淺析風(fēng)化帶的定義及劃分

陳利友，李 瓏

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院，四川 郫縣，611731)

1 風(fēng)化作用的概念

1.1 風(fēng)化作用分類

巖石在各種風(fēng)化營(yíng)力作用下，所發(fā)生的物理和化學(xué)變化的過(guò)程稱為巖石風(fēng)化。它包括巖石所感受的風(fēng)化作用及其所產(chǎn)生的結(jié)果兩個(gè)方面。與其它動(dòng)力地質(zhì)作用相比較，引起巖石風(fēng)化的營(yíng)力很多，但主要的是太陽(yáng)熱能、水溶液(地表、地下及空氣中的水)、空氣(02及C02等)及生物有機(jī)體等。按照風(fēng)化營(yíng)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)化三種。生物風(fēng)化既有物理的也有化學(xué)的作用，因此風(fēng)化作用主要是物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化兩種。

1.2 物理風(fēng)化

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下所產(chǎn)生的應(yīng)力，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)化打開了方便之門。這種作用主要發(fā)生在干寒地區(qū)，如我省涼山、甘孜及阿壩等地區(qū)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。

1.3 化學(xué)風(fēng)化

巖石在氧、水溶液及有機(jī)體等作用下所發(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(guò)程，稱為化學(xué)風(fēng)化。其實(shí)質(zhì)是原巖中較活潑的元素發(fā)生遷移，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(guò)程。在風(fēng)化過(guò)程中，化學(xué)反應(yīng)的方式較復(fù)雜，有氧化、還原、溶解、結(jié)晶、水化，水解、碳酸化、硫酸化、去碳、中和等作用。在自然界中，化學(xué)風(fēng)化是多種方式綜合作用的結(jié)果，其中以水化、溶解、水解和氧化作用最為常見?；瘜W(xué)風(fēng)化多以水為介質(zhì)，其影響深度與地下水的循環(huán)交替條件極為密切。巖石一般風(fēng)化深度為數(shù)十米，大者可達(dá)100余米，因而在工程上的實(shí)際意義也較大。

1.4 風(fēng)化作用的影響

遭受風(fēng)化的巖石圈表層叫做風(fēng)化殼(weathered crust)，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。風(fēng)化巖石與原巖比較，已產(chǎn)生了一系列的變化，從工程地質(zhì)觀點(diǎn)出發(fā)，這些變化主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1.4.1 巖體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生變化。即其完整性遭到削弱和破壞，風(fēng)化作用不僅使巖體原有裂隙擴(kuò)大，還形成新的風(fēng)化裂隙，同時(shí)因活動(dòng)性元素的遷移，使原巖孔隙增大?？傊瑤r石風(fēng)化后其空隙性增大，塊度變小，原巖破碎成塊石、碎石、砂粒、粉粒及粘粒。這種變化使原巖的結(jié)晶聯(lián)結(jié)削弱以致喪失，成為水膠聯(lián)結(jié)甚至無(wú)聯(lián)結(jié)狀態(tài)，使完整性較好、堅(jiān)固性較高的巖體，變成破碎松軟、性質(zhì)易變的土體。

1.4.2 巖石的礦物成分和化學(xué)成分發(fā)生變化。在風(fēng)化過(guò)程中，原巖中的礦物逐漸解體變異，活動(dòng)性較強(qiáng)的元素不斷隨水遷移流失;同時(shí)，由于風(fēng)化營(yíng)力所攜帶的新元素的參與，形成了新的次生礦物，如綠泥石、絹云母等鱗片狀礦物，細(xì)分散的高嶺石、蒙脫石、水云母等粘士礦物，鐵、鋁、硅的氧化物或氫氧化物。這些次生礦物不僅在晶系特點(diǎn)、晶粒大小、結(jié)晶程度均與原生礦物不同，而且還增加了水及有機(jī)組分。

1.4.3 巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)惡化。巖石風(fēng)化后，由于巖石的礦物成分、化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生變化，而導(dǎo)致巖石工程地質(zhì)性質(zhì)上的一系列變化。如力學(xué)強(qiáng)度降低，壓縮性可以從基本不可壓縮的基巖，變?yōu)閴嚎s性頗大的粘性土;透水性發(fā)生畸變，在完整風(fēng)化剖面上，遭受中等風(fēng)化的巖石其滲透系數(shù)比下伏新鮮巖石成倍增加;表層遭受強(qiáng)烈風(fēng)化的巖石，其滲透系數(shù)又降低;巖石徹底風(fēng)化后所形成的次生礦物，其抗水性降低，親水性增高，對(duì)水的敏感性加大，易于崩解、膨脹和軟化。

