工程地質(zhì)ch61

1、6 地表地質(zhì)作用6.1 風化作用6.1.1 基本概念 巖石出露地表，在太陽輻射作用下并與水圈、大氣圈和生物圈接觸，為適應(yīng)地表新的物理、化學環(huán)境，必然會發(fā)生變化，這種變化雖然緩慢，但年深日久，就會逐漸崩解、分離為巖屑或土層。巖石的這種物理、化學性質(zhì)的變化稱為風化；引起巖石這種變化的作用稱為風化作用；被風化的巖石圈表層稱為風化殼；在風化殼中，巖石經(jīng)過風化作用后，形成松散的巖屑和土層，殘留在原地的堆積物稱為殘積土。尚保留原巖結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的風化巖石稱為風化巖6.1.2 風化作用的類型 1. 物理風化（機械風化）：地表巖石因溫度變化和孔隙中水的凍融以及鹽類的結(jié)晶而產(chǎn)生的機械崩解過程。使巖石由完整固結(jié)變?yōu)樗?/p>

2、散破碎； 熱力風化地球表面受太陽輻射有晝夜和季節(jié)變化，受陽光影響的巖石晝夜及季節(jié)溫差，使表層巖體膨脹產(chǎn)生壓應(yīng)力、收縮產(chǎn)生張應(yīng)力，其頻繁交替遂使巖石表層產(chǎn)生裂縫以至片狀剝落。熱力風化 凍融風化（冰劈作用）：巖石孔隙或裂隙中的水在結(jié)冰時，體積膨脹，使巖石裂隙加寬加深，而冰融化時，水滲入擴大的裂隙進入巖石深部，并再次結(jié)冰。這樣凍結(jié)、融化頻繁交替，不斷使裂隙加深擴大，進而使巖石崩裂稱巖屑。2. 化學風化 巖石在水、水溶液和空氣中的氧與CO2等的作用下所發(fā)生的溶解、水化、水解、碳酸化和氧化等一系列復雜的化學變化?；瘜W風化的方式主要有： 溶解作用礦物離子與水分子相互吸引，礦物遇水后，就會不同程度地被溶解。

3、 水化作用易溶礦物和水接觸后，形成新的含水化合物。（如：硬石膏水化成為石膏） 水解作用弱酸強堿化合物（如硅酸鹽和鋁硅酸鹽）水解作用較普遍（如正長石水解為高嶺土） 碳酸化作用溶于水的CO2形成CO2-3和HCO3-離子，奪取鹽類礦物中的K、Na、Ca等金屬離子，結(jié)合成易溶的碳酸鹽而隨水遷移，使原有礦物分解。如： 正長石碳酸化成高嶺土。 氧化作用在水的參與下，通過空氣和水中的游離氧而實現(xiàn)。氧化作用有：1.礦物中的某種元素與氧結(jié)合形成新礦物（黃鐵礦褐鐵礦）；2.許多變價元素在缺氧條件下形成的低價礦物，在地表氧化環(huán)境下轉(zhuǎn)化為高價化合物，原有礦物被解體。（如：磁鐵礦褐鐵礦）。地表巖石風化后多呈黃褐色多因

4、風化產(chǎn)物中含褐鐵礦。黃鐵礦褐鐵礦磁鐵礦3. 生物風化：生物在其生長和分解過程中，直接或間接地對巖石礦物所起的物理和化學的風化作用。 如：植物根劈 動物的挖掘和穿鑿（穿山甲） 生物新陳代謝分泌物的化學作用4. 風化作用類型之間的相互關(guān)系 巖石的風化作用，實質(zhì)上只有物理風化和化學風化兩種基本類型。物理風化和化學風化緊密聯(lián)系。物理風化是化學風化的前驅(qū)和必要條件；化學風化是物理風化的繼續(xù)和深入。兩者在自然界往往是同時進行、相互影響、相互促進；風化作用是一個復雜統(tǒng)一的過程。只有在具體條件和階段上，物理風化和化學風化才有主次之分。6.1.3 影響風化作用的因素1. 氣候因素 氣候?qū)︼L化的影響主要通過溫度、

