第三章风化作用 ●土的形成经历了漫长的地质历史过程。裸露于地表的岩石在温度和湿度 不断发生变化的过程中反复产生不均匀的膨胀和收缩,并在此过程中 生了大量的裂隙。裂隙的产生为大气水和植物根系进入岩体内部提供 可能。进入岩体裂隙的大气水或凝结水在气温进、步下降时结冰膨胀 加之植物根系的生长、发育,劈裂作用使裂隙进一步扩展,并最终使原 来完整的岩石崩解、碎裂。风、霜、雨、雪的侵蚀和重力作用使已经变 得十分破碎的表面岩石剥离,上述作用进一步向内部岩体中发展 被剥离的岩石碎块、岩屑等在雨、雪水流、风力等的夹带下向别处搬运, 并在地壳相对下降的地方堆积起来。在搬运过程中,土颗粒进一步破碎 分散,并使其中较大的颗粒变得浑圆光滑。与此同时,空气中的二氧 碳、氧气、二氧化流及地表水和地下水还会在与岩石及岩石颗粒的直接 接触过程中发生一系列的化学反应,从而生成新的矿物。上述作用会使 已经破碎的岩石颗粒变得更加细小甚至非常细小。以上就是岩石风化成 土的过程。 ●我们将裸露于地壳表面的基岩或裂隙面附近的岩石在各种外力地质作用 下产生的崩解、碎裂和变质通称为岩石的风化;将被风化的岩石在风 雨及重力等的作用下从岩石母体上剥落成为破碎状的岩石块体或者岩屑 的过程称之为剥蚀
第三章 风化作用 ⚫ 土的形成经历了漫长的地质历史过程。裸露于地表的岩石在温度和湿度 不断发生变化的过程中反复产生不均匀的膨胀和收缩，并在此过程中产 生了大量的裂隙。裂隙的产生为大气水和植物根系进入岩体内部提供了 可能。进入岩体裂隙的大气水或凝结水在气温进一步下降时结冰膨胀， 加之植物根系的生长、发育，劈裂作用使裂隙进一步扩展，并最终使原 来完整的岩石崩解、碎裂。风、霜、雨、雪的侵蚀和重力作用使已经变 得十分破碎的表面岩石剥离，上述作用进一步向内部岩体中发展。 ⚫ 被剥离的岩石碎块、岩屑等在雨、雪水流、风力等的夹带下向别处搬运， 并在地壳相对下降的地方堆积起来。在搬运过程中，土颗粒进一步破碎 分散，并使其中较大的颗粒变得浑圆光滑。与此同时，空气中的二氧化 碳、氧气、二氧化流及地表水和地下水还会在与岩石及岩石颗粒的直接 接触过程中发生一系列的化学反应，从而生成新的矿物。上述作用会使 已经破碎的岩石颗粒变得更加细小甚至非常细小。以上就是岩石风化成 土的过程。 ⚫ 我们将裸露于地壳表面的基岩或裂隙面附近的岩石在各种外力地质作用 下产生的崩解、碎裂和变质通称为岩石的风化；将被风化的岩石在风、 雨及重力等的作用下从岩石母体上剥落成为破碎状的岩石块体或者岩屑 的过程称之为剥蚀
第一节物理风化作用 风化促使岩石的状态或性质发生了改变,并形成了一种与原 来岩石的形态、结构、构造、物质成分等不完全相同甚至可以说 完全不同的新物质。 岩石风化后,其物质状态、物理力学性质和化学性质等均发 生了剧烈的变化。很多情况下,风化能使岩石破碎,形成细小颗 粒的次生粘土矿物一高岭石、蒙脱石及伊利石等,改变了岩石的 矿物成分。同时,在风化带中常有可溶盐的富集,如碳酸钙及石 膏。由于岩石风化后,节理、裂隙发育,使岩石整体性降低,孔 隙度增加,抗剪、抗压强度降低,透水性增大,这为地下水活动 创造了条件。地下水的渗入,又促进岩石进一步风化。如有些岩 石直接暴露在大气中一、二天就开始风化崩解。岩石不同,其在 相同条件下的风化情况不同,岩石相同,风化作用性质不同、经 受的风化程度不同、沉积环境不同,其生成物的性质也不尽相同
