第三章风化作用

第三章风化作用 • 土的形成经历了漫长的地质历史过程。裸露于地表的岩石在温度和湿度不断发生变化的过程中反复产生不均匀的膨胀和收缩，并在此过程中产生了大量的裂隙。裂隙的产生为大气水和植物根系进入岩体内部提供了可能。进入岩体裂隙的大气水或凝结水在气温进一步下降时结冰膨胀，加之植物根系的生长、发育，劈裂作用使裂隙进一步扩展，并最终使原来完整的岩石崩解、碎裂。风、霜、雨、雪的侵蚀和重力作用使已经变得十分破碎的表面岩石剥离，上述作用进一步向内部岩体中发展。 • 被剥离的岩石碎块、岩屑等在雨、雪水流、风力等的夹带下向别处搬运，并在地壳相对下降的地方堆积起来。在搬运过程中，土颗粒进一步破碎分散，并使其中较大的颗粒变得浑圆光滑。与此同时，空气中的二氧化碳、氧气、二氧化流及地表水和地下水还会在与岩石及岩石颗粒的直接接触过程中发生一系列的化学反应，从而生成新的矿物。上述作用会使已经破碎的岩石颗粒变得更加细小甚至非常细小。以上就是岩石风化成土的过程。 • 我们将裸露于地壳表面的基岩或裂隙面附近的岩石在各种外力地质作用下产生的崩解、碎裂和变质通称为岩石的风化；将被风化的岩石在风、雨及重力等的作用下从岩石母体上剥落成为破碎状的岩石块体或者岩屑的过程称之为剥蚀。

第一节物理风化作用 • 风化促使岩石的状态或性质发生了改变，并形成了一种与原来岩石的形态、结构、构造、物质成分等不完全相同甚至可以说完全不同的新物质。 • 岩石风化后，其物质状态、物理力学性质和化学性质等均发生了剧烈的变化。很多情况下，风化能使岩石破碎，形成细小颗粒的次生粘土矿物—高岭石、蒙脱石及伊利石等，改变了岩石的矿物成分。同时，在风化带中常有可溶盐的富集，如碳酸钙及石膏。由于岩石风化后，节理、裂隙发育，使岩石整体性降低，孔隙度增加，抗剪、抗压强度降低，透水性增大，这为地下水活动创造了条件。地下水的渗入，又促进岩石进一步风化。如有些岩石直接暴露在大气中一、二天就开始风化崩解。岩石不同，其在相同条件下的风化情况不同，岩石相同，风化作用性质不同、经受的风化程度不同、沉积环境不同，其生成物的性质也不尽相同。

显然，一般情况下不宜将建筑物设置在风化严重的岩层上，但是工程中又往往不可能完全避开风化岩层。如隧道进出口地段的岩层，大多有不同程度的风化，施工中如不注意加强支护，易造成崩塌。对有些易风化的岩层，在隧道施工开挖后，要及时作支护，防止岩石继续风化失稳增加山体压力，否则会引起坍塌。风化岩层中的路堑边坡不宜太陡，同时还要采取防护措施。风化的岩石更不宜作建筑材料。因此，从工程建筑观点来研究岩石的风化特性、分布规律，对选择建筑物的合理位置，如隧道的进出口位置，路堑边坡坡度，隧道的支护方法及衬砌厚度，大型建筑物的地基承载力和开挖深度以及合理的选择施工方法等有着重要的意义。 • 风化作用的实质是矿物、岩石在地表附近新的物理化学条件下所产生的演化过程。如前所述，自然界中不同的岩石，在不同的自然环境里其反应亦不同；在相同的自然环境条件下，岩石种类不同，其对环境变化的反应亦不同。因为各种岩石在生成时，各具有其特殊性。如岩浆岩是高温熔融的岩浆在地壳中或地面上冷却凝固而成；沉积岩是地面上堆积起来的沉积物，经过脱水、压密、胶结及硬化而形成；而变质岩则是经高温高压以及活动性化学元素参与下形成的岩石。

