第四章土的形成及其工程地质特征教材

重点内容•风化作用，岩石风化程度的划分•残积物、坡积物、洪积物•河流地质作用，冲积物第一节风化作用及残积物研究风化作用的意义1.风化作用改变了岩石的成分，破坏，强度降低2.很多不良地质均在风化的基础上逐渐形成3.正确评价岩石的风化程度，评价建筑条件一、风化作用的类型岩石风化（rockweathering）矿物和岩石在地表条件下发生的机械碎裂和化学分解过程。主要的风化营力：太阳热能、大气降水、地下水、水蒸气、冰，以及二氧化碳、氧和动植物有机体等。贵州地质奇观天然巨石惊现“中国共产党”这一象形图案由钙质海绵为主的化石无序排列浑然天成1物理风化physicalweathering指地表岩石因温度变化和空隙中水的冻融以及盐类的结晶而产生的机械崩解过程。使岩石从比较完整固结状态变为松散破碎状态，使岩石的空隙度和表面积增大。•温差风化过程：温度变化----表里不协调的膨胀作用----长期进行----削弱表面与内部的联接----表层剥落。•冻融风化充填在岩石裂隙中得水分结冰是岩石的破坏作用，冰冻风化冰劈作用的实质是冻融交替2.化学风化(chemicalweatbering)在大气、水和水中化学物质的作用下，使岩石的化学成分和矿物种类发生变化的作用。主要方式：溶解、水化、水解；氧化、碳酸化等（1）溶解作用(dissolution)水直接溶解岩石中的矿物的作用。溶解的难易程度：卤盐类----硫酸盐类----碳酸盐类岩盐，钾盐石膏，硬石膏灰岩，白云岩石盐一般指岩盐。都是由盐水在封闭的盆地中蒸发而形成盐矿床，被称为卤化物矿物。常在石盐之下找到石膏和硬石膏。石盐互层还有其他沉淀矿物，方解石和钾盐以及砂子和粘土。石膏是单斜晶系矿物，主要化学成分是硫酸钙（CaSO4）。石膏矿在各地质时代均有产出，以早白垩纪和第三纪沉积型石膏矿为最重要。白云岩，一种沉积碳酸盐岩。主要由白云石组成，常混入石英、长石、方解石和粘土矿物。呈灰白色，性脆，硬度小，用铁器易划出擦痕。遇稀盐酸缓慢起泡或不起泡，外貌与石灰岩很相似。•南京慕府山白云岩矿床：矿层赋存于震旦系上统、寒武系中、下统内。由南至北共有四个矿层，走向长700~1200m，宽150m，出露宽150~300m，产状较为稳定，倾向南东，倾角30~90。•辽宁营口陈家堡子白云岩矿床：矿床赋存于下元古界辽河群碳酸盐岩系内。矿层呈层状，走向长数公里，厚度500m，倾向南东，倾角45左右，顶板为白云质灰岩，底板为千枚岩（2）水化作用（Hydration）水中H+与OH-离子与矿物分子的坚固连接。当岩石矿物吸收水份后，其增加的容量在岩石中造成物理应力。氧化铁ironoxides转化成氢氧化铁ironhydroxide硬石膏anhydrite经过水化作用后成为石膏gypsum（3）水解作用（Hydrolysis）矿物离解产物与水中的H+与OH-离子发生反应形成新矿物。一种影响硅酸盐（Silicate）矿物的化学风化过程，在反应中纯水会轻微离子化，并与硅酸盐矿物起反应。Mg2SiO4+4H++4OH--2Mg2++4OH-+H4SiO4橄榄石（olivine）（镁橄榄石（forsterite））+四个水分子离子-溶液中的离子+溶液中的硅酸（silicicacid）橄榄石（Peridot或Olivine）：铁或镁的硅酸盐，同时含有锰、镍、钴等元素，晶体呈现短柱状或厚板状。属斜方晶系，晶体形态常呈短柱状，集合体多为不规则粒状。颜色多为橄榄绿、黄绿、金黄绿或祖母绿色。玻璃光泽，透明。硬度6.5－7.0，贝壳状断口。橄榄石因其颜色多为橄榄绿色而得名。橄榄石变质可形成蛇纹石或菱镁矿。绿色清晰的宝石，做胸针、指环、耳坠等，为珠宝市场上常见的中档宝石。八月生辰石。晶体呈斜方柱状体，晶面上有密集的纵纹，大多数情况下为晶体碎块或呈卵石状。正长石（Orthoclase）（铝硅酸盐长石（aluminosilicatefeldspar））+碳酸+水-----------高岭土（Kaolinite）（黏土矿物）+硅酸溶液+溶液中的钾（potassium）及重碳酸盐离子。