浅析风化带的定义及划分

陈利友，李 珑

(四川省水利水电勘测设计研究院勘察分院，四川 郫县，611731)

1 风化作用的概念

1.1 风化作用分类

岩石在各种风化营力作用下，所发生的物理和化学变化的过程称为岩石风化。它包括岩石所感受的风化作用及其所产生的结果两个方面。与其它动力地质作用相比较，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(02及C02等)及生物有机体等。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三种。生物风化既有物理的也有化学的作用，因此风化作用主要是物理风化和化学风化两种。

1.2 物理风化

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下所产生的应力，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，又为化学风化打开了方便之门。这种作用主要发生在干寒地区，如我省凉山、甘孜及阿坝等地区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。

1.3 化学风化

岩石在氧、水溶液及有机体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，称为化学风化。其实质是原岩中较活泼的元素发生迁移，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、溶解、结晶、水化，水解、碳酸化、硫酸化、去碳、中和等作用。在自然界中，化学风化是多种方式综合作用的结果，其中以水化、溶解、水解和氧化作用最为常见。化学风化多以水为介质，其影响深度与地下水的循环交替条件极为密切。岩石一般风化深度为数十米，大者可达100余米，因而在工程上的实际意义也较大。

1.4 风化作用的影响

遭受风化的岩石圈表层叫做风化壳(weathered crust)，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。风化岩石与原岩比较，已产生了一系列的变化，从工程地质观点出发，这些变化主要表现在以下几个方面:

1.4.1 岩体的结构构造发生变化。即其完整性遭到削弱和破坏，风化作用不仅使岩体原有裂隙扩大，还形成新的风化裂隙，同时因活动性元素的迁移，使原岩孔隙增大。总之，岩石风化后其空隙性增大，块度变小，原岩破碎成块石、碎石、砂粒、粉粒及粘粒。这种变化使原岩的结晶联结削弱以致丧失，成为水胶联结甚至无联结状态，使完整性较好、坚固性较高的岩体，变成破碎松软、性质易变的土体。

1.4.2 岩石的矿物成分和化学成分发生变化。在风化过程中，原岩中的矿物逐渐解体变异，活动性较强的元素不断随水迁移流失;同时，由于风化营力所携带的新元素的参与，形成了新的次生矿物，如绿泥石、绢云母等鳞片状矿物，细分散的高岭石、蒙脱石、水云母等粘士矿物，铁、铝、硅的氧化物或氢氧化物。这些次生矿物不仅在晶系特点、晶粒大小、结晶程度均与原生矿物不同，而且还增加了水及有机组分。

1.4.3 岩石的工程地质性质恶化。岩石风化后，由于岩石的矿物成分、化学成分和结构构造发生变化，而导致岩石工程地质性质上的一系列变化。如力学强度降低，压缩性可以从基本不可压缩的基岩，变为压缩性颇大的粘性土;透水性发生畸变，在完整风化剖面上，遭受中等风化的岩石其渗透系数比下伏新鲜岩石成倍增加;表层遭受强烈风化的岩石，其渗透系数又降低;岩石彻底风化后所形成的次生矿物，其抗水性降低，亲水性增高，对水的敏感性加大，易于崩解、膨胀和软化。

总之，风化后的岩石在工程建筑上的优良性质削弱了，不良性质则增加了，使工程地质条件大为恶化。

1.5 研究风化作用的工程意义

实践证明，岩石风化是地壳表层大陆化时期较为普遍的动力地质作用，它与工程选址布局、岩(土)体稳定、地基处理、施工方法、施工期限、工程造价等关系极为密切。为工程建设而进行的岩石风化工程地质研究的目的有以下几点;①根据岩石风化的程度及其空间分布，选择最适于修建建筑物的位址，对各种工程建筑物进行合理布局;②根据风化岩石的物理力学性质与建筑物类型、等级、荷载性质及大小的适应性，确定地基中需要挖除的风化岩石的厚度，即确定合理的建基面高程;③根据岩石风化速度、风化程度及各风化带岩石的物理力学性质，确定基坑、路堑、船闸及露天矿采坑合理的稳定边坡角;④根据风化产物的特性(破碎程度、坚固性等)及场地工程地质条件，选择地下洞室施工开挖的设备和方法，确定对已风化岩石的处理措施;⑤根据岩石风化速度、风化营力、风化作用类型及影响岩石风化的因素等，确定基坑、路堑保持开敞状态的安全期限，选择防止岩石风化的措施。