5、雨量以及生物繁殖狀況來實現(xiàn)的。溫差造成物理風化，且其變化的頻率比變化的幅度更重要。 多雨地區(qū)利于化學風化和生物風化的進行。 氣候基本決定了風化的類型及其發(fā)育程度。2. 地形因素 高度、坡度和切割程度影響著風化的強度、深度和保存風化物的厚度及分布狀況。 山區(qū)風化強度和深度大于平原和低緩的丘陵，但風化層較后者不易保存。 強烈的剝蝕區(qū)和堆積區(qū)都不利于化學風化作用的進行。山地陽坡較陰坡風化強度大且風化層易于保存，風化層厚度較大。溝谷密集的侵蝕切割地區(qū)，地表水和地下水循環(huán)好，風化作用強烈，但其剝蝕強烈，所以風化層厚度不大。3. 地質(zhì)因素 巖石的礦物組成、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造都直接影響風化的速度、深度和風化階段。

6、巖石的抗風化能力主要決定于組成巖石的礦物成分。穩(wěn)定性造巖礦物極穩(wěn)定石英穩(wěn)定白云母、正長石、微斜長石、酸性斜長石欠穩(wěn)定普通角閃石、輝石類不穩(wěn)定基性斜長石、堿性角閃石、黑云母、普通輝石、橄欖石、海綠石、方解石、白云石、石膏 粗粒比細粒易風化、多礦物巖石比單礦物巖石易風化、粒度差別大和有斑晶的巖石比均粒巖石易風化。 斷裂破碎帶的裂隙、節(jié)理、劈理、層理與頁理便于風化，密度越大，風化越強烈。風化作用沿著某些張性的深大斷裂深入到地下很深的地方，形成所謂風化囊袋。6.1.4 巖石風化的勘查評價與防治1. 風化作用的工程意義 巖石的裂隙度、空隙度、透水性、親水性、脹縮性和可塑性等都隨風化程度加深而增大。 巖石

7、的抗壓和抗剪強度等都隨風化程度加深而降低。風化殼成分的不均勻性、產(chǎn)狀和厚度的不規(guī)則性都隨風化程度加深而增大。 巖石風化程度影響到建筑物地基承載力和邊坡的穩(wěn)定性。 風化程度對工程設(shè)計和施工均有直接影響。如礦山建設(shè)、廠址選擇、水庫壩基、路基、橋基等，邊坡的治理及開挖深度、地基設(shè)計深度等均隨風化程度而變化；工程建設(shè)前必須對巖石的風化程度、速度、深度和分布狀況進行調(diào)查研究。2. 巖石風化的勘查與評價 查明風化程度，確定風化層的工程性質(zhì)，以便考慮建筑物的結(jié)構(gòu)和施工方法。風化層的分帶：在野外，根據(jù)巖石的顏色、結(jié)構(gòu)和破碎程度等宏觀地質(zhì)特征和強度進行初步劃分（可分為五個風化帶，見P65表6.2），還須結(jié)合礦物

8、組分、化學成分分析、聲波測試等進行準確劃分； 查明風化層厚度和分布，選擇最佳建筑地點。 查明風化速度和主誘發(fā)因素，制訂預(yù)防措施。 對風化層進行劃分，特別注意對地基穩(wěn)定性有直接影響的粘土（如：蒙脫石、高嶺石、水云母等）的含量和成分進行必要的分析。3. 巖石風化的防治 挖除法適用于較薄的風化層； 抹面法使用水密和氣密材料，如：瀝青、水泥、粘土層等覆蓋巖層； 膠結(jié)灌漿法使用水泥、粘土等漿液灌入巖層或裂隙中，以加強巖層的強度，降低其透水性； 排水法為了減少具侵蝕性的地表水和地下水的溶解侵蝕，采取部分排水措施。6.2 河流的侵蝕、搬運與沉積作用 河流是河谷中經(jīng)常性的水流。河谷通常由幾個要素組成。河谷：侵

9、蝕的槽形凹地。谷底：河谷底部較平坦部分。河床：河水占據(jù)的溝槽。谷坡 ： 谷底至分水嶺的斜坡。階地：谷坡上的階梯狀平臺。6.2.1 河流的侵蝕、搬運與沉積 1. 河流水動力學特征 河水水流的紊流特征 河水水流一般處于紊流狀態(tài)，也可有渦流，且具有脈動特征。 脈動：按照紊流運動的性質(zhì)，水流每點的瞬時流速，不論其方向和大小都在不斷變化著。 河水平均流速在接近水面處最大，向河底、岸壁遞減。 平滑邊界緊靠邊壁處存在層流區(qū)（層流亞層或邊界層）；粗糙邊界的邊界層常被渦流破壞。(P66圖6.3） 流速的脈動特點對水流的侵蝕、搬運能力具有十分明顯的影響。流速較大的水流（特別是底床糙凸），靠近底部的水流可因流速梯度