第一节物理风化作用 ⚫ 风化促使岩石的状态或性质发生了改变，并形成了一种与原 来岩石的形态、结构、构造、物质成分等不完全相同甚至可以说 完全不同的新物质。 ⚫ 岩石风化后，其物质状态、物理力学性质和化学性质等均发 生了剧烈的变化。很多情况下，风化能使岩石破碎，形成细小颗 粒的次生粘土矿物—高岭石、蒙脱石及伊利石等，改变了岩石的 矿物成分。同时，在风化带中常有可溶盐的富集，如碳酸钙及石 膏。由于岩石风化后，节理、裂隙发育，使岩石整体性降低，孔 隙度增加，抗剪、抗压强度降低，透水性增大，这为地下水活动 创造了条件。地下水的渗入，又促进岩石进一步风化。如有些岩 石直接暴露在大气中一、二天就开始风化崩解。岩石不同，其在 相同条件下的风化情况不同，岩石相同，风化作用性质不同、经 受的风化程度不同、沉积环境不同，其生成物的性质也不尽相同
显然,一般情况下不宜将建筑物设置在风化严重的岩层上,但 是工程中又往往不可能完全避开风化岩层。如隧道进出口地段的 岩层,大多有不同程度的风化,施工中如不注意加强支护,易造 成崩塌。对有些易风化的岩层,在隧道施工开挖后,要及时作支 护,防止岩石继续风化失稳增加山体压力,否则会引起坍塌。风 化岩层中的路堑边坡不宜太陡,同时还要采取防护措施。风化的 岩石更不宜作建筑材料。因此,从工程建筑观点来研究岩石的风 化特性、分布规律,对选择建筑物的合理位置,如隧道的进出口 位置,路堑边坡坡度,隧道的支护方法及衬砌厚度,大型建筑物 的地基承载力和开挖深度以及合理的选择施工方法等有着重要的 风化作用的实质是矿物、岩石在地表附近新的物理化学条件 下所产生的演化过程。如前所述,自然界中不同的岩石,在不同 的自然环境里其反应亦不同;在相同的自然环境条件下,岩石种 类不同,其对环境变化的反应亦不同。因为各种岩石在生成时 各具有其特殊性。如岩浆岩是高温熔融的岩浆在地壳中或地面上 冷却凝固而成;沉积岩是地面上堆积起来的沉积物,经过脱水 压密、胶结及硬化而形成;而变质岩则是经高温高压以及活动性 化学元素参与下形成的岩石
⚫ 显然，一般情况下不宜将建筑物设置在风化严重的岩层上，但 是工程中又往往不可能完全避开风化岩层。如隧道进出口地段的 岩层，大多有不同程度的风化，施工中如不注意加强支护，易造 成崩塌。对有些易风化的岩层，在隧道施工开挖后，要及时作支 护，防止岩石继续风化失稳增加山体压力，否则会引起坍塌。风 化岩层中的路堑边坡不宜太陡，同时还要采取防护措施。风化的 岩石更不宜作建筑材料。因此，从工程建筑观点来研究岩石的风 化特性、分布规律，对选择建筑物的合理位置，如隧道的进出口 位置，路堑边坡坡度，隧道的支护方法及衬砌厚度，大型建筑物 的地基承载力和开挖深度以及合理的选择施工方法等有着重要的 意义。 ⚫ 风化作用的实质是矿物、岩石在地表附近新的物理化学条件 下所产生的演化过程。如前所述，自然界中不同的岩石，在不同 的自然环境里其反应亦不同；在相同的自然环境条件下，岩石种 类不同，其对环境变化的反应亦不同。因为各种岩石在生成时， 各具有其特殊性。如岩浆岩是高温熔融的岩浆在地壳中或地面上 冷却凝固而成；沉积岩是地面上堆积起来的沉积物，经过脱水、 压密、胶结及硬化而形成；而变质岩则是经高温高压以及活动性 化学元素参与下形成的岩石