總之，風(fēng)化后的巖石在工程建筑上的優(yōu)良性質(zhì)削弱了，不良性質(zhì)則增加了，使工程地質(zhì)條件大為惡化。

1.5 研究風(fēng)化作用的工程意義

實(shí)踐證明，巖石風(fēng)化是地殼表層大陸化時(shí)期較為普遍的動(dòng)力地質(zhì)作用，它與工程選址布局、巖(土)體穩(wěn)定、地基處理、施工方法、施工期限、工程造價(jià)等關(guān)系極為密切。為工程建設(shè)而進(jìn)行的巖石風(fēng)化工程地質(zhì)研究的目的有以下幾點(diǎn);①根據(jù)巖石風(fēng)化的程度及其空間分布，選擇最適于修建建筑物的位址，對(duì)各種工程建筑物進(jìn)行合理布局;②根據(jù)風(fēng)化巖石的物理力學(xué)性質(zhì)與建筑物類型、等級(jí)、荷載性質(zhì)及大小的適應(yīng)性，確定地基中需要挖除的風(fēng)化巖石的厚度，即確定合理的建基面高程;③根據(jù)巖石風(fēng)化速度、風(fēng)化程度及各風(fēng)化帶巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，確定基坑、路塹、船閘及露天礦采坑合理的穩(wěn)定邊坡角;④根據(jù)風(fēng)化產(chǎn)物的特性(破碎程度、堅(jiān)固性等)及場(chǎng)地工程地質(zhì)條件，選擇地下洞室施工開挖的設(shè)備和方法，確定對(duì)已風(fēng)化巖石的處理措施;⑤根據(jù)巖石風(fēng)化速度、風(fēng)化營(yíng)力、風(fēng)化作用類型及影響巖石風(fēng)化的因素等，確定基坑、路塹保持開敞狀態(tài)的安全期限，選擇防止巖石風(fēng)化的措施。

2 關(guān)于風(fēng)化帶的劃分

2.1 巖體風(fēng)化的一般規(guī)律

通常來(lái)講，巖體風(fēng)化帶的劃分應(yīng)該具有從上而下(或由外向內(nèi))由強(qiáng)到弱的排列規(guī)律，但對(duì)于碳酸鹽巖，由于其為可溶巖，除了物理風(fēng)化外，還存在化學(xué)風(fēng)化——溶蝕風(fēng)化，其風(fēng)化帶的劃分并不完全遵循上述規(guī)律?，F(xiàn)在工程上對(duì)風(fēng)化帶劃分除了用波速等定量值作參考，多是采用定性劃分。雖然對(duì)于風(fēng)化帶的劃分在規(guī)范里給出了原則性的意見，但在實(shí)際運(yùn)用中則是五花八門。假如我們同時(shí)讓十個(gè)人去對(duì)同一個(gè)場(chǎng)地的巖層進(jìn)行風(fēng)化帶的劃分，很可能會(huì)出現(xiàn)幾種不同的劃分模式。這在工作中很難有個(gè)明顯的界線，經(jīng)常不同人有不同的界定，當(dāng)然一般規(guī)律還是適用的。

碳酸鹽巖除了物理風(fēng)化而外，由于其為可溶巖，化學(xué)風(fēng)化——溶蝕風(fēng)化表現(xiàn)則更為突出。碳酸鹽巖中的石灰?guī)r與白云巖的風(fēng)化特征由于其沉積相的不同，又有明顯的差別。

石灰?guī)r由于是海相化學(xué)沉積物，其結(jié)晶顆粒往往很細(xì)，晶間膠結(jié)較好，孔隙度低，所以物理作用相對(duì)較慢;但又由于其溶解度低，所以其溶蝕風(fēng)化作用也很明顯，有時(shí)是很強(qiáng)烈。很多人認(rèn)為石灰?guī)r沒(méi)有強(qiáng)風(fēng)化帶，這是一種誤解。白云巖是石灰?guī)r白云化的成巖產(chǎn)物，也就是沒(méi)有原生的白云巖。白云巖都是由石灰?guī)r演化而成的，石灰?guī)r在白云化作用中產(chǎn)生的孔隙度常大于15%，所以其強(qiáng)風(fēng)化帶表現(xiàn)明顯。以上兩種巖石由于巖性差異，在風(fēng)化作用的表現(xiàn)上也有不同。但由于它們都是可溶巖，溶蝕風(fēng)化成為巖石風(fēng)化的主要作用;又由于溶蝕風(fēng)化作用與巖石里的層、節(jié)理裂隙密切相關(guān)，在它們的強(qiáng)風(fēng)化帶里，溶蝕風(fēng)化表現(xiàn)更突出，溶蝕孔裂隙發(fā)育，其中往往充填有粘土，施工隊(duì)伍的鉆工一般稱其為“土夾石”。但如果用規(guī)范里的風(fēng)化帶劃分標(biāo)準(zhǔn)去衡量則行不通，因?yàn)樵趶?qiáng)風(fēng)化帶里沒(méi)有溶蝕風(fēng)化的巖石仍然很堅(jiān)硬。

