1、第三章 風(fēng)化作用,土的形成經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史過(guò)程。裸露于地表的巖石在溫度和濕度不斷發(fā)生變化的過(guò)程中反復(fù)產(chǎn)生不均勻的膨脹和收縮，并在此過(guò)程中產(chǎn)生了大量的裂隙。裂隙的產(chǎn)生為大氣水和植物根系進(jìn)入巖體內(nèi)部提供了可能。進(jìn)入巖體裂隙的大氣水或凝結(jié)水在氣溫進(jìn)一步下降時(shí)結(jié)冰膨脹，加之植物根系的生長(zhǎng)、發(fā)育，劈裂作用使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，并最終使原來(lái)完整的巖石崩解、碎裂。風(fēng)、霜、雨、雪的侵蝕和重力作用使已經(jīng)變得十分破碎的表面巖石剝離，上述作用進(jìn)一步向內(nèi)部巖體中發(fā)展。 被剝離的巖石碎塊、巖屑等在雨、雪水流、風(fēng)力等的夾帶下向別處搬運(yùn)，并在地殼相對(duì)下降的地方堆積起來(lái)。在搬運(yùn)過(guò)程中，土顆粒進(jìn)一步破碎分散，并使其中較大的顆粒

2、變得渾圓光滑。與此同時(shí)，空氣中的二氧化碳、氧氣、二氧化流及地表水和地下水還會(huì)在與巖石及巖石顆粒的直接接觸過(guò)程中發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，從而生成新的礦物。上述作用會(huì)使已經(jīng)破碎的巖石顆粒變得更加細(xì)小甚至非常細(xì)小。以上就是巖石風(fēng)化成土的過(guò)程。 我們將裸露于地殼表面的基巖或裂隙面附近的巖石在各種外力地質(zhì)作用下產(chǎn)生的崩解、碎裂和變質(zhì)通稱為巖石的風(fēng)化；將被風(fēng)化的巖石在風(fēng)、雨及重力等的作用下從巖石母體上剝落成為破碎狀的巖石塊體或者巖屑的過(guò)程稱之為剝蝕。,第一節(jié) 物理風(fēng)化作用,風(fēng)化促使巖石的狀態(tài)或性質(zhì)發(fā)生了改變，并形成了一種與原來(lái)巖石的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、物質(zhì)成分等不完全相同甚至可以說(shuō)完全不同的新物質(zhì)。 巖石風(fēng)化

3、后，其物質(zhì)狀態(tài)、物理力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)等均發(fā)生了劇烈的變化。很多情況下，風(fēng)化能使巖石破碎，形成細(xì)小顆粒的次生粘土礦物高嶺石、蒙脫石及伊利石等，改變了巖石的礦物成分。同時(shí)，在風(fēng)化帶中常有可溶鹽的富集，如碳酸鈣及石膏。由于巖石風(fēng)化后，節(jié)理、裂隙發(fā)育，使巖石整體性降低，孔隙度增加，抗剪、抗壓強(qiáng)度降低，透水性增大，這為地下水活動(dòng)創(chuàng)造了條件。地下水的滲入，又促進(jìn)巖石進(jìn)一步風(fēng)化。如有些巖石直接暴露在大氣中一、二天就開始風(fēng)化崩解。巖石不同，其在相同條件下的風(fēng)化情況不同，巖石相同，風(fēng)化作用性質(zhì)不同、經(jīng)受的風(fēng)化程度不同、沉積環(huán)境不同，其生成物的性質(zhì)也不盡相同。,顯然，一般情況下不宜將建筑物設(shè)置在風(fēng)化嚴(yán)重的巖層上

4、，但是工程中又往往不可能完全避開風(fēng)化巖層。如隧道進(jìn)出口地段的巖層，大多有不同程度的風(fēng)化，施工中如不注意加強(qiáng)支護(hù)，易造成崩塌。對(duì)有些易風(fēng)化的巖層，在隧道施工開挖后，要及時(shí)作支護(hù)，防止巖石繼續(xù)風(fēng)化失穩(wěn)增加山體壓力，否則會(huì)引起坍塌。風(fēng)化巖層中的路塹邊坡不宜太陡，同時(shí)還要采取防護(hù)措施。風(fēng)化的巖石更不宜作建筑材料。因此，從工程建筑觀點(diǎn)來(lái)研究巖石的風(fēng)化特性、分布規(guī)律，對(duì)選擇建筑物的合理位置，如隧道的進(jìn)出口位置，路塹邊坡坡度，隧道的支護(hù)方法及襯砌厚度，大型建筑物的地基承載力和開挖深度以及合理的選擇施工方法等有著重要的意義。 風(fēng)化作用的實(shí)質(zhì)是礦物、巖石在地表附近新的物理化學(xué)條件下所產(chǎn)生的演化過(guò)程。如前所述，自

