工程地質(zhì)學(xué)——巖石風(fēng)化工程地質(zhì)研究

1、第六章第六章 巖石風(fēng)化工程地質(zhì)研究巖石風(fēng)化工程地質(zhì)研究 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述一、定義n風(fēng) 化：地表巖石和礦物在溫度、大氣、水溶液和生物等營力作用下，發(fā)生的物理和化學(xué)變化過程。n風(fēng)化殼：表層不同深度的巖石，遭受風(fēng)化程度的不同，形成不同成分和結(jié)構(gòu)的多層殘積物，由其構(gòu)成的復(fù)雜剖面稱為風(fēng)化殼。 不同巖石，不同地區(qū)，風(fēng)化殼有很大差別。其厚度很大差別，大則幾百米。 地殼表層保留的主要為現(xiàn)代時(shí)期形成的風(fēng)化殼。當(dāng)風(fēng)化殼形成后，被后來的堆積物掩埋，被保留下來成為古風(fēng)化殼。二、風(fēng)化類型n物理風(fēng)化物理風(fēng)化：由于溫度變化、水的凍融、鹽類結(jié)晶、植物根劈等力的作用下，引起巖石的機(jī)械破碎，而不伴隨有化學(xué)成分和礦物成分明

2、顯變化的現(xiàn)象。 主要發(fā)生在干旱寒冷的地區(qū)，風(fēng)化深度相對(duì)較小。n生物風(fēng)化生物風(fēng)化：生物新陳代謝產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)或機(jī)械破壞，如釋放大量有機(jī)物酸及CO2 ，加強(qiáng)水溶液溶解能力 。 n化學(xué)風(fēng)化化學(xué)風(fēng)化：巖石在水、氧及有機(jī)體等作用下所發(fā)生的一系列化學(xué)變化過程，引起巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物成分和化學(xué)成分的變化。 主要風(fēng)化作用：氧化、溶解、水、水解、碳酸化和硫酸化 等作用。 多發(fā)生于溫暖潮濕的地方，風(fēng)化深度可達(dá)百米以上。三、風(fēng)化結(jié)果及工程意義n巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生變化巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生變化 巖體完整性遭受破壞，結(jié)構(gòu)性喪失，空隙性增大，礦碎成塊石、碎石或土體。n巖石的礦物成分和化學(xué)成分發(fā)生變化巖石的礦物成分和化學(xué)成分發(fā)生變化

3、可溶礦物溶解流失，耐風(fēng)化礦物殘留下來，形成穩(wěn)定性好的次生礦物：如綠泥石、絹云母、高嶺石、蒙脫石等。n巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)發(fā)生變化巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)發(fā)生變化 如：力學(xué)強(qiáng)度的降低 壓縮性變?cè)龃螅ㄓ苫鶐r粘土） 滲透性增強(qiáng)。次生礦物的抗水性降低、親水性增強(qiáng)，易崩解、膨脹、軟化?？傮w上：惡化了巖石的工程性質(zhì) 在工程選址、巖土體穩(wěn)定、地基處理、災(zāi)害防治、工程造價(jià)等方面都有重要意義。基礎(chǔ)建基面處置、確定礦坑邊坡角、洞室圍巖支護(hù)、基坑開挖層支護(hù)、抗滑工程設(shè)置等都要考慮到風(fēng)化問題。第二節(jié)第二節(jié) 影響巖石風(fēng)化的因素影響巖石風(fēng)化的因素一 氣候因素n溫度溫度 溫差大、冷熱變化頻率快有利于物理風(fēng)化； 溫度變化對(duì)巖石在水中

4、的溶解度和化學(xué)反應(yīng)速度、水溶液濃 度都有有較大影響，從而影響化學(xué)風(fēng)化的速度。n降雨（濕度）降雨（濕度） 各種化學(xué)風(fēng)化是水（CO2，O2）參與下完成的，運(yùn)動(dòng)的水質(zhì)及礦物質(zhì)運(yùn)移，破壞化學(xué)平衡，促進(jìn)反應(yīng)不斷進(jìn)行。水的加入使風(fēng)化向多樣化、深度發(fā)展。二 巖性因素n礦物成分：抗風(fēng)化能力礦物成分：抗風(fēng)化能力n氧化物硅酸鹽碳酸鹽和硫化物n常見造巖礦物易溶解性順序：食鹽 、石膏、方解石、橄欖石、輝石、角閃石、滑石、蛇紋石、綠簾石、正長石、黑云母、白云母、石英。最穩(wěn)定的造巖礦物：石英n巖漿巖：酸性巖中性巖基性巖超基性巖 （花崗巖）（閃長巖、安山巖）（玄武巖）（橄欖巖）n變質(zhì)巖：淺變質(zhì)巖中等變質(zhì)巖深變質(zhì)巖n沉積巖：