●因此,当各种岩石由于地壳运动使其长期暴露在地表以后,就 改变了岩石原来的环境条件,使其处于一种新的物理化学条件 中,岩石为了适应新的条件,在地表的温度和压力,大气、水 生物活动的长期作用下,改变了原来的性质,变成了新的疏松 物质,或物质成分发生了变化。 岩石遭受风化作用的时间愈长,岩石破坏得就愈严重。另 外,从不同岩石的风化速度来看,有的岩石风化过程进行得很 缓慢,其风化特征只有经过长期暴露地表以后才能显示出来 而有的岩石则相反,如泥岩、页岩及某些片岩等,当基坑开挖 后不久,很快就风化破碎,所以在施工中必须采取相应的工程 防护措施。根据岩石风化的自然因素和风化物质的性质,可将 风化划分为物理风化(机械风化)、化学风化和生物风化作用 种类型,其中生物风化可或者归结为物理风化、或者归结为 化学风化,即风化作用中的两种最基本类型为物理风化和化学 风化
⚫ 因此，当各种岩石由于地壳运动使其长期暴露在地表以后，就 改变了岩石原来的环境条件，使其处于一种新的物理化学条件 中，岩石为了适应新的条件，在地表的温度和压力，大气、水、 生物活动的长期作用下，改变了原来的性质，变成了新的疏松 物质，或物质成分发生了变化。 ⚫ 岩石遭受风化作用的时间愈长，岩石破坏得就愈严重。另 外，从不同岩石的风化速度来看，有的岩石风化过程进行得很 缓慢，其风化特征只有经过长期暴露地表以后才能显示出来； 而有的岩石则相反，如泥岩、页岩及某些片岩等，当基坑开挖 后不久，很快就风化破碎，所以在施工中必须采取相应的工程 防护措施。根据岩石风化的自然因素和风化物质的性质，可将 风化划分为物理风化（机械风化）、化学风化和生物风化作用 三种类型，其中生物风化可或者归结为物理风化、或者归结为 化学风化，即风化作用中的两种最基本类型为物理风化和化学 风化
物理风化作用 切只改变岩石的完整性或改变已碎裂的岩石颗粒大小和形状 而未能产生新矿物的风化作用(含植物根系的劈裂作用以及搬 运过程中的破碎、磨圆过程)称为物理风化作用或机械风化作 用 ●二、物理风化作用的类型 通过对物理风化的进一步研究可以得到,物理风化作用可被细 分为以下类型: (1)温度应力引起的胀缩作用。位于我国西北的大青山、天 山山脉,其山体表面多覆盖有一定厚度的碎裂岩石块体和岩屑 物质,这些主要是基岩在反复的胀缩循环中发生碎裂的产物 考古工作者在我国山西峙峪发现了距今2~3万年前旧石器时代 的一个古采石场,在没有其它工具的情况下,我们的先祖根据 观察得到的岩石胀缩破碎现象,用火烤、水激的方法,使岩石 碎裂,再用木棍撬下,用以制作狩猎和生活所需的石器、工具 图3-1示意了温度作用下岩石的崩解过程;图3-2所示为暴露于 地表的山体岩石风化崩解情况
⚫ 一、物理风化作用 ⚫ 一切只改变岩石的完整性或改变已碎裂的岩石颗粒大小和形状， 而未能产生新矿物的风化作用（含植物根系的劈裂作用以及搬 运过程中的破碎、磨圆过程）称为物理风化作用或机械风化作 用。 ⚫ 二、物理风化作用的类型 ⚫ 通过对物理风化的进一步研究可以得到，物理风化作用可被细 分为以下类型： ⚫ （1）温度应力引起的胀缩作用。位于我国西北的大青山、天 山山脉，其山体表面多覆盖有一定厚度的碎裂岩石块体和岩屑 物质，这些主要是基岩在反复的胀缩循环中发生碎裂的产物。 考古工作者在我国山西峙峪发现了距今2～3万年前旧石器时代 的一个古采石场，在没有其它工具的情况下，我们的先祖根据 观察得到的岩石胀缩破碎现象，用火烤、水激的方法，使岩石 碎裂，再用木棍撬下，用以制作狩猎和生活所需的石器、工具。 图3-1示意了温度作用下岩石的崩解过程；图3-2所示为暴露于 地表的山体岩石风化崩解情况
图3-1温度作用引起的岩石崩解过程示意
图3-1 温度作用引起的岩石崩解过程示意
图3-2山体表面岩石的崩解碎裂
图3-2 山体表面岩石的崩解碎裂