5、然界中不同的巖石，在不同的自然環(huán)境里其反應(yīng)亦不同；在相同的自然環(huán)境條件下，巖石種類不同，其對(duì)環(huán)境變化的反應(yīng)亦不同。因?yàn)楦鞣N巖石在生成時(shí)，各具有其特殊性。如巖漿巖是高溫熔融的巖漿在地殼中或地面上冷卻凝固而成；沉積巖是地面上堆積起來(lái)的沉積物，經(jīng)過(guò)脫水、壓密、膠結(jié)及硬化而形成；而變質(zhì)巖則是經(jīng)高溫高壓以及活動(dòng)性化學(xué)元素參與下形成的巖石。,因此，當(dāng)各種巖石由于地殼運(yùn)動(dòng)使其長(zhǎng)期暴露在地表以后，就改變了巖石原來(lái)的環(huán)境條件，使其處于一種新的物理化學(xué)條件中，巖石為了適應(yīng)新的條件，在地表的溫度和壓力，大氣、水、生物活動(dòng)的長(zhǎng)期作用下，改變了原來(lái)的性質(zhì)，變成了新的疏松物質(zhì)，或物質(zhì)成分發(fā)生了變化。 巖石遭受風(fēng)化作用的時(shí)

6、間愈長(zhǎng)，巖石破壞得就愈嚴(yán)重。另外，從不同巖石的風(fēng)化速度來(lái)看，有的巖石風(fēng)化過(guò)程進(jìn)行得很緩慢，其風(fēng)化特征只有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期暴露地表以后才能顯示出來(lái)；而有的巖石則相反，如泥巖、頁(yè)巖及某些片巖等，當(dāng)基坑開挖后不久，很快就風(fēng)化破碎，所以在施工中必須采取相應(yīng)的工程防護(hù)措施。根據(jù)巖石風(fēng)化的自然因素和風(fēng)化物質(zhì)的性質(zhì)，可將風(fēng)化劃分為物理風(fēng)化（機(jī)械風(fēng)化）、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化作用三種類型，其中生物風(fēng)化可或者歸結(jié)為物理風(fēng)化、或者歸結(jié)為化學(xué)風(fēng)化，即風(fēng)化作用中的兩種最基本類型為物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化。,一、物理風(fēng)化作用 一切只改變巖石的完整性或改變已碎裂的巖石顆粒大小和形狀，而未能產(chǎn)生新礦物的風(fēng)化作用（含植物根系的劈裂作用以及搬運(yùn)

7、過(guò)程中的破碎、磨圓過(guò)程）稱為物理風(fēng)化作用或機(jī)械風(fēng)化作用。 二、物理風(fēng)化作用的類型 通過(guò)對(duì)物理風(fēng)化的進(jìn)一步研究可以得到，物理風(fēng)化作用可被細(xì)分為以下類型： （1）溫度應(yīng)力引起的脹縮作用。位于我國(guó)西北的大青山、天山山脈，其山體表面多覆蓋有一定厚度的碎裂巖石塊體和巖屑物質(zhì)，這些主要是基巖在反復(fù)的脹縮循環(huán)中發(fā)生碎裂的產(chǎn)物?？脊殴ぷ髡咴谖覈?guó)山西峙峪發(fā)現(xiàn)了距今23萬(wàn)年前舊石器時(shí)代的一個(gè)古采石場(chǎng)，在沒(méi)有其它工具的情況下，我們的先祖根據(jù)觀察得到的巖石脹縮破碎現(xiàn)象，用火烤、水激的方法，使巖石碎裂，再用木棍撬下，用以制作狩獵和生活所需的石器、工具。圖3-1示意了溫度作用下巖石的崩解過(guò)程；圖3-2所示為暴露于地表的山

8、體巖石風(fēng)化崩解情況。,圖3-1 溫度作用引起的巖石崩解過(guò)程示意,圖3-2 山體表面巖石的崩解碎裂,圖3-3 冰晶體對(duì)巖石的劈裂破壞示意,（2）裂隙中的冰以及其他結(jié)晶體產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力引起的劈裂作用（除冰以外，硫酸鈣結(jié)晶體也有很強(qiáng)的膨脹作用）。一旦巖石中出現(xiàn)了細(xì)微裂隙，大氣降水就會(huì)滲入其中，水分的進(jìn)入或者會(huì)在低溫時(shí)形成冰楔體沿裂縫兩側(cè)擠壓巖石，或者與巖石中的某些物質(zhì)反應(yīng)形成結(jié)晶膨脹體擠壓巖石，使巖石中原有的裂縫加寬、增長(zhǎng)，并為更多水分進(jìn)入巖體內(nèi)部創(chuàng)造了條件，逐步使巖石風(fēng)化崩解。 （3）巖體因卸荷而引起的膨脹崩解。隨著上覆巖石不斷被風(fēng)化剝蝕，原來(lái)處于地層深處的巖體距地表面愈來(lái)愈近，上覆重力愈來(lái)愈小，