10、大或糙凸處的攪動而產(chǎn)生軸線近水平且與水流方向近正交的旋渦流，使上部流速增大，底部則因反向旋渦流的阻擋而減速。（P66圖6.4）流速的這種差異造成垂直方向上的壓力差，使渦流離開河底上升，并隨水流向下游擴散逐漸消失。旋渦流加強了水流在垂直方向上的交替，增強了水流的沖刷能力。 橫向環(huán)流與螺旋流 水流的運動受到河槽周界的限制，其平均方向決定于槽線的方向。槽線的曲折和斷面形態(tài)的改變會使水流內(nèi)部形成一種規(guī)模較大、比較穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)運動，其與渦流有所不同。此即為環(huán)流。 彎道離心力引起的環(huán)流彎道水流在離心力的作用下，水面形成橫比降，使得凹岸水面抬高，凸岸水面降低。水流離心力的大小與流速的平方成正比，而流速是表面大

11、深處小，故離心力隨深度增加而減小。傾向凸岸的橫比降又會在水中產(chǎn)生附加應(yīng)力，其方向與離心力相反，且在所有深度上均相等。進而，在水面上部，離心力與附加應(yīng)力之向量和指向凹岸，在下部正好相反，向量和指向凸岸。正是上述力的綜合作用，使上層水流產(chǎn)生向凹岸的分流，下層水流產(chǎn)生向凸岸的分流。從而，在水流慣性力的作用下，形成螺旋狀的橫向環(huán)流。（P67圖6.5、6.6） 橫向環(huán)流 地球自轉(zhuǎn)的影響 地面上運動的物體，均受到地球自轉(zhuǎn)的影響（Coriolis加速度)，使其運動方向發(fā)生偏離。Coriolis加速度所產(chǎn)生的慣性力作用方向是：在北半球，順著水流的流向看，作用于河流的右岸；而在南半球則正好相反；Coriolis

12、力也會引起橫向環(huán)流。在中高緯度地區(qū)， Coriolis力引起的橫向環(huán)流，與彎道離心力可以是同一數(shù)量級。 橫向環(huán)流的形成使得水流的流速在同一斷面上表現(xiàn)出規(guī)律性變化：在表流下沉轉(zhuǎn)變?yōu)榈琢鞯牟课?，由于重力的作用，流速遞增；在底流上升為表流的部位，要克服重力，流速遞減。 水流流速的這一規(guī)律性是河流在同一斷面上既有侵蝕又有淤積的重要原因。（P68圖6.7） 6.2.1.2. 河流的侵蝕作用 水流的侵蝕：地表泥砂被水流帶走的過程。其形成主要決定于泥砂起動條件；在垂直于河流流向的斷面上，巖體受到的動水壓力：20/2pKFvg式中：p-動水壓力（kN); r0-河水的重度（kN/m3); K-巖體形狀系數(shù)（實

13、驗測定）； F-水流作用面積（m2)； 流速的增減對動水壓力的大小起著很重要的作用，呈二次方的關(guān)系。流速較小時，巖體不會破壞；流速增加到臨界流速時，巖體處于極限平衡狀態(tài)；流速超過臨界流速，巖體遭受侵蝕破壞。 不同強度的巖石，所要求的侵蝕臨界速度也不同；整體的堅硬巖石，內(nèi)聚力很大，自然河流的最大流速遠遠小于其侵蝕臨界流速。 因此，自然河流無法侵蝕完整的堅硬巖石，只能沿巖體中內(nèi)聚力很小的裂隙面進行侵蝕另一方面，流向與沖刷面的關(guān)系也決定了沖刷力的大小：在同樣流速下，沖刷面愈平行于流向，其所受的沖刷力愈小。（如橋墩）6.2.1.3. 河流的搬運作用 水流對固體物質(zhì)的搬運方式有： 1.水流使砂、礫等沿河

14、底推移； 2.細小物質(zhì)在水中呈懸浮狀態(tài)移動（懸移）； 砂礫在水流作用下，其粒徑與流速的二次方成正比，而砂礫的體積或重量與其粒徑的三次方成正比，故顆粒的重量與流速間呈六次方的關(guān)系，流速增加一倍，河流搬運泥砂的重量可增加64倍。由此，山區(qū)河流可搬運粗大礫石。6.2.1.4. 河流的沉積作用 河流的流速低于推移臨界速度時，泥砂河流的流速低于推移臨界速度時，泥砂便沉積下來；便沉積下來； 沉積物質(zhì)的數(shù)量取決于河流含砂量與搬沉積物質(zhì)的數(shù)量取決于河流含砂量與搬運能力的對比；運能力的對比； 沉積作用主要受流速、流量和搬運物的沉積作用主要受流速、流量和搬運物的影響。影響。6.2.2 河流地貌河流的侵蝕、搬運與沉

