組成地殼的巖石其形成環(huán)境是十分復(fù)雜的，在內(nèi)力與外力地質(zhì)作用下，深埋于地下的巖石可能露出地表，進(jìn)入與成巖環(huán)境絕然不同的新環(huán)境中，此時(shí)必然要通過巖石的各種變異才能適應(yīng)新的環(huán)境。我們說巖體風(fēng)化是指巖體(巖石)在各種風(fēng)化營力作用下，發(fā)生的物理和化學(xué)變化過程，并由于風(fēng)化的巖體殘留于原位的風(fēng)化物質(zhì)形成所謂的風(fēng)化殼。

由于風(fēng)化作用使巖體礦物成分與化學(xué)成分產(chǎn)生變化，巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造改變，完整性遭到破壞，惡化了巖體的工程性質(zhì)。因此，在工程選址、巖土體穩(wěn)定、地基處理、災(zāi)害防治、工程造價(jià)等方面都有重要意義。

(一)風(fēng)化類型

引起巖石風(fēng)化的營力很多，但主要的是太陽熱能、水溶液(地表、地下及空氣中的水)、空氣(O2及CO2等)及生物有機(jī)質(zhì)等。按照風(fēng)化營力及其引起的巖石變異的方式不同，風(fēng)化作用一般分為物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化3種。

物理風(fēng)化是由于溫度的變化(特別是晝夜的溫變)、水的凍融、干濕交替、鹽類結(jié)晶、礦物水化和植物根劈等作用引起巖石的機(jī)械破碎，而不伴隨化學(xué)成分和礦物成分的顯著變化，其結(jié)果既破壞了巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，降低了巖石的強(qiáng)度，又為化學(xué)風(fēng)化開了方便之門。這種作用主要發(fā)生在干寒地區(qū)，如我國西北的干旱寒冷及高山寒冷地區(qū)，巖石的風(fēng)化深度較小，一般小于10m。

化學(xué)風(fēng)化是巖石在氧、水溶液及生物有機(jī)質(zhì)等作用下所發(fā)生的一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，引起其結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物成分和化學(xué)成分發(fā)生變化的過程。其實(shí)質(zhì)是原巖中較活潑的元素發(fā)生遷移、改變，較穩(wěn)定的元素殘留原地，原生礦物不斷變異、與新環(huán)境相適應(yīng)的次生礦物不斷形成的過程。在風(fēng)化過程中，化學(xué)反應(yīng)的方式較復(fù)雜，有氧化、還原、水化、水解、碳酸化、硫酸化、去碳等。以水化、溶解、水解和氧化作用最為常見?；瘜W(xué)風(fēng)化多發(fā)生于溫暖潮濕的地區(qū)，深度可達(dá)百米以上。

生物風(fēng)化既有物理風(fēng)化特點(diǎn)，又具有化學(xué)風(fēng)化特征。生物新陳代謝產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)或機(jī)械破壞，如釋放大量有機(jī)物酸及CO2，加強(qiáng)水溶液溶解能力。

(二)風(fēng)化結(jié)果

巖體風(fēng)化主要造成如下變化。

(1)巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生變化。

(2)巖體完整性遭受破壞，結(jié)構(gòu)性喪失，空隙性增大，破碎成塊石、碎石或土體。

(3)巖石的礦物成分和化學(xué)成分發(fā)生變化。

(4)可溶礦物溶解流失，耐風(fēng)化礦物殘留下來，形成穩(wěn)定的次生礦物，如綠泥石、絹云母、高嶺石、蒙脫石等。

(5)巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)發(fā)生變化，如巖體力學(xué)強(qiáng)度與抗變形性能降低、壓縮性增大等。