因此，当各种岩石由于地壳运动使其长期暴露在地表以后，就改变了岩石原来的环境条件，使其处于一种新的物理化学条件中，岩石为了适应新的条件，在地表的温度和压力，大气、水、生物活动的长期作用下，改变了原来的性质，变成了新的疏松物质，或物质成分发生了变化。因此，当各种岩石由于地壳运动使其长期暴露在地表以后，就改变了岩石原来的环境条件，使其处于一种新的物理化学条件中，岩石为了适应新的条件，在地表的温度和压力，大气、水、生物活动的长期作用下，改变了原来的性质，变成了新的疏松物质，或物质成分发生了变化。 • 岩石遭受风化作用的时间愈长，岩石破坏得就愈严重。另外，从不同岩石的风化速度来看，有的岩石风化过程进行得很缓慢，其风化特征只有经过长期暴露地表以后才能显示出来；而有的岩石则相反，如泥岩、页岩及某些片岩等，当基坑开挖后不久，很快就风化破碎，所以在施工中必须采取相应的工程防护措施。根据岩石风化的自然因素和风化物质的性质，可将风化划分为物理风化（机械风化）、化学风化和生物风化作用三种类型，其中生物风化可或者归结为物理风化、或者归结为化学风化，即风化作用中的两种最基本类型为物理风化和化学风化。

一、物理风化作用 • 一切只改变岩石的完整性或改变已碎裂的岩石颗粒大小和形状，而未能产生新矿物的风化作用（含植物根系的劈裂作用以及搬运过程中的破碎、磨圆过程）称为物理风化作用或机械风化作用。 • 二、物理风化作用的类型 • 通过对物理风化的进一步研究可以得到，物理风化作用可被细分为以下类型： • （1）温度应力引起的胀缩作用。位于我国西北的大青山、天山山脉，其山体表面多覆盖有一定厚度的碎裂岩石块体和岩屑物质，这些主要是基岩在反复的胀缩循环中发生碎裂的产物。考古工作者在我国山西峙峪发现了距今2～3万年前旧石器时代的一个古采石场，在没有其它工具的情况下，我们的先祖根据观察得到的岩石胀缩破碎现象，用火烤、水激的方法，使岩石碎裂，再用木棍撬下，用以制作狩猎和生活所需的石器、工具。图3-1示意了温度作用下岩石的崩解过程；图3-2所示为暴露于地表的山体岩石风化崩解情况。

图3-1 温度作用引起的岩石崩解过程示意

图3-2 山体表面岩石的崩解碎裂

图3-3 冰晶体对岩石的劈裂破坏示意 • （2）裂隙中的冰以及其他结晶体产生的膨胀应力引起的劈裂作用（除冰以外，硫酸钙结晶体也有很强的膨胀作用）。一旦岩石中出现了细微裂隙，大气降水就会渗入其中，水分的进入或者会在低温时形成冰楔体沿裂缝两侧挤压岩石，或者与岩石中的某些物质反应形成结晶膨胀体挤压岩石，使岩石中原有的裂缝加宽、增长，并为更多水分进入岩体内部创造了条件，逐步使岩石风化崩解。 • （3）岩体因卸荷而引起的膨胀崩解。随着上覆岩石不断被风化剥蚀，原来处于地层深处的岩体距地表面愈来愈近，上覆重力愈来愈小，在重力卸荷作用下，岩体会产生明显上弹（膨胀），严重时就会产生卸荷裂隙。

图3-4 树木根系对岩石的劈裂破坏示意 • （4）树木生长过程中的根劈作用。岩石的裂缝中除含有一定的水分外，还会充填入一定量的尘土，这样一来树木就可在其中生存，随着树木的成长，其根系也不断壮大；更加之岩石表层裂隙中的水分有限，为了获取树木生长所需的更充足的水分，岩石裂隙中的植物根系更为发达。植物根系的生长壮大必然挤压岩石裂缝，使其扩大、增密，导致岩石产生风化，并为风化向岩石内部发展创造了条件。

