動力工程地質(zhì)：3 巖石風(fēng)化工程地質(zhì)研究

1、專題三 巖石風(fēng)化的工程地質(zhì)研究提 要概述影響巖石風(fēng)化的因素風(fēng)化殼的垂直分帶防治巖石風(fēng)化的措施一、定義風(fēng)化：巖石在各種風(fēng)化營力作用下，發(fā)生的物理和化學(xué)變化過程。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。第一節(jié) 概述二、風(fēng)化類型物理風(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)成分和礦物成分明顯變化的現(xiàn)象。 主要

2、發(fā)生在干旱寒冷的地區(qū)，風(fēng)化深度相對較小?；瘜W(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。 多發(fā)生于溫暖潮濕的地方，風(fēng)化深度可達(dá)百米以上。生物風(fēng)化：既有物理風(fēng)化特點(diǎn)，又具有化學(xué)風(fēng)化特征。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 。 多發(fā)生于溫暖潮濕的地方，風(fēng)化深度可達(dá)百米以上。主要化學(xué)風(fēng)化作用：氧化、溶解、水化、水解、碳酸化和硫酸化等作用。 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。巖石的礦物成分和化學(xué)成分發(fā)生變化 可溶礦物溶解流失，耐風(fēng)化礦物殘

3、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。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 壓縮性變增大（由基巖粘土） 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。 三、風(fēng)化結(jié)果及工程意義工程意義 總體上： 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、工程造價等方面都有重要意義?；A(chǔ)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) 影響巖石風(fēng)化的因素一、 氣候因素溫度 溫差大、冷熱變化頻率快有利于物理風(fēng)化；溫度變化對巖石在水中的溶解度和化學(xué)反應(yīng)速度、水溶液濃度都有有較大影響，從而

4、影響化學(xué)風(fēng)化的速度。降雨（濕度） 各種化學(xué)風(fēng)化是水（CO2，O2）參與下完成的，運(yùn)動的水及礦物質(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 礦物成分：抗風(fēng)化能力 氧化物硅酸鹽碳酸鹽和硫化物 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）變質(zhì)巖：淺變質(zhì)巖中等變質(zhì)巖深變質(zhì)巖沉積巖：抗風(fēng)化能力大于巖漿巖、變質(zhì)巖。化學(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

5、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。主要礦物蝕變趨勢：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。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化學(xué)成分活動性強(qiáng)的元素：K、Na等，隨水流失?；顒有匀醯脑兀篎e、Al、Si等，殘留在原地。含活動元素多者易于風(fēng)化。同一種元素，所組成的化合物不同，巖石的抗風(fēng)化能力也不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)單一礦物組成的巖石抗風(fēng)化能力較強(qiáng)：單礦巖復(fù)礦巖礦物成分相同：等粒結(jié)構(gòu)不等粒

6、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Si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。三 地質(zhì)構(gòu)造地質(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斷層帶（裂隙密集帶）：囊狀風(fēng)化層理面：差異風(fēng)化崩塌等節(jié)理、裂縫面：球形風(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。高度海拔高地區(qū)：以物理風(fēng)化為主海拔低地區(qū)：化學(xué)風(fēng)化速度較快坡度陡坡地段：風(fēng)化速度較大，風(fēng)化殼較薄緩坡地段：風(fēng)化速度較慢，風(fēng)化殼較厚其它因素地殼運(yùn)動強(qiáng)烈上升期：風(fēng)化速度快，風(fēng)化殼厚度不大穩(wěn)定期：風(fēng)化徹底，風(fēng)化殼厚度大人類活動 人工開挖基坑、邊坡、

7、隧洞、砍伐森林等不同深度巖石與風(fēng)化營力接觸時間和程度不同礦物風(fēng)化具有階段性 鉀長石絹云母水云母高嶺石 黑云母蛭石蒙脫石高嶺石 總之：在整個風(fēng)化剖面上，風(fēng)化程度不同的巖石表現(xiàn)出不同的物理、礦物組合特征。從地表至深部新鮮基巖，風(fēng)化是逐漸過渡的。第三節(jié) 風(fēng)化巖的垂直分帶一 分帶的意義及可能性地基：選擇基礎(chǔ)埋深位置邊坡：選擇穩(wěn)定的邊坡高度和坡度二 分帶的原則 1.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； 2.分帶的標(biāo)志應(yīng)有代表性、明確，便于掌握； 3.將定性與定量結(jié)合起來； 4.分帶數(shù)目既不要過多，也不太少。一般采用 三分法、四分法、五分法四分法：全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)

8、化帶、微風(fēng)化帶風(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，聲速曲線擺動小錘擊聲啞，鍬鎬可挖動強(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

9、速值較低，聲速曲線擺動大錘擊聲啞，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三 分帶的標(biāo)志顏色風(fēng)化巖石在外觀上表現(xiàn)出顏色的差異破碎程度：風(fēng)化程度越深，原巖破碎程度愈大

10、從深部完整新鮮巖石至地表：巖塊塊石碎石砂粒粉粘?？傮w上： 上部以粉粘粒為主，夾砂粒、碎石 下部以塊石、碎石為主，裂縫中夾粉粘粒、砂粒礦物成分變化：不同風(fēng)化帶、礦物組合特點(diǎn)不同劇風(fēng)化帶：除石英外，大部分礦物已經(jīng)變異，形成穩(wěn)定的礦物，如粘土礦物弱、微風(fēng)化帶：礦物變異主要發(fā)生在塊石裂縫周圍，形成薄膜水理性質(zhì)及物理力學(xué)性質(zhì)的變化由上至下：孔隙性、壓縮性由大變小吸水性由強(qiáng)弱波速由小大強(qiáng)度由低高全風(fēng)化帶：疏松、半疏松碎、塊石占95%?？v波速度500-2000m/s，滲透系數(shù) 0.1-2.6m/d，結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度低。強(qiáng)風(fēng)化帶：疏松、半疏松巖石夾半堅(jiān)硬巖石，疏松者占30-70%，縱波速度2000-3000m/

11、s，滲透系數(shù) 0.1-4m/d，抗壓強(qiáng)度20MPa弱風(fēng)化：上部堅(jiān)硬塊石夾半疏松碎屑，碎屑含20%，30-70%結(jié)構(gòu)面發(fā)育碎屑等幾十公分。RQD50-90%，縱波速度3000-5000m/s微風(fēng)化：堅(jiān)硬巖石，沿裂面風(fēng)化，約1mm厚風(fēng)化皮，RQD 90-95%，縱波速度5000-6000m/s。 四、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、礦物成分的變化指標(biāo)定量法(1)聲波測試法：巖石風(fēng)化后，聲波速度變慢全風(fēng)化帶 縱波速1000-2000強(qiáng)風(fēng)化帶 縱波速2000-3000弱風(fēng)化帶 縱波速3000-5000微風(fēng)化帶 縱波速5000-6000Kn=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大小較小分帶(2) 風(fēng)化系數(shù)法第四節(jié) 防治措施 風(fēng)化厚度較小，施工條件簡單時，全部挖除。 風(fēng)化厚度較大，數(shù)十米以上時，處理措施視具體條件而定。 一般工業(yè)民用建筑物，可選擇足夠強(qiáng)度