在巖體的中微風(fēng)化帶甚至是未風(fēng)化巖體中，由于有溶蝕洞隙的存在，仍然有強(qiáng)風(fēng)化產(chǎn)物。按我的理解，在強(qiáng)風(fēng)化帶里有微風(fēng)化巖石，而在微風(fēng)化帶甚至是新鮮巖體中，也會(huì)有強(qiáng)風(fēng)化巖體，也就是各種不同風(fēng)化程度的巖體往往是互相包容、互相穿插的。由于從上而下不能按從強(qiáng)到弱的規(guī)律來(lái)劃分巖體，于是有人提出了用巖體單元來(lái)劃分巖體的意見，當(dāng)初幾乎成了地方性規(guī)范，曾在貴州省風(fēng)行了一段時(shí)間。目前仍然采用這一辦法的人已經(jīng)很少，原因在于要合理準(zhǔn)確的劃分，僅靠以工程鉆探為主的勘察手段幾乎是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，何況現(xiàn)在工程的勘察周期很短，根本沒(méi)有時(shí)間去做這方面的詳細(xì)工作。我院武都水庫(kù)的勘探資料表明，在地殼的上升時(shí)期伴隨著河床向下切割，地下水垂直滲透強(qiáng)烈，巖溶與風(fēng)化作用也表現(xiàn)為垂直發(fā)育的特征。隨著地殼的不斷上升剝蝕，風(fēng)化作用和溶蝕作用也就會(huì)不斷地進(jìn)行。巖溶也是風(fēng)化的一種表現(xiàn)，在巖溶洞隙的周圍，往往都有強(qiáng)風(fēng)化巖體存在，這些強(qiáng)風(fēng)化巖體將來(lái)很可能也會(huì)演變?yōu)閹r溶洞隙。

2.2 巖體風(fēng)化帶劃分的主要依據(jù)

碎屑巖(砂巖)、泥質(zhì)巖及碳酸鹽巖是沉積巖的三大巖類。它們由于組成巖石的礦物不同(與沉積相有關(guān))，經(jīng)過(guò)的成巖后期作用不同，具有不同的巖石性質(zhì):在表生成巖階段，經(jīng)歷的風(fēng)化(成巖)環(huán)境和風(fēng)化(成巖)作用不同，其風(fēng)化產(chǎn)物也不同，也就是風(fēng)化帶的表現(xiàn)與劃分也不同，很難用一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)去界定。在《水利水電工程地質(zhì)工程勘察規(guī)范》表H.0.1(見表1)及《巖土工程勘察規(guī)范》表A.0.3(見表2)，分別給出了巖體風(fēng)化帶和風(fēng)化程度的大致劃分標(biāo)準(zhǔn)，雖然看來(lái)比較簡(jiǎn)單，但要完全理解和運(yùn)用，卻需要一定水平。總的來(lái)說(shuō)，應(yīng)采用經(jīng)過(guò)物理(機(jī)械)風(fēng)化及化學(xué)風(fēng)化以后巖石所產(chǎn)生的變化和變化程度去劃分。但要知道，風(fēng)化帶之間是一個(gè)漸變的過(guò)渡關(guān)系，沒(méi)有一個(gè)明確的界線。度很大需要進(jìn)一步細(xì)分時(shí)，可再分出二個(gè)或三個(gè)次一級(jí)亞帶，分別采用上、中、下帶命名;②選擇性風(fēng)化作用地區(qū)，當(dāng)發(fā)育囊狀風(fēng)化、隔層風(fēng)化、沿裂隙風(fēng)化等特定形態(tài)的風(fēng)化帶時(shí)，可根據(jù)巖石的風(fēng)化狀態(tài)確定其等級(jí);③某些特定地區(qū)，巖體風(fēng)化剖面呈非連續(xù)性過(guò)渡時(shí)，分級(jí)可缺少一級(jí)或二級(jí)。(本巖體風(fēng)化帶劃分，據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487－2008))。

