工程地质(风化作用部分)

1、 以太阳的辐射能和日月的引力能为主要能源，以太阳的辐射能和日月的引力能为主要能源， 在地表或地表附近进行的地质作用称为外力地质作在地表或地表附近进行的地质作用称为外力地质作 用。表现为用。表现为风化作用、地表水流、湖泊、海洋、风风化作用、地表水流、湖泊、海洋、风 及冰川地质作用及冰川地质作用等形式。等形式。 由这些地质作用在第四纪形成的各种堆积物叫由这些地质作用在第四纪形成的各种堆积物叫 做做第四纪沉积物第四纪沉积物。指指200万年以来的第四纪中沉积而万年以来的第四纪中沉积而 成的沉积层，其沉积历史不长，所以仍是未硬结的成的沉积层，其沉积历史不长，所以仍是未硬结的 松散沉积物，即通常所说的松散

2、沉积物，即通常所说的“土土”。 现在人类的大部分建筑物都是建在第四纪松散沉现在人类的大部分建筑物都是建在第四纪松散沉 积物上。积物上。 第第4章章 外力地质作用及其第四纪沉积物外力地质作用及其第四纪沉积物 在不同外动力地质作用条件或环境中在不同外动力地质作用条件或环境中 形成的产物，形成的产物，其性质（组成、密度、其性质（组成、密度、 结构、构造、强度、变形特性、水理结构、构造、强度、变形特性、水理 性质）性质）差异很大差异很大。 第四纪松散沉积物包括：第四纪松散沉积物包括：残积物、坡残积物、坡 积物、积物、冲冲、洪积物、湖泊沉积物、海、洪积物、湖泊沉积物、海 洋沉积物、沙漠沉积物、冰川沉积物

3、。洋沉积物、沙漠沉积物、冰川沉积物。 第四纪沉积层主要成因类型及特征 成因类型成因类型堆积方式及条件堆积方式及条件堆积物特征堆积物特征 残积物残积物 岩石经风化作用而残留在原 地的碎屑堆积物 碎屑物从地表向深处由细变粗，其成分与母岩相关，一般不具 层理，碎块呈棱角状，土质不均，具有较大孔隙，厚度在山丘 顶部较薄，低洼处较厚 坡积物坡积物 风化碎屑物由雨水或融雪水 沿斜坡搬运及由重力作用堆 积在斜坡上或坡脚处而成 碎屑物从上往下逐渐变细，分选性差，层理不明显，厚度变化 较大，厚度在斜坡角陡处较薄，坡脚地段较厚 洪积物洪积物 由暂时性洪流将山区或高地 的大量风化碎屑物携带至沟 口或平缓地带堆积而成

4、 颗粒具有一定的分选性，但往往大小混杂，碎块多呈亚棱角 状，洪积扇顶部颗粒较粗，层理紊乱，呈交错状，透镜体及夹 层较多，边缘处颗粒细，层理清楚 冲积物冲积物 由长期的地表水流搬运，在 河流阶地、冲积平原、三角 洲地带堆积而成 颗粒在河流上游较粗，向下游逐渐变细，分选性及磨圆度均 较好，层理清楚，除牛轭湖及某些河床相沉积外厚度较稳定 淤积物淤积物 在静水或缓慢的流水环境中 沉积，并伴有生物化学作用 而成 颗粒以粉粒、黏粒为主，且含有一定数量的有机质或盐类，一 般土质松软，有时为淤泥质黏性土、粉土与粉砂互层，具清晰 的薄层理 冰水沉积冰水沉积 和冰碛物和冰碛物 由冰川或冰川融化的冰水 进行搬运堆积

