工程地质学-第七章-不良地质现象的工程地质问题1

第七章不良地质现象的工程地质问题主要内容§7.1风化作用§7.2河流地质作用§7.3滑坡与崩塌§7.4泥石流§7.5岩溶与土洞§7.6地震及其效应地壳上部的岩土层经受着各种内外动力地质作用，如地壳运动、地震、流水作用以及人类工程活动等因素作用的影响而发生变化，这些变化又影响着原有宏观地质、地貌和地形条件的改变，并产生不良地质现象。例如：火山爆发、地震、滑坡、崩塌、泥石流、岩溶塌陷、修建水库诱发地震；城市过量抽取地下水引起地面沉降。据估计我国由地质灾害造成的损失占各种灾害总损失的35％。在地质灾害中，崩塌、滑坡、泥石流及人类工程活动诱发的浅表生地质灾害造成的损失占一半以上，每年约损失200亿元，而且大多集中在我国中西部山区和高原地区，这对我国经济建设重点逐渐向中西部转移和开发西部战略有重要的意义和影响，必须予以足够重视。因此，对于工程地质任务来讲，对这些不良地质现象应查明其类型、范围、活动性、影响因素、发生机理、对工程的影响和评价以及为改善场地的地质条件而采取的防治措施。§7.1风化作用地表或接近地表的岩石在大气、水和生物活动等因素影响下，发生物理的和化学的变化，致使岩体崩解、剥落、破碎，变成松散的碎屑性物质，这种作用称为风化作用。具体表现为矿物岩石在结构、构造甚至化学成分的逐渐变化，岩石由整块岩石变成碎块，由坚硬变成疏松，组成岩石的矿物发生分解而形成新矿物，从而降低了岩石的强度和稳定性。风化作用使岩石产生裂隙，破坏岩石的整体性，影响地基边坡的稳定性。此外，许多滑坡、崩塌等不良地质现象大多是在风化作用的基础上逐渐形成和发展起来的。因而，对风化作用的了解、风化带及其岩石风化程度的确定，对评价工程建筑条件是必要的。7.1.1风化作用类型按风化营力的不同，岩石的风化可分为物理风化作用、化学风化作用和生物风化作用三种类型。1.物理风化作用在温度变化、岩石裂隙或孔隙水的冻融或盐类结晶所产生的应力等作用下，岩石发生机械破碎的过程称为物理风化作用。物理风化是最简单的风化作用，只使岩石发生崩解，形成岩屑，岩石由坚硬变得疏松。温度变化和岩石裂隙中水分的冻结是岩石物理风化作用的因素。当温度发生变化时，由于岩石为不良的导热体，导热率不同，膨胀系数很不均一。所以，当热状态改变时，岩石产生热胀冷缩，内部产生应力，使晶粒间的联结遭到破坏，导致岩石产生裂缝而逐渐破碎。渗入裂缝中的水在低温时冻结成冰，体增大，产生压力，扩大岩石裂缝，引起岩石崩裂。2.化学风化作用化学风化作用是指岩石在水和各种水溶液的化学作用和有机体的生物化学作用下所引起的破坏过程。其特点是不仅破碎了岩石，而且最重要的是岩石的成分发生了变化。化学风化作用由水化作用、氧化作用、水解作用以及溶解作用。（1）水化作用：是水和某种矿物结合，这种作用可使岩石因体积膨胀而招致破坏。CaSO4+2H2O＝CaSO4·2H2O硬石膏遇水后生成二水石膏，二水石膏在结晶时，体积膨胀。(2)氧化作用：这种作用是氧和水的联合作用，对氧化亚铁、硫化物、碳酸盐类矿物表现比较突出。FeS2+7O2+H2O＝FeSO4+H2SO4黄铁矿在风化过程中会析出游离的硫酸，硫酸具有很强的腐蚀作用，能溶蚀岩石中某些矿物，形成一些洞穴和斑点，致使岩石破坏。（3）水解作用：是指矿物与水的成分起化学作用形成新的化合物。4K（AlSi3O8）+2CO2+4H2O＝Al4(Si4O10)(OH)8+8SiO2+2K2CO3(正长石)（高岭土）正长石经水解后，形成高岭土、石英和碳酸钾，碳酸钾被水溶解带走，剩下的是疏松的高岭土和石英混在一起。（4）溶解作用：自然界的水能直接溶解岩石使岩石破坏。最容易溶解的是卤化盐类（岩盐、钾盐），其次是硫酸盐（石膏、硬石膏），再次是碳酸盐类（石灰岩、白云岩）CaCO3+CO2+H2O＝Ca（HCO3）2碳酸钙变成重碳酸钙后，被水溶解带走，结果石灰岩便形成溶洞。在石灰岩地区经常有溶洞、溶沟等岩溶现象，就是这种溶解作用造成的。此外，当水的温度增高以及压力增大时，水的溶解作用就会比较活跃。