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主要影响土木工程地质风化作用的因素

时间:2023-08-29 理论教育 版权反馈
【摘要】:在昼夜温差及冷热交替频率较大的地区,有利于物理风化的作用。降雨为岩石的风化提供了必须的水溶液,降雨量大小控制着风化营力的性质和强度,影响风化作用的类型及岩石风化的速度。被三组以上软弱面切割的岩体,风化营力沿软弱结构面发生作用,促使岩体解体,风化产物是块状或棱角圆化的椭球状及球状,叫球状风化。因此,随着地面高程不同风化作用也有明显的差异。

主要影响土木工程地质风化作用的因素

岩石风化程度及速度,风化壳厚度及风化产物的性质,不仅在不同地区有所不同,即使在同一地区,甚至在同一建筑场地的一定范围内也有明显差异,这是由于气候、岩性、地质构造、地形、水文地质条件等因素的影响所致,所以,岩石风化是各种因素综合作用的复杂过程。

1.气候因素

气候是控制风化营力性质及强度的主要因素。反映气候特点的气象要素很多。其中对岩石风化影响较大的主要是温度和雨量。在昼夜温差及冷热交替频率较大的地区,有利于物理风化的作用。温度的高低,不仅直接影响岩石热胀冷缩和水的物理状态,而且对矿物在水中的溶解度、生物的新陈代谢、各种水溶液的浓度和化学反应的速度都有很大影响。降雨为岩石的风化提供了必须的水溶液,降雨量大小控制着风化营力的性质和强度,影响风化作用的类型及岩石风化的速度。在降雨量小而蒸发量大的地区,即使易溶解的矿物,亦因溶液易达饱和而不能完全溶解,从而限制了元素的迁移,影响岩石的彻底风化。在潮湿多雨地区,风化营力得以不断补充,又有利于生物的繁殖,岩石风化程度较强,风化速度快,风化深度亦较大。

由温度、降雨量等要素组成的气候类型是很复杂的,不同气候条件下风化作用的类型和强度、风化产物的性质等均不相同。我国地域辽阔,地势复杂,气候类型较多,既有受纬度控制的区域性气候带,也有因地势及其他因素控制的局部性气候,因受气候控制的岩石也具有区域分带现象。从工程建筑来看,应以湿热气候区的岩石风化问题作为研究风化重点。

2.岩性的影响

岩石的抗风化能力与其形成环境、矿物成分及结构构造关系极为密切。

如前所述,岩石风化作用发生于地壳表层,当成岩环境与地表环境差异愈大时,原岩风化变异愈强烈,即岩石的抗风化能力愈弱。

岩石抗风化能力的大小,主要决定于组成岩石的矿物成分。不同矿物具有不同的结晶格架。由其化学活泼性所决定的抗风化能力亦不相同。在地表环境下,常见造岩矿物的抗风化能力是不同的,其相对稳定性如表3-2所示。

表3-2 常见造岩矿物的抗风化稳定性

大多数沉积岩是由前一旋回的风化产物组成的,在其成岩过程中可能只受到轻微的变质和改造,它的形成环境比岩浆岩变质岩更接近地表。一般说沉积岩的抗风化能力比岩浆岩及变质岩高,最终的化学变化很小。但是沉积岩的风化问题比较复杂,其主要矿物是前一旋回的风化次生矿物,如黏土矿物、绿泥石石英及钙—镁碳酸盐。这些矿物颗粒大都极细,比表面积大,因表面效应较强,易遭水化,水解及淋滤作用,以恢复它们对新环境的平衡关系。实践证明:沉积岩中的黏土岩、页岩、粉砂质黏土岩、黏土质粉砂岩等风化厚度虽不大,但风化速度却很快。

形成地壳的岩石是极为复杂的,为工程建筑进行风化作用的研究,应以岩浆岩、变质岩、黏土质类岩石为主。在研究岩石风化速度时,尤应以黏土质类岩石(黏土岩、页岩、粉砂质黏土岩及各种泥质胶结的砂岩)为主。

组成岩石的化学成分对抗风化能力也有很大影响,岩石中含K、Na、Li、Cl等元素较多者,因其化学活动性较强,经化学风化后易脱离母岩随水流失。岩石中Fe、Al、Si、Ti等元素的化学稳定性较好,经化学风化后,易残留原地。即使同一元素,其所组成的化合物不同时,岩石的抗风化能力也不同,如方解石中的含Ca化合物易风化解体,而斜长石中的含Ca化合物都比较稳定。

岩石的抗风化能力不仅决定于矿物成分和化学成分的活泼性,同时也决定于岩石的结构。单矿岩(如石英)的颜色、导热性均一,在外因素作用下,胀缩性基本一致,不易形成过大的应力而引起岩石的破坏,故其抗风化能力较强;而复矿岩的成分复杂,矿物的导热性、胀缩性各不相同,易形成过大的应力而引起岩石的破坏,故其抗风化能力较弱。

