土的形成及其工程地质特征.pptx

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1、第一节第一节 风化作用及残积物风化作用及残积物 研究风化作用的意义研究风化作用的意义研究风化作用的意义研究风化作用的意义1.风化作用改变了岩石的成分，破坏，强度降低风化作用改变了岩石的成分，破坏，强度降低2.很多不良地质均在风化的基础上逐渐形成很多不良地质均在风化的基础上逐渐形成3.正确评价岩石的风化程度，评价建筑条件正确评价岩石的风化程度，评价建筑条件一、风化作用的类型岩石风化岩石风化（rock weathering）矿物和岩石在地表条件下发生的机械碎裂和化学分解过程。主要的风化营力主要的风化营力：太阳热能、大气降水、地下水、水蒸气、：太阳热能、大气降水、地下水、水蒸气、冰，以及二氧化碳、氧

2、和动植物有机体等。冰，以及二氧化碳、氧和动植物有机体等。第1页/共42页第2页/共42页贵州地质奇观贵州地质奇观 天然巨石惊现天然巨石惊现“中国共产党中国共产党”这一象形图案由钙质海绵为主的化石无序排列浑然天成第3页/共42页1 1 1 1 物理风化物理风化 physical weatheringphysical weatheringphysical weatheringphysical weathering 指地表岩石因温度变化和空隙中水的冻融以及盐类的结晶指地表岩石因温度变化和空隙中水的冻融以及盐类的结晶而产生的机械崩解过程。使岩石从比较完整固结状态变为而产生的机械崩解过程。使岩石从比较完

3、整固结状态变为松散破碎状态，使岩石的空隙度和表面积增大。松散破碎状态，使岩石的空隙度和表面积增大。温差风化过程：温度变化过程：温度变化-表里不协调的膨胀作用表里不协调的膨胀作用-长期进行长期进行-削弱表面与内部的联接削弱表面与内部的联接-表层剥落。表层剥落。冻融风化冻融风化充填在岩石裂隙中得水分结冰是岩石充填在岩石裂隙中得水分结冰是岩石的破坏作用，冰冻风化的破坏作用，冰冻风化 冰劈作用的实质是冻融交替冰劈作用的实质是冻融交替第4页/共42页2.2.化学风化(chemical weatbering)(chemical weatbering)在大气、水和水中化学物质的作用下，使岩石的化学成在大气、

4、水和水中化学物质的作用下，使岩石的化学成分和矿物种类发生变化的作用。分和矿物种类发生变化的作用。主要方式：溶解、水化、水解；氧化、碳酸化等：溶解、水化、水解；氧化、碳酸化等（1 1）溶解作用(dissolution)(dissolution)水直接溶解岩石中的矿物的作用。水直接溶解岩石中的矿物的作用。溶解的难易程度：卤盐类溶解的难易程度：卤盐类-硫酸盐类硫酸盐类-碳酸盐类碳酸盐类岩盐，钾盐岩盐，钾盐石膏，硬石膏石膏，硬石膏灰岩，白云岩灰岩，白云岩石盐一般指岩盐。都是由盐水在封闭的盆地中蒸发而形成盐矿床，被称为卤化物矿物。常在石盐之下找到石膏和硬石膏。石盐互层还有其他沉淀矿物，方解石和钾盐以及砂

5、子和粘土。第5页/共42页石膏是单斜晶系矿物，主要化学成分是石膏是单斜晶系矿物，主要化学成分是硫酸钙（硫酸钙（CaSO4）。石膏矿在各地质时）。石膏矿在各地质时代均有产出，以早白垩纪和第三纪沉积代均有产出，以早白垩纪和第三纪沉积型石膏矿为最重要。型石膏矿为最重要。白云岩，一种沉积碳酸盐岩。主要由白白云岩，一种沉积碳酸盐岩。主要由白云石组成，常混入石英、长石、方解石云石组成，常混入石英、长石、方解石和粘土矿物。呈灰白色，性脆，硬度小，和粘土矿物。呈灰白色，性脆，硬度小，用铁器易划出擦痕。遇稀盐酸缓慢起泡用铁器易划出擦痕。遇稀盐酸缓慢起泡或不起泡，外貌与石灰岩很相似。或不起泡，外貌与石灰岩很相似。

