工程地质与土力学基础第三章1课件

第三章物理地质作用第三章物理地质作用13.1风化作用——地表或接近地表的岩石在阳光、空气、水和生物的作用下遭受物理的和化学的变化,称为风化。引起这种变化的作用称风化作用。风化作用在地表最明显。由于各地环境不一，岩石的性质不同，风化深度也不一致，有的很浅，仅几十厘米，有的可深达百米。风化作用能使岩石成分发生变化，能把坚硬的岩石变成松散的碎屑，降低了岩石的力学强度。风化作用又能使岩石产生裂隙，破坏了岩石的完整性，影响斜坡和地基的稳定。3.1风化作用——地表或接近地表的岩23.1.1风化作用的类型风化作用按成因分为物理风化作用、化学风化作用和生物风化作用三种类型。3.1.1风化作用的类型风化作用按3●物理风化作用物理风化作用的方式主要有：热力（温差）风化、融冻（冰冻）风化、层裂等。▲热力风化：日夜和季节温度变化可使岩石表里产生不均的膨胀与收缩而最终破碎●物理风化作用物理风化作用的方式主要有：热力（4温度作用引起的岩石崩解过程示意温度作用引起的岩石崩解过程示意5热力风化作用热力风化作用6山体表面岩石的崩解碎裂山体表面岩石的崩解碎裂7热力风化热力风化8洛基山洛基山9新疆新疆10阿尔金山阿尔金山11球状风化球状风化12●物理风化作用▲融冻风化：岩石裂隙和孔隙中的水分因冰冻而最终使岩石破碎，又称冰劈作用；▲层裂：地下深处的岩石，因承受上覆岩石的巨大静压力，呈坚实致密状。岩石一旦上升，上覆岩石被剥蚀而出露地表，静压力释放，体积膨胀而破碎。●物理风化作用13冰晶体对岩石的劈裂破坏示意冰晶体对岩石的劈裂破坏示意14融冻风化融冻风化15●化学风化作用化学风化作用指岩石在水和各种水溶液的作用下所引起的破坏作用。这种作用不仅使岩石破碎，更重要的是使岩石成分发生变化，形成新矿物。▲溶解作用：水溶解矿物的现象；矿物溶解的难易主要决定于矿物的溶解度。因此矿物有易溶矿物和难溶矿物，一般说来，其难易顺序如下：氯化物＞硫酸盐＞碳酸盐＞硅酸盐。常见的造岩矿物，其溶解度大小顺序如下：方解石＞白云石＞橄榄石＞辉石＞角闪石＞斜长石＞钾长石＞黑云母＞白云母＞石英。●化学风化作用化学风化作用指岩石在水和各种水溶液的作用下所引16▲氧化作用：矿物在氧的作用下，使其中低价元素变为高价元素，低价化合物变为高价化合物的现象；如:黄铁矿氧化为褐铁矿FeS2→Fe2O3·3H2O▲水化作用：又称水合作用，即矿物与水相结合的现象；如:硬石膏水化成石膏（体积增大30％）CaSO4→CaSO4·2H2O▲水解作用：水使矿物分解并形成新矿物的现象。如:正长石水解为高岭石＋SiO2胶体

4K[AlSi3O8]+6H2O→

4KOH+Al4[Si4O10][OH]8+8SiO2在湿热气候条件下，高岭石可继续分解，析出其中的SiO2，形成铝土矿（Al2O3·nH2O）而残留于原地。▲氧化作用：矿物在氧的作用下，使其中低价元素变为高价元素，低17●生物风化作用生物在其成长、新陈代谢和死亡过程中，都可引起岩石的破碎和分解。生物风化作用很普遍，也是在生物风化作用的方式可分为两种：生物的物理（机械）风化作用（如植物根系在岩石裂隙中生长）；生物的化学风化作用（如生物的新陈代谢中析出的有机酸对岩石产生的腐蚀、溶解）。在自然界中，上述几种风化风化作用是彼此并存，相互影响的。在不同地区，它们作用的强弱有主次之分。在干寒和高山地区以物理风化为主，在湿热多雨地区则以化学风化为主。●生物风化作用生物在其成长、新陈代谢和死亡过程18树木根系对岩石的劈裂破坏示意树木根系对岩石的劈裂破坏示意19黄山松生物风化黄山黄山松生物风化黄山20生物风化1生物风化华山生物风化1生物风化华山21生物风化2生物风化柬埔寨生物风化2生物风化柬埔寨22为了说明岩体的风化程度及其变化规律，正确评价风化岩石对水利工程建设的影响，就必须对岩体按风化程度进行分级。分级的依据主要是：新鲜岩石和风化岩石的相对比例、褪色度、分解和崩解的程度，矿物蚀变及其次生矿物，间接指标如锤击反应、波速变化等情况。《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）将岩石按风化程度分为全风化、强风化、弱风化、微风化和新鲜岩石五个等级。3.1.2岩石风化程度的分级为了说明岩体的风化程度及其变化规律，正确231、