（4）碳酸化作用（carbonation）溶于水中的CO2形成CO3-2、HCO3离子与矿物中金属离子结合成易溶的碳酸盐类，随水流失，原有矿物分解成新矿物残留。硅酸盐矿物中的阳离子形成碳酸盐，大部分SiO2形成蛋白石，部分SiO2呈胶体。蛋白石（opal）：SiO2·nH2O，天然的硬化的二氧化硅胶凝体，含3%－10%的水分。蛋白石与多数宝石不同，非晶质结构，贝壳状断口，具有变彩效应的宝石，含水的非晶质的二氧化硅。硬度5.5－6.5。天然欧珀分为白蛋白石（白欧珀）、黑蛋白石（黑鸥珀）和火蛋白石（火欧珀）三个种类。（不同）月光石是正长石和钠长石层状交互的宝石矿物。通常是无色至白色，也可呈浅黄、橙至淡褐、蓝灰或绿色，透明或半透明，具有特别的月光效应。（5）氧化作用（oxidation）3.生物风化(biologicalweathring)物理风化化学风化(3)化学风化是物理风化的继续和深入：化学风化溶解了岩石中易溶物质，改变了岩石的物理性质（致密疏松）从而加速了物理风化的进行。(4)不同的自然条件下表现的风化类型的强弱、主次程度不同。4.风化作用类型之间的相互关系(1)同时发生、相互影响、互相促进的(2)物理风化是化学风化的前驱和必要条件：物理风化使岩石破碎，由大变小，使表面积增大，有利于水溶液的渗透为化学风化提供了良好的条件。二、影响风化作用的因素（一）.岩石的性质与矿物成分、结构、构造和裂隙发育程度有关。1.矿物组成沉积岩抗风化能力比岩浆岩和变质岩要高。但泥岩、页岩风化速度最快。2.结构、构造粗粒岩石比细粒易于风化。多种矿物组成的岩石比单一矿物岩石易于风化。含有节理、裂隙较多的岩石易于风化。球状风化：岩石出露地表接受风化时，由于棱角突出，易受风化故棱角逐渐缩减，最终趋向球形。这样的风化过程称球状风化。花岗岩球状风化球状风化是花岗岩地段比较突出的一个不良地质现象。如果不能在勘察阶置充分的了解其分布特点。很可能在工程施工和线路运营过程中导致施工困难(断桩、增加施工成本)、上部结构失稳(不均匀沉降)等问题”。（二）气候因素气候对风化的影响主要是通过温度和雨量变化以及生物繁殖状况来实现的。•温度变化的频率比温度变化的幅度更为重要•温度的高低，不仅影响热胀冷缩和水的状态，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等都有很大影响。•雨水少的地区，某些易溶矿物也不能完全溶解，并且溶液容易达到饱和，发生沉淀和结晶，从而限制元素迁移的可能性；多雨地区有利于各种化学风化的进行，同时有利于生物的繁殖，从而加速生物风化。（三）地形因素•地形高差很大的地区，风化的深度和强度一般大于平缓的地区；但风化层薄。•平原或低缓的丘陵地区，风化层厚•宽广的分水岭地区，风化层比河谷地区厚。强烈的剥蚀区和强烈的堆积区，都不利于化学风化的进行。沟谷密集的侵蚀切割地区，风化层厚度不大。山地向阳坡风化层比阴坡厚。世界地质公园：内蒙古大青山阴山山地中段，为阴山山脉的主要段落。花岗岩、片麻岩、片岩、页岩、砂砾岩以及残积、坡积层、洪积砂砾层构成。九缸十八锅1.风成2.风化3.冰期三、岩石风化程度的划分残积层：碎屑物风化作用后留在原地。风化壳：残积物覆盖在地壳表面的风化岩基上，具有一定厚度的风化岩石层。划分的意义：对建筑场地的选择、工程设计、施工和处理。风化带的划分必须注意一个岩体的完整性问题，应结合岩性（矿物成分）、结构构造、破碎程度、力学特性（强度）、局部岩石的新鲜程度去判定。全风化带----强风化带----弱风化带----微风化带风化程度的划分要根据这些条件综合判定，而不可机械地去认识。一些规范中给我们提供的岩石风化程度判定标准正反映了这种机械性和片面性，是缺乏可操作性的。例如全风化岩石判定标准，很难能全面的理解和正确地判定。又如页岩，哪怕是新鲜页岩也几乎都具备强风化岩石的所有特征，不能划分为全风化带。