5、而成 颗粒以巨大块石、碎石、砂、粉土、黏性土混合组成，一般分 选性极差，无层理，但为冰水沉积时，常具斜层理，颗粒呈棱 角状，巨大块石上常有冰川擦痕 风积物风积物 在干旱气候条件下，碎屑物 被风吹扬，降落堆积而成 颗粒主要由粉粒或砂粒组成，土质均匀，质纯，孔隙大，结构 松散 港口工程中常见的几种成因类 型的土及其特征（1） 港口工程中常见的几种成因类 型的土及其特征（2） 常见第四纪松散堆积物成因类型及符号 4.1.1 风化作用的类型 4.1.2 风化作用的影响因素 4.1.3 岩石（体）岩石（体）风化程度风化程度的划分的划分 4.1.5 残积层残积层（物）（物） 4.1 风化作用与残积物风化作

6、用与残积物 ch6- 8 人们通常用“海枯石烂不变心”来表示对 爱情的忠贞，实际上海会枯，石也会烂。 引起石烂的原因就是风化作用 风化后的物质在重力和水等因素作用下， 容易顺坡向下运动，形成坡地重力 地貌 Photograph from: 风风 化化 作作 用用 4.1.1 风化作用的类型风化作用的类型 分布在地表或地表附近的岩石，经受 太阳辐射、大气、水溶液及生物等因素的 侵袭，逐渐破碎、松散或矿物成分发生化 学变化，甚至生成新的矿物的现象，称为 岩石的风化作用岩石的风化作用。岩石风化后物理力学性 质发生显著变化，力学强度明显降低。各 种工程建筑所遇到的岩石，绝大多数是经 受过不同风化程度的

7、岩石。根据风化作用 的性质及其影响因素，可分为物理风化物理风化、 化学风化化学风化和和生物风化生物风化作用作用等三种类型。 风化作用的基本类型及特征表风化作用的基本类型及特征表 风化作用方式风化作用方式 物理风化物理风化（胀缩交替）温差、冰劈、盐类结（胀缩交替）温差、冰劈、盐类结 晶与潮解等晶与潮解等 化学风化化学风化（化学反应）溶解、氧化、水化、（化学反应）溶解、氧化、水化、 水解和碳酸化水解和碳酸化 生物风化生物风化（生命活动）生物物理和生物化学（生命活动）生物物理和生物化学 过程过程 1.物理风化作用 物理风化物理风化是指岩石受风化因素侵袭后， 只产生单纯的机械性破坏，而不发生化 学成分

8、变化的风化作用。 引起物理风化的主要因素是温度变化温度变化和 水的冻胀水的冻胀等。另外，水溶液中盐类物质水溶液中盐类物质 的集聚结晶的集聚结晶也可产生类似的情况。 物理风化作用的结果，最初是使岩石产 生大小不等、方向无序的裂隙，裂隙继 续发展、增多，最后可形成大小不等的 岩屑堆积。 物理风化作用的产物物理风化作用的产物 物理风化物理风化 物理风化物理风化 花岗岩层状剥落花岗岩层状剥落 物理风化的一种形式 卸荷层列 层状裂隙层状裂隙 花岗岩机械风化及冰楔花岗岩机械风化及冰楔 球状风化的形成球状风化的形成 球状风化球状风化 球状风化的形成阶段球状风化的形成阶段 化学风化化学风化是指在氧、水溶液等风

9、化因素侵袭下，是指在氧、水溶液等风化因素侵袭下， 岩石中的矿物成分发生化学变化，改变或破坏岩石的岩石中的矿物成分发生化学变化，改变或破坏岩石的 性状并可形成次生矿物的作用过程性状并可形成次生矿物的作用过程。化学风化的作用 方式有：氧化、溶解、水化、水解及碳酸化等氧化、溶解、水化、水解及碳酸化等多种。 （1）氧化作用氧化作用 指矿物与空气或水中的游离氧发生化学反应，使指矿物与空气或水中的游离氧发生化学反应，使 低价元素转变为高价元素，使原矿物破坏并形成一些低价元素转变为高价元素，使原矿物破坏并形成一些 新的矿物。新的矿物。在岩石中最易氧化的是含有低价铁的硅酸 盐类矿物和硫化物，如橄榄石、辉石、角

