工程地质主题学习课件

第三章地表地质作用

第一节风化作用

坚硬的岩石，一旦出露地表，在太阳辐射作用下，并与水圈、大气圈和生物圈接触，为适应地表新的物理、化学环境，都必然会发生变化，这种变化虽然缓慢，但年深日久，就会逐渐崩解，分离为大小不等的岩屑或土层，岩石的这种物理、化学性质的变化称为风化；引起岩石这种变化的作用称为风化作用。

①风化作用使坚硬致密的岩石松散破坏；②改变了岩石原有的矿物成分和化学成分；③使岩石的强度和稳定性大为降低；④对工程建筑条件起着不良影响；⑤像滑坡、崩塌、碎落、岩堆及泥石流等不良地质现象，大部分都是在风化作用的基础上发展起来的。风化作用分为物理风化、化学风化及生物风化三个类型。一、风化作用的类型（一）物理风化作用在地表或接近地表条件下，岩石矿物在原地发生机械破碎而不改变其化学成分的过程叫物理风化作用。1.岩石释重2.温度变化3.冰劈4.晶胀物理风化的结果，首先是岩石整体性遭到破坏，随着风化程度的增加，图3-1冰劈作用逐渐成为岩石碎屑和松散的矿物颗粒。（二）化学风化作用化学风化是指岩石在水、氧、二氧化碳以及酸类等各种营力的影响下，所引起的破坏作用。其主要特点是化学营力，对岩石进行各种化学分解，使岩石的化学成分发生改变，并产生新的次生矿物。1.溶解作用最容易溶解的是卤化盐类（岩盐、钾盐），其次是硫酸盐类（石膏及无水石膏），再其次是碳酸盐类（石灰岩、白云岩等）。常常形成岩溶现象。2.水化作用水化作用是水与岩石中的某种矿物成分化合成为含水化合物的过程。

CaSO4+2H2O→CaSO4·2H2O

无水石膏石膏水化作用的结果产生了水化矿物。含水矿物硬度低于无水矿物，同时产生体积膨胀。

3.水解作用

K2O·Al2O3·6SiO2+nH2O→Al2O3·2SiO2·2H2O+4SiO2·nH2O+KOH

正长石高岭土蛋白石4.碳酸化作用

K2O·Al2O3·6SiO2+CO2+2H2O→Al2O3·2SiO2·2H2O+K2CO3+4SiO2

正长石高岭土

CaCO3+CO2+2H2O→Ca（HCO3）25.氧化作用许多变价元素在地下缺氧的条件下，常形成低价元素的矿物，在地表氧化环境下，这些低价元素矿物极不稳定，容易氧化为高价元素的新矿物，以适应新的环境，如黄铁矿经氧化后成为褐铁矿：2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+2H2SO4黄铁矿硫酸亚铁12FeSO4+3O2+6H2O→4Fe2（SO4）3+4Fe（OH）3

硫酸铁 褐铁矿（三）生物风化生物风化是指生物在其生长和分解过程中，直接或间接地对岩石矿物所起的物理和化学的风化作用。生物的物理风化作用生物的化学风化作用二、风化岩层的分带岩石的风化在地表部分受影响最显著，往下风化作用的影响逐渐减弱，以至消失，在风化剖面的不同深度上，岩石的物理力学性质也会有明显差异。从工程地质角度，一般把岩石的风化自下而上分成四个带：（1）整石带：（2）块石带：

（3）碎石带：（4）粉碎带：三、岩石风化程度的分级（一）岩石风化程度的判断岩石受到风化以后，不论其外观特征或物理力学性质，都会发生一系列的变化，根据这些变化，我们可以概略的判断岩石风化程度。1.岩石的颜色2.岩石的矿物成分3.岩石的破碎程度4.岩石强度变化5。岩石的结构与构造的变化（二）岩石风化程度分级

岩石风化程度分级表3-1

风化程度分级主要特征颜色与光泽结构与构造矿物成分破碎程度强度未经风化所有矿物及其胶结物的颜色都是新鲜的保持原有结构、构造矿物成分未变除构造裂隙外，肉眼见不到其它裂隙岩石原有的强度风化轻微岩石颜色稍比新鲜岩石暗淡，仅裂隙面附近部分矿物变色结构、构造未变沿裂隙面稍有风化现象或有水锈发生少数风化裂隙，但不易与新鲜岩石区别比新鲜岩石略低，但不易区别风化颇重表面和裂隙面大部分变色，但断口仍保持新鲜岩石特点结构、构造大部分完好沿裂隙面出现次生矿物风化裂隙发育，完整性较差抗压强度仅为新鲜岩石的1/3~2/3风化严重岩石颜色改变，仅岩块断口中心仍保持原有颜色结构、构造大部分破坏易风化矿物均已风化变质，形成次生矿物岩体呈干砌块石状，岩块上裂纹密布，疏松易脆，完整性很差抗压强度仅为新鲜岩石的1/3左右风化极严重岩石完全变色，光泽消失，黑云母变为蛭石结构、构造完全破坏，仅外观保持原岩的状态，矿物晶粒失去了胶结联系，石英松散成砂粒除石英晶粒外，其余矿物大部分风化变质，形成次生矿物用手折断、捏碎很低

