岩体风化基础知识及野外调查

组成地壳的岩石其形成环境是十分复杂的，在内力与外力地质作用下，深埋于地下的岩石可能露出地表，进入与成岩环境绝然不同的新环境中，此时必然要通过岩石的各种变异才能适应新的环境。我们说岩体风化是指岩体(岩石)在各种风化营力作用下，发生的物理和化学变化过程，并由于风化的岩体残留于原位的风化物质形成所谓的风化壳。

由于风化作用使岩体矿物成分与化学成分产生变化，岩石的结构、构造改变，完整性遭到破坏，恶化了岩体的工程性质。因此，在工程选址、岩土体稳定、地基处理、灾害防治、工程造价等方面都有重要意义。

(一)风化类型

引起岩石风化的营力很多，但主要的是太阳热能、水溶液(地表、地下及空气中的水)、空气(O2及CO2等)及生物有机质等。按照风化营力及其引起的岩石变异的方式不同，风化作用一般分为物理风化、化学风化和生物风化3种。

物理风化是由于温度的变化(特别是昼夜的温变)、水的冻融、干湿交替、盐类结晶、矿物水化和植物根劈等作用引起岩石的机械破碎，而不伴随化学成分和矿物成分的显著变化，其结果既破坏了岩石的结构构造，降低了岩石的强度，又为化学风化开了方便之门。这种作用主要发生在干寒地区，如我国西北的干旱寒冷及高山寒冷地区，岩石的风化深度较小，一般小于10m。

化学风化是岩石在氧、水溶液及生物有机质等作用下所发生的一系列复杂的化学反应，引起其结构构造、矿物成分和化学成分发生变化的过程。其实质是原岩中较活泼的元素发生迁移、改变，较稳定的元素残留原地，原生矿物不断变异、与新环境相适应的次生矿物不断形成的过程。在风化过程中，化学反应的方式较复杂，有氧化、还原、水化、水解、碳酸化、硫酸化、去碳等。以水化、溶解、水解和氧化作用最为常见。化学风化多发生于温暖潮湿的地区，深度可达百米以上。

生物风化既有物理风化特点，又具有化学风化特征。生物新陈代谢产生有机质或机械破坏，如释放大量有机物酸及CO2，加强水溶液溶解能力。

(二)风化结果

岩体风化主要造成如下变化。

(1)岩体结构构造发生变化。

(2)岩体完整性遭受破坏，结构性丧失，空隙性增大，破碎成块石、碎石或土体。

(3)岩石的矿物成分和化学成分发生变化。

(4)可溶矿物溶解流失，耐风化矿物残留下来，形成稳定的次生矿物，如绿泥石、绢云母、高岭石、蒙脱石等。

(5)岩体的工程地质性质发生变化，如岩体力学强度与抗变形性能降低、压缩性增大等。

(6)岩体渗透性增强。

(7)次生矿物的抗水性降低、亲水性增强，易崩解、膨胀、软化等。

(三)影响岩体风化的因素

1. 气候

气候是控制风化营力的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降雨量。在昼夜温差及冷热更替频繁的地区，有利于物理风化作用。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的影响。降雨为岩石化学风化提供了必需的水溶液，控制着风化营力的性质和强度，影响风化作用类型及风化速度。在降雨量小而蒸发量大的干旱地区，多为物理风化。在潮湿多雨地区，则以化学风化为主，风化较强烈，风化速度较快，风化深度大。因此，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。

2. 岩性

岩体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。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，主要取决于组成岩石的矿物成分及结构。在地表环境下，常见造岩矿物的抗风能力是不同的。一般情况下，矿物在风化过程中的稳定性由大到小的顺序是:氧化物＞硅酸盐＞碳酸盐和硫化物。当岩石中不稳定矿物含量较多时，其抗风化能力较弱;相反，则其抗风化能力较强。各类岩石的抗风化能力由大到小的顺序如下。岩浆岩:酸性岩(花岗岩) ＞中性岩(闪长岩、安山岩) ＞基性岩(玄武岩) ＞超基性岩(橄榄岩)。变质岩:浅变质岩＞中等变质岩＞深变质岩。沉积岩:抗风化能力大于岩浆岩、变质岩，风化厚度一般不大。

主要矿物的风化变异趋势如下。斜长石→绢云母→绿泥石、蛭石→蒙脱石，或高岭石化;黑云母→水云母化;辉石、角闪石→绿泥石→蒙脱石;白云母→伊利石→蒙脱石→高岭土;石英→硅酸→石髓→次生石英。一般情况下岩石风化的最终产物常表现为石英、高岭土、氧化铁、铝土矿的组合。

3. 地质构造

岩体中保存了不同成因的结构面，如断层、节埋、劈理，片理、片麻理、层理、沉积间断面、侵入岩体与围岩的接触面等，构成了风化营力侵蚀岩体的良好通道，对加深及加速岩体的风化起了有力的促进作用。