挖除法

适用于风化层较薄的情况，当厚度较大时通常只将严重影响建筑物稳定的部分剥除。2、

抹面法

用水和空气不能透过的材料如沥青、水泥、粘土层等覆盖岩层。3、

胶结灌浆法

用水泥、粘土等浆液灌入岩层或裂隙中，以加强岩层的强度，降低其透水性。4、

排水法为了减少具有侵蚀性的地表水和地下水对岩石中可溶性矿物的溶解，适当做一些排水工程。

3.1.3防止岩石风化的主要方法1、

挖除法3.1.3防止岩石风化的主要方法243.3岩溶

喀斯特简介◆地表水和地下水对可溶性岩石的破坏和改造作用称为喀斯特作用，即水对可溶性岩石的溶蚀、冲蚀、堆积，以及重力崩塌的总称。以化学溶蚀作用为主，机械侵蚀作用为辅。◆喀斯特作用所形成的地表形态和地下形态称为喀斯特地貌。◆喀斯特作用及其所产生的水文现象和地貌现象统称为喀斯特（Karst）。3.3岩溶

喀斯特简介◆地表水和地下水对可溶性25◆喀斯特研究的起源

徐霞客（1586—1641，明《徐霞客游记》的作者）是我国和世界上最早的岩溶研究学者。

19世纪末，南斯拉夫的司威治（J.Cvijic）研究了南斯拉夫西北的喀斯特（Karst）石灰岩高原，并于1893年正式用“Karst”来概括喀斯特高原的地貌景观。

中国地质学会第一届喀斯特学术会议（1966年2月，桂林），建议在我国使用“岩溶”一词，并把它作为Karst的汉语同义语。◆喀斯特研究的起源

徐霞客（1586—1641，明《徐霞客游26岩溶地貌岩溶地貌27思考题可溶性岩石有哪些?喀斯特地貌是什么?由何得名?地表岩溶形态有哪些?地下岩溶地貌有哪些?岩溶堆积物有哪些类型?岩溶的形成的必要条件是什么?岩溶的发育程度与哪些因素有关?岩溶的分布特点有哪些?思考题可溶性岩石有哪些?283.3.1岩溶的形成条件

1、岩石的可溶性◆岩石的可溶性主要取决于岩石的化学成分与岩石结构。◆三大类可溶岩：①卤盐类如钾盐、石盐；②硫酸盐类如硬石膏、石膏、芒硝等；③碳酸盐类如石灰岩、白云岩等。溶解度：卤盐＞硫酸盐＞碳酸盐；◆在碳酸盐岩类中，CaCO3的含量越高，其他杂质含量越低，其溶解度就越大。石灰岩＞白云岩＞硅质灰岩＞泥灰岩；◆岩石的结构与溶解度有密切关系。对于结晶的岩石，晶粒越小，溶解度也越大。3.3.1岩溶的形成条件1、岩石的可溶性292、岩石的透水性◆岩石的透水性对岩石的溶蚀速度和地下岩溶的发育有着重大影响。透水性不良的岩石，溶蚀作用只限于岩石表面，很难深入岩石内部；透水性好的岩石，地表和地下溶蚀都很强，地貌发育也好。◆透水性强弱取决于岩石的孔隙和裂隙大小和多少。一般石灰岩的原生孔隙度都很小＜3％，透水性较弱；岩石的透水性主要受由构造运动形成的各种裂隙所控制。◆总之，岩石构造越破碎、岩石纯度越高、岩层越厚，则透水性就越好；2、岩石的透水性◆岩石的透水性对岩石的溶蚀速度和地下岩溶303、水的溶蚀力◆水的溶蚀力取决于水的化学成分、温度、气压等方面因素。CO2＋H2O——H2CO3；（形成碳酸）H2CO3——H＋＋HCO3－