(6)巖體滲透性增強(qiáng)。

(7)次生礦物的抗水性降低、親水性增強(qiáng)，易崩解、膨脹、軟化等。

(三)影響巖體風(fēng)化的因素

1. 氣候

氣候是控制風(fēng)化營力的性質(zhì)及強(qiáng)度的主要因素。反映氣候特點(diǎn)的氣象要素很多，其中對(duì)巖石風(fēng)化影響較大的主要是溫度和降雨量。在晝夜溫差及冷熱更替頻繁的地區(qū)，有利于物理風(fēng)化作用。溫度的高低，不僅直接影響巖石熱脹冷縮和水的物理狀態(tài)，而且對(duì)礦物在水中的溶解度、生物的新陳代謝、各種水溶液的濃度和化學(xué)反應(yīng)的速度都有很大的影響。降雨為巖石化學(xué)風(fēng)化提供了必需的水溶液，控制著風(fēng)化營力的性質(zhì)和強(qiáng)度，影響風(fēng)化作用類型及風(fēng)化速度。在降雨量小而蒸發(fā)量大的干旱地區(qū)，多為物理風(fēng)化。在潮濕多雨地區(qū)，則以化學(xué)風(fēng)化為主，風(fēng)化較強(qiáng)烈，風(fēng)化速度較快，風(fēng)化深度大。因此，不同氣候條件下風(fēng)化作用的類型和強(qiáng)度、風(fēng)化產(chǎn)物的性質(zhì)等均不相同。

2. 巖性

巖體的抗風(fēng)化能力與其形成環(huán)境、礦物成分及結(jié)構(gòu)構(gòu)造關(guān)系極為密切。當(dāng)成巖環(huán)境與地表環(huán)境差異愈大時(shí)，原巖風(fēng)化變異愈強(qiáng)烈，即巖石的抗風(fēng)化能力愈弱。

巖石抗風(fēng)化能力的大小，主要取決于組成巖石的礦物成分及結(jié)構(gòu)。在地表環(huán)境下，常見造巖礦物的抗風(fēng)能力是不同的。一般情況下，礦物在風(fēng)化過程中的穩(wěn)定性由大到小的順序是:氧化物＞硅酸鹽＞碳酸鹽和硫化物。當(dāng)巖石中不穩(wěn)定礦物含量較多時(shí)，其抗風(fēng)化能力較弱;相反，則其抗風(fēng)化能力較強(qiáng)。各類巖石的抗風(fēng)化能力由大到小的順序如下。巖漿巖:酸性巖(花崗巖) ＞中性巖(閃長巖、安山巖) ＞基性巖(玄武巖) ＞超基性巖(橄欖巖)。變質(zhì)巖:淺變質(zhì)巖＞中等變質(zhì)巖＞深變質(zhì)巖。沉積巖:抗風(fēng)化能力大于巖漿巖、變質(zhì)巖，風(fēng)化厚度一般不大。

主要礦物的風(fēng)化變異趨勢(shì)如下。斜長石→絹云母→綠泥石、蛭石→蒙脫石，或高嶺石化;黑云母→水云母化;輝石、角閃石→綠泥石→蒙脫石;白云母→伊利石→蒙脫石→高嶺土;石英→硅酸→石髓→次生石英。一般情況下巖石風(fēng)化的最終產(chǎn)物常表現(xiàn)為石英、高嶺土、氧化鐵、鋁土礦的組合。

3. 地質(zhì)構(gòu)造

巖體中保存了不同成因的結(jié)構(gòu)面，如斷層、節(jié)埋、劈理，片理、片麻理、層理、沉積間斷面、侵入巖體與圍巖的接觸面等，構(gòu)成了風(fēng)化營力侵蝕巖體的良好通道，對(duì)加深及加速巖體的風(fēng)化起了有力的促進(jìn)作用。

由于各種結(jié)構(gòu)面的存在，又使得巖體風(fēng)化不均勻，往往形成囊狀風(fēng)化(沿著斷層帶、裂隙密集帶)(圖2-38);差異風(fēng)化(圖2-39)和球形風(fēng)化(圖2-40)等。

圖2-38 囊狀風(fēng)化

1. 糜棱巖和角礫巖;2. 碎裂巖;3. 強(qiáng)風(fēng)化巖體及其底板界線;4. 弱風(fēng)化巖體及其底板界線;5. 微風(fēng)化和新鮮巖體

圖2-39 巖性不同導(dǎo)致的差異風(fēng)化

1. 強(qiáng)風(fēng)化巖體及其底板界線;2. 弱風(fēng)化巖體及其底板界線;3. 微風(fēng)化和新鮮巖體;4. 巖脈;5. 花崗-閃長巖

4. 地形

地形條件既可直接影響巖石的風(fēng)化作用，又可通過對(duì)氣候及水文地質(zhì)條件的影響，間接地影響巖體的風(fēng)化。在不同地形條件下(高度、坡度、切割程度等)，風(fēng)化作用的類型、風(fēng)化速度、風(fēng)化程度、風(fēng)化殼厚度及其空間分布是不同的。地形不同還影響溝谷側(cè)侵作用和殘積物滯留條件。