由于各种结构面的存在，又使得岩体风化不均匀，往往形成囊状风化(沿着断层带、裂隙密集带)(图2-38);差异风化(图2-39)和球形风化(图2-40)等。

图2-38 囊状风化

1. 糜棱岩和角砾岩;2. 碎裂岩;3. 强风化岩体及其底板界线;4. 弱风化岩体及其底板界线;5. 微风化和新鲜岩体

图2-39 岩性不同导致的差异风化

1. 强风化岩体及其底板界线;2. 弱风化岩体及其底板界线;3. 微风化和新鲜岩体;4. 岩脉;5. 花岗-闪长岩

4. 地形

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，间接地影响岩体的风化。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。地形不同还影响沟谷侧侵作用和残积物滞留条件。

图2-40 球形风化现象

一般来说，高海拔地区以物理风化为主;低海拔地区以化学风化为主，速度较快。陡坡地段，风化速度较大，风化壳较薄;缓坡地段，风化速度较慢，风化壳较厚。

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，岩体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，虽然风化速度较快，但易遭外力侵蚀剥蚀，风化壳厚度往往并不大。

人类活动如基坑、边坡、隧洞开挖、砍伐森林等，将已风化的岩体或覆盖层挖除，使得风化微弱甚至新鲜岩体裸露，并与活跃的风化营力直接接触从而加剧了岩体风化。

(四)风化壳及风化分带

遭受风化的岩石圈表层叫做风化壳，它是原岩在一定的地质历史时期各种因素综合作用的产物。表层不同深度的岩石，遭受风化的程度不同，形成不同成分和结构的多层残积物，由此构成了复杂的风化壳剖面。不同岩石、不同地区，风化壳有很大差别，其厚度也有很大差别，厚者可达几百米。地壳表层保留的主要为现代时期形成的风化壳。当风化壳形成后，被后来的堆积物掩埋，被保留下来的成为古风化壳。

在风化壳铅直剖面上，从上到下岩体的风化程度是不同的，岩体的风化程度总是在地表比较强烈，从地表向下至岩体内部，风化程度逐渐变弱，直至新鲜基岩，其物理力学性质也不相同。因此风化壳在铅直剖面上具有分带性，应对整个风化壳剖面按照岩体风化程度不同进行分带，以便区别对待，这对于建筑场地的选择、工程设计、施工和处理等都是十分必要的。

风化壳为什么会具有分带性呢? 原因如下。①不同深度岩体与风化营力接触时间和程度不同，风化营力多是由表及里的。因此，上部岩体总是与风化营力首先接触。当风化作用经历某一时间后，岩体已经发生了一定程度的变化，而深部岩体可能刚与风化营力接触或尚未与风化营力接触。因而，地表的岩体与风化营力接触的时间比其下部岩石长，故其风化程度也比下部岩体深。②矿物风化具有阶段性，如主要硅酸盐矿物风化逐步转变具有阶段性。因此，在整个风化壳剖面上，因矿物的组合不同而显示其分带性。

1. 分带的原则

为工程建筑目的而进行的风化壳垂直分带应考虑以下原则。①充分反映各风化带岩石变化的客观规律，反映各风化带岩石所具有的不同特征。②分带的标志应有代表性、明确，便于掌握。③定性与定量相结合。④分带数目既不要过多，也不太少。一般采用三分法、四分法或五分法，目前地矿与水利水电部门多采用四分法即:全风化带、强风化带、弱风化带、微风化带。

2. 分带的标志

主要包括下列几个方面。

(1)颜色。风化程度不同的岩石，在外观上首先表现在颜色上的差异。如有的岩石新鲜时为灰绿色，风化后由下往上则变为:黄绿色、黄褐色、棕红色。

(2)岩体破碎程度。随着岩石风化程度的加深，完整坚硬的岩体逐渐破碎成块石、碎石、砂、粉黏粒。在风化剖面从上到下的不同部位上，这些颗粒所占的比例是不同的，上部以粉、黏粒为主，夹有砂及碎石;向下过渡为以砂粒为主夹有粉、黏粒及碎石;再向下以碎石为主夹有块石及少量粉黏粒;再向下则以块石为主夹碎石等。破碎程度还表现在风化产物破碎时的难易，如用锤难以击碎的，用锤易击碎的，用手指能捏碎的，轻微接触即行松散的等。

(3)矿物成分的变化。如前所述，不同矿物的抗风化能力是不同的，岩石中总是那些不稳定的矿物首先风化。即使同一矿物在不同风化阶段所形成的新矿物也不一样。此外，化学风化在不同时期起主要作用的化学反应是不同的。因此，在风化壳剖面的不同部位具有不同的矿物共生组合，根据具体条件下风化岩石中矿物的共生组合规律，如全风化带，除石英外，大部分矿物已经变异，形成稳定的矿物，如黏土矿物等;弱、微风化带，矿物变异主要发生在块石裂缝周围，形成薄膜状。