5、抗風(fēng)化能力大于巖漿巖、變質(zhì)巖?；瘜W(xué)風(fēng)化較弱沉積巖是由前一旋迴的風(fēng)化礦物組成，遭受二次風(fēng)化后仍產(chǎn)生水化、水解、淋濾作用。風(fēng)化厚度不大，但如粘土巖、頁巖等風(fēng)化速度很快。n主要礦物蝕變趨勢(shì)主要礦物蝕變趨勢(shì)：斜長石：水解作用及脫鈣作用黑云母：水化脫鉀、氧化 水云母化輝石、角閃石：水解綠泥石蒙脫石白 云 母： 伊利石蒙脫石高嶺土石英： 硅酸石髓次生石英一般：石英、高嶺土、氧化鐵、鋁土礦通常是最終產(chǎn)物的組合。n化學(xué)成分化學(xué)成分n活動(dòng)性強(qiáng)的元素：K、Na等，隨水流失。n活動(dòng)性弱的元素：Fe、Al、Si等，殘留在原地。n含活動(dòng)元素多者易于風(fēng)化。同一種元素，所組成的化合物不同，巖石的抗風(fēng)化能力也不同n結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)

6、構(gòu)特點(diǎn)n單一礦物組成的巖石抗風(fēng)化能力較強(qiáng)：?jiǎn)蔚V巖復(fù)礦巖n礦物成分相同：等粒結(jié)構(gòu)不等粒結(jié)構(gòu)，單粒結(jié)構(gòu)巖石抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，細(xì)粒粗粒nSi質(zhì)膠結(jié)Ca質(zhì)膠結(jié)泥質(zhì)膠結(jié)原因：導(dǎo)熱性不同、脹縮性不同、比表面積不同。堿性環(huán)境酸性環(huán)境絹云母綠泥石、蛭石蒙脫石高嶺石化蛭石綠泥石蒙脫石三 地質(zhì)構(gòu)造n地質(zhì)結(jié)構(gòu)面：斷層、層面、節(jié)理、沉積間斷面、侵入巖與圍巖接觸面等囊狀風(fēng)化，差異風(fēng)化，球形風(fēng)化 夾層風(fēng)化，槽狀風(fēng)化四 地形 地形不同影響氣候及水文地質(zhì)條件、光照、溫差條件，溝谷側(cè)向入侵作用，殘積物滯留條件。n高度n海拔高地區(qū)：以物理風(fēng)化為主n海拔低地區(qū)：化學(xué)風(fēng)化速度較快n坡度n陡坡地段：風(fēng)化速度較大，風(fēng)化殼較薄n緩坡地段：風(fēng)

7、化速度較慢，風(fēng)化殼較厚其它因素n地殼運(yùn)動(dòng)n強(qiáng)烈上升期：風(fēng)化速度快，風(fēng)化殼厚度不大n穩(wěn)定期：風(fēng)化徹底，風(fēng)化殼厚度大n人類活動(dòng) 人工開挖基坑、邊坡、隧洞、砍伐森林等一 分帶的原則第三節(jié)第三節(jié) 風(fēng)化巖的垂直分帶風(fēng)化巖的垂直分帶n充分反映各風(fēng)化帶巖石變化的客觀規(guī)律，反映各風(fēng)化帶巖石所具有的不同特征；n分帶的標(biāo)志應(yīng)有代表性、明確，便于掌握；n將定性與定量結(jié)合起來；n分帶數(shù)目既不要過多，也不太少。一般采用 三分法、四分法、五分法n四分法：全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶、微風(fēng)化帶二 分帶的標(biāo)志風(fēng)化分帶巖石顏色礦物顏色巖體破碎特點(diǎn)物理力學(xué)性質(zhì)聲速特性其它特點(diǎn)劇風(fēng)化帶原巖完全變色，常呈黃褐、棕紅、紅色除石英外，其