10、闪石、黑云 母及黄铁矿等。 2.化学风化 4FeS2(黄铁矿黄铁矿) +19O2 + mH2O2Fe2O3 .nH2O+8H2SO4 （2）溶解作用溶解作用 指水溶液溶解岩石的某些易溶成分，使其指水溶液溶解岩石的某些易溶成分，使其 松软、破碎、崩解的过程。松软、破碎、崩解的过程。例如方解石在水中 由于CO2的影响而加速溶解，并在石灰岩等岩 石中形成洞穴。 CaCO3(方解石方解石) +H2O +CO2Ca(HCO3)2 （3）水化作用水化作用 是指矿物吸收一定数量的水分子而变成新的是指矿物吸收一定数量的水分子而变成新的 含水矿物。含水矿物。如硬石膏（CaSO4）吸水变为石膏 （CaSO42H2

11、O），同时体积膨胀30%。 Fe2O3(赤铁矿）赤铁矿）+nH2O Fe2O3 nH2O（褐铁矿）（褐铁矿） （4）水解和碳酸化作用水解和碳酸化作用 水解作用水解作用是指水离解出的OH-离子与矿物离 解出的阳离子，如Na+、K+等，结合形成带OH- 新矿物的过程。 碳酸化作用碳酸化作用是指当CO2溶解于水中时，形成 CO3 2-和HCO3-离子，它们与矿物中的阳离子 （K+、Na+、Ca2+等）结合形成易溶于水的碳酸 盐或碳酸氢盐的过程。 在自然界，水中或多或少都溶解有CO2，所 以水解作用和碳酸化作用常常是同时发生的。 水解作用水解作用: :水中水中H H 和和OHOH 离子置换矿物在水中离

12、解出的离子 离子置换矿物在水中离解出的离子 的作用。如的作用。如 4KAlSi4KAlSi3 3O O8 8(钾长石钾长石)+6H)+6H2 2O O AlAl4 4SiSi4 4O O10 10(OH) (OH)8 8 ( (高岭石高岭石) ) +8SiO+8SiO2 2( (蛋白石胶体蛋白石胶体)+4K(OH)()+4K(OH)(溶液溶液) ) 硅酸盐类的造岩矿物风化过程： 钾长石绢云母水云母高岭石。 辉石、角闪石绿泥石水绿泥石蒙脱石 多水高岭石高岭石。 黑云母蛭石蒙脱石高岭石。 白云母水云母贝得石蒙脱石多水高岭 石高岭石。 石英(部分)硅酸石髓次生石英。 在适宜的气候条件下，高岭石进一步

13、分解成铝 土矿和石髓等，而辉石、角闪石、黑云母还分解 成褐铁矿和针铁矿等。 化学风化化学风化 化学风化现象 3.生物风化作用 由生物的生命活动引起岩石的破坏过程称生物由生物的生命活动引起岩石的破坏过程称生物 风化作用风化作用。又可分为生物物理风化作用和生物 化学风化作用，但生物化学风化作用更为普遍 些。 由生物活动导致岩石的机械破碎过程称生物物由生物活动导致岩石的机械破碎过程称生物物 理风化作用理风化作用，常见的一种形式就是根劈作用根劈作用。 这种作用在植被茂盛、岩石裂隙发育的地区是 非常常见的。 由于生物活动引起岩石化学成分变化而使岩石由于生物活动引起岩石化学成分变化而使岩石 破坏的过程称生

