工程地质3第三章概要

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1、长江口,第三章 风化与地表流水的地质作用,学 习 内 容,第一节 风化作用 一. 风化作用的概念和类型 二. 影响风化作用的主要因素 三. 岩石的风化程度分级与分带 四. 残积层 第二节 暂时性流水的地质作用 一. 坡面细流地质作用 二. 山洪急流地质作用 第三节 河流的地质作用(五项见后),第一节 风化作用,一. 风化作用的概念及类型： 1.风化作用- 地壳表层的岩石，在太阳辐射、大气、水和生物等风化营力的作用下，发生物理和化学的变化，使岩石崩解破碎以至逐渐分解-（破坏-疏松松散、裂缝、新矿物）的作用。 2.风化作用的类型 :依据占优势的风化营力和岩石的变化可将风化作用分为： 1）.物理风化

2、作用 2）.化学风化作用 3）.生物风化作用,1).物理风化作用,在地表或接近地表条件下，岩石、矿物在原地发生机械破碎而不改变其化学成分、不形成新矿物的作用，称为物理风化作用或机械风化作用。,物理风化的类型（主要方式）,温差风化:温差可促使岩石膨胀和收缩交替地进行，久而久之则 引起岩石破裂。 冰冻风化:充填在岩石裂隙中的水分结冰使岩石破坏的作用。 岩石释重:上覆岩层遭受剥蚀而卸荷时，岩石释重，产生向上或向外的膨胀作用，形成一系列与地表平行的裂隙。 可溶盐的结晶与潮解：可溶盐溶液在岩石的孔隙和裂隙中结晶时的撑裂作用，使裂隙逐渐扩大，岩石松散破坏。 此外还有泥岩的干湿循环开裂、,.岩石的热胀冷缩,

3、球状风化,细砂岩、中浅层侵入岩等岩性均一的岩石最易发生,.冰劈作用(干寒区) 岩石裂隙中的水结冰后体积会增大，达 到一定限度后岩石就会崩解滚落。 条件：a.岩石有贯通的空隙，可使水渗入 并流动（封闭空隙如气孔不行）； b.有足够的水分； c.温度常在冰点上下波动。,冰冻风化作用,高纬度地区、中纬度高山区最甚,倒石锥：冰冻风化作用产生的岩石碎屑坠落至山麓堆积而成,潮解性盐类 在夜间 潮解 在白天 盐类结晶，对周围岩石产生压力,.盐类结晶的撑裂作用,反复进行，能使岩石撑裂。此作用主要见于气候干旱地区。,吸收水分,溶解盐类 渗入岩石内部,烈日照晒,296-14,岩石从地下深处变到地表条件时由于上覆静

4、压力减小而产生张应力形成一系列与地表平行的宏观和微观的内部破裂面。形成这种裂隙构造的作用称为剥离作用。,岩石的释荷,.,层裂作用,深部岩石被抬升、出露地表, 因“卸载”导致岩石体积膨胀（外层较内部膨胀更甚）,形成平行地表的裂隙（层状节理）,2）.化学风化作用,定义：处于地表的岩石，与水溶液和气体等在原地发生化学反应逐渐使 岩石破坏，不仅改变其物理状态，同时也改变其化学成分，并可形成新矿物的作用。 化学风化作用的方式主要有：,溶解度对于岩石卤化物(岩盐、钾盐) 硫酸盐（石膏） 碳酸盐（石灰 岩） 硅酸盐 溶解度 对于矿物方解石橄榄石辉石角闪石滑石蛇纹石斜长石正长石黑云母白云母石英。,溶蚀的条件：

5、裂隙发育的可溶性岩石；具有可溶解能力流动的水。,水与可溶盐的作用，使岩石溶解破坏，当岩石中存在裂隙并连通时，水沿裂隙流动并溶解周围岩石，扩大裂隙，使岩体的整体性发生破坏。,. 溶解作用:水直接溶解岩石中矿物的作用 。,矿物的结晶顺序：,(2)矿物成分 硅铝矿物：主要由Si, Al的氧化物组成，色浅，因此也叫浅色矿物 如石英、长石等。 铁镁矿物：这些矿物中FeO, MgO含量较高，SiO2, Al2O3含量较少， 由于其颜色多较暗，因此也叫暗色矿物或深色， 如橄榄石、角闪石等。, . 水化作用:矿物与水作用时，吸收水分作为自己的组成部分，形成含水的新矿物。含水矿物的硬度大大低于不含水时，其组成的