6、南京慕府山白云岩矿床：南京慕府山白云岩矿床：矿层赋存于震旦系上统、寒武系中、下统内。由矿层赋存于震旦系上统、寒武系中、下统内。由南至北共有四个矿层，走向长南至北共有四个矿层，走向长7001200m，宽，宽150m，出露宽，出露宽150300m，产状，产状较为稳定，倾向南东，倾角较为稳定，倾向南东，倾角30 90。辽宁营口陈家堡子白云岩矿床：矿床赋存于下元古界辽河群碳酸盐岩系内。矿辽宁营口陈家堡子白云岩矿床：矿床赋存于下元古界辽河群碳酸盐岩系内。矿层呈层状，走向长数公里，厚度层呈层状，走向长数公里，厚度500m，倾向南东，倾角，倾向南东，倾角45 左右，顶板为白左右，顶板为白云质灰岩，底板为千枚

7、岩云质灰岩，底板为千枚岩第6页/共42页（2 2）水化作用（HydrationHydration）水中水中H+与与OH-离子与矿物分子的坚固连接。当岩石矿物吸离子与矿物分子的坚固连接。当岩石矿物吸收水份后，其增加的容量在岩石中造成物理应力。收水份后，其增加的容量在岩石中造成物理应力。氧化铁ironoxides转化成氢氧化铁ironhydroxide 硬石膏anhydrite经过水化作用后成为石膏gypsum（3 3）水解作用（Hydrolysis ）矿物离解产物与水中的矿物离解产物与水中的H+与与OH-离子发生反应形成新矿物。离子发生反应形成新矿物。一种影响硅酸盐（SilicateSilica

8、te）矿物的化学风化过程 ，在反应中纯水会轻微离子化，并与硅酸盐矿物起反应。Mg2SiO4+4H+4OH-2Mg2+4OH-+H4SiO4橄榄石（olivine）（镁橄榄石（forsterite）+四个水分子离子-溶液中的离子+溶液中的硅酸（silicicacid）第7页/共42页橄榄石（橄榄石（PeridotPeridot或或OlivineOlivine ）：铁或镁的硅酸盐，同时含有锰、镍、钴等元素，晶体呈现短柱状或厚板状。属斜方晶系，晶体形态常呈短柱状，集合体多为不规则粒状。颜色多为橄榄绿、黄绿、金黄绿或祖母绿色。玻璃光泽，透明。硬度6.57.0，贝壳状断口。橄榄石因其颜色多为橄榄绿色而得

9、名。橄榄石变质可形成蛇纹石蛇纹石或或菱镁矿菱镁矿。绿色清晰的宝石绿色清晰的宝石，做胸针、指环、，做胸针、指环、耳坠等，为珠宝市场上常见的中耳坠等，为珠宝市场上常见的中档宝石。八月生辰石档宝石。八月生辰石。晶体呈斜晶体呈斜方柱状体，晶面上有密集的纵纹，方柱状体，晶面上有密集的纵纹，大多数情况下为晶体碎块或呈卵大多数情况下为晶体碎块或呈卵石状。石状。第8页/共42页正长石（Orthoclase）（铝硅酸盐长石（aluminosilicatefeldspar）+碳酸+水-高岭土（Kaolinite）（黏土矿物）+硅酸溶液+溶液中的钾（potassium）及重碳酸盐离子。（4 4）碳酸化作用（carb

10、onation）溶于水中的溶于水中的CO2形成形成CO3-2、HCO3离子与矿物中金属离离子与矿物中金属离子结合成易溶的碳酸盐类，随水流失，原有矿物分解成新子结合成易溶的碳酸盐类，随水流失，原有矿物分解成新矿物残留。矿物残留。硅酸盐矿物中的阳离子形成碳酸盐，大部分SiO2形形成蛋白石，成蛋白石，部分SiO2SiO2呈胶体。第9页/共42页蛋白石蛋白石（opal）：SiO2nH2O，天然的硬天然的硬化的二氧化硅胶凝体，含化的二氧化硅胶凝体，含3%10%的水分。的水分。蛋白石与多数宝石不同，蛋白石与多数宝石不同，非晶质结构，贝壳非晶质结构，贝壳状断口状断口，具有变彩效应的宝石，含水的非晶，具有变彩