（5）重力作用下的岩块碎裂和搬运过程中的碰撞、磨圆。在自身重力作用下，在岩石的碎裂块体从高处向山坡下方滚动的过程中，在风力及流水搬运岩石碎裂块体的过程中，岩石的碎裂块体之间或碎裂块体与地面之间会不断发生碰撞，碰撞过程中，岩石块体会变得浑圆起来并进一步破碎变小。（5）重力作用下的岩块碎裂和搬运过程中的碰撞、磨圆。在自身重力作用下，在岩石的碎裂块体从高处向山坡下方滚动的过程中，在风力及流水搬运岩石碎裂块体的过程中，岩石的碎裂块体之间或碎裂块体与地面之间会不断发生碰撞，碰撞过程中，岩石块体会变得浑圆起来并进一步破碎变小。 • （6）风的剥蚀作用（同时为进一步的风化创造了条件）。季节风的作用是干旱和半干旱地区地表岩石风化不可忽视的一个因素。风力将崩裂的岩石碎块从母岩上剥离，同时又为风化进一步深入岩石深部创造了条件。

第二节化学风化作用 • 化学风化作用是风化作用中的另外一种类型，这类风化作用的结果不仅仅改变了原有岩石的连续性和完整性，而且在改变岩石物质状态的同时改变了岩石中原有的矿物成分。 • 一、化学风化作用 • 我们将一切改变了岩石中原有矿物成分的风化作用统称为化学风化作用。生物生长中的新陈代谢、生物腐蚀和水引起的矿物溶解、再结晶、水化、水解以及大气引起的氧化、碳酸化、硫酸化等，均会使原有的岩石矿物成分发生改变，并产生新矿物，这类风化作用都属于化学风化作用。即化学风化是质变风化、是改变原来岩石的物质成分的风化作用。 • 二、化学风化作用的类型 • 同物理风化作用一样，化学风化作用也可被细分为若干类型，其中常见的有以下类型：

1．水的作用 • 水的风化作用可细分为水化作用、水解作用、溶解溶蚀和再结晶作用。 • （1）水化作用 • 某些矿物和水接触后，水分子便能够进入矿物的结晶体或微观结构内部成为结晶水，水分子的进入不仅改变了原有矿物的结构形态并增加了物质成分，也使其具有了某些新的性质，即原矿物在水的作用下改变成了新的矿物，水对矿物的这种作用称为水化作用。例如：（石膏遇水变成二水石膏）（芒硝） • （2）水解作用： • 某些矿物遇水后其原有的物质成分和一定量的水分发生物质重组（和水分子发生了化学反应），生成新物质，其结构形态也完全改变，水对矿物的这种作用称为水解作用。例如： • 水解作用是硅酸盐类矿物最重要的一种化学风化方式。

（3）溶解溶蚀和再结晶 • 大气降水是一种溶液，常含有等酸性物质，尤其是在工业化污染十分严重的今天。当大气降水从岩石的表面特别是岩体裂隙中流过时，岩石中的一部分物质成分溶于水中和水流一起流走，水对岩石的这种作用称为溶解溶蚀作用。在自然界中经常可以见到岩体中发育有很宽的水溶裂缝、沟渠、洞穴等各种空洞，严重时还会造成地表的塌陷，这种现象就是岩溶现象，岩溶地貌就是地下水对石灰岩、白云岩等可溶性岩石地层长期溶解溶蚀的结果。地下水对石灰岩溶解作用的反应式如下： • 重碳酸钙溶于水中被水流带走，并最终在石灰岩地层中形成溶洞。需要指出的是，岩盐、石膏比石灰岩和白云岩更易溶解。

图3-5 形成于小三峡崖壁上的再结晶石芽 • 含有大量重碳酸钙的岩溶水在以下条件下又会产生再结晶： • ①岩溶水出露地面或从裂隙中流出时，由于压力降低，水中的二氧化碳逸出，重碳酸钙还原为碳酸钙从水中析出并再结晶。 • ②温度的降低使水对矿物的溶解度降低，导致部分矿物析出并再结晶。 • ③水分的蒸发使矿物重新结晶出来。 • ④不同溶液的混合使水中的部分矿物质沉淀析出。