2 关于风化带的划分

2.1 岩体风化的一般规律

通常来讲，岩体风化带的划分应该具有从上而下(或由外向内)由强到弱的排列规律，但对于碳酸盐岩，由于其为可溶岩，除了物理风化外，还存在化学风化——溶蚀风化，其风化带的划分并不完全遵循上述规律。现在工程上对风化带划分除了用波速等定量值作参考，多是采用定性划分。虽然对于风化带的划分在规范里给出了原则性的意见，但在实际运用中则是五花八门。假如我们同时让十个人去对同一个场地的岩层进行风化带的划分，很可能会出现几种不同的划分模式。这在工作中很难有个明显的界线，经常不同人有不同的界定，当然一般规律还是适用的。

碳酸盐岩除了物理风化而外，由于其为可溶岩，化学风化——溶蚀风化表现则更为突出。碳酸盐岩中的石灰岩与白云岩的风化特征由于其沉积相的不同，又有明显的差别。

石灰岩由于是海相化学沉积物，其结晶颗粒往往很细，晶间胶结较好，孔隙度低，所以物理作用相对较慢;但又由于其溶解度低，所以其溶蚀风化作用也很明显，有时是很强烈。很多人认为石灰岩没有强风化带，这是一种误解。白云岩是石灰岩白云化的成岩产物，也就是没有原生的白云岩。白云岩都是由石灰岩演化而成的，石灰岩在白云化作用中产生的孔隙度常大于15%，所以其强风化带表现明显。以上两种岩石由于岩性差异，在风化作用的表现上也有不同。但由于它们都是可溶岩，溶蚀风化成为岩石风化的主要作用;又由于溶蚀风化作用与岩石里的层、节理裂隙密切相关，在它们的强风化带里，溶蚀风化表现更突出，溶蚀孔裂隙发育，其中往往充填有粘土，施工队伍的钻工一般称其为“土夹石”。但如果用规范里的风化带划分标准去衡量则行不通，因为在强风化带里没有溶蚀风化的岩石仍然很坚硬。

在岩体的中微风化带甚至是未风化岩体中，由于有溶蚀洞隙的存在，仍然有强风化产物。按我的理解，在强风化带里有微风化岩石，而在微风化带甚至是新鲜岩体中，也会有强风化岩体，也就是各种不同风化程度的岩体往往是互相包容、互相穿插的。由于从上而下不能按从强到弱的规律来划分岩体，于是有人提出了用岩体单元来划分岩体的意见，当初几乎成了地方性规范，曾在贵州省风行了一段时间。目前仍然采用这一办法的人已经很少，原因在于要合理准确的划分，仅靠以工程钻探为主的勘察手段几乎是无法实现的，何况现在工程的勘察周期很短，根本没有时间去做这方面的详细工作。我院武都水库的勘探资料表明，在地壳的上升时期伴随着河床向下切割，地下水垂直渗透强烈，岩溶与风化作用也表现为垂直发育的特征。随着地壳的不断上升剥蚀，风化作用和溶蚀作用也就会不断地进行。岩溶也是风化的一种表现，在岩溶洞隙的周围，往往都有强风化岩体存在，这些强风化岩体将来很可能也会演变为岩溶洞隙。