3.生物风化作用岩石在动、植物及微生物影响下所起的破坏作用成为生物风化作用。它对岩石的破坏有物理作用（例如植物的根在岩石裂缝中生长，像楔子一样劈裂岩石)和化学作用（例如生物新陈代谢所析出的碳酸、硝酸及有机酸等对岩石的破坏作用)两种。7.1.2岩石风化程度和风化带岩石受到风化以后，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，我们可以概略地判断岩石的风化程度。1.岩石风化程度的判断（1）岩石的颜色岩石受到风化作用后，颜色和光泽发生变化，而未经风化的岩石的造岩矿物保持着固有的颜色和光泽。例如，花岗岩受到风化后，具有玻璃光泽的正长石即变成土状的白色粉末，而黑云母的色泽也变得深暗，因而使整个岩石失去原有色泽。（2）岩石的矿物成分岩石受到风化后，首先会引起其中某些易风化的矿物发生次生变化。例如花岗岩中的正长石，当发生风化后就逐渐变为高岭石。（3）岩石的破碎程度岩石风化后产生风化裂隙，风化程度越深，风化裂隙越发育，则岩体被裂隙切割得越破碎，所以岩石的风化破碎程度也是岩石风化程度的一个具体反应。（4）岩石的强度变化岩石风化后，整体性破坏，矿物颗粒之间的联结削弱，矿物成分发生次生变化力学强度降低。2.岩石风化程度按照岩石风化深浅和特征，可将岩石风化程度划分为五级：末风化：岩石组织结构末变。微风化：岩石组织结构基本末变，沿节理面有铁镁质渲染，矿物质基本末变，无疏松物质。弱风化(也称中等风化)：岩石组织结构部分破坏，裂隙面风化较重，矿物质稍微变质，沿节理面出现矿物风化，坚硬块体有松散物质。强风化：岩石组织结构大部分破坏，矿物成分已显著变化，长石、云母已风化成次生矿物，颜色变化，疏松物质与坚硬块体混杂。全风化：岩石组织结构已全部破坏，矿物成分除石英外大部分已风化成土状，基本不含坚硬块体。岩体风化程度分级岩石类别风化程度野外特征压缩波速度vp(m/s)波速比Ｋv风化系数Ｋf硬质岩石未风化岩质新鲜，未见风化痕迹﹥50000.9～1.00.9～1.0微风化组织结构基本未变，仅节理面有铁锰质渲染或矿物略有变色，有少量风化裂隙4000～50000.8～0.90.8～0.9中等风化组织结构部分破坏，矿物成分基本未变化，仅沿节理面出现次生矿物。风化裂隙发育。岩体被切割成20~50cm的岩块。锤击声脆，且不易击碎，不能用镐挖掘，岩芯钻方可钻进2000～40000.6～0.80.4～0.8强风化组织结构已大部分破坏，矿物成分已显著变化。长石、云母已风化成次生矿物。裂隙很发育，岩体破碎。岩体被切割成2～20cm的岩块，可用手折断。用镐可挖掘，干钻不易钻进1000～20000.4～0.6﹤0.4全风化组织结构已基本破坏，但尚可辨认，并且有微弱的残余结构强度，可用镐挖，干钻可钻进500～10000.2～0.4岩体风化程度分级岩石类别风化程度野外特征压缩波速度vp(m/s)波速比Ｋv风化系数Ｋf软质岩石未风化岩质新鲜，未见风化痕迹﹥40000.9～1.00.9～1.0微风化组织结构基本未变，仅节理面有铁锰质渲染或矿物略有变色。有少量风化裂隙3000～40000.8～0.90.8～0.9中等风化组织结构部分破坏。矿物成分发生变化，节理面附近的矿物已风化成土状。风化裂隙发育。岩体被切割成20～50cm的岩块，锤击易碎，用镐难挖掘。岩芯钻方可钻进1500～30000.5～0.80.3～0.8强风化组织结构已大部分破坏，矿物成分已显著变化，含大量粘土质粘土矿物。风化裂隙很发育，岩体破碎。岩体被切割成碎块，干时可用手折断或捍碎，浸水或干湿交替时可较迅速地软化或崩解。用镐或锹可挖掘，干钻可钻进700～15000.3～0.5﹤0.3全风化组织结构已基本破坏，但尚可辨认并且有微弱残余结构强度，可用镐挖，干钻可钻进300～7000.1～0.33.风化带岩石的风化一般是由表及里的，在风化剖面的不同深度上，岩石的物理力学性质有明显的差异。从岩石风化程度的深浅，在风化剖面上自上而下可分成四个风化带：微风化带、弱风化带、强风化带和全风化带。