岩石风化

岩石风化工程地质研究

第一节概述

一、定义

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。

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。

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。

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。

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（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。

主要矿物蚀变趋势：1.斜长石：水解作用及脱钙作用。2.黑云母：水化脱钾、氧化→ 水云母化。3.辉石、角闪石：水解→绿泥石→蒙脱石。4.白云母：→伊利石→蒙脱石→高岭土5.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。

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

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。

1.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

2.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

3.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

4.人类活动人工开挖基坑、边坡、隧洞、砍伐森林等

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

二分带的标志

岩石风化壳分带及各带基本特征

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 。

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 纵波速1000~2000

强风化带 纵波速2000~3000 弱风化带 纵波速3000~5000

微风化带 纵波速5000~6000

（2）风化系数法

式中：Kn=n1/n2—孔隙率系数；K ω= 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

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

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

3

K K K K R w n y ++=

⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧≤0.19.09.04.04.02.02.0～＝——微－新鲜～＝——弱风化～＝——强风化——全风化y y y y K K K K