11、效应的宝石，含水的非晶质的二氧化硅。硬度质的二氧化硅。硬度5.56.5。天然欧珀分为白蛋白石（白欧珀）、黑蛋白石（黑鸥珀）和火蛋白石（火欧珀）三个种类。（不同）月光石是正长石和钠长石层状交互的宝石矿物。通常是无色至白色，也可呈浅黄、橙至淡褐、蓝灰或绿色，透明或半透明，具有特别的月光效应。第10页/共42页（5 5）氧化作用（oxidationoxidation）3.3.生物风化(biological weathring)物理风化化学风化第11页/共42页(3)化学风化是物理风化的继续和深入：化学风化溶解了化学风化是物理风化的继续和深入：化学风化溶解了岩石中易溶物质，改变了岩石的物理性质（致密疏

12、松）从岩石中易溶物质，改变了岩石的物理性质（致密疏松）从而加速了物理风化的进行。而加速了物理风化的进行。(4)不同的自然条件下表现的风化类型的强弱、主次程度不同的自然条件下表现的风化类型的强弱、主次程度不同。不同。4.风化作用类型之间的相互关系风化作用类型之间的相互关系(1)同时发生、同时发生、相互影响、互相促进的相互影响、互相促进的(2)物理风化是化学风化的前驱和必要条件：物理风化使物理风化是化学风化的前驱和必要条件：物理风化使岩石破碎，由大变小，使表面积增大，有利于水溶液的渗岩石破碎，由大变小，使表面积增大，有利于水溶液的渗透为化学风化提供了良好的条件。透为化学风化提供了良好的条件。第12

13、页/共42页第13页/共42页第14页/共42页二、影响风化作用的因素（一）.岩石的性质与矿物成分、结构、构造和裂隙发育程度有关。1.矿物组成沉积岩抗风化能力比岩浆岩和变质岩要高。但泥岩、页岩风化速度最快。2.结构、构造粗粒岩石比细粒易于风化。多种矿物组成的岩石比单一矿物岩石易于风化。含有节理、裂隙较多的岩石易于风化。球状风化：球状风化：岩石出露地表接受风化时，由于棱角突出，易受风化故棱角逐渐缩减，最终趋向球形。这样的风化过程称球状风化球状风化。第15页/共42页花花岗岗岩岩球球状状风风化化 球状风化球状风化是花岗岩地段比较突出的一个不良地质现象。如果不能在勘察阶置充分的了解其分布特点。很可能

14、在工程施工和线路运营过程中导致施工困难(断桩、增加施工成本)、上部结构失稳(不均匀沉降)等问题”。第16页/共42页（二）（二）气候因素 气候对风化的影响主要是通过温度和雨量变化以及生物繁殖状况来实现的。温度变化的频率比温度变化的幅度更为重要温度的高低，不仅影响热胀冷缩和水的状态，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等都有很大影响。雨水少的地区，某些易溶矿物也不能完全溶解，并且溶液容易达到饱和，发生沉淀和结晶，从而限制元素迁移的可能性；多雨地区有利于各种化学风化的进行，同时有利于生物的繁殖，从而加速生物风化。第17页/共42页（三）地形因素地形高差很大的地

15、区，风化的深度和强度一般大于平缓的地区；但风化地形高差很大的地区，风化的深度和强度一般大于平缓的地区；但风化层薄。层薄。平原或低缓的丘陵地区，风化层厚平原或低缓的丘陵地区，风化层厚 宽广的分水岭地区，风化层比河谷地区厚。强烈的剥蚀区和强烈的堆积宽广的分水岭地区，风化层比河谷地区厚。强烈的剥蚀区和强烈的堆积区，都不利于化学风化的进行。沟谷密集的侵蚀切割地区，风化层厚度区，都不利于化学风化的进行。沟谷密集的侵蚀切割地区，风化层厚度不大。山地向阳坡风化层比阴坡厚不大。山地向阳坡风化层比阴坡厚。第18页/共42页世界地质公园世界地质公园：内蒙古大青山内蒙古大青山阴山山地中段，为阴山山脉的主要段落。花岗

