风化作用的工程影响和防治措施Word格式.docx

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但机械风化与化学风化环环相扣，如机械风化造成的裂缝会增加进行化学风化的表面面积。

而化学风化在裂缝造成的矿物亦会帮助岩石分解。

A.热膨胀

热膨胀或称为洋葱状风化剥离作用、日晒风化或热冲击，通常在类似沙漠等有很大的每日温差的地方。

温度在日间升高，在晚间则急剧下降；

岩石在日间受热膨胀，在晚间冷却收缩。

应力通常都会施加在外层。

此应力令岩石外层以薄片状态剥落。

虽然此现象由温差做成，但水汽的存在令热膨胀的效果加强。

B.冻融风化

这种风化作用在温度接近冰点的山区十分常见。

霜会引起风化，虽然其原因常被指为水在裂缝中结冰后膨胀而成，其实大多数都和此现象没有关系。

很久之前人类已经知道湿润的泥土在冻结时，在未冻结的地方的水会经由薄层在增长中的底冰中收集，因而引起膨胀或冻胀。

同样的现象亦发生在岩石的细孔中。

她们会因为吸收邻近的液态水而不断增大。

冰晶的增长引致岩石弱化，最后分裂。

在矿物表面、冰及水之间的分子间作用力维持一层不结冰的薄层，用作运送水份及在底冰累积时造成矿物表面间压力。

化学风化

化学风化包含岩石成分的改变，常常引致其形态的崩溃。

这种风化会在一段期间反复发生

A.溶解作用：

矿物在水中溶解的过程.

B.水化作用：

矿物与水相结合.

C.水解作用：

矿物与水相遇，引起矿物分解并形成新矿物.

D.氧化作用：

二价铁氧化成三价铁。

使许多矿物和岩石表面染成红褐色.

E.碳酸化作用：

溶于水中的CO₂形成HCO3﹣和CO3²

﹣，它们能夺取盐类矿物中的K,Na,Ca等金属离子，结合成易溶的碳酸盐而随水迁移，使原有矿物分解。

生物风化

有部分动植物能够释放出酸性化学物而引起化学风化。

最常见的生物风化引起的化学风化形式为释放螯合物化学物，亦为酸的一种。

此化学物由植物释放，用作分解其底下土壤的铝、铁成分。

土壤中植物的残骸可以形成有机酸，溶于水后造成化学风化。

螯合物的过度释放会影响附近岩石与土壤，及可能引致灰化土的形成。

二、影响风化作用的因素

1.气候因素：

影象风化作用的气候因素主要指降水量与温度。

降水量丰富且水循环快的地区有利于化学风化的进行；

而温度则影象化学反应的速度，水中游离氧的含量和水的离解度随温度增高而加大，水中CO2含量虽随温度增高而减少，但温度增高十度，反应速度却加快一倍，因此，氧化作用和水溶液的作用都随温度增高而加快，有利于化学风化作用的进行。

而且，气候控制着数量和类型，它们对风化作用产生各不相同的影象。

地球气候的分带性决定了风化作用速度及其产物类型的分带性。

　　2.地形因素：

在相对高程很大的中低纬度山区，可以看到不同高程上有不同的气候带因而有不同类型的风化作用。

地形陡缓的不同，风化作用也不同。

陡坡地下水位低，植被稀少，物理风化相对强烈，产物不易保留，未风化岩石不断暴露接收风化；

缓坡平地化学风化和生物风化相对强烈，矿物分解彻底，风化产物残留原地，母岩被覆盖，不利于物理风化，最后形成大量粘土和残余矿床。

坡向也有影象，中低纬度阳坡昼夜温差大，冰冻风化比阴坡强烈，以至阳坡比阴坡更凹凸不平。

　　　3.地质因素：

主要有岩石的矿物成分、岩石结构构造和构造运动的影响。

三、风化作用的工程意义

岩石受风化作用，改变了物理化学性质，其变化的情况随着风化程度的轻重而不同。

如岩石的裂缝度、孔隙度、透水性、亲水性、胀缩性和可塑性等都随风化程度加深而增加，岩石的抗压和抗剪强度等都随风化程度加深而降低，风化壳成分的不均匀性、产状和厚度的不规则性都随风化程度加深而增大。