四、残积层地表岩石经过长期风化作用后，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，其中的一部分易溶物质被水溶解流失，大部分物质残留在原地，这种物质称为残积物，这种风化层称为残积层。特点：①残积层的成分与原岩有密切关系。②残积层中的碎屑物质大小不均匀，菱角显著，无分选，无层理，有时保存原岩的残余构造，或者由于不同深度上的风化程度不同，而呈现假层理，残积层与下伏母岩没有明显界线，而是逐渐过渡的。③残积层在平缓的山顶和山坡上较厚，而在易遭冲刷的较陡山坡上则厚度不大。工程地质性质：①残积层具有较多的空隙和裂缝，易遭冲刷，强度和稳定性差。②由于残积层空隙多，又加成分和厚度很不均匀，所以作为建筑物的地基时，应考虑其承载能力和可能产生的不均匀沉降。③由于残积层结构比较松散，作为路基边坡时，应考虑可能出现的崩塌和冲刷等问题。五、影响风化作用的主要因素（一）气候因素（二）岩性的影响（三）地质构造的影响

图3-2囊状风化1-糜棱岩和角砾岩；2-碎裂岩；3-强风化岩及其底板界线；4-弱风化岩及其底板界线；5-微风化和新鲜岩体（四）地形地貌的影响（五）其它因素（水、人为因素）六、防治岩石风化的措施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合理利用与处理；二是防止岩石进一步风化。（一）对风化岩石的处理措施1．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，使重型建筑物基础置在稳妥可靠的新鲜基岩上。2．当风化壳厚度较大，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。３．当地基存在囊状风化，且深度不大时，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。４．开凿于剧强风化带的边坡和地下洞室，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与洞室围岩的稳定性。(二）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。①可在被保护岩石表面用粘性土或砂土铺盖。②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。③当以风化速度较快的岩石做地基时，基坑开挖至设计高程后，须立即浇注基础，回填封闭。

第二节地表流水的地质作用地壳上存在有两种水流，一种是存在于地壳表层的地表水流，另一种是存在于地下的地下水流。地表水流根据存在特点，可分为时断时续的（雨水、融雪及山洪等）暂时性水流；另一种是终年流动不息的（河水、湖水及海水等）长期性水流。一、暂时性流水的地质作用（一）片流的地质作用及坡积层雨水降落到地面或覆盖地面的积雪融化时，其中一部分被蒸发，一部分渗入地下，剩下的部分则形成无数的网状坡面细流，从高处沿斜坡向低处缓慢流动，时而冲刷，时而沉积，不断地使坡面的风化岩屑和粘土物质沿斜坡向下移动，最后，在坡脚或山坡低凹处沉积下来形成坡积层。冲刷作用的强度和规模，在一定的气候条件下与山坡的岩性、风化程度和坡面植物的覆盖程度有关。图3-3坡积层示意图

1-基岩；2-坡积层特点：①一般是中下部较厚，而上坡上部逐渐变薄以至尖灭。②坡积层物质未经长期搬运，碎屑棱角明显，分选性不好。③通常都是天然孔隙度很高的含有棱角状碎石的亚粘土。④与残积层不同的是坡积层的组成物质经过了一定距离的搬运，由于间歇性的堆积，可能有一些不太明显的倾斜层理。⑤与下伏基岩没有成因上的直接联系。

工程性质：除下伏基岩顶面的坡面平缓外，坡积层多数处于不稳定状态。影响坡积层稳定性因素，概括起来主要有以下三个方面：（1）下伏基岩顶面的倾斜程度；（2）下伏基岩与坡积层接触带的含水情况；（3）坡积层本身的性质。（二）山洪急流的地质作用及洪积层急流是由片流汇集而成的，开始沿着凹形斜坡向下流动，由于洪流集中且流速较大，因此具有较大的冲刷能力，急流流动的结果，在斜坡地带形成大量沟槽（冲沟），它不但破坏了斜坡的完整性，同时也造成了大量的水土失。1.冲沟的发育阶段：

