第十一章 岩石风化

第十一章 岩石风化工程地质

第一节 概述

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（rock weathering ）。地壳表层岩石在各种风化营力（如太阳能、水、空气、生物有机体等）作用下所发生的一切物理和化学变化的地质作用称为风化作用（weathering ）。它是在地表环境，由于气温变化，气体、水和水溶液的作用，生物活动等的影响，使岩石在原地遭受破坏的过程，是在常温常压下进行的。

风化一般分为物理风化（physical weathering ）、化学风化（chemical weathering ）和生物风化( biological weathering )。

物理风化是指在气候和温度变化、岩石裂隙或空隙中水的冻溶或盐类结晶所产生的应力等作用下岩石在原地发生的机械崩解或作用或破碎过程。这种作用主要发生在地表，它使岩石裂开或崩解成大小不等的碎块，从比较完整坚硬的状态变为松散破碎的状态，在成分上并未发生显著的变化，它主要有以下方式：1）温度变化（特别是昼夜的温度）引起岩石矿物的热胀冷缩：由于组成岩石的矿物其膨胀系数各不相同，所以当温度发生变化时，各矿物颗粒会发生不均匀胀缩，岩石也会出现裂缝而逐渐松散破碎。在温差较大的地区，由于昼夜岩石表面和内部温度升高和降低的幅度不同也会产生不均匀胀缩，终始坚硬完整的岩石变成大小不等的碎块；2）冰劈作用：岩石裂隙或空隙中的水成冰时产生体积膨胀而出现冰劈作用，由于冻结和融化反复进行，促使岩石裂隙或空隙增大；3）盐分结晶的撑裂和潮解作用：岩石中含有潮解性盐类，其溶液可渗入岩石内部，在烈日照晒下，水分蒸发，盐类结晶，对周围岩石产生压力。此种作用反复进行，致使岩石崩裂。物理风化作用所形成的岩块和岩屑称为崩积物。在缓坡地带，这些岩块和岩屑撒落在基岩的表面和周围；在较陡的山坡上，岩块受重力的影响而沿山坡滚动或坠落，并在坡下堆积。

化学风化作用是指在氧、水溶液及二氧化碳等作用下，所发生的一系列复杂化学变化，引起岩石的结构构造、矿物成分和化学成分发生变化的过程。其主要方式有：1）氧化作用：是大气和水中的游离氧与矿物化合生成氧化物的过程。氧化作用可以形成新的矿物，使一些矿物中的低价元素变为高价元素而形成新的化合物，如黄铁矿氧化后生成褐铁矿。2）溶解作用：是指矿物溶于水的过程。不少矿物可以不同程度地溶入水。3）水化作用：有些矿物能够吸收一部分中性水分子参加到矿物晶格中去，形成新的含水矿物。称为水化作用。如硬石膏（4CaSO ）经水化后变成石膏（O H CaSO 242⋅）。这种作用常使矿物体积膨胀，对周围岩石产生压力，促使岩石破坏。4）水解作用：矿物在溶于水的过程中，其自身离解出的离子与水中部分离解的+H 和-

OH 离子间的交换反应，称为水解。如钾长石就容易水解，形成高岭石和二氧化碳。水解作用除改变岩石成分外，还会改变岩石的结构。5）碳酸化作用：溶于水中的2CO 形成2

3-CO 和-

3HCO ，它们可以夺取盐类矿物中的一部分金属离子，结合成易溶的碳酸盐而随水迁移，使原来的矿物分解，这种变化称为碳酸化作用。它是碳酸盐类岩石化学风化的主要作用。在化学风化过程中，岩石和矿物不仅会破碎，还会被分解，矿物的内部结构受到破坏，直至形成在地表条件下稳定的新矿物，使岩石的化学成分和物理性质都发生显著变化。

生物风化作用是由于生物的生命过程中，直接和间接引起的岩石破坏作用。它也可分为

二种类型，即生物物理风化和生物化学风化。前者如植物在生长过程中，深入岩石空隙的根系逐渐变粗、增长和加多，使岩石裂隙拓宽、加深和形成新裂隙，从而引起岩石破坏的根劈作用。后者则是通过生物的新陈代谢和生物遗体腐烂分解进行的。生物在新陈代谢过程中分泌出的各种物质以及生物死亡后分解成的腐殖质，都可以引起岩石的化学变化。

上述三类风化作用及其风化方式都具有独立的意义。但是在许多情况下，它们相伴而生，并相互影响和促进，共同破坏着岩石。如物理风化能扩大岩石的空隙和裂隙，使大块岩石破裂，增加其表面积，这有利于水、气以及生物的活动。加速岩石的化学风化；而化学风化使矿物和岩石的性质改变，破坏了原有岩石的坚固性，这就为物理风化的深入进行提供了条件。生物风化则总是与各种物理风化和化学风化配合发生。

风化壳(weathering crust)是遭受风化的岩石圈表层。风化岩(weathering rock)是指岩石经风化后在结构、成分、性质等产生不同程度变异的岩石。岩石已完全风化成土而未经搬运的称为残积土(residual soil)。

岩石遭受风化后，发生了一系列不同程度的变化，从而改变了岩石的工程特性，主要表现在：

1、岩石的矿物成分和化学成分的变化在风化过程中，原岩中的矿物逐渐解体变

异，原生矿物经受水解、水化、氧化等作用后，活动性较强的元素不断随水流

失，逐渐转化生成新的次生矿物，如铁、锰和铝的氧化物或氢氧化物，绿泥石、

绢云母等鳞片状矿物，特别是细分散的高岭石、蒙脱石、水云母等粘土矿物，

改变了岩石的性质；

2、岩石的结构构造的变化由于风化作用可使岩石的结构构造发生变化，使岩石的

完整性遭到削弱和破坏，破坏岩石颗粒间联接，扩大岩石原有裂隙，产生新的

风化裂隙，降低结构面的粗糙程度，使岩石分裂成碎块。坚硬岩石可变为软弱

岩石，甚至松散土。

3、岩石的工程地质性质的改变岩石风化后，由于其矿物成分、化学成分和结构构

造发生变化，导致岩石工程地质特性恶化。如透水性增强，抗水性减弱，亲水

性增加，强度和弹性模量降低，变形量增大等。

总之，风化后的岩石在工程建筑上优良性质减弱了，不良性质则增加了，使工程地质条件恶化。

岩石风化工程地质研究的目的有以下几点：

1.根据岩石风化的程度及其空间分布，选择最适宜的建筑物的场址，对各种工程建筑物进

行合理布局；

2.根据风化岩石物理力学性质和建筑物的类型、等级等，确定地基中需挖除的风化岩石的

厚度，即确定合理的建基面高程；

3.根据岩石风化程度、速度及各风化带岩石物理力学性质，确定基坑、路堑、船闸及露天

矿采坑合理的斜坡稳定边坡角；

4.根据岩石风化程度和特性及场地工程地质条件，选择地下洞室施工开挖的设备和方法，

确定对已风化岩石的处理措施;

5.根据岩石风化的速度、风化营力的大小和风化作用的类型及影响岩石风化因素等因素，

确定基坑、路堑敞开时的安全期限，选择防止岩石风化的措施。

所以岩石风化与工程选址布局、岩土体稳定、地基处理、文物保护、施工方法、施工期限、工程造价等非常密切。当在岩石风化强烈、风化深度较大的地区建造大型工程时，不得不采取大量挖方措施，清除部分或全部风化岩石，将其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，延误工期。所以在工程地质研究中，岩石风化常是重要的研究课题。