2．气体的作用 • 气体对岩石的风化作用主要有： • （1）氧化作用: • （黄铁矿） (硫酸亚铁) (硫酸) • （2）碳酸化作用: • (正长石) （高岭石）（石英） • （3）酸雨及硫酸化作用。

3．生物的化学风化作用 • 生物的风化作用有两种，一种是生长在岩石裂隙中的植物根系的膨大对岩石的劈裂作用，是生物的机械作用，属物理风化的范畴，该作用作为物理风化的一种类型在前面已经作了介绍。另一种就是生物生长中的新陈代谢物、腐蚀物、分泌物对岩石的破坏作用及微生物对岩石的风化作用。这些显然属于化学风化作用的范畴，也可称其为生物化学风化作用或简称化学风化作用。

第三节影响风化作用的因素 • 一、岩石的矿物成分 • 岩石化学风化的本质是岩石中各种矿物成分的变质，物理风化同样与组成岩石的矿物成分有关。按风化的难易程度，我们可将矿物划分如下： • （1）稳定性矿物，如白云母、石英、石榴石等。 • （2）较稳定性矿物，例如：辉石、角闪石、黑云母、正长石等。 • （3）不稳定性矿物，例如：斜长石、橄榄石等。 • 岩石中的不稳定性矿物含量越高，抗风化能力越低。 • 二、岩性 • 岩性包括岩石的结构与构造、矿物颗粒大小与形状、孔隙率、吸水率、坚固性等物理力学性质。结构致密、岩性坚固、孔隙率和吸水率小的岩石其抗风化能力就好，反之就易风化。

三、地质构造与岩体的结构性 • 地质构造对岩体的结构性有很大的影响，而岩体的结构性（岩体结构面的产状、交汇切割情况、间距大小以及岩体裂隙的张开性、充填情况、渗透性等）又对岩体的抗风化能力有很大影响。岩体的结构面愈发育、裂细愈大、充填情况愈差、渗透性愈好就愈易风化。 • 四、气候状况与地表水 • 气温高、雨量充足、湿度大、植物生长茂盛的我国南方地区以化学风化为主，温差大、雨量少、干燥、植被差、风力作用强烈的我国北方地区则以物理风化为主。 • 五、地貌与地下水 • 地貌对岩石风化的影响和水、风、温差、地势以及基岩埋藏条件等多重因素有关。地下水对岩石的风化则主要体现为溶解溶蚀和再结晶。 • 六、其它因素：如人类的工程活动等。

第四节岩石风化的工程地质研究 • 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。 • 一、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。 • 根据上述几个方面的情况，《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）把岩石按风化程度划分为六个等级，具体划分情况见表3-1。 • 二、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。

风化程度 野外特征风化程度参数指标波速比风化系数未风化岩质新鲜，偶见风化痕迹 0.9～1.0 0.9～1.0 微风化结构基本未变，仅解理面有渲染或略有变色，有少量风化裂隙 0.8～0.9 0.8～0.9 中等风化结构部分破坏，沿节理面有次生矿物，风化裂隙发育，岩体被切割成岩块。用镐难以挖动，岩芯钻方可钻进 0.6～.08 0.4～0.8 强风化结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发育，岩体破碎，用镐可以挖动，干钻不易钻进 0.4～0.6 ＜0.4 全风化结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结构强度，用镐可挖，干钻可钻进 0.2～0.4 —— 残积土组织结构全部破坏，已风化成土状，锹镐易挖掘，干钻易钻进，具可塑性＜0.2 —— 岩石按风化程度的分类表3-1

思考题 • 3-1．什么是风化作用？什么是物理和化学风化作用？ • 3-2．生物风化作用体现在那几个方面？ • 3-3．区分水化作用和水解作用的概念。 • 3-4．何谓波速比和风化系数？ • 习题 • 3-1．简述岩石的分化过程。 • 3-2．物理和化学风化作用的类型各有哪些？ • 3-3．影响风化作用的因素有哪些？ • 3-4．如何具体反映岩石的风化情况？简述岩石按风化程度的分级情况。

第三章 风化作用