岩石风化带的界限在工程建筑中是一项重要的工程地质资料，是岩基持力层、基坑开挖、挖方边坡坡度以及采取相应的加固措施的依据之一。风化层分带在我国已有不少研究，水利水电部门提出的方案被广泛采用。7.1.3岩石风化的治理措施岩石风化的治理方法采取挖除和防治两种措施。1.挖除。挖除一部分危及建筑物安全的风化严重的岩层，挖除的深度是根据风化岩的风化程度、风化裂隙、风化岩的物理力学性质和工程需要等来确定的。挖除法适用于风化层较薄的情况，2.防治方法。制止风化作用继续发展，或采用人工方法加固风化岩的措施。（1）覆盖防止风化营力入侵的材料。为防止水和空气侵入岩石，可用沥青、三合土、粘土以及喷射水泥浆或石砌护墙来覆盖岩石表面。施工时先将岩石表面已经风化的部分清除，然后在新鲜岩面上进行覆盖。为防止温度变化对岩石的影响，可在其上铺一层粘上或砂，其厚度应超过年温度影响深度的5～10cm，此方法主要起隔绝作用。（2）灌注胶结和防水材料。将水泥、水玻璃、沥青或粘土浆通过高压将其灌入岩石的裂隙内及喷射于表面，不仅能起到隔绝作用，而且能提高岩石的强度和稳定性。（3）整平地区，加强排水。这是以防为主的方法水是岩石风化的主要因素之一，将岩石与水隔绝能减少岩石的风化速度。（4）当岩石风化速度较快时，必须通过敞露的探槽观测岩石的风化速度，从而确定基坑的敞开期限内岩石风化可能达到的深度，据此拟定保护基坑免受风化破坏的措施。§7.2河流地质作用具有明显河槽的常年或季节性水流称为河流。河流在纵向的特征河流的空间形态河流的空间形态河谷河流侵蚀出的槽形凹地。谷底河谷底部较平坦的部分。河床河水占据的沟槽。谷坡谷底至分水岭的斜坡。阶地谷坡上的阶梯状平台。河流在横向的特征（河谷要素）河流是改变陆地地形的最主要的地质作用之一。河流的地质作用主要决定于河流的流速与流量。由于流速与流量的变化，河水表现出侵蚀、搬运和沉积三种性质不同但又相互关系的地质作用。7.2.1河流的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。按其作用的方式可以分为溶蚀和机械侵蚀两种；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.下蚀作用下蚀作用是河水在流动过程中使河床逐渐下切加深的作用。在坡度较陡、流速较大的情况下，河流向下切割能使河床底部逐渐加深，这种侵蚀在河流上游地区表现显著。多形成V形深切峡谷。我国长江、黄刘等河流的上游，就有很多峡谷出现，如三峡、龙羊峡、刘家峡。在向下切割的同时，河流并向河源方向发展，缩小和破坏分水岭，这种作用称为向源侵蚀。河床的下蚀作用使河床加深加长，从而能使桥台或桥墩基础遭到破坏。河流的下蚀作用形成的峡谷地貌虎跳峡三峡2.侧蚀作用侧蚀作用是河水在流动过程中，不断冲刷河床两岸，使河床不断加宽的作用。主要发生在河流的中下游地区。河流流动时由于受河床地形、岩性、地球自转以及支流注入等因素的影响，往往不作直线流动而产生横向环流。所谓横向环流是指河水以复杂的紊流状态流动，其主流常是左右摇摆呈螺旋状前进的曲线运动。是河流发生侧向侵蚀的原因。河流产生横向环流的原因，主要是与河流弯曲处水流的离心力和地球自转所产生的惯性力即科里奥利力有关。RmvP2式中：m－水的质量；v－水质点的纵向流速；R－水质点运动迹线的曲率半径。由于离心力的作用，使水质点向凹岸运动。结果，水面形成倾向凸岸的横向水力坡度In。RgvIn2tan式中：g－重力加速度（m/s2）（1）弯道离心力作用在河曲处，运动的水质点受离心力P的作用。离心力P的大小与流速平方成正比，而流速有是表面大深处小。所以P也是愈深愈小(图a)。形成横向水力坡度就产生了附加压力，方向与离心力方向相反，且在所有深度上一致，等于In·γ(图b)。在这种压力下，上层水流就流向凹岸，而下层水流就流向凸岸，形成螺旋状横向环流(图c)。(a)(b)(c)横向环流引起凹岸的侧向侵蚀，凸岸堆积。在河流的一岸，是由凹岸凸岸相间排列的。凸岸沉积凹岸侵