15、積作用是改變地表地形的重要地質(zhì)作用。水文氣象因素和構(gòu)造運動因素又影響和制約河流的侵蝕、沉積以及河床的演變。1. 河漫灘：靠近主槽、洪水時淹沒、平水時出露的灘地。平原河流都有廣闊的河漫灘、階地 河漫灘可調(diào)節(jié)洪水、削減洪峰、儲存泥沙并通過灘槽水流交換影響主槽沖淤等作用，沉積物特點在相當大的程度上決定了河流的邊界條件。 河漫灘 河漫灘相沉積:雛形河漫灘形成后，洪水時河漫灘水深比河床淺，使河漫灘流速減小，平水期與枯水期植物在灘面上生長，進一步降低了灘面上的流速，引起懸移質(zhì)在河漫灘上沉積，使河漫灘沉積一層粘性土，也即河漫灘相沉積； 二元相沉積：下部為河床相砂礫層，上部為河漫灘相粘土層；（P70圖6.9）

16、 截彎取直：由于河流的侵蝕和沉積作用，會使河曲自然截彎取直； 牛軛湖相沉積：河曲自然截彎取直后，形成廢棄河道，河漫灘相覆蓋層加厚，出現(xiàn)牛軛湖相沉積。 河床的橫向移動為河漫灘地貌的發(fā)展創(chuàng)造了空間條件，決定了河漫灘的規(guī)模和類型。 礫石河漫灘沉積物不穩(wěn)定 沖積性河床形成河岸沙堤（見P70圖6.10） 河岸沙堤與河床之間有邊灘 邊灘可逐漸發(fā)展成為新的河漫灘 新老河漫灘組合在一起，使河漫灘結(jié)構(gòu)復雜化。因演變過程的不同，河漫灘有多種組合形式。邊灘2. 河流階地河流階地：河流階地是在地殼構(gòu)造運動與河流的侵蝕、沉積作用綜合作用下形成的；在河谷兩坡形成階梯狀地形稱為階地； 階地的形態(tài)特征：階地面平坦表面，后緣堆

17、積有坡積物和洪積物，標志河流以側(cè)蝕或沉積為主；階地斜坡陡坎，朝向河谷軸部，標志河流轉(zhuǎn)向深切侵蝕； 階地的形成：地殼上升或侵蝕基準面相對下降，已形成河漫灘的河流重新下切侵蝕。原來的谷底呈階梯狀殘留在新的谷坡上，在河谷兩坡形成階地； 階地的類型： 侵蝕階地：發(fā)育在構(gòu)造抬升的山區(qū)河谷中，出露基巖，沉積物很薄,侵蝕作用強； 堆積階地：多見于河流中下游，由河流沉積物組成。其又可分為內(nèi)疊和上疊階地；（見P72圖6.12） 基座階地：上部為河流的沉積物，下部基巖。（見P72圖6.13）埋藏階地：階地形成后，地殼下降或基準面上升，引起河流大量堆積，使階地被堆積物覆蓋，埋藏于地下。河 流 的 空 間 形 態(tài)山口

18、山口沉積作用沉積作用谷底沉積作用谷底沉積作用河口沉積作用河口沉積作用6.2.3 河流侵蝕、淤積作用的防治1. 凹岸的坍塌和凸岸的淤漲 坍岸的成因分析 坍岸一是由于水流（直接帶走泥沙、淘蝕坡腳導致坍塌）的作用，二是外界條件造成的土體強度減弱和風化。兩者往往同時存在。 各類土質(zhì)河岸的坍岸情況 坍岸與河岸的高度、坡度、形狀、土層情況和土質(zhì)特性均有密切聯(lián)系。 無粘性土河岸 穩(wěn)定性可由其移動的動力與阻力之比來確定。分排水好（強度降低和坡腳淘空而坍塌）和排水差（土體飽和與否，增加了孔隙水壓力的作用）兩種情況。 粘性土河岸 形成團粒，內(nèi)聚合力大，抗沖刷力強。分圓弧滑動、淺層滑動和平面滑動三種。（P73圖6.