圖2-40 球形風(fēng)化現(xiàn)象

一般來說，高海拔地區(qū)以物理風(fēng)化為主;低海拔地區(qū)以化學(xué)風(fēng)化為主，速度較快。陡坡地段，風(fēng)化速度較大，風(fēng)化殼較薄;緩坡地段，風(fēng)化速度較慢，風(fēng)化殼較厚。

5. 其他因素

地殼運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)控制著風(fēng)化作用發(fā)生的總趨勢(shì)。地殼長期處于相對(duì)穩(wěn)定的地區(qū)，巖體與風(fēng)化營力接觸的時(shí)間較長，風(fēng)化變異徹底，風(fēng)化殼分布廣泛，厚度也較大。地殼強(qiáng)烈上升的地區(qū)，雖然風(fēng)化速度較快，但易遭外力侵蝕剝蝕，風(fēng)化殼厚度往往并不大。

人類活動(dòng)如基坑、邊坡、隧洞開挖、砍伐森林等，將已風(fēng)化的巖體或覆蓋層挖除，使得風(fēng)化微弱甚至新鮮巖體裸露，并與活躍的風(fēng)化營力直接接觸從而加劇了巖體風(fēng)化。

(四)風(fēng)化殼及風(fēng)化分帶

遭受風(fēng)化的巖石圈表層叫做風(fēng)化殼，它是原巖在一定的地質(zhì)歷史時(shí)期各種因素綜合作用的產(chǎn)物。表層不同深度的巖石，遭受風(fēng)化的程度不同，形成不同成分和結(jié)構(gòu)的多層殘積物，由此構(gòu)成了復(fù)雜的風(fēng)化殼剖面。不同巖石、不同地區(qū)，風(fēng)化殼有很大差別，其厚度也有很大差別，厚者可達(dá)幾百米。地殼表層保留的主要為現(xiàn)代時(shí)期形成的風(fēng)化殼。當(dāng)風(fēng)化殼形成后，被后來的堆積物掩埋，被保留下來的成為古風(fēng)化殼。

在風(fēng)化殼鉛直剖面上，從上到下巖體的風(fēng)化程度是不同的，巖體的風(fēng)化程度總是在地表比較強(qiáng)烈，從地表向下至巖體內(nèi)部，風(fēng)化程度逐漸變?nèi)?，直至新鮮基巖，其物理力學(xué)性質(zhì)也不相同。因此風(fēng)化殼在鉛直剖面上具有分帶性，應(yīng)對(duì)整個(gè)風(fēng)化殼剖面按照巖體風(fēng)化程度不同進(jìn)行分帶，以便區(qū)別對(duì)待，這對(duì)于建筑場(chǎng)地的選擇、工程設(shè)計(jì)、施工和處理等都是十分必要的。

風(fēng)化殼為什么會(huì)具有分帶性呢? 原因如下。①不同深度巖體與風(fēng)化營力接觸時(shí)間和程度不同，風(fēng)化營力多是由表及里的。因此，上部巖體總是與風(fēng)化營力首先接觸。當(dāng)風(fēng)化作用經(jīng)歷某一時(shí)間后，巖體已經(jīng)發(fā)生了一定程度的變化，而深部巖體可能剛與風(fēng)化營力接觸或尚未與風(fēng)化營力接觸。因而，地表的巖體與風(fēng)化營力接觸的時(shí)間比其下部巖石長，故其風(fēng)化程度也比下部巖體深。②礦物風(fēng)化具有階段性，如主要硅酸鹽礦物風(fēng)化逐步轉(zhuǎn)變具有階段性。因此，在整個(gè)風(fēng)化殼剖面上，因礦物的組合不同而顯示其分帶性。

1. 分帶的原則

為工程建筑目的而進(jìn)行的風(fēng)化殼垂直分帶應(yīng)考慮以下原則。①充分反映各風(fēng)化帶巖石變化的客觀規(guī)律，反映各風(fēng)化帶巖石所具有的不同特征。②分帶的標(biāo)志應(yīng)有代表性、明確，便于掌握。③定性與定量相結(jié)合。④分帶數(shù)目既不要過多，也不太少。一般采用三分法、四分法或五分法，目前地礦與水利水電部門多采用四分法即:全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶、微風(fēng)化帶。

2. 分帶的標(biāo)志

主要包括下列幾個(gè)方面。

(1)顏色。風(fēng)化程度不同的巖石，在外觀上首先表現(xiàn)在顏色上的差異。如有的巖石新鮮時(shí)為灰綠色，風(fēng)化后由下往上則變?yōu)?黃綠色、黃褐色、棕紅色。