；（碳酸离解）H＋＋CaCO3——HCO3－＋Ca2＋

（溶解碳酸钙）总的化学反应方程式：CO2＋H2O＋CaCO3——2＋Ca＋2（HCO3）－；其化学反应是可逆的，正反应速度取决于CO2的浓度，逆反应速度取决于Ca2＋的浓度。即溶解于水中的CO2越多，水的溶蚀力就越强；水中的Ca2＋的含量越高，水的溶蚀力就越弱。3、水的溶蚀力◆水的溶蚀力取决于水的化学成分、温度、气压等31水的溶蚀力◆水中酸的含量越高，溶蚀力也越强；酸的来源主要由大气中的CO2溶入水中而成。◆温度越高，溶蚀力越强；虽然水中CO2的含量与温度成反比，但水的化学反应速度与温度成正比。◆气压越高，溶蚀力越强；水中CO2的含量与气压成正比。◆气候越湿热，水的溶蚀力就越强，喀斯特发育就越快。水的溶蚀力◆水中酸的含量越高，溶蚀力也越强；酸的324、水的流动性◆经常流动的水体，能大大提高水的溶蚀力。◆流水经常与空气保持接触，能不断地补充因溶蚀岩石所消耗的CO2，使水体不易达到饱和。◆处于流动状态的水，有时虽然达到饱和，但当几种不同浓度的饱和溶液混合后，可变为不饱和而重新获得溶蚀能力。◆热带地区高温多雨，水流量大、水循环快，加上气温高及生物作用强，岩溶发育最快。如亚热带广西碳酸盐岩溶蚀量为0.12～0.3mm/a，是暖温带的河北（溶蚀量为0.02～0.03mm/a）的5～9倍。(动画演示---钟乳石的形成)4、水的流动性◆经常流动的水体，能大大提高水的溶蚀力。331、地表岩溶形态

1、石芽与溶沟：地表水沿岩石裂隙溶蚀、侵蚀而成的沟槽形态，称为溶沟，沟间突起称为石芽；高大的石芽称为石林。2、漏斗（溶斗）与溶蚀洼地：漏斗是漏斗形或碟形的封闭洼地；深几米至十几米，直径几米至＜100m，主要分布在喀斯特高原面上。溶蚀洼地通常由漏斗扩大合并而成，直径＞100m。3、落水洞：落水洞为地表水进入地下河的主要通道；深几十米至几百米，宽度一般＜10m。主要分布在溶蚀洼地底部以及喀斯特斜坡上。演示:桂林岩溶地貌的形成1、地表岩溶形态1、石芽与溶沟：344、坡立谷与喀斯特平原

坡立谷（Polje），即溶蚀谷地，俗称“坝”、“坝子”，宽几百米至几公里，长几公里至几十公里，在一定构造条件下经长期溶蚀、侵蚀而成；喀斯特平原，达数百平方公里，由坡立谷发展而来。5、峰丛、峰林、孤峰与残丘：峰丛，一种连座峰林，其基部相连、顶部分散为一个个山峰（＞1／2相连）；峰林，石灰岩石峰分散或成群分布在平地上，远望如林（＜1／2相连）。其相对高度为100—200m，坡度＞45°；孤峰，竖立在喀斯特平原上的孤立石灰岩山峰，相对高度几十至百余米；残丘，孤峰进一步发育而成，相对高度十几至几十米。4、坡立谷与喀斯特平原坡立谷（Polje），即溶蚀谷地，俗356、岩溶丘陵岩溶丘陵与溶蚀洼地的组合，是亚热带喀斯特的典型形态。岩溶丘陵相对高度100～150m，坡度较和缓，不具峰林形态。