所以，岩石风化程度愈深的地区，工程建筑物的地基承载力愈低，岩石的边坡愈不稳定。

风化程度对工程设计和施工都有直接影响，如矿山建设、场址选择、水库坝基、大桥桥基和铁路路基等地基开挖深度、浇灌基础应到达的深度和厚度、边坡开挖的坡度以及防护或加固的方法等，都将随岩石风化程度的不同而异。

因此，工程建设前必须对岩石的风化程度、速度、深度和分布情况进行调查和研究。

四、岩石风化的勘测

在工程上，岩石风化的情况可通过两个方面来表述，一个是岩石的风化程度，另一个是岩石层的风化深度或称风化岩层的厚度。

1、岩石的风化程度

岩石风化以后，其物理力学性质将发生不同程度改变或变化，这种变化的大小取决于风化程度的强弱。

风化程度不同，岩石的物理力学性质改变大小也不同。

路堑边坡的坡度、桥基的埋深、隧道衬砌的厚度及施工方法的选择、山区公路边坡的表面防护等，都与岩石风化程度密切相关。

因此，岩土工程要求，对岩石风化的情况不能仅限于对风化现象的一般描述，必须结合以下各项情况对其风化程度进行分级评价。

（1）岩石颜色的变化

岩石中矿物成分的变化首先反映到颜色上。

未经风化的岩石色泽鲜艳，风化愈重，颜色愈暗淡。

野外观察时要注意表面和内部颜色的比较；

要注意区分干燥时和潮湿时岩石色调的不同，以间接确定其风化程度。

（2）岩石矿物成分的变化

岩石矿物成分的变化直接关系着岩石的风化程度。

要特别注意岩石中那些易于风化的各种矿物成分的变化，例如花岗岩中的黑云母、长石，风化程度愈重，这些不稳定的矿物就愈充分的变为次生矿物。

某些沉积岩风化后的成分改变不显著，但风化较重的岩石常有次生石膏和含水氧化铁出现。

（3）岩石的破碎程度

岩石的破碎程度是岩石风化程度分级中最重要标志之一。

岩石风化破碎是由于岩石中产生大量风化裂隙所致，因此要着重观察风化裂隙的长度、宽度、密度、形状及裂隙中的次生充填物情况。

以直接判定岩石的风化程度强弱。

（4）岩石物理力学性质的改变

岩石风化程度愈重，其坚硬程度便愈低，整体性愈差，力学性质也就愈差。

野外观察时，可以用手锤敲击，小刀刻划，或用手折断等简易办法进行试验，根据需要，必要时也可做野外原地压缩或剪切试验。

2、岩石的风化深度

由于岩石的风化作用一般是自地表面逐渐向岩体内部进行的，因此愈靠近地表，风化作用就愈强烈，岩石的风化程度也愈严重；

愈向岩石内部，岩石风化得愈轻微，最后过渡到未经风化的新鲜岩石。

在相同的外部自然条件下，同样种类的岩石风化层厚度愈大，其风化程度也就愈严重。

但是因为岩石随趋向内部深浅的这种风化程度变化是逐渐的、连续的，所以风化深度的下限也不十分明显。

对于比较重要的工程建筑，把地面以下风化极严重、风化严重、风化颇重和风化轻微四个带的总和作为岩石的风化深度，而对于地基及围岩要求不太高的一般工程建筑物则只包括前三个带，而把风化轻微带不算在风化深度之内。

当地面观测不能确定风化深度和整个风化带情况、而工程建筑又需要把地表以下的岩层的全部风化情况弄清楚时，就必须进行勘探或物探工作。

根据实践经验，物理风化为主的地区，风化深度一般不超过10m或15m；

而以化学风化为主的地区，岩石的风化深度则可以达到数十米，甚至100余米。

在工程上，往往会根据具体工程特点和需要，并根据岩石的风化情况来对其进行一定的加固或处理，以提高岩石的完整性和强度。

这类处理方法主要有：

水泥灌浆、粘土灌浆、沥青灌浆、硅化法等。

在边坡工程中最常采用的是坡面防护。

五、风化作用的防治

为制定防治岩石风化的正确措施，首先必须查明建筑场地影响岩石风化的主要地质营力、风化作用的类型、岩石风化速度、风化先壳垂直分带及其空间分布、各风化带岩石的物理力学性质，同时必须了解建筑物的类型、规模及其对地质体的要求。