(2)巖體破碎程度。隨著巖石風(fēng)化程度的加深，完整堅(jiān)硬的巖體逐漸破碎成塊石、碎石、砂、粉黏粒。在風(fēng)化剖面從上到下的不同部位上，這些顆粒所占的比例是不同的，上部以粉、黏粒為主，夾有砂及碎石;向下過渡為以砂粒為主夾有粉、黏粒及碎石;再向下以碎石為主夾有塊石及少量粉黏粒;再向下則以塊石為主夾碎石等。破碎程度還表現(xiàn)在風(fēng)化產(chǎn)物破碎時(shí)的難易，如用錘難以擊碎的，用錘易擊碎的，用手指能捏碎的，輕微接觸即行松散的等。

(3)礦物成分的變化。如前所述，不同礦物的抗風(fēng)化能力是不同的，巖石中總是那些不穩(wěn)定的礦物首先風(fēng)化。即使同一礦物在不同風(fēng)化階段所形成的新礦物也不一樣。此外，化學(xué)風(fēng)化在不同時(shí)期起主要作用的化學(xué)反應(yīng)是不同的。因此，在風(fēng)化殼剖面的不同部位具有不同的礦物共生組合，根據(jù)具體條件下風(fēng)化巖石中礦物的共生組合規(guī)律，如全風(fēng)化帶，除石英外，大部分礦物已經(jīng)變異，形成穩(wěn)定的礦物，如黏土礦物等;弱、微風(fēng)化帶，礦物變異主要發(fā)生在塊石裂縫周圍，形成薄膜狀。

(4)水理性質(zhì)及物理力學(xué)性質(zhì)的變化。在風(fēng)化殼剖面上，由上到下這些性質(zhì)變化的趨勢(shì)是:①孔隙性和壓縮性由大到小;②吸水性由強(qiáng)到弱;③聲波速度由小到大;④強(qiáng)度由低到高等。這些性質(zhì)指標(biāo)的變化是風(fēng)化殼分帶的重要定量標(biāo)志。

(5)鉆探掘進(jìn)及開挖中的技術(shù)特性對(duì)于風(fēng)化程度不同的巖石，其完整性和堅(jiān)固性不同，因此，勘探中的鉆探方法、鉆進(jìn)速度、巖心采取率、掘進(jìn)方法及難易程度是不同的;同時(shí)，施工中開挖方法及進(jìn)度亦各異。

表2-24列出了各風(fēng)化帶的基本特征。

表2-24 巖石風(fēng)化殼分帶及各帶基本特征(引自《工程地質(zhì)手冊(cè)》，2007)

3. 分帶的方法

風(fēng)化殼分帶的方法隨工程要求及勘察階段而定，如初勘時(shí)以定性分帶為主;詳勘時(shí)以定量分帶為主，同時(shí)考慮定性標(biāo)志。目前進(jìn)行風(fēng)化殼分帶的方法主要有以下幾種。

1)工程地質(zhì)分析法

屬定性分析法，通過觀測(cè)風(fēng)化巖石的顏色、破碎程度、堅(jiān)固性、礦物成分等方面的變化特點(diǎn)為主，兼以開鑿巖體的難易程度及錘擊聲的音響特點(diǎn)等鑒別巖體的風(fēng)化程度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定風(fēng)化等級(jí)界限。一般而言，全風(fēng)化帶巖體已完全風(fēng)化成土狀物，原巖面貌也完全喪失，殘留物以碎石土為主;強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)原巖結(jié)構(gòu)已基本破壞，宏觀觀察隱約能見到原巖體形貌，風(fēng)化物以塊石為主，混雜有一定數(shù)量的碎石土，部分塊石內(nèi)部仍保持新鮮狀態(tài);弱風(fēng)化帶原巖保存完整，巖體結(jié)構(gòu)局部破壞，主要沿裂隙面產(chǎn)生深度風(fēng)化，形成風(fēng)化條帶或網(wǎng)絡(luò)狀，風(fēng)化層厚度一般為十幾厘米至幾十厘米;微風(fēng)化巖體總體完好，結(jié)構(gòu)完整，只是沿裂隙面發(fā)生淺表層風(fēng)化，風(fēng)化層厚度一般為幾厘米至幾毫米的薄膜狀。各帶宏觀形貌如圖2-41。該分析方法適于初勘階段，有較大的人為性。

圖2-41 概化剖面示意圖

(據(jù)滿作武，1993，稍改)