当矿物成分相同时,等粒结构岩石比不等粒结构岩石的抗风化能力强,原因是等粒结构岩石的胀缩性比不等粒结构岩石的胀缩性均一所致。

细粒细晶结构岩石受温度变化影响较小,颗粒比表面积大,联结较强,晶粒间的空隙较小,水、气等风化营力难以通过,其抗风化能力比成分相近的粗颗粒结构岩石强。

成分相近的碎屑沉积岩的抗风化能力与胶结物性质有关,泥钙质胶结者比硅质胶结的岩石抗风化能力弱。

3.地质构造的影响(www.xing528.com)

在成岩过程,地壳运动及其他次生作用下,使岩体内部形成了极为复杂的软弱结构面网络。这些不同成因的软弱结构面包括:断层、节理、层理、沉积间断面,侵入体与围岩接触面,岩浆岩的流面等,它们构成了风化营力(水、气等)侵袭岩石的入侵之门和深入岩体内部的良好通道,对加深及加速岩石的风化起了有力的促进作用。

当结构面网络较均一、岩性及其他条件相同时,风化壳底虽有起伏,但相差不大,变化仅在数米之内,并大致与地面平行。在裂隙密集带、断层破碎带,特别是不同方向的断裂交汇处,岩石的风化深度较大,风化壳底部起伏较大,一般大于10m,大者可达数十米,形成宽度不大,而深度较大的所谓风化囊,如图3-2所示。

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

深度较大的囊状风化,当其强度较低或渗透性过大,不能满足工程要求时,则处理工程较为复杂。因此,为工程建筑目的所进行的岩石风化研究,对囊状风化发育情况尤应注意。

软弱结构面的组合特点控制着岩石风化产物的形状。被三组以上软弱面切割的岩体,风化营力沿软弱结构面发生作用,促使岩体解体,风化产物是块状或棱角圆化的椭球状及球状,叫球状风化。这种风化类型常见于岩浆岩及厚层砂岩中。被两组软弱结构面切割的岩体,风化产物多呈柱状或针状。这种情况在我国分布较广的志留系页岩中多见之。一组软弱结构面极为发育的岩体,风化产物多是板状或成片状,在板岩千枚岩、片岩、页岩分布区多见之。

4.地形地貌的影响

地形条件既可直接影响岩石的风化作用,又可通过对气候及水文地质条件的影响,间接地影响岩石的风化。在不同地形条件下(高度、坡度、切割程度等),风化作用的类型、风化速度、风化程度、风化壳厚度及其空间分布是不同的。

在同一纬度,气候类型有随高程不同的垂直分带规律。因此,随着地面高程不同风化作用也有明显的差异。如在中、低纬度的高山区,以物理风化为主。在海拔较低的地区则以化学风化为主,风化速度较快,岩石变异较彻底。

由于沟谷的切割,加强了风化营力对岩体的侧面入侵作用,沟谷切割深度及密度较大的地区,岩石风化速度及深度比沟谷不甚发育的地区大。

在同一山地的不同部位亦可显示风化的差异。如向阳坡光照时间较阴坡长,昼夜温差较阴坡大,故其风化作用较阴坡强烈,风化壳也较厚。

陡坡地段的地表水及地下水活泼,岩石风化速度快,但风化产物易被剥蚀冲刷,风化壳厚度一般较薄,风化深度不大。缓坡地段则相反,风化壳厚度较大,岩石风化较彻底。

5.其他因素

地壳运动的特点控制着风化作用发生的总趋势。地壳长期处于相对稳定的地区,岩石与风化营力接触的时间较长,风化变异彻底,风化壳分布广泛,厚度也较大。地壳强烈上升的地区,虽然有时风化速度较快,但易遭外力侵蚀剥蚀,风化壳厚度并不大。地壳下降甚至沉入海面以下,风化作用较微弱,有时为海蚀或海积所代替。

地下水的化学成分、补给、排泄和埋藏条件,直接影响风化速度及深度。地下水的补给来源充足,游离氧和二氧化碳不断得到补充,同时又具备良好的径流排泄条件时,地下水始终保持其旺盛的侵蚀能力,岩石风化的速度和深度较大。一般说,地下水位以上氧化作用强烈,因此地下水埋藏较深地区,风化壳厚度亦较大。

由于外力侵蚀剥蚀作用所引起的天然应力释放,导致岩体松动,并进而产生新的卸荷裂隙,或使原生节理裂隙扩大,对岩石风化起了促进作用。这种作用在天然应力较高的深切河谷区尤为显著。

人类活动对岩石风化起着愈来愈显著的作用。据实际观测可知,岩石风化过程的不同阶段中其速度是不同的。当新鲜岩石与风化营力接触初期,岩石的变化较快,经过一定时期后则变化十分缓慢。由于人类工程活动所开挖的基坑、路堑、边坡、隧洞,或开荒毁树等,将已风化的岩石或覆盖层挖除后,使得风化微弱甚至新鲜岩石裸露,与活跃的风化营力直接接触,从而加剧了岩石风化。

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