工程地质第3章风化与地表流水的地质作用.docVIP

第三章 风化与地表流水的地质作用 以太阳的辐射能和日月的引力能为主要能源，在地表或地表附近进行的地质作用称为外力作用。外力作用实质上是地壳表层的水、大气、生物以外部能为能源，改造雕塑地壳（主要是地壳表面）的过程。外力作用的主要类型有风化作用、剥蚀作用、搬运作用、沉积作用、负荷地质作用以及硬结作用。其中剥蚀、搬运与沉积作用，按动力性质可分为风力作用、地表流水作用、地下水作用、湖海作用以及冰川作用等。外力地质作用与公路工程有密切关系，是公路工程地质研究的主要对象之一。本章只介绍具有普遍意义的风化作用和地表流水的地质作用。 第一节 风化作用 地壳表层的岩石，在太阳辐射、大气、水和生物等风化营力的作用下，发生物理和化学的变化，使岩石崩解破碎以至逐渐分解的作用，称为风化作用。风化作用是最普遍的一种外力地质作用，在大陆的各种地理环境中，都有风化作用在进行。风化作用在地表最显著，随着深度的增加，其影响就逐渐减弱以至消失。 风化作用使坚硬致密的岩石松散破坏，改变了岩石原有的矿物组成和化学成分，使岩石的强度和稳定性大为降低，对工程建筑条件起着不良的影响。此外，如滑坡、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逐渐形成和发展起来的。所以了解风化作用，认识风化现象，分析岩石的风化程度，对评价工程建筑条件是必不可少的。 一、风化作用的类型 风化作用按其占优势的营力及岩石变化的性质，可分为物理风化、化学风化及生物风化三个密切联系的类型。 （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、不形成新矿物的作用，称为物理风化作用或机械风化作用。物理风化作用的方式主要有温差风化、冰冻风化。此外，岩石释重和盐类的结晶与潮解等，也能促使岩石发生物理风化作用。 温差风化 温度变化是引起物理风化作用的最主要因素。由于温度的变化产 生温差，温差可促使岩石膨胀和收缩交替地进行，久而久之则引起岩石破裂。我们知道，岩石是热的不良导体，导热性差，白昼当它受太阳照射时，表层首先受热发生膨胀，而内部还未受热，仍然保持着原来的体积，这样，必然会在岩石的表层引起壳状脱离。在夜间，外层首先冷却收缩，而内部余热未散，仍保持着受热状态时的体积，这样表层便会发生径向开裂，形成裂缝。由于温度变化所引起的这种表里不协调的膨胀和收缩作用，昼夜不停地长期进行，就会削弱岩石表层和内部之间的联结，使之逐渐松动。在重力或其它外力作用下产生表层剥落。此外，不同矿物受热的体积膨胀系数各不相同，故由多种矿物组成的岩石在温度变化的影响下，各种矿物的体积胀、缩亦有差异，在它们的接触界面产生应力，从而破坏它们之间的结合能力。这样，岩石便可产生纵横交错的裂缝，有的裂缝平行岩石表面，形成层状剥离现象，有的裂缝垂直于岩石表面。久而久之，岩石裂缝可逐渐加大加深，由表及里地不断崩解、破碎成大大小小的碎块，见图３－１。 图3-1温差风化使岩石逐渐崩解的过程示意图 温差风化的强弱主要决定于温度变化的速度和幅度，特别是昼夜温度变化的幅度越大，温差风化则越强烈。此外，温差风化的强弱还决定于岩石的性质，如矿物成分与岩石结构等。 冰冻风化 充填在岩石裂隙中的水分结冰使岩石破坏的作用，称为冰冻风化。这是温度变化间接地使岩石破 碎的现象。地表岩石的裂隙中，常有水分充填，当温度下降到０℃时会冻结成冰。水结成冰时，体积可比原来增大９％左右。由于体积的增大，对岩石的裂隙可产生很大的压力（可达96~200MPa），使岩石裂隙加宽、加深，故称冰劈作用。当气温回升大于０℃以上，冰体融化，水沿扩大的裂缝更深地渗入岩石内部，同时水可填满裂缝使水量增加。若气温变化在０℃上下波动时，充填在岩石裂隙中的水分可时而冻结、时而融化，岩石在这样反复地作用下，裂隙可不断扩大、加深，从而使岩石崩裂成碎块，见图３－２。 图3-2 水冻结引起岩石冻胀示意图 岩石释重 无论是岩浆岩、变质岩还是沉积岩，在其形成以后，都可以因为上覆巨厚的岩层而承受巨大的静压力。一旦上覆岩层遭受剥蚀而卸荷时，岩石释重，随之产生向上或向外的膨胀作用，形成一系列与地表平行的节理。处于地下深处承受巨大静压力的岩石，其潜在的膨胀力是十分惊人的。在一些矿山，当岩石初次露在掌子面时，膨胀是如此迅速，以致碎片炸裂飞出。岩石释重所形成的节理，为水和空气的活动提供了通路，使它们的风化作用更有效。 可溶盐的结晶与潮解 在干旱及半干旱气候区，广泛地分布着各种可溶盐类。有些盐类具有很大的吸湿性，能从空气中吸收大量的水分而潮解，最后成为溶液。温度升高，水分蒸发，盐分又结晶析出，体积显著增大。由于可溶盐溶液在岩石的孔隙和裂隙中结晶时的撑裂作用，使裂隙逐渐扩大，导致岩石松散破坏。可溶盐的结晶撑裂作用，在干旱的内陆盆地是十分引人注目的。盐类结晶对岩石所起的物理破