*可溶性岩石的分布体规律是埋藏由浅到深，风化程度逐渐减弱，但由于岩石的可溶性，风化程度往往出现互相交叉，互相穿插、互相包容的情况。*风化带是一个“带”，是一个整体，对于含有硬岩和软岩的地区，应该以软质岩石的风化程度作为风化带划分的标准。岩石风化的勘查评价与防治风化作用的工程意义岩石受风化后，改变了物理化学性质，其变化的情况随着风化程度的轻重而不同。•岩石的裂隙度、孔隙度、透水性、胀缩性、可塑性等都随风化程度加深而增加；•岩石的抗压和抗剪强度等都随风化程度加深而降低；•风化壳成分的不均匀性、产状和厚度的不规则性都随风化程度加深而增大。•导致地基承载力降低，沉降或不均匀沉降增大，边坡的稳定性降低。四、岩石风化的勘查与评价•查明风化程度，确定风化层的工程性质，以便考虑建筑物的结构和施工的方法。•查明风化厚度和分布，以便选择最适宜的建筑地点，合理确定风化层的清基和刷方的土石方量、确定加固处理的有效措施。•查明风化速度和引起风化的主要因素，对那些直接影响工程质量和风化速度快的岩层，必须制定预防风化的正确措施。•对风化层的划分，特别是粘土的含量和成分进行必要的分析。岩石风化的防治：挖除、抹面、胶结、排水五、残积物（eluvium；residualdeposit）的性质1.残积物与母岩的关系密切。2.一般保存在不易受到外力剥蚀的比较平坦的地形部位，而且常常被后期的其它成因类型的沉积物所覆盖。3.残积物的堆积形态、厚度、规模变化较大。4.残积物不具层理，碎屑颗粒为棱角状（砾岩风化残积物除外），无分选性。残积物的发育具有明显的地带性。第二节地表暂时流水的地质作用及坡积物、洪积物地表流水分为：片流、洪流、河流。降水向下沿自然斜坡均匀流动，其流速小、水层薄，水流方向受地面起伏影响大，无固定流向，成为网状细流，称为片流。一、雨水、雪水地质作用及坡积物片流特点：片流侵蚀范围广，侵蚀量也较大，尤其在由松散细粒沉积物组成的裸露斜坡上更明显，造成严重的水土流失，是一种强烈的地貌过程，直接影响到工业农业建设。洗刷作用：片流对地表比较均匀、缓慢和短期的地质作用。坡积物：雨水、融雪水沿斜坡自高处向低处流的，不断使坡面上细小的岩石碎屑和粘土向下移动，沉积在坡脚或低凹处，形成残积物。坡积裙：坡积物在山麓地带常连接成覆盖斜坡的群状地形，称为坡积裙。•可分为山地坡积层和山麓平原坡积层两个亚相。•山地坡积层一般以粉质粘土夹碎石为主山麓平原坡积层以粉质粘土为主，夹少量碎石。坡积物特点1.分布在坡腰上或坡脚下，中下部比较厚，向上变薄至尖灭。比较粗大的碎屑堆积在紧靠斜坡位置，细小碎屑和粘土低级在距离斜坡较远处。2.随斜坡自上而下呈现由粗而细的分选现象；3.其成份与坡上的残积土基本一致。与下卧基岩没有直接关系，这是它与残积物明显的区别。坡积物工程地质性质：1.坡积物与基岩接触面往往是不整合面。2.建筑时，应注意坡积物本身的稳定性和边坡稳定性。3.基础沉降问题。4.有时混有大块孤石。二、山洪急流地质作用和洪积层洪流的冲刷作用:大量集中的水源，沟底坡地大，流速快冲沟：有冲刷作用形成的沟底狭窄、两壁陡峭的沟谷。冲沟形成的四个阶段：冲槽阶段：防止发展。下切阶段：采取积极的防护措施，防止进一步发展平衡阶段：防止侧蚀，加固沟壁休止阶段：沟床下切终止，有洪积物堆积。洪积物：山洪急流搬运的碎屑物质沉积下来。成因：短期内大量地表水流搬运、堆积作用地貌：洪积扇（proluviumfan）洪积扇（proluviumfan）：干旱、半干旱区的季节性或突发性洪流在河流出山口因比降剧减、水流分散、水量减少而形成的扇形堆积地貌。■洪积扇的结构多是砂砾互层和砾石层中夹砂透镜体或砂层中夹砾石透镜体;■洪积扇的三个地段◆靠近沟口：为粗粒碎屑沉积地段，承载力较高；◆外围：细碎屑物沉积地段，一般承载力较高；◆中间过度地段：经常有地下水溢出，可能形成沼泽，对工程不利。洪积物：成因：短期内大量地表水流搬运、堆积作用地貌：洪积扇特点•具有一定程度的分选和磨圆•常具较明显的层理以及夹层