(4)水理性质及物理力学性质的变化。在风化壳剖面上，由上到下这些性质变化的趋势是:①孔隙性和压缩性由大到小;②吸水性由强到弱;③声波速度由小到大;④强度由低到高等。这些性质指标的变化是风化壳分带的重要定量标志。

(5)钻探掘进及开挖中的技术特性对于风化程度不同的岩石，其完整性和坚固性不同，因此，勘探中的钻探方法、钻进速度、岩心采取率、掘进方法及难易程度是不同的;同时，施工中开挖方法及进度亦各异。

表2-24列出了各风化带的基本特征。

表2-24 岩石风化壳分带及各带基本特征(引自《工程地质手册》，2007)

3. 分带的方法

风化壳分带的方法随工程要求及勘察阶段而定，如初勘时以定性分带为主;详勘时以定量分带为主，同时考虑定性标志。目前进行风化壳分带的方法主要有以下几种。

1)工程地质分析法

属定性分析法，通过观测风化岩石的颜色、破碎程度、坚固性、矿物成分等方面的变化特点为主，兼以开凿岩体的难易程度及锤击声的音响特点等鉴别岩体的风化程度，根据现场观测及实践经验确定风化等级界限。一般而言，全风化带岩体已完全风化成土状物，原岩面貌也完全丧失，残留物以碎石土为主;强风化带内原岩结构已基本破坏，宏观观察隐约能见到原岩体形貌，风化物以块石为主，混杂有一定数量的碎石土，部分块石内部仍保持新鲜状态;弱风化带原岩保存完整，岩体结构局部破坏，主要沿裂隙面产生深度风化，形成风化条带或网络状，风化层厚度一般为十几厘米至几十厘米;微风化岩体总体完好，结构完整，只是沿裂隙面发生浅表层风化，风化层厚度一般为几厘米至几毫米的薄膜状。各带宏观形貌如图2-41。该分析方法适于初勘阶段，有较大的人为性。

图2-41 概化剖面示意图

(据满作武，1993，稍改)

1. 碎屑状疏松风化岩;2. 碎块状半坚硬风化岩;3. 半疏松状风化块球体;4. 半坚硬状风化块球体;5. 坚硬状风化块球体;6. 风化夹层;7. 疏松状风化裂隙;8. 半坚硬状风化裂隙;9. 沿裂面表皮状风化;10. 风化囊;11. 串珠状风化;12. 裂隙

2)指标定量法

指标定量法是通过现场和室内实验，实测风化岩石的物理力学性质指标，结合工程地质分析进行分带的方法。实践中有用单项指标值进行分带，也有采用多项指标综合进行分带的。

(1)声波速度法。岩石风化后，声波速度变慢，据声波在风化程度不同的岩体中传播纵波速度Vp(m/s)作为风化壳分带的依据。一般采用的分带界限为:全风化带， Vp＜2000;强风化带，Vp=2000～3000;弱风化带，Vp=3 000～5000;微风化带，Vp＞5000。

(2)风化系数法(Ky)。

风化系数法(Ky)用下式表示:

式中:Kn=n1/n2为孔隙率系数;Kw=w1/w2为吸水率系数;KR=R1/R2为强度系数(单轴抗压强度);n、w、R分别为孔隙率、吸水率和单轴抗压强度;符号中的下角标1、2分别为新鲜岩和风化岩石。根据风化系数进行分带的标准为:全风化带，Ky≤0.2;强风化带，Ky=0.2～0.4;弱风化带，Ky=0.4～0.9;微风化带，Ky=0.9～1.0。

(五)野外调查方法

野外工作中，在工程实施的位置选择良好的露头，其露头剖面能总体反映该区代表性风化状态，如一个露头不足以完整反映各风化带情况，可选择多个露头配合观察，构成对整个风化状况的认识。对于重大工程往往借助于勘探平硐、钻探或竖井直接观测进行分带。斜坡剖面调查时，应首先站在一定距离宏观观察，从风化岩体颜色、风化物破碎程度、地质形貌特征等方面总体观察分析，一般可以大致了解风化剖面的分带特征。然后依据前面介绍的风化分带依据，贴近露头从地表往下详细了解各带的岩石破碎程度、结构性、矿物变化情况，为了观测的连续性，最好沿坡走向每隔5～10m间距选择一个纵断面从上至下依次观测，初步确定分带的位置。

为了进一步准确确定风化带特征及划分风化壳，只是野外观察调查是不够的，应结合样品进行点荷载、回弹锤或室内强度试验，确定不同风化岩的强度;采用单道地震仪或声波仪按选择剖面现场测试岩体的声波值;系统采样在室内进行X衍射、薄片镜下鉴定、扫描电镜、物理化学分析测定岩石的矿物成分及化学成分;钻孔岩芯的RQD值也是判别岩体风化完整性的重要参考指标。结合宏观观察及定量指标值，就可以比较准确确定岩体风化带。