19、14） 彎曲河段的二元結(jié)構(gòu)河岸（組合土層）坍塌形式可分為： 圓弧滑動、平面滑動和坍落。（P73圖6.15和圖6.16） 凹岸的坍塌和凸岸的淤漲 對于彎曲型河流，凸岸的堆積主要來自凹岸的沖刷，通過彎道環(huán)流相聯(lián)系。凹岸間歇性后退，而在凸岸集中淤積。2. 河流侵蝕、淤積作用的治理 不同類型河床主流線與崩岸位置 河岸崩塌在主流線處，主流線位置因河床類型的不同而各異。彎曲河床上半段，主流線靠近凸岸上方，之后流入凹岸頂點，在下半段靠近凹岸。故彎曲型河床的凸岸邊灘上方、凹岸頂點的下方常常崩岸。（見P74圖6.17a） 在順直河床上， 深槽與邊灘犬牙交錯，深槽處，主流線靠近河岸，成為順直河床的崩岸部位，隨著深

20、槽下移，崩岸位置不再固定（圖6.17b）。游蕩河床，崩岸位置也不確定，分汊河床，江心洲洲頭也是崩岸的多發(fā)部位。（圖6.17c) 防護措施 對于河流側(cè)向侵蝕及因河道局部沖刷而造成的坍岸等地質(zhì)災(zāi)害，一般采用護岸工程或使主流線偏離被沖刷地段等防治措施。 護岸工程直接加固岸坡：植樹、種草；護岸：拋石護岸、砌石護岸（P74圖6.18） 約束水流 順壩(導流壩）和丁壩（斜向下游，夾角60-70） 、 約束水流（束窄河道、封閉支流、截直河道、減少河流的輸沙率等）防止淤積岸坡防治6.3 巖溶（喀斯特）作用6.3.1 基本概念與研究意義 引用前南斯拉夫的地名碳酸鹽巖地區(qū)發(fā)育的特殊地貌。巖溶作用：以地下水為主、地

21、表水為輔，以化學過程（溶解、沉淀）為主、機械過程（侵蝕和沉積、重力崩塌和堆積）為輔的對可溶性巖石的破壞和改造作用。巖溶地貌：巖溶作用造成的地表形態(tài)和地下形態(tài)。巖溶：巖溶作用及其所產(chǎn)生的水文現(xiàn)象和地貌現(xiàn)象。巖溶對工程建設(shè)和生產(chǎn)活動均有重要影響。 巖溶在我國分布非常廣泛，廣西桂林山水、云南路南石林，浙江瑤琳仙境。廣西碳酸鹽巖出露的面積占全區(qū)面積的60%，貴州和云南東南部碳酸鹽巖分布的面積占該區(qū)總面積的50%以上；全國石灰?guī)r分布面積約130萬平方公里，約占全國總面積的13.5%。6.3.2 巖溶作用的基本條件 1. 巖石的可溶性巖石的可溶性主要取決于巖石的成分和結(jié)構(gòu)?？扇苄詭r石：碳酸鹽類巖石、硫酸鹽

22、類巖石、鹵鹽類巖石。溶解度：鹵鹽類硫酸鹽類碳酸鹽類，但碳酸鹽類巖石分布最廣。 2. 巖石的透水性巖石的透水性取決于巖石的裂隙度和孔隙度。褶皺和斷裂加強巖石的透水性，對巖溶發(fā)育具有一定的控制作用?？扇苄耘c非可溶性巖層的接觸帶及不整合面等利于水的活動，巖溶易于發(fā)育。 褶皺軸部裂隙密集，利于溶蝕和巖溶發(fā)育。背斜頂部發(fā)育寬度大、分布深的張裂隙，巖溶多以漏斗、豎井等垂直形態(tài)為主；向斜軸部垂直、水平通道均易發(fā)育，可發(fā)育地下河、漏斗及落水洞。富水優(yōu)勢斷裂常為較大的地下水和地表水匯集的地方，多發(fā)育管狀水道或地下河，也為地面塌陷集中帶。3. 水的溶蝕力只有水中含有CO2時，才有較強的溶蝕作用，可將碳酸鈣溶解。 4. 水的流動性 飽和水溶液一直處于流動狀態(tài)，可變?yōu)榉秋柡腿芤海匦芦@得溶蝕力。6.3.3 巖溶地貌1. 地表溶蝕地貌 石芽與溶溝 （P76圖6.20，圖6.21） 漏斗 豎井 落水洞 溶蝕洼地 坡立谷 干谷和盲谷天下第一大漏斗落水洞溶蝕洼地2. 地下巖溶地貌 溶洞 地下河3. 巖溶地貌組