9、在重力卸荷作用下，巖體會(huì)產(chǎn)生明顯上彈（膨脹），嚴(yán)重時(shí)就會(huì)產(chǎn)生卸荷裂隙。,圖3-4 樹木根系對(duì)巖石的劈裂破壞示意,（4）樹木生長(zhǎng)過(guò)程中的根劈作用。巖石的裂縫中除含有一定的水分外，還會(huì)充填入一定量的塵土，這樣一來(lái)樹木就可在其中生存，隨著樹木的成長(zhǎng)，其根系也不斷壯大；更加之巖石表層裂隙中的水分有限，為了獲取樹木生長(zhǎng)所需的更充足的水分，巖石裂隙中的植物根系更為發(fā)達(dá)。植物根系的生長(zhǎng)壯大必然擠壓巖石裂縫，使其擴(kuò)大、增密，導(dǎo)致巖石產(chǎn)生風(fēng)化，并為風(fēng)化向巖石內(nèi)部發(fā)展創(chuàng)造了條件。,（5）重力作用下的巖塊碎裂和搬運(yùn)過(guò)程中的碰撞、磨圓。在自身重力作用下，在巖石的碎裂塊體從高處向山坡下方滾動(dòng)的過(guò)程中，在風(fēng)力及流水搬運(yùn)巖

10、石碎裂塊體的過(guò)程中，巖石的碎裂塊體之間或碎裂塊體與地面之間會(huì)不斷發(fā)生碰撞，碰撞過(guò)程中，巖石塊體會(huì)變得渾圓起來(lái)并進(jìn)一步破碎變小。 （6）風(fēng)的剝蝕作用（同時(shí)為進(jìn)一步的風(fēng)化創(chuàng)造了條件）。季節(jié)風(fēng)的作用是干旱和半干旱地區(qū)地表巖石風(fēng)化不可忽視的一個(gè)因素。風(fēng)力將崩裂的巖石碎塊從母巖上剝離，同時(shí)又為風(fēng)化進(jìn)一步深入巖石深部創(chuàng)造了條件。,第二節(jié) 化學(xué)風(fēng)化作用,化學(xué)風(fēng)化作用是風(fēng)化作用中的另外一種類型，這類風(fēng)化作用的結(jié)果不僅僅改變了原有巖石的連續(xù)性和完整性，而且在改變巖石物質(zhì)狀態(tài)的同時(shí)改變了巖石中原有的礦物成分。 一、化學(xué)風(fēng)化作用 我們將一切改變了巖石中原有礦物成分的風(fēng)化作用統(tǒng)稱為化學(xué)風(fēng)化作用。生物生長(zhǎng)中的新陳代謝、

11、生物腐蝕和水引起的礦物溶解、再結(jié)晶、水化、水解以及大氣引起的氧化、碳酸化、硫酸化等，均會(huì)使原有的巖石礦物成分發(fā)生改變，并產(chǎn)生新礦物，這類風(fēng)化作用都屬于化學(xué)風(fēng)化作用。即化學(xué)風(fēng)化是質(zhì)變風(fēng)化、是改變?cè)瓉?lái)巖石的物質(zhì)成分的風(fēng)化作用。 二、化學(xué)風(fēng)化作用的類型 同物理風(fēng)化作用一樣，化學(xué)風(fēng)化作用也可被細(xì)分為若干類型，其中常見的有以下類型：,1 水的作用 水的風(fēng)化作用可細(xì)分為水化作用、水解作用、溶解溶蝕和再結(jié)晶作用。 （1）水化作用 某些礦物和水接觸后，水分子便能夠進(jìn)入礦物的結(jié)晶體或微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部成為結(jié)晶水，水分子的進(jìn)入不僅改變了原有礦物的結(jié)構(gòu)形態(tài)并增加了物質(zhì)成分，也使其具有了某些新的性質(zhì)，即原礦物在水的作用下改