1. 碎屑狀疏松風(fēng)化巖;2. 碎塊狀半堅(jiān)硬風(fēng)化巖;3. 半疏松狀風(fēng)化塊球體;4. 半堅(jiān)硬狀風(fēng)化塊球體;5. 堅(jiān)硬狀風(fēng)化塊球體;6. 風(fēng)化夾層;7. 疏松狀風(fēng)化裂隙;8. 半堅(jiān)硬狀風(fēng)化裂隙;9. 沿裂面表皮狀風(fēng)化;10. 風(fēng)化囊;11. 串珠狀風(fēng)化;12. 裂隙

2)指標(biāo)定量法

指標(biāo)定量法是通過現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)風(fēng)化巖石的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，結(jié)合工程地質(zhì)分析進(jìn)行分帶的方法。實(shí)踐中有用單項(xiàng)指標(biāo)值進(jìn)行分帶，也有采用多項(xiàng)指標(biāo)綜合進(jìn)行分帶的。

(1)聲波速度法。巖石風(fēng)化后，聲波速度變慢，據(jù)聲波在風(fēng)化程度不同的巖體中傳播縱波速度Vp(m/s)作為風(fēng)化殼分帶的依據(jù)。一般采用的分帶界限為:全風(fēng)化帶， Vp＜2000;強(qiáng)風(fēng)化帶，Vp=2000～3000;弱風(fēng)化帶，Vp=3 000～5000;微風(fēng)化帶，Vp＞5000。

(2)風(fēng)化系數(shù)法(Ky)。

風(fēng)化系數(shù)法(Ky)用下式表示:

式中:Kn=n1/n2為孔隙率系數(shù);Kw=w1/w2為吸水率系數(shù);KR=R1/R2為強(qiáng)度系數(shù)(單軸抗壓強(qiáng)度);n、w、R分別為孔隙率、吸水率和單軸抗壓強(qiáng)度;符號(hào)中的下角標(biāo)1、2分別為新鮮巖和風(fēng)化巖石。根據(jù)風(fēng)化系數(shù)進(jìn)行分帶的標(biāo)準(zhǔn)為:全風(fēng)化帶，Ky≤0.2;強(qiáng)風(fēng)化帶，Ky=0.2～0.4;弱風(fēng)化帶，Ky=0.4～0.9;微風(fēng)化帶，Ky=0.9～1.0。

(五)野外調(diào)查方法

野外工作中，在工程實(shí)施的位置選擇良好的露頭，其露頭剖面能總體反映該區(qū)代表性風(fēng)化狀態(tài)，如一個(gè)露頭不足以完整反映各風(fēng)化帶情況，可選擇多個(gè)露頭配合觀察，構(gòu)成對(duì)整個(gè)風(fēng)化狀況的認(rèn)識(shí)。對(duì)于重大工程往往借助于勘探平硐、鉆探或豎井直接觀測(cè)進(jìn)行分帶。斜坡剖面調(diào)查時(shí)，應(yīng)首先站在一定距離宏觀觀察，從風(fēng)化巖體顏色、風(fēng)化物破碎程度、地質(zhì)形貌特征等方面總體觀察分析，一般可以大致了解風(fēng)化剖面的分帶特征。然后依據(jù)前面介紹的風(fēng)化分帶依據(jù)，貼近露頭從地表往下詳細(xì)了解各帶的巖石破碎程度、結(jié)構(gòu)性、礦物變化情況，為了觀測(cè)的連續(xù)性，最好沿坡走向每隔5～10m間距選擇一個(gè)縱斷面從上至下依次觀測(cè)，初步確定分帶的位置。

為了進(jìn)一步準(zhǔn)確確定風(fēng)化帶特征及劃分風(fēng)化殼，只是野外觀察調(diào)查是不夠的，應(yīng)結(jié)合樣品進(jìn)行點(diǎn)荷載、回彈錘或室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)，確定不同風(fēng)化巖的強(qiáng)度;采用單道地震儀或聲波儀按選擇剖面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試巖體的聲波值;系統(tǒng)采樣在室內(nèi)進(jìn)行X衍射、薄片鏡下鑒定、掃描電鏡、物理化學(xué)分析測(cè)定巖石的礦物成分及化學(xué)成分;鉆孔巖芯的RQD值也是判別巖體風(fēng)化完整性的重要參考指標(biāo)。結(jié)合宏觀觀察及定量指標(biāo)值，就可以比較準(zhǔn)確確定巖體風(fēng)化帶。