7、喀斯特地貌组合热带喀斯特地貌组合依发育阶段的差异，可分为：峰丛——洼地（或漏斗）；峰林——洼地；峰林——谷地；孤峰、残丘——平原；从云贵高原边缘到广西盆地中心，依次出现上述喀斯特地貌组合。6、岩溶丘陵岩溶丘陵与溶蚀洼地的组合，是亚热带喀斯特368、岩溶旋回①幼年期：地表面水系完整，地表岩溶开始发育，形成溶沟、石芽和少量的漏斗；②青年期：地下水系发育，地表仅存河流主干，地下、地表岩溶发育，形成溶洞、漏斗、落水洞、干谷、峰丛、溶蚀洼地等形态；③中年期：岩溶发育由地下转向地表，洞顶多塌陷，水系重回地表，峰林、溶蚀洼地、溶蚀谷地大量形成；④老年期：下伏不可溶岩层广泛出露或地面高度接近侵蚀基准面，地表水系占绝对统治地位，形成溶蚀谷地、溶蚀平原、孤峰、残丘等。8、岩溶旋回①幼年期：地表面水系完整，地表岩溶开始发育，37石芽与溶沟1石芽与溶沟云南罗平石芽与溶沟1石芽与溶沟云南罗平38石芽与溶沟3石芽与溶沟云南罗平石芽与溶沟3石芽与溶沟云南罗平39石芽与溶沟4石芽与溶沟木格错，青藏高原石芽与溶沟4石芽与溶沟木格错，青藏高原40路南石林路南石林41阿诗玛的传说阿诗玛的传说42路南石林世界地质公园路南石林世界地质公园43石林鸟瞰石林鸟瞰石林鸟瞰石林鸟瞰44大理石石林大理石石林广西贺州，我国唯一的一个大理石石林大理石石林大理石石林广西贺州，我国唯一的一个大理石石林45漏斗1漏斗贵州兴义漏斗1漏斗贵州兴义46漏斗2漏斗贵州兴义漏斗2漏斗贵州兴义47漏斗3漏斗贵州兴义漏斗3漏斗贵州兴义48漏斗群1云南罗平漏斗群漏斗群1云南罗平漏斗群49广西乐业“天坑”广西乐业“天坑群”最深613m广西乐业“天坑”广西乐业“天坑群”最深613m50乐业“天坑”仰视乐业“天坑”仰视51重庆小寨“天坑”2重庆小寨“天坑”重庆小寨“天坑”2重庆小寨“天坑”52重庆小寨“天坑”3重庆小寨“天坑”重庆小寨“天坑”3重庆小寨“天坑”53重庆小寨“天坑”4小寨“天坑”仰视重庆小寨“天坑”4小寨“天坑”仰视54落水洞落水洞55天窗（落水洞）天窗（落水洞）56峰丛与峰林峰丛与峰林57峰林峰林58桂林山水甲天下桂林山水甲天下59九马画山九马画山60孤峰2孤峰孤峰2孤峰61坡立谷坡立谷坡立谷坡立谷62喀斯特平原喀斯特平原喀斯特平原喀斯特平原63岩溶丘陵云南罗平喀斯特丘陵岩溶丘陵云南罗平喀斯特丘陵64云南罗平喀斯特丘陵云南罗平云南罗平喀斯特丘陵云南罗平65广东连山广东连山广东连山广东连山66阳朔的月亮山月亮山阳朔阳朔的月亮山月亮山阳朔67桂林骆驼山桂林骆驼山68桂林象鼻山桂林象鼻山69草海岩溶贵州威宁的草海，46.6km2草海岩贵州威宁的草海，46.6km270广东肇庆的七星岩七星岩广东肇庆广东肇庆的七星岩七星岩广东肇庆71肇庆市七星肇庆市七72云南白水台地表“石灰华”／华钙／泉华云南白水台地表“石灰华”／华钙／泉华73黄龙五彩池1黄龙五彩池黄龙五彩池1黄龙五彩池74黄龙五彩池2黄龙五彩池黄龙五彩池2黄龙五彩池75九寨沟华钙九寨沟华钙76九寨沟华钙树九寨沟华钙树77西藏泉华西藏泉华78土耳其棉花堡1土耳其棉花堡土耳其棉花堡1土耳其棉花堡79土耳其棉花堡2土耳其棉花堡土耳其棉花堡2土耳其棉花堡80土耳其棉花堡3土耳其棉花堡土耳其棉花堡3土耳其棉花堡81黄石公园泉华黄石公园泉华黄石公园泉华黄石公园泉华82江西石钟山江西石钟山83海中喀斯特越南下龙湾——“海上桂林”海中喀斯特越南下龙湾——“海上桂林”84下龙湾下龙湾85泰国普吉岛1泰国普吉岛泰国普吉岛1泰国普吉岛86泰国普吉岛2泰国普吉岛泰国普吉岛2泰国普吉岛87喀斯特泉喀斯特泉喀斯特泉喀斯特泉88停多喷少停多喷少停多喷少停多喷少89济南的泉雨量充沛时济南百脉泉济南的泉雨量充沛时济南百脉泉90喀斯特泉（黄石公园）喀斯特泉黄石公园喀斯特泉（黄石公园）喀斯特泉黄石公园91喀斯特热泉（黄石公园）喀斯特热泉黄石公园喀斯特热泉（黄石公园）喀斯特热泉黄石公园92黄石公园喀斯特泉眼黄石公园喀斯特泉眼黄石公园喀斯特泉眼黄石公园喀斯特泉眼93四、地下喀斯特地貌四、地下喀斯特地貌94★溶洞与地下河1、溶洞①垂直溶洞与倾斜溶洞；②水平溶洞；冷洞暖洞穿洞脚洞①②侧洞地下水★溶洞与地下河1、溶洞冷洞暖洞穿洞脚洞①②侧洞地下水952、洞穴堆积地貌石笋、石钟乳、石柱、石幔等等。