12、變成了新的礦物，水對(duì)礦物的這種作用稱為水化作用。例如： （石膏遇水變成二水石膏） （芒硝） （2）水解作用： 某些礦物遇水后其原有的物質(zhì)成分和一定量的水分發(fā)生物質(zhì)重組（和水分子發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)），生成新物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)形態(tài)也完全改變，水對(duì)礦物的這種作用稱為水解作用。例如： 水解作用是硅酸鹽類礦物最重要的一種化學(xué)風(fēng)化方式。,（3） 溶解溶蝕和再結(jié)晶 大氣降水是一種溶液，常含有 等酸性物質(zhì)，尤其是在工業(yè)化污染十分嚴(yán)重的今天。當(dāng)大氣降水從巖石的表面特別是巖體裂隙中流過(guò)時(shí)，巖石中的一部分物質(zhì)成分溶于水中和水流一起流走，水對(duì)巖石的這種作用稱為溶解溶蝕作用。在自然界中經(jīng)?？梢砸姷綆r體中發(fā)育有很寬的水溶裂縫、溝渠

13、、洞穴等各種空洞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成地表的塌陷，這種現(xiàn)象就是巖溶現(xiàn)象，巖溶地貌就是地下水對(duì)石灰?guī)r、白云巖等可溶性巖石地層長(zhǎng)期溶解溶蝕的結(jié)果。地下水對(duì)石灰?guī)r溶解作用的反應(yīng)式如下： 重碳酸鈣溶于水中被水流帶走，并最終在石灰?guī)r地層中形成溶洞。需要指出的是，巖鹽、石膏比石灰?guī)r和白云巖更易溶解。,圖3-5 形成于小三峽崖壁上的再結(jié)晶石芽,含有大量重碳酸鈣的巖溶水在以下條件下又會(huì)產(chǎn)生再結(jié)晶： 巖溶水出露地面或從裂隙中流出時(shí)，由于壓力降低，水中的二氧化碳逸出，重碳酸鈣還原為碳酸鈣從水中析出并再結(jié)晶。 溫度的降低使水對(duì)礦物的溶解度降低，導(dǎo)致部分礦物析出并再結(jié)晶。 水分的蒸發(fā)使礦物重新結(jié)晶出來(lái)。 不同溶液的混合使水

14、中的部分礦物質(zhì)沉淀析出。,2 氣體的作用 氣體對(duì)巖石的風(fēng)化作用主要有： （1） 氧化作用: （黃鐵礦） (硫酸亞鐵) (硫酸) （2） 碳酸化作用: (正長(zhǎng)石) （高嶺石） （石英） （3） 酸雨及硫酸化作用。,3 生物的化學(xué)風(fēng)化作用 生物的風(fēng)化作用有兩種，一種是生長(zhǎng)在巖石裂隙中的植物根系的膨大對(duì)巖石的劈裂作用，是生物的機(jī)械作用，屬物理風(fēng)化的范疇，該作用作為物理風(fēng)化的一種類型在前面已經(jīng)作了介紹。另一種就是生物生長(zhǎng)中的新陳代謝物、腐蝕物、分泌物對(duì)巖石的破壞作用及微生物對(duì)巖石的風(fēng)化作用。這些顯然屬于化學(xué)風(fēng)化作用的范疇，也可稱其為生物化學(xué)風(fēng)化作用或簡(jiǎn)稱化學(xué)風(fēng)化作用。,第三節(jié) 影響風(fēng)化作用的因素,一、

15、巖石的礦物成分 巖石化學(xué)風(fēng)化的本質(zhì)是巖石中各種礦物成分的變質(zhì)，物理風(fēng)化同樣與組成巖石的礦物成分有關(guān)。按風(fēng)化的難易程度，我們可將礦物劃分如下： （1）穩(wěn)定性礦物，如白云母、石英、石榴石等。 （2）較穩(wěn)定性礦物，例如：輝石、角閃石、黑云母、正長(zhǎng)石等。 （3） 不穩(wěn)定性礦物，例如：斜長(zhǎng)石、橄欖石等。 巖石中的不穩(wěn)定性礦物含量越高，抗風(fēng)化能力越低。 二、巖性 巖性包括巖石的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、礦物顆粒大小與形狀、孔隙率、吸水率、堅(jiān)固性等物理力學(xué)性質(zhì)。結(jié)構(gòu)致密、巖性堅(jiān)固、孔隙率和吸水率小的巖石其抗風(fēng)化能力就好，反之就易風(fēng)化。,三、地質(zhì)構(gòu)造與巖體的結(jié)構(gòu)性 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巖體的結(jié)構(gòu)性有很大的影響，而巖體的結(jié)構(gòu)性（巖體結(jié)