16、岩、片麻岩、片岩、页岩、砂砾岩以及残积、坡积层、洪积砂砾层构成。九缸十八锅九缸十八锅1.风成2.风化3.冰期第19页/共42页三、岩石风化程度的划分三、岩石风化程度的划分残积层：碎屑物风化作用后留在原地。风化壳风化壳：残积物覆盖在地壳表面的风化岩基上，具有一定厚度的风化岩石层。划分的意义：对建筑场地的选择、工程设计、施工和处理。风化带的划分必须注意一个岩体的完整性问题风化带的划分必须注意一个岩体的完整性问题，应结合岩性（矿物成分）、结构构造、破碎程度、力学特性（强度）、局部岩石的新鲜程度去判定。全风化带-强风化带-弱风化带-微风化带第20页/共42页风化程度的划分要根据这些条件综合判定，而不可

17、机械地去认识。一些规范中给我们提供的岩石风化程度判定标准正反映了这种机械性和片面性，是缺乏可操作性的。例如全风化岩石判定标准，很难能全面的理解和正确地判定。又如页岩，哪怕是新鲜页岩也几乎都具备强风化岩石的所有特征，不能划分为全风化带。第21页/共42页*可溶性岩石的分布体规律是埋藏由浅到深，风化程度逐渐减弱，但由于岩石的可溶性，风化程度往往出现互相交叉，互相穿插、互相包容的情况。*风化带是一个“带”，是一个整体，对于含有硬岩和软岩的地区，应该以软质岩石的风化程度作为风化带划分的标准。第22页/共42页岩石风化的勘查评价与防治岩石风化的勘查评价与防治 风化作用的工程意义风化作用的工程意义 岩石受

18、风化后，改变了物理化学性质，其变化的情况随着风化程度的轻重而不同。岩石的裂隙度、孔隙度、透水性、胀缩性、可塑性等都随风化程度加深而增加；岩石的抗压和抗剪强度等都随风化程度加深而降低；风化壳成分的不均匀性、产状和厚度的不规则性都随风化程度加深而增大。导致地基承载力降低，沉降或不均匀沉降增大，边坡的稳定性降低。第23页/共42页四、岩石风化的勘查与评价四、岩石风化的勘查与评价 查明风化程度，确定风化层的工程性质，以便考虑建筑物的结构和施工的方法。查明风化厚度和分布，以便选择最适宜的建筑地点，合理确定风化层的清基和刷方的土石方量、确定加固处理的有效措施。查明风化速度和引起风化的主要因素，对那些直接影

19、响工程质量和风化速度快的岩层，必须制定预防风化的正确措施。对风化层的划分，特别是粘土的含量和成分进行必要的分析。第24页/共42页岩石风化的防治岩石风化的防治：挖除、抹面、胶结、排水挖除、抹面、胶结、排水五、残积物（五、残积物（eluvium；residual deposit）的性质）的性质1.残积物与母岩的关系密切。2.一般保存在不易受到外力剥蚀的比较平坦的地形部位，而且常常被后期的其它成因类型的沉积物所覆盖。3.残积物的堆积形态、厚度、规模变化较大。4.残积物不具层理，碎屑颗粒为棱角状（砾岩风化残积物除外），无分选性。残积物的发育具有明显的地带性。第25页/共42页第二节 地表暂时流水的地

20、质作用及坡积物、洪积物地表流水分为：片流、洪流片流、洪流、河流。降水向下沿自然斜坡均匀流动，其流速小、水层薄，水流方向受地面起伏影响大，无固定流向，成为网状细流，称为片流片流。一、雨水、雪水地质作用及坡积物一、雨水、雪水地质作用及坡积物片流特点片流特点：片流侵蚀范围广，侵蚀量也较大，尤其在由松散细粒沉积物组成的裸露斜坡上更明显，造成严重的水土流失，是一种强烈的地貌过程，直接影响到工业农业建设。洗刷作用洗刷作用：片流对地表比较均匀、缓慢和短期的地质作用。第26页/共42页坡积物：雨水、融雪水沿斜坡自高处向低处流的，不断使坡面上细小的岩石碎屑和粘土向下移动，沉积在坡脚或低凹处，形成残积物。坡积裙：