14、物化学风化作用破坏的过程称生物化学风化作用。这种作用通 常是通过生物在新陈代谢过程中分泌出的物质 和死亡之后腐烂分解出来的物质对岩石起化学 反应完成的。 根根 劈劈 生物化学风化青苔风化生物化学风化青苔风化 4.1.2 风化作用的风化作用的影响因素影响因素 ch6- 40 差 异 风 化 花岗岩奇峰怪石断层和节理-粗雕 “精雕细刻” 影响风化的主要因素 硅酸盐矿物稳定性及球状风化硅酸盐矿物稳定性及球状风化 常见矿物的风化稳定性 抗化学风化的能力，主要取决于岩石中 造岩矿物在地表风条化件下的化学稳定性 相对稳定性 造岩矿物 很稳定的很稳定的 石英石英 粘土矿物粘土矿物 较稳定的较稳定的 白云母、

15、正长石、酸性斜长石白云母、正长石、酸性斜长石 不太稳定的不太稳定的 角闪石、辉石、方解石、白云石角闪石、辉石、方解石、白云石 不稳定的不稳定的 黑云母、橄榄石、基性斜长石黑云母、橄榄石、基性斜长石 不同矿物的抗风化能力不同矿物的抗风化能力 硅酸盐类的造岩矿物风化过程： 钾长石绢云母水云母高岭石。 辉石、角闪石绿泥石水绿泥石蒙脱石 多水高岭石高岭石。 黑云母蛭石蒙脱石高岭石。 白云母水云母贝得石蒙脱石多水高岭 石高岭石。 石英(部分)硅酸石髓次生石英。 在适宜的气候条件下，高岭石进一步分解成铝 土矿和石髓等，而辉石、角闪石、黑云母还分解 成褐铁矿和针铁矿等。 不同岩石抗风化不同岩石抗风化 能力比

16、能力比 较较 差差 异异 风风 化化 囊状风化 4.1.3 岩石（体）岩石（体）风化程度风化程度的划分及的划分及 其工程地质性质其工程地质性质 风化壳风化壳 地球表地球表 层岩石风化层岩石风化 后，由残留后，由残留 在原地基岩在原地基岩 上的风化产上的风化产 物组成的壳物组成的壳 层，称为层，称为风风 化壳。化壳。 现代风化壳剖面现代风化壳剖面 土壤层土壤层 残积层残积层 半风化层半风化层 长江三峡的花岗岩风化壳长江三峡的花岗岩风化壳 风化壳剖面示意风化壳剖面示意 图图 风化岩石与基岩风化岩石与基岩 岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范GB50021-2001GB50021-2001划分出划分出4

17、 4种种 风化程度的岩石：全风化、强风化、中等风化风化程度的岩石：全风化、强风化、中等风化 和微风化。和微风化。 风化程风化程 度度 特特 征征 描描 述述 残积土残积土 组织结构全部破坏，已风化成土状，锹镐易挖掘，干钻组织结构全部破坏，已风化成土状，锹镐易挖掘，干钻 易钻进，具可塑性。易钻进，具可塑性。 全风化全风化 结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结构强度，可用镐结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结构强度，可用镐 挖，干钻可钻进。挖，干钻可钻进。 强风化强风化 结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发育，结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发育， 岩岩 体破碎，用镐可挖，干钻不

18、易钻进。体破碎，用镐可挖，干钻不易钻进。 中等风化中等风化 结构部分破坏，沿节理面有次生矿物，风化裂隙发育，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。用镐难挖，岩芯钻方可钻进。岩体被切割成岩块。用镐难挖，岩芯钻方可钻进。 微风化微风化 结构基本未变，仅节理面有渲染或略有变色，有少量风结构基本未变，仅节理面有渲染或略有变色，有少量风 化裂隙。化裂隙。 未风化未风化岩质新鲜，偶见风化痕迹岩质新鲜，偶见风化痕迹 不同风化程度分类标准不同风化程度分类标准 4.1.5 残积层残积层（物）（物） 残积层残积层定义： 地表岩石经过长期风化作用以后，改变了矿物成分、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，其结构和构造，形成和原来岩石性质不同的风化产物，其 中除一部分易溶物质被水溶解流失外，大部分物质残留中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，这种物质称为在原地，这种物质称为残积物残积物，这种风化层称为，这种风化层称为残积层残积层。 特点：特点：