8、余礦物多已變異，形成綠泥石、絹云母、蛭石、滑石、石膏、鹽類及粘土礦物等次生礦物呈土狀，或粘性土夾碎屑，結(jié)構(gòu)已徹底改變，有時(shí)外觀保持原巖狀態(tài)強(qiáng)度很低，浸水能崩解，壓縮性能增大，手指可捏碎縱波聲速值低，聲速曲線擺動(dòng)小錘擊聲啞，鍬鎬可挖動(dòng)強(qiáng)風(fēng)化帶大部分變色，巖快中心部分尚較新鮮除石英外大部分礦物均已變異，僅巖快中心變異較輕,次生礦物廣泛出現(xiàn)巖體強(qiáng)烈破碎，呈巖塊、巖屑、時(shí)夾粘性土物理力學(xué)性質(zhì)不大均一，強(qiáng)度較低，巖塊單軸抗壓強(qiáng)度小于原巖的1/3，風(fēng)化較深的巖塊手可壓碎縱波聲速值較低，聲速曲線擺動(dòng)大錘擊聲啞，用鍬鎬開挖，偶須爆破弱風(fēng)化帶巖體表面及裂隙表面大部分變色，斷口顏色仍較新鮮沿裂隙面礦物變異明顯，有

9、次生礦物出現(xiàn)巖體一般較好，原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造清晰，風(fēng)化裂隙尚發(fā)育，時(shí)夾少量巖屑力學(xué)性質(zhì)較原巖低，單軸抗壓強(qiáng)度為原巖的1/32/3縱波聲速值較高，聲速曲線擺動(dòng)較大錘擊發(fā)聲不夠清脆，須爆破開挖微風(fēng)化帶僅沿裂隙表面略有改變僅沿裂隙面有礦物輕微變異，并有鐵質(zhì)，鈣質(zhì)薄膜巖體完整性較好，風(fēng)化裂隙少見與原巖相差無幾縱波聲速值高，聲速曲線擺動(dòng)較小錘擊發(fā)聲清脆，須爆破開挖 巖石風(fēng)化殼分帶及各帶基本特征巖石風(fēng)化殼分帶及各帶基本特征n全風(fēng)化帶：疏松、半疏松碎、塊石占95%?？v波速度5002000m/s，滲透系數(shù) 0.12.6m/d，結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度低。n強(qiáng)風(fēng)化帶：疏松、半疏松巖石夾半堅(jiān)硬巖石，疏松者占3070%，縱波速度2

10、0003000m/s，滲透系數(shù) 0.14m/d，抗壓強(qiáng)度20MPan弱風(fēng)化：上部堅(jiān)硬塊石夾半疏松碎屑，碎屑含20%，3070%結(jié)構(gòu)面發(fā)育碎屑等幾十公分。RQD5090%，縱波速度30005000m/sn微風(fēng)化：堅(jiān)硬巖石，沿裂面風(fēng)化，約1mm厚風(fēng)化皮，RQD 9095%，縱波速度50006000m/s。三 分帶的方法 工程的初勘階段：以定性分帶為主 工程的詳勘階段：以定量分帶為主n 地質(zhì)分析法地質(zhì)分析法定性分析方法 通過巖石顏色、破碎程度、礦物成分的變化n指標(biāo)定量法指標(biāo)定量法（1）聲波測(cè)試法：巖石風(fēng)化后，聲波速度變慢。據(jù)波速及波形變化確定風(fēng)化層。全風(fēng)化帶 縱波速10002000強(qiáng)風(fēng)化帶 縱波速20003000弱風(fēng)化帶 縱波速30005000微風(fēng)化帶 縱波速500060003KKKKRwny式中：Kn=n1/n2孔隙率系數(shù) K= 1/ 2 吸水率系數(shù) KR=R1/R2 強(qiáng)度系數(shù)（單軸抗壓強(qiáng)度）按風(fēng)化系數(shù)Ky大小分帶（2）風(fēng)化系數(shù)法0 . 19 . 09 . 04 . 04 . 02 . 02 . 0微新鮮弱風(fēng)化強(qiáng)風(fēng)化全風(fēng)化yyyyKKKK第四節(jié) 防治措施n風(fēng)化厚度較小，施工條件簡(jiǎn)單時(shí)，全部挖除n風(fēng)化厚度較大，數(shù)十米以上時(shí)，處理措施視具體條件而定n一般工業(yè)民用建筑物，可選擇足夠強(qiáng)度的風(fēng)化層作地基