2)裂隙中的冰以及其他结晶体产生的膨胀应力引起的劈裂作用 (除冰以外,硫酸钙结晶体也有很强的膨胀作用)。一旦岩石中出 现了细微裂隙,大气降水就会渗入其中,水分的进入或者会在低温 时形成冰楔体沿裂缝两侧挤压岩石,或者与岩石中的某些物质反应 形成结晶膨胀体挤压岩石,使岩石中原有的裂缝加宽、增长,并为 更多水分进入岩体内部创造了条件,逐步使岩石风化崩解。 (3)岩体因卸荷而引起的膨胀崩解。随着上覆岩石不断被风化剥 蚀,原来处于地层深处的岩体距地表面愈来愈近,上覆重力愈来愈 小,在重力卸荷作用下,岩体会产生明显上弹(膨胀),严重时就 会产生卸荷裂隙。 水 冰 图3-3冰晶体对岩石的劈裂破坏示意
图3-3 冰晶体对岩石的劈裂破坏示意 ⚫ （2）裂隙中的冰以及其他结晶体产生的膨胀应力引起的劈裂作用 （除冰以外，硫酸钙结晶体也有很强的膨胀作用）。一旦岩石中出 现了细微裂隙，大气降水就会渗入其中，水分的进入或者会在低温 时形成冰楔体沿裂缝两侧挤压岩石，或者与岩石中的某些物质反应 形成结晶膨胀体挤压岩石，使岩石中原有的裂缝加宽、增长，并为 更多水分进入岩体内部创造了条件，逐步使岩石风化崩解。 ⚫ （3）岩体因卸荷而引起的膨胀崩解。随着上覆岩石不断被风化剥 蚀，原来处于地层深处的岩体距地表面愈来愈近，上覆重力愈来愈 小，在重力卸荷作用下，岩体会产生明显上弹（膨胀），严重时就 会产生卸荷裂隙
(4)树木生长过程中的根劈作用。岩石的裂缝中除含有一定的水 分外,还会充填入一定量的尘土,这样一来树木就可在其中生存, 随着树木的成长,其根系也不断壮大;更加之岩石表层裂隙中的 水分有限,为了获取树木生长所需的更充足的水分,岩石裂隙中 的植物根系更为发达。植物根系的生长壮大必然挤压岩石裂缝, 使其扩大、增密,导致岩石产生风化,并为风化向岩石内部发展 创造了条件 图3-4树木根系对岩石的劈裂破坏示意
图3-4 树木根系对岩石的劈裂破坏示意 ⚫ （4）树木生长过程中的根劈作用。岩石的裂缝中除含有一定的水 分外，还会充填入一定量的尘土，这样一来树木就可在其中生存， 随着树木的成长，其根系也不断壮大；更加之岩石表层裂隙中的 水分有限，为了获取树木生长所需的更充足的水分，岩石裂隙中 的植物根系更为发达。植物根系的生长壮大必然挤压岩石裂缝， 使其扩大、增密，导致岩石产生风化，并为风化向岩石内部发展 创造了条件
(5)重力作用下的岩块碎裂和搬运过程中的碰撞、磨圆。 在自身重力作用下,在岩石的碎裂块体从高处向山坡下方 滚动的过程中,在风力及流水搬运岩石碎裂块体的过程中 岩石的碎裂块体之间或碎裂块体与地面之间会不断发生碰 撞,碰撞过程中,岩石块体会变得浑圆起来并进一步破碎 变小。 (6)风的剥蚀作用(同时为进一步的风化创造了条件) 季节风的作用是干旱和半干旱地区地表岩石风化不可忽视 的一个因素。风力将崩裂的岩石碎块从母岩上剥离,同时 又为风化进一步深入岩石深部创造了条件
⚫ （5）重力作用下的岩块碎裂和搬运过程中的碰撞、磨圆。 在自身重力作用下，在岩石的碎裂块体从高处向山坡下方 滚动的过程中，在风力及流水搬运岩石碎裂块体的过程中， 岩石的碎裂块体之间或碎裂块体与地面之间会不断发生碰 撞，碰撞过程中，岩石块体会变得浑圆起来并进一步破碎 变小。 ⚫ （6）风的剥蚀作用（同时为进一步的风化创造了条件）。 季节风的作用是干旱和半干旱地区地表岩石风化不可忽视 的一个因素。风力将崩裂的岩石碎块从母岩上剥离，同时 又为风化进一步深入岩石深部创造了条件