表1 巖體風(fēng)化分帶

表2 巖石按風(fēng)化程度分類

《巖土工程勘察規(guī)范》表A.0.3(見表2)的巖石風(fēng)化特征包含以下幾個(gè)方面:機(jī)械破碎程度;節(jié)理裂隙的發(fā)育程度及充填物(次生礦物和渲染，如方解石、鐵質(zhì)、泥質(zhì));巖石顏色的變化程度;礦物成分的變化等。對(duì)于碳酸鹽巖來(lái)說(shuō)還應(yīng)加一個(gè)溶蝕發(fā)育程度及對(duì)巖體的破壞程度，具體來(lái)說(shuō)就是溶蝕孔、洞、縫的多少及規(guī)模，可以用巖石風(fēng)化特征(見表2)及溶蝕發(fā)育程度及對(duì)巖體的破壞程度去進(jìn)行石灰?guī)r風(fēng)化程度的劃分。

泥質(zhì)巖是由粒度小于0.0039mm的十幾種粘土礦物組成。由于泥質(zhì)巖的化學(xué)成分相對(duì)比較穩(wěn)定和粒度小等原因，其風(fēng)化作用以機(jī)械破碎為主，所以在其形成的粘土中常?；煊心噘|(zhì)巖土化程度不同的的殘塊和碎屑，影響了土體的均勻性。筆者認(rèn)為其風(fēng)化程度的劃分，可以以其破碎程度和土化程度為標(biāo)準(zhǔn)。但由于泥質(zhì)巖有很多種，它們的風(fēng)化特征各異因而無(wú)法給出具體的建議參數(shù)。

對(duì)于碳酸鹽類巖體的風(fēng)化帶劃分，特別是石灰?guī)r風(fēng)化帶的劃分，不能在區(qū)分巖體的風(fēng)化程度時(shí)只注意巖石的新鮮程度，而忽略巖體的完整程度、結(jié)構(gòu)構(gòu)造變化及巖溶發(fā)育狀況等重要因素。例如，巖石顏色的變化、節(jié)理裂隙的發(fā)育及變化、次生浸染、充填物的增多及變化等等。又例如碳酸鹽類巖石的基巖面多呈溶蝕溝槽狀起伏，石芽突出也常見。如果風(fēng)化帶的劃分不正確，就會(huì)帶來(lái)諸多工程問(wèn)題。

3 巖體風(fēng)化帶定性與定量劃分的差異

風(fēng)化帶的劃分是為了工程需要而人為劃分的，目前風(fēng)化帶的劃分多采用定性劃分，而以波速比及風(fēng)化系數(shù)定量劃分的方法主要是作為參考。那么風(fēng)化帶的定性與定量劃分主要有什么差異，哪種劃分方法更準(zhǔn)確、更具有工程意義呢?現(xiàn)就以大渡河和青衣江流域上的幾個(gè)電站工程為實(shí)例，通過(guò)對(duì)這幾個(gè)工程上百個(gè)鉆孔巖芯(或平硐內(nèi)巖體)風(fēng)化帶劃分的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，說(shuō)明巖體風(fēng)化帶定性與定量劃分之間存在的主要差異:

3.1 定性劃分方法人為因素太強(qiáng)，這與通過(guò)波速等定量劃分方法有明顯差異。采用定性方法對(duì)同一鉆孔巖芯進(jìn)行風(fēng)化帶劃分時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)十人九不同的情況，這是因?yàn)轱L(fēng)化帶定性劃分主要是依據(jù)巖石色澤、錘擊聲變化，組織結(jié)構(gòu)的破壞及礦物成份的蝕變程度來(lái)確定的。而巖石在上述幾方面的變化、破壞與蝕變因風(fēng)化程度的不同總是逐漸發(fā)生的，不可能在風(fēng)化帶界線發(fā)生突變，因而很難有一個(gè)確定劃分界線。定性劃分方法隨意性強(qiáng)，個(gè)人掌握的尺度各不相同，但這并不表明這種劃分方法不具工程意義，事實(shí)上，同一工程只要統(tǒng)一劃分標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)試驗(yàn)、類比，提出與各風(fēng)化帶相匹配的物理力學(xué)參數(shù)，就能滿足設(shè)計(jì)的使用。