21、坡积裙：坡积物在山麓地带常连接成覆盖斜坡的群状地形，称为坡积裙。可分为可分为山地坡积层和和山麓平原坡积层两个亚相。两个亚相。山地坡积层一般以粉质粘土夹碎一般以粉质粘土夹碎石为主石为主山麓平原坡积层以粉质粘土为主，以粉质粘土为主，夹少量碎石。夹少量碎石。第27页/共42页坡积物特点坡积物特点1.分布在坡腰上或坡脚下，中下部比较厚，向上变薄至尖灭。比较粗大的碎屑堆积在紧靠斜坡位置，细小碎屑和粘土低级在距离斜坡较远处。2.随斜坡自上而下呈现由粗而细的分选现象；3.其成份与坡上的残积土基本一致。与下卧基岩没有直接关系，这是它与残积物明显的区别。坡积物工程地质性质：坡积物工程地质性质：1.坡积物与基岩接

22、触面往往是不整合面。2.建筑时，应注意坡积物本身的稳定性和边坡稳定性。3.基础沉降问题。4.有时混有大块孤石。第28页/共42页二、山洪急流地质作用和洪积层二、山洪急流地质作用和洪积层洪流的冲刷作用:大量集中的水源，沟底坡地大，流速快冲沟：有冲刷作用形成的沟底狭窄、两壁陡峭的沟谷。冲沟形成的四个阶段：冲沟形成的四个阶段：冲槽阶段：防止发展。冲槽阶段：防止发展。下切阶段：采取积极的防护措施，防止进一步发展下切阶段：采取积极的防护措施，防止进一步发展 平衡阶段：防止侧蚀，加固沟壁平衡阶段：防止侧蚀，加固沟壁 休止阶段：沟床下切终止，有洪积物堆积。休止阶段：沟床下切终止，有洪积物堆积。洪积物：山洪急

23、流搬运的碎屑物质沉积下来。成因成因：短期内大量地表水流搬运、堆积作用短期内大量地表水流搬运、堆积作用地貌地貌：洪积扇洪积扇 （proluvium fan）第29页/共42页洪积扇洪积扇 （proluvium fan）：）：干旱、半干旱区的季节性或突发性洪流在河流出干旱、半干旱区的季节性或突发性洪流在河流出山口因比降剧减、水流分散、水量减少而形成的扇形堆积地貌山口因比降剧减、水流分散、水量减少而形成的扇形堆积地貌。洪积扇的结构多是砂砾互层和砾石层中夹砂透镜体或砂层中夹砾石透镜体洪积扇的结构多是砂砾互层和砾石层中夹砂透镜体或砂层中夹砾石透镜体;洪积扇的三个地段洪积扇的三个地段靠近沟口：为粗粒碎屑沉

24、积地段，承载力较高；：为粗粒碎屑沉积地段，承载力较高；外围：细碎屑物沉积地段，一般承载力较高；：细碎屑物沉积地段，一般承载力较高；中间过度地段：经常有地下水溢出，可能形成沼泽，对工程不利。：经常有地下水溢出，可能形成沼泽，对工程不利。第30页/共42页洪积物：成因成因：短期内大量地表水流搬运、堆积作用短期内大量地表水流搬运、堆积作用地貌地貌：洪积扇洪积扇 特点特点 具有一定程度的分选和磨圆具有一定程度的分选和磨圆 常具较明显的层理以及夹层、透镜体常具较明显的层理以及夹层、透镜体 厚度从扇顶向外逐渐变薄。厚度从扇顶向外逐渐变薄。工程特性 洪积扇的上部和下部是良好的天然地基，中部一般较差洪积扇的上