2、洞穴堆积地貌石笋、石钟乳、石柱、石幔等等。96侧洞侧洞侧洞侧洞97地下河1地下河地下河1地下河98地下河2地下河地下河2地下河99地下河3地下河地下河3地下河100七星岩地下河七星岩双源洞地下河七星岩地下河七星岩双源洞地下河101地下河英西1地下河广东英德地下河英西1地下河广东英德102地下河英西2地下河广东英德地下河英西2地下河广东英德103地下河连州地下河广东连州地下河连州地下河广东连州104银狐洞地下河银狐洞地下河北京郊区银狐洞地下河银狐洞地下河北京郊区105地下河出口1地下河出口地下河出口1地下河出口106地下河出口2地下河出口地下河出口2地下河出口107地下河出口3地下河出口广东英德地下河出口3地下河出口广东英德108地下瀑布地下瀑布地下瀑布地下瀑布109地下河出口4地下河出口地下河出口4地下河出口110地下河出海口地下河出海口意大利著名的蓝洞地下河出海口地下河出海口意大利著名的蓝洞111垂直溶洞发育于充气带以落水洞居多美国垂直溶洞发育于充气带美国112200m深的溶洞克罗地亚200m深的溶洞克罗地亚113水平溶洞贵阳龙宫水平溶洞贵阳龙宫114天生桥溶洞坍塌而成天生桥天生桥溶洞坍塌而成天生桥115天生桥1天生桥贵州遵义天生桥1天生桥贵州遵义116天生桥2天生桥天生桥2天生桥117石钟乳1英德通天岩石钟石钟乳1英德通天岩石118石钟乳2石钟石钟乳2石119石笋1石石笋1石120石笋2石石笋2石121石笋3喀斯特泉华“石笋”美国加州魔鬼湖石笋3喀斯特泉华“石笋”美国加州魔鬼湖122石笋与石钟乳1石笋与石钟石笋与石钟乳1石123石笋与石钟乳2石笋与石钟石笋与石钟乳2石124石柱1石石柱1石125石柱2石石柱2石126石柱3石石柱3石127石幔1石幔石幔1石幔128石幔2石幔石幔2石幔129鹅管鹅管130石珊瑚石珊瑚131卷曲石卷曲石132石水果石水果133纯净的钙质纯净的钙质134边石堤边石堤135黄龙的边石堤黄龙的边石堤黄龙的边石堤黄龙的边石堤136石缸石缸1373.3.2岩溶的分布规律质纯、层厚的石灰岩中，岩溶最为发育，形态齐全，规模较大。含泥质和其它杂质的岩层岩溶发育较弱。地形陡峻的斜坡地带，地表径流大，发育溶沟、溶槽、石芽等地表岩溶。在地形平缘地带，地下水易下渗，地表地下岩溶形态都较发育。由于水的交替作用随深度增加而减弱，岩溶发育随深度增加而减弱。一般在地表附近岩溶较发育。在裂隙发育带，断层破碎带，岩层接触面带岩溶较发育。岩溶的发育还具有带状性和成层性。3.3.2岩溶的分布规律质纯、层厚的石灰岩中，岩溶最为发1381、岩溶发育的垂直分带性在岩溶地区地下水流动具有垂直分带现象，因而所形成的岩溶也带有垂直分带的特征（图8）。⑴垂直循环带，或称包气带⑵季节循环带或称过渡带⑶水平循环带或称饱水带⑷深部循环带1、岩溶发育的垂直分带性139★岩溶的垂直分带示意图①②③④①垂直渗透带（充气带）；②季节变动带（过渡带）；③水平流动带（饱水带）；④深部缓流带。★岩溶的垂直分带示意图①②③④①垂直渗透带140图8岩溶水的垂直分带

Ⅰ—垂直循环带；Ⅱ—季节循环带；Ⅲ—水平循环带；Ⅳ—深部循环带图8岩溶水的垂直分带1412、岩溶分布的成层性在地壳运动相对稳定时期，岩溶地区在垂直剖面上形成了上述岩溶发育的4个带，之