6、岩石强度低、易风化。吸水时体积膨胀，对周围岩体产生挤压使其破坏，同时在一定条件下又可释放水而体积收缩，同样可使自身及周围岩体破坏。 . 水解作用：矿物(盐类)遇水后离解，与水的+和（OH）-离子起化学作用形成新的化合物 。 . 碳酸化作用：溶于水中的CO2形成CO3、HCO3离子与矿物中金属离子结合成易溶的碳酸盐类，随水流失，原有矿物分解成新矿物残留. . 氧化作用：地下一些元素低价化合物的矿物在地表富氧的条件下，转化为高价化合物原有矿物解体，形成新矿物的过程.矿物中元素与氧结合，形成新矿物，氧化作用尤其对金属矿物和含铁矿物的风化表现强烈。,氧化作用 形成的褐铁矿使岩石染色成砖红色,溶解作用,

7、酸性溶液使岩石、矿物分解破坏的过程 空气中的 CO2 使雨水呈弱酸性（pH 5.5-6) 土壤中生物的呼吸作用及有机质的腐烂产生CO2 、形成碳酸及有机酸 燃烧化石燃料（煤、石油、天然气）会释放出 CO2、NO2、SO2，形成“酸雨”.,有些矿物可被完全溶解： CaCO3 CO2 H2O Ca2 HCO3,3).生物风化,定义:岩石在动植物及微生物影响下发生的破碎以致分解的作用，称为生物风化作用。 其作用方式有: 生物机械风化作用：主要是通过生物的生命活动来进行的。 生物化学风化作用：通过生物的新陈代谢和生物死亡后的遗体腐烂分解来进行的。 总之： 物理和化学风化同时进行、互相促进：开始岩体完整

8、时以物理风化为主，后期以化学风化或生物化学风化为主；不同地区自然条件不同，为主的风化类型也不同，干旱温差大的地区以物理风化为主，湿润温暖地区以化学或生物化学风化为主。,根劈作用,生物物理风化作用-生长在裂隙中的植物的根系使裂隙扩大、引起岩石崩解,风化产物的特点,物理风化-碎屑物颗粒较粗，粘结性和吸水性较差，但内摩擦角较大； 化学风化-的产物颗粒细小，内聚力较大，粘结性较好，吸水能力强，内摩擦角较小； 生物风化-往往是在物理和化学风化的基础上进行，但它的发生条件和影响因素与化学风化相近，因此风化物质的性质与化学风化接近，只是其中含有的有机质带来性质的改变是明显区别。,风化产物中,Fe2O3Al2

9、O3TiO2含量均比原岩增加； CaONa2OK2OMgO则显著减少； SiO2的含量比原岩少（岩石中的SiO2以胶体形式迁移）；但在砂岩或粉砂岩）中会增加（砂、粉砂为石英质，不溶解，胶结物被溶解迁移。 增加了新矿物高岭石、褐铁矿、铝土矿、蛋白石。,二.影响风化作用的因素（内外因）,1、气候的影响：,干燥寒冷地区：物理风化为主，程度差，速度慢，产物以岩石碎屑为主。 潮湿温暖地区：化学风化为主，生物风化，程度高，速度快，矿物分解彻底.产物以大量残留粘土为主。,温度 温差大、冷热变化频繁有利于物理风化；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。

10、降雨（湿度） 各种化学风化是水（CO2，O2）参与下完成的，运动的水及矿物质运移，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。,2。 岩石性质的影响,1）.岩石类型： 出露地表的三大岩类抗风化的能力不同。 沉积岩（碎屑岩 化学岩、生物岩） 岩浆岩（酸性岩 基性岩） 变质岩 (浅变质 深变质) 2）不同矿物抗风能力不同（石英、方解石） 火成岩中抗风化能力增强与鲍温反应系列相反。 单矿物岩石 抗物理风化能力强。 复矿物岩石 抗物理风化能力弱，有利物理风化。 不同元素具有不同的化学活性，性质活泼，性质活泼的元 素易化学风化。 同种元素在不同的化不物中风化性质不同，石灰岩中的Ca