25、部和下部是良好的天然地基，中部一般较差第31页/共42页第三节 河流地质作用及冲积物一、河流的侵蚀作用河谷：长期侵蚀，形成长度远大于宽度的凹地。河谷：谷底（河谷底部平坦的部分）+谷坡（高出谷底的两侧斜坡）谷底：河床（经常有流水的部分）+河漫滩（洪水期淹没，枯水期露出）河漫滩河床阶地谷底第32页/共42页下蚀作用（底蚀）（底蚀）bottom erosion 流水对河底岩石的侵蚀（磨、冲刷、溶）结果使河床降低。下蚀的结果使河流向源头方向加长的作用又称向源侵蚀（溯源侵蚀）(up(up stream erosion)stream erosion)，并使得下游河床趋于平缓，上游变陡凹岸：泥沙带走，逐步下

26、沉形成侵蚀深潭，向外侧后退。凸岸：淤积，形成浅滩。逐步向河床推进。凹凸离心力凹岸凸岸侧蚀作用第33页/共42页河水对河床两岸的岩石进行侵蚀，使河谷加宽或使河道左右迁移的作用称侧蚀作用。侧蚀的原因：河流弯道处的离心力；科里奥利力的作用 侧蚀的结果：河床弯道处曲率增大；河谷加宽，不对称，凹岸陡，凸岸缓。形成自由河曲及及牛轭湖第34页/共42页下蚀、侧蚀作用的关系河流在运动过程中通常是下蚀、侧蚀同时进行，仅在不同河段上表现度不同。上游：地形起伏大，河床坡度陡，下蚀作用为主。中、下游：地形相对平缓，侧蚀为主，自由河曲。二、水流的搬运作用风化、剥蚀产物被运动介质从一个地方转移到另一个地方的过程。第35页

27、/共42页搬运作用的方式：机械搬运作用；化学搬运作用和生物搬运作用。以前二者最为重要。三、河流沉积作用河漫滩 河漫滩河漫滩是靠近主槽、洪水期淹没、平水期出露的滩地。作用作用：调节洪水、消减洪峰、储存泥沙并通过滩槽水流交换影响主槽冲淤等作用。第36页/共42页河漫滩形成过程：河漫滩形成过程：发育初期，河谷深窄，但弯曲率较小，水力很强，那时只有在凸岸处因流速慢才有粗大砾石堆积，组成面积狭小的边滩；发育中期，河流弯曲率增大，谷底逐渐展宽，边滩扩大，且高度增加，以至平水期也大片出露，成为雏形河漫滩；发育晚期，雏形河漫滩进一步扩宽淤高，滩面流速减小，洪水时滩面上的悬移质也得以堆积下来，这种具有悬移质堆积

28、的滩地，称为河漫滩。第37页/共42页河漫滩的二元结构：下部为河床相（推移）堆积，代表河床发育早期的堆积；上部为河漫滩（悬移质）堆积，代表河床发育晚期的堆积。被运动介质搬运的物质到达适宜的场所后，由于条件发生改变而发生沉淀、堆积的过程称为沉积作用。机械沉积作用，化学沉积作用，生物沉积作用 前两个为主第38页/共42页四、河流阶地河谷中沿河分布的阶梯状地形，实际上是废弃了的河漫滩，与当前河流作用无关；阶地主要由阶地面和阶地斜坡二要素组成。阶地面平坦，略向外倾。阶地面前缘之下为阶地斜坡，它以较大的坡度向河床倾斜。阶地的成因 原是河漫滩，后来由于地壳上升，或海面下降，或气候变化等原因，导致河流重新下切，使河漫滩脱离了河流作用范围，成为谷坡的一部分第39页/共42页阶地的类型阶地的类型：侵蚀阶地、堆积阶地、基座阶地侵蚀阶地 由基岩构成，其上很少有河流冲积物覆盖，多发生于构造抬升的山区河流中，其上很少有沉积物，往往只有一些坡积物。堆积阶地 中下游最为常见。全由河流沉积物组成。首先是河流侧向侵蚀，展宽谷底，同时发生大量沉积，形成宽阔的河漫滩，然后河流强烈下蚀，形成阶地。基座阶地 由两种物质组成，上部为河流的沉积物，下部为基岩。这主要是由于后期河流下蚀深度超过了原沉积层的厚度，切至基岩内部而成。第40页/共42页第41页/共42页感谢您的观看。第42页/共42页