风化带岩石所具有的不同特征； 分带的标志应有代表性、明确，便于掌握； 将定性与定量结合起来； 分带数目既不要过多，也不太少。一般采用 三分法、四分法、五分法 四分法：全风化带、强风化带、弱风化带、 微风化带

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二 分带的标志岩石风化壳分带及各带基本特征风化 分带 剧 风 化 带 强 风 化 带 弱 风 化 带 微 风 化 带 岩石

颜色 原岩完全变 色，常呈黄 褐、棕红、 红色 矿物颜色 除石英外，其余矿物多 已变异，形成绿泥石、 绢云母、蛭石、滑石、 石膏、盐类及粘土矿物 等次生矿物 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 岩体破碎特点 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 岩体强烈破碎， 呈岩块、岩屑、 时夹粘性土 岩体一般较好， 原岩结构构造清 晰，风化裂隙尚 发育，时夹少量 岩屑 岩体完整性较好， 风化裂隙少见 物理力学性质 声速特性 其它 特点

强度很低，浸水能崩解， 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

大部分变色， 岩快中心部 分尚较新鲜 岩体表面及 裂隙表面大 部分变色， 断口颜色仍 较新鲜 仅沿裂隙表 面略有改变

物理力学性质不大均一， 强度较低，岩块单轴抗 纵波声速值较低， 压强度小于原岩的1/3, 声速曲线摆动大 风化较深的岩块手可压 碎 力学性质较原岩低，单 轴抗压强度为原岩的 1/3-2/3 纵波声速值较高， 声速曲线摆动较 大

锤击声哑，用锹镐 开挖，偶须爆破

沿裂隙面矿物变异明显， 有次生矿物出现

锤击发声不够清脆， 须爆破开挖

仅沿裂隙面有矿物轻微 变异，并有铁质，钙质 薄膜

与原岩相差无几

纵波声速值高， 声速曲线摆动较 小

锤击发声清脆，须 爆破开挖

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全风化带：疏松、半疏松碎、块石占95%。纵波速度 500~2000m/s,渗透系数 0.1~2.6m/d,结构松散，强度低。 强风化带：疏松、半疏松岩石夹半坚硬岩石，疏松者占30~70%, 纵波速度2000~3000m/s,渗透系数 0.1~4m/d,抗压强度 <20MPa 弱风化：上部坚硬块石夹半疏松碎屑，碎屑含<20%,30~70% 结构面发育碎屑等几十公分。RQD50~90%,纵波速度 3000~5000m/s 微风化：坚硬岩石，沿裂面风化，约1mm厚风化皮，RQD 90~95%,纵波速度5000~6000m/s。

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三 分带的方法工程的初勘阶段：以定性分带为主 工程的详勘阶段：以定量分带为主 地质分析法—定性分析方法 通过岩石颜色、破碎程度、矿物成分的变化 指标定量法 (1)声波测试法：岩石风化后，声波速度变慢。据波速及波形变化 确定风化层。全风化带 强风化带 弱风化带 微风化带 纵波速1000~2000 纵波速2000~3000 纵波速3000~5000 纵波速5000~6000

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(2)风化系数法

式中：Kn=n1/n2—孔隙率系数

Kn Kw KR Ky 3

Kω= ω1/ ω2 —吸水率系数 KR=R1/R2 —强度系数(单轴抗压强度) 按风化系数Ky大小分带 全风化 — — K y 0.2 强风化 — — K y=0.2~0.4 弱风化 — — K y=0.4~0.9 微-新鲜 — — K =0.9~1.0

y

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第四节 防治措施

风化厚度较小，施工条件简单时，全部挖除 风化厚度较大，数十米以上时，处理措施视具 体条件而定

一般工业民用建筑物，可选择足够强度的风化层作 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

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对于粘土岩类视情况采取预防措施：通过人工措施，使风化营力与岩石隔离，使岩石免 遭继续风化，或减缓风化营力的作用强度，减缓岩石 的风化速度

表面铺盖(粘土、水泥、沥青材料)化学材料充填(在岩石裂隙中充填化学材料，形成 保护膜) 植被

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