图3-4冲沟发育阶段纵剖面图

a）冲槽阶段；b）下切阶段；c）平衡阶段；d）休止阶段2.冲沟的防治：

第一阶段：冲沟范围较小，可以采取填平沟槽并进行夯实，对地表水进行导流并植树，或对原有树木禁止砍伐。第二阶段：在沟底铺砌柴捆或石笼，或在沟槽处采用水泥砂浆石砌跌水建筑物。第三阶段：沟底冲刷减弱，但沟壁的坍塌现象仍然存在，故应在沟底坡脚处修建土坝，并在其上植树，以防治沟壁的进一步坍塌。第四阶段：冲沟已经停止发育，为了防止水流的再冲刷作用，应在沟内植树造林，禁止对树木乱砍滥伐。3.洪积层大雨或融雪水将山区或高地的大量碎屑物沿冲沟搬运到山前或山坡的低平地带堆积而成。洪积物在沟口往往呈扇形分布，扇顶在沟口，向山前低平地带展开，称为洪积扇（如图3-5所示）。洪积扇的规模逐年增大，有时与相邻沟谷的洪积扇互相连接起来，形成规模更大的洪积裙。图3－5洪积扇沉积物红积层的特点及工程性质特点：①洪积物具有一定程度的分选与磨圆。②从水平方向看扇顶部位为粗碎屑物质，向扇体边缘逐渐变细成为砂类土和粘性土。③具有较明显的层理，以及夹层、透镜体等。④洪积物的厚度从沟口到扇顶逐渐变厚。工程性质：①一般分为上部、中部和下部三部分。它们具有不同的工程地质特征。②上部多以碎石、砾石、卵石为主要成分，强度高、压缩性小，可作为工业、民用建筑良好地基，但其孔隙大，透水性强，不适应建坝。③中部以砂土为主，下部以粘土为主，它们一般都是良好地基。主要在砂土向粘土过渡地带，由于透水性的差异及地下水埋藏浅等的影响，常有泉水出露，形成沼泽。沼泽地带泥炭层强度低，压缩性大。④下部细颗粒由于具有可融盐结晶，形成联结、强度好，但应防止水对结晶的溶解。二、河流的地质作用具有明显河槽的常年或季节性水流称为河流。（一）侵蚀作用河水在流动过程中不断加深和拓宽河床的作用称为河流的侵蚀作用。按其作用的方式，可分为溶蚀和机械侵蚀两种。

河流的侵蚀作用按照河床不断加深和拓宽的发展过程，可分为下蚀作用和侧蚀作用。1．下蚀作用

河水在流动过程中使河床逐渐下切加深的作用，称为河流的下蚀作用。强度取决于河流的流速和流量。同时，也与河床的岩性和地质构造有密切的关系。下蚀作用使河床不断加深，切割成槽形凹地，形成河谷。河流下蚀作用强烈，可形成深而窄的峡谷。如长江三峡等。河流的下蚀过程总是从河的下游逐渐向上游方向发展的，这种溯源推进的侵蚀过程称为溯源侵蚀。河流的下蚀作用并不是无止境的继续下去，而是有它自己的基准面的。因为随着下蚀作用的发展，河床不断加深，河床的纵坡逐渐变缓、流速降低，侵蚀能量削弱，达到一定的基准面后，河流的侵蚀作用将趋于消失。河流下蚀作用消失的平面，称为侵蚀基准面。侵蚀基准面不是固定不变的，由于构造运动的区域性和差异性，会引起水系侵蚀基准面发生变化。2．侧蚀作用河水在流动过程中，一方面不断刷深河床，同时也不断冲刷河床两岸，这种使河床不断加宽的作用，称为河流的侧蚀作用。河水在运动过程中横向环流的作用，是促使河流产生侧蚀的经常性因素。

图3-6横向环流示意图

a）河流横向环流；b）河曲处横向环流断面图

图3-7侧蚀作用使河谷加宽图3-8蛇曲的发展与牛轭湖的形成

a）湾曲河道；b）蛇曲；c）牛轭湖（二）.搬运作用河流在流动过程中夹带沿途冲刷侵蚀下来的物质（泥沙、石块等）离开原地的移动作用，称为搬运作用。河流的侵蚀和堆积作用，在一定意义上都是通过搬运过程来进行的。河水搬运能量的大小，决定于河水的流量和流速。河流的搬运作用有浮运、推移和溶运三种形式。（三）.沉积作用河流在运动过程中，能量不断受到损失，当河水夹带的泥沙、砾石等搬运物质超过了河水的搬运能力时，被搬运物质便在重力作用下逐渐沉积下来，形成河流冲积层。根据形成条件和环境分为河床冲积物，（如图3-9a所示）、河漫滩沉积物（如图3-9b所示）、牛轭湖沉积物和三角洲沉积物，（如图3-9c所示）。

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