3.2 以波速比為依據(jù)的定量劃分風(fēng)化帶方法與定性劃分方法相比，其劃分的各風(fēng)化帶的厚度是確定的，但其劃分的風(fēng)化帶準(zhǔn)確度卻并不比定性劃分的高，往往較定性劃分的風(fēng)化帶厚度大。這是因?yàn)閹r體波速不僅僅受風(fēng)化程度的影響，巖體中構(gòu)造裂隙及其它結(jié)構(gòu)面對(duì)波速影響也較大，而大多數(shù)情況下，巖體中總會(huì)有裂隙及其它結(jié)構(gòu)面存在，在裂隙發(fā)育較強(qiáng)的地段，即便是弱風(fēng)化(新鮮)巖體，由于其波速降低值較大，按波速比的定量劃分標(biāo)準(zhǔn)也可能劃分成強(qiáng)風(fēng)化(弱風(fēng)化)巖體。

3.3 以波速比為依據(jù)的風(fēng)化帶定量劃分方法，主要反應(yīng)的是巖體完整性的變化，這對(duì)風(fēng)化裂隙發(fā)育、構(gòu)造裂隙及其它結(jié)構(gòu)面不發(fā)育的巖體較為適用，劃分出的風(fēng)化帶也與定性劃分的風(fēng)化帶較為接近。而對(duì)某些整體狀、結(jié)構(gòu)致密、完整性好的巖體，如砂巖、采用波速比的定量劃分法劃分風(fēng)化帶時(shí)，其波速降低值往往不明顯;而采用定性劃分時(shí)，其色澤、錘擊聲的變化卻相對(duì)明顯，這種情況下，采用波速比定量劃分的風(fēng)化帶厚度較定性劃分的風(fēng)化帶厚度小。

3.4 以風(fēng)化系數(shù)為依據(jù)的定量劃分方法，主要作為一種驗(yàn)證手段。當(dāng)定性劃分與波速比定量劃分難度較大時(shí)(如波速降低值不明顯，巖石色澤、錘擊聲的區(qū)分度也不大)或兩種方法劃分的風(fēng)化帶差異較大時(shí)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，采用風(fēng)化系數(shù)定量劃分，了解其抗壓強(qiáng)度的變化顯得比較行之有效。

3.5 以風(fēng)化系數(shù)為依據(jù)的定量劃分與以波速比為依據(jù)的定量劃分同為定量方法，兩者有相似之處，也有明顯的差異。相似之處在于兩者均為定量劃分方法，其劃分的準(zhǔn)確度受巖體結(jié)構(gòu)面影響較大。兩者差異在于，前者主要反應(yīng)的是巖石強(qiáng)度的變化。采用這種劃分方法有一個(gè)前提條件，就是風(fēng)化帶內(nèi)有可選的巖樣(不含結(jié)構(gòu)面的完整巖石)，適合結(jié)構(gòu)致密、完整性好的巖體;后者主要反應(yīng)的是巖體完整性的變化。采用這種劃分方法時(shí)，對(duì)風(fēng)化裂隙發(fā)育的巖體較為適用，對(duì)結(jié)構(gòu)致密、完整性好的巖體，由于波速降低值不明顯，影響其劃分的準(zhǔn)確度。

4 結(jié)語(yǔ)

目前工程上主要采用定性劃分的方法對(duì)風(fēng)化帶進(jìn)行劃分，這種劃分方法人為因素影響較大，不同的人掌握的尺度不同，劃分的結(jié)果也各不相同，顯得隨意性很強(qiáng)。本文通過(guò)對(duì)巖體風(fēng)化帶定義和劃分的描述，并以實(shí)際工程為例說(shuō)明定性與定量劃分之間存在的主要差異，找到了對(duì)巖體風(fēng)化帶進(jìn)行合理、有效劃分的方法。風(fēng)化帶劃分是為滿足工程設(shè)計(jì)需要，風(fēng)化帶劃分不必拘泥于風(fēng)化帶界線的具體位置，針對(duì)同一工程，只要按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)在進(jìn)行定性劃分的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比定性和定量?jī)煞N方法劃分的差異，對(duì)定性劃分結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并作出適當(dāng)修正，再通過(guò)試驗(yàn)、類比等綜合分析方法提出與劃分的各風(fēng)化帶相匹配的物理力學(xué)參數(shù)，就能滿足工程設(shè)計(jì)的需要。 ■