16、構(gòu)面的產(chǎn)狀、交匯切割情況、間距大小以及巖體裂隙的張開性、充填情況、滲透性等）又對(duì)巖體的抗風(fēng)化能力有很大影響。巖體的結(jié)構(gòu)面愈發(fā)育、裂細(xì)愈大、充填情況愈差、滲透性愈好就愈易風(fēng)化。 四、氣候狀況與地表水 氣溫高、雨量充足、濕度大、植物生長(zhǎng)茂盛的我國(guó)南方地區(qū)以化學(xué)風(fēng)化為主，溫差大、雨量少、干燥、植被差、風(fēng)力作用強(qiáng)烈的我國(guó)北方地區(qū)則以物理風(fēng)化為主。 五、地貌與地下水 地貌對(duì)巖石風(fēng)化的影響和水、風(fēng)、溫差、地勢(shì)以及基巖埋藏條件等多重因素有關(guān)。地下水對(duì)巖石的風(fēng)化則主要體現(xiàn)為溶解溶蝕和再結(jié)晶。 六、其它因素：如人類的工程活動(dòng)等。,第四節(jié) 巖石風(fēng)化的工程地質(zhì)研究,在工程上，巖石風(fēng)化的情況可通過(guò)兩個(gè)方面來(lái)表述，一個(gè)

17、是巖石的風(fēng)化程度，另一個(gè)是巖石層的風(fēng)化深度或稱風(fēng)化巖層的厚度。 一、巖石的風(fēng)化程度 巖石風(fēng)化以后，其物理力學(xué)性質(zhì)將發(fā)生不同程度改變或變化，這種變化的大小取決于風(fēng)化程度的強(qiáng)弱。風(fēng)化程度不同，巖石的物理力學(xué)性質(zhì)改變大小也不同。路塹邊坡的坡度、橋基的埋深、隧道襯砌的厚度及施工方法的選擇、山區(qū)公路邊坡的表面防護(hù)等，都與巖石風(fēng)化程度密切相關(guān)。因此，巖土工程要求，對(duì)巖石風(fēng)化的情況不能僅限于對(duì)風(fēng)化現(xiàn)象的一般描述，必須結(jié)合以下各項(xiàng)情況對(duì)其風(fēng)化程度進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)。,(1) 巖石顏色的變化 巖石中礦物成分的變化首先反映到顏色上。未經(jīng)風(fēng)化的巖石色澤鮮艷，風(fēng)化愈重，顏色愈暗淡。野外觀察時(shí)要注意表面和內(nèi)部顏色的比較；要注

18、意區(qū)分干燥時(shí)和潮濕時(shí)巖石色調(diào)的不同，以間接確定其風(fēng)化程度。 (2) 巖石礦物成分的變化 巖石礦物成分的變化直接關(guān)系著巖石的風(fēng)化程度。要特別注意巖石中那些易于風(fēng)化的各種礦物成分的變化，例如花崗巖中的黑云母、長(zhǎng)石，風(fēng)化程度愈重，這些不穩(wěn)定的礦物就愈充分的變?yōu)榇紊V物。某些沉積巖風(fēng)化后的成分改變不顯著，但風(fēng)化較重的巖石常有次生石膏和含水氧化鐵出現(xiàn)。 (3) 巖石的破碎程度 巖石的破碎程度是巖石風(fēng)化程度分級(jí)中最重要標(biāo)志之一。巖石風(fēng)化破碎是由于巖石中產(chǎn)生大量風(fēng)化裂隙所致，因此要著重觀察風(fēng)化裂隙的長(zhǎng)度、寬度、密度、形狀及裂隙中的次生充填物情況。以直接判定巖石的風(fēng)化程度強(qiáng)弱。,(4) 巖石物理力學(xué)性質(zhì)的改變 巖石風(fēng)化程度愈重，其堅(jiān)硬程度便愈低，整體性愈差，力學(xué)性質(zhì)也就愈差。野外觀察時(shí)，可以用手錘敲擊，小刀刻劃，或用手折斷等簡(jiǎn)易辦法進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)需要，必要時(shí)也可做野外原地壓縮或剪切試驗(yàn)。 根據(jù)上述幾個(gè)方面的情況，巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-2001）把巖石按風(fēng)化程度劃分為六個(gè)等級(jí)，具體劃分情況見表3-1。 二、巖石的風(fēng)化深度 由于巖石的風(fēng)化作用一般是自地表面逐漸向巖體內(nèi)部進(jìn)行的，因此愈靠近地表，風(fēng)化作用就愈強(qiáng)烈，巖石的風(fēng)化程度也愈嚴(yán)重；愈向巖石內(nèi)部，巖石風(fēng)化得愈輕微，最后過(guò)渡