11、 易风化，长石中的Ca难风化,3）.岩石结构、构造,3. 地质构造,地质构造造成地表起伏为风化创造条件； 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为风化营力进入提供条件等。 断层带（裂隙密集带)-囊状风化 层理面：差异风化崩塌等 节理、裂缝面：球形风化,4.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:越高越易风化 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 坡度:起伏大风化物易带走 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 坡向：南坡比北坡易风化,5.其它因素,地壳运动 强烈上升

12、期：风化速度快，风化壳厚度小 相对稳定期：风化彻底，风化壳厚度大 快速下降期: 以沉积作用为主 人类活动 人工开挖基坑、边坡、隧洞、砍伐森林等都可加快风化。,三.岩石分化程度的分级与分带,分带的意义及可能性： 地基：选择基础埋深位置 边坡：选择稳定的边坡高度和坡度 不同深度岩石与风化营力接触时间和程度不同,因此从表至深部岩体的分化程度也不同.在整个风化剖面上，风化程度不同的岩石表现出不同的物理、矿物组合特征及物理、水理、力学性质，即从地表至深部新鲜基岩，风化是逐渐过渡的。,1.岩石风化的变化现象-分级与 分带的标志： 岩石的颜色与光泽：未经风化的岩石，其造岩矿物保持着固有的颜色和光泽。岩石受到

13、风化后，其中的深色矿物就会变浅变暗，并失去原来的光泽。 岩石的矿物成分：岩石受到风化后，会引起其中某些易风化的矿物发生次生变化。 岩石的破碎程度：风化程度愈深，风化裂隙愈发育，则岩体被裂隙割切得愈破碎。 岩石强度的变化：岩石遭受风化后，整体性破坏，矿物颗粒间的联结削弱，矿物成分发生次生变化，力学强度降低 。由上至下： 孔隙性、压缩性由大变小 吸水性由强弱 弹性波速由小大 强度由低高,2.分级与分带的原则,.充分反映岩石风化程度变化的客观规律，反映各风化分级与分带岩石所具有的不同特征； .分级与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进行分级与分带； .宏观分带应与微观分级

14、统一，分级与分带数目既不要过多，也不太少。多采用 三分法、四分法、五分法； 一般常用四分法,分为：全风化带、强风化带、弱风化带、微风化带,3、分级与分带的方法,工程的初勘阶段：以定性分级与分带为主。 工程的详勘阶段：以定量分级与分带为主。 定性分析法地质分析方法： 通过岩石光泽颜色、破碎程度、矿物成分的变化等。 指标定量法：有多种方法，如： （1）. 声波测试法，岩石风化后声波会变慢： 全风化带 纵波速：1000-2000 强风化带 纵波速：2000-3000 中风化带 纵波速：3000-5000 微风化带 纵波速： 5000-6000,Kn=n1/n2孔隙率系数 K= 1/ 2 吸水率系数

15、KR=R1/R2 强度系数（单轴抗压强度）,按风化系数Ky大小较小分带,(2). 风化系数法,4.岩石风化程度的微观分级(对硬质岩),岩石风化程度的微观分级(对软质岩),可大致归结为: 风化程度 岩石结构 矿物成分 破碎性 未风化 未变 未变 微风化 基本未变 基本未变 无疏松物质 弱风化 部分破坏 稍微变质 有松散物质 强风化 大部分破坏 显著变化 疏松物与坚硬 体混杂 全风化 全部破坏 风化成土状 不含坚硬块体,5.风化岩层的宏观分带：,岩石的风化是由表及里的，地表部分受风化作用的影响最显著，由地表往下风化作用的影响逐渐减弱以至消失。,粉碎带（全风化带）,碎石带（强风化带）,块石带（中风化带）,整石带（微未风化带）,从工程地质的角度，一般把风化岩层自上而下分为以下四个带：,岩石风化壳分带及各带基本特征,四.风化产物-残积层,1. 残积层定义： 地表岩石经过长期风化作用以后，改变了矿物成分、结构和构造，形成和原来岩石性质不同的风化产物，其中的除一部分易溶物质被水溶解流失外，大部分物质残留在原地，这种物质称为残积物，这种风化层称为残积层。 2. 特点： 物质组成：受下伏基岩的岩性与风化类型控制，主要由碎石、碎岩屑、砂、粘土组成。 结构与构造：未经搬运，直接与基岩接触，呈逐渐过渡关系。无磨圆、颗粒棱角分明，无分选、大小不均，无层理（有时伴有