防治岩石风化的措施一般包括两个方面:

一是对已风化产物的含理利用与处理；

二是防止岩石进一步风化。

现简要介绍如下：

1、对风化岩石的处理措施

　当风化壳厚度较小（如数米之内），施工条件简单时，可将风化岩石全部挖除，使重型建筑物基础砌置在稳妥可靠的新鲜基岩上。

　当风化壳厚度较大，如10余米、几十米以上时，处理措施应视具体条件而定。

对于荷载不大，对地基要求不高的建筑物，如一般工业民用建筑物，强风化带甚至剧风化带亦能满足要求时，根本不用挖除，必须选择合理的基础砌置深度。

对于重型建筑物，特别是重型水工建筑物，对地基岩体稳定要求较高，其挖除深度应视建筑物类型、规模及风化岩石的物理力学性质而定，需要挖除的只是那些物理力学性质变得足以威胁到建筑物稳定的风化岩石。

如我国三峡水利枢纽，大坝选在强度较高的前震旦系结晶岩上，根据巨型大坝的要求，经多年反复研究，在弱风化带内部以声波纵速为4000m／s为界分为上下两带，弱风化带上带及其以上的剧、强风化带需要挖除，将大坝基础砌置于弱风化带下带的顶部。

当风化壳厚度虽较大，但经处理后在经济上和效果上反比挖除合理时，则不必挖除。

如地基强度不能满足要求，可用锚杆或水泥灌浆加固，以加强地基岩体的完整性和坚固性。

若为水工建筑物地基防渗重求，则可用水泥、沥青。

粘土等材料进行防渗帷幕灌浆处理。

当地基存在囊状风化，且其深度不大时，在可能条件下可将其挖除。

当囊状风化深度较大时，应视具体条件或用混凝土盖板跨越，或进行加固处理。

开凿于剧强风化带中的边坡和地下洞室，应进行支挡、加固、防排水等措施，以保证施工及应用期间边坡岩体及洞室围岩的稳定性。

2预防岩石风化的措施

大部分岩石经风化后，改变了原岩的物理力学性质，形成巨厚的风化壳。

这是在地质历史时期发生的结果，其速度一般较慢，在工程使用期限内不致显著降低岩体的稳定性。

但是有的岩石，如粘土岩及含粘土质的岩石风化速度较快，它们一旦出露，经数日甚至数分钟就开始出现风化裂隙，经数年甚至数月原岩性质就会发生显著变异。

对于施工前能满足建筑物要求，但在工程使用期限内因风化而不能满足建筑物要求的岩石，甚至在施工开挖过程中易于风化的岩石，必须采取预防岩石风化的措施。

预防岩石风化的基本指导思想是:

通过人工处理后，使风化营力与被保护岩石隔离，以使岩石免遭继续风化；

降低风化营力的强度，以减慢岩石的风化速度。

例如为防止因温度变化而引起的物理风化，可在被保护岩石表面用粘性土或砂土铺盖，其厚度应超过该地区年温度影响深度5－10cm。

一般说用亚粘土作铺盖材料时效果较好，它既可防止气温变化的影响，又因其渗透性微弱可防止气液的侵入。

若是防止水和空气侵入岩体，可用水泥、沥青、粘土等材料涂抹被保护岩石的表面，或用灌浆充填岩石空隙。

在国外曾采用各种化学材料浸透岩石，使之充填岩石空隙，或在空隙壁形成保护薄膜，以防止风化营力与岩石直接接触。

有的采用化学材料中和风化营力，使其风化能力降低。

这些方法由于费用昂贵，技术又较复杂，目前我国尚未普及推广。

当以风化速度较快的岩石作地基时，基坑开挖至设计高程后，须立即浇注基础，回填闭。

有时基坑开挖未达设计高程前，根据岩石的风化速度，预留一定的岩石厚度，待浇注基础工作准备妥当后，再全段面挖至设计高程，然后迅速回填封闭:

或分段开挖，分段回填。

这些措施均能达到防止岩石风化的目的。

参考文献：

《工程地质》主编孙家齐陈新民，武汉理工大学出版社及XX百科。

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