2.2 岩体风化带划分的主要依据

碎屑岩(砂岩)、泥质岩及碳酸盐岩是沉积岩的三大岩类。它们由于组成岩石的矿物不同(与沉积相有关)，经过的成岩后期作用不同，具有不同的岩石性质:在表生成岩阶段，经历的风化(成岩)环境和风化(成岩)作用不同，其风化产物也不同，也就是风化带的表现与划分也不同，很难用一个统一的标准去界定。在《水利水电工程地质工程勘察规范》表H.0.1(见表1)及《岩土工程勘察规范》表A.0.3(见表2)，分别给出了岩体风化带和风化程度的大致划分标准，虽然看来比较简单，但要完全理解和运用，却需要一定水平。总的来说，应采用经过物理(机械)风化及化学风化以后岩石所产生的变化和变化程度去划分。但要知道，风化带之间是一个渐变的过渡关系，没有一个明确的界线。度很大需要进一步细分时，可再分出二个或三个次一级亚带，分别采用上、中、下带命名;②选择性风化作用地区，当发育囊状风化、隔层风化、沿裂隙风化等特定形态的风化带时，可根据岩石的风化状态确定其等级;③某些特定地区，岩体风化剖面呈非连续性过渡时，分级可缺少一级或二级。(本岩体风化带划分，据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487－2008))。

表1 岩体风化分带

表2 岩石按风化程度分类

《岩土工程勘察规范》表A.0.3(见表2)的岩石风化特征包含以下几个方面:机械破碎程度;节理裂隙的发育程度及充填物(次生矿物和渲染，如方解石、铁质、泥质);岩石颜色的变化程度;矿物成分的变化等。对于碳酸盐岩来说还应加一个溶蚀发育程度及对岩体的破坏程度，具体来说就是溶蚀孔、洞、缝的多少及规模，可以用岩石风化特征(见表2)及溶蚀发育程度及对岩体的破坏程度去进行石灰岩风化程度的划分。

泥质岩是由粒度小于0.0039mm的十几种粘土矿物组成。由于泥质岩的化学成分相对比较稳定和粒度小等原因，其风化作用以机械破碎为主，所以在其形成的粘土中常常混有泥质岩土化程度不同的的残块和碎屑，影响了土体的均匀性。笔者认为其风化程度的划分，可以以其破碎程度和土化程度为标准。但由于泥质岩有很多种，它们的风化特征各异因而无法给出具体的建议参数。

对于碳酸盐类岩体的风化带划分，特别是石灰岩风化带的划分，不能在区分岩体的风化程度时只注意岩石的新鲜程度，而忽略岩体的完整程度、结构构造变化及岩溶发育状况等重要因素。例如，岩石颜色的变化、节理裂隙的发育及变化、次生浸染、充填物的增多及变化等等。又例如碳酸盐类岩石的基岩面多呈溶蚀沟槽状起伏，石芽突出也常见。如果风化带的划分不正确，就会带来诸多工程问题。

3 岩体风化带定性与定量划分的差异

风化带的划分是为了工程需要而人为划分的，目前风化带的划分多采用定性划分，而以波速比及风化系数定量划分的方法主要是作为参考。那么风化带的定性与定量划分主要有什么差异，哪种划分方法更准确、更具有工程意义呢?现就以大渡河和青衣江流域上的几个电站工程为实例，通过对这几个工程上百个钻孔岩芯(或平硐内岩体)风化带划分的统计数据进行整理、分析，说明岩体风化带定性与定量划分之间存在的主要差异:

3.1 定性划分方法人为因素太强，这与通过波速等定量划分方法有明显差异。采用定性方法对同一钻孔岩芯进行风化带划分时，往往会出现十人九不同的情况，这是因为风化带定性划分主要是依据岩石色泽、锤击声变化，组织结构的破坏及矿物成份的蚀变程度来确定的。而岩石在上述几方面的变化、破坏与蚀变因风化程度的不同总是逐渐发生的，不可能在风化带界线发生突变，因而很难有一个确定划分界线。定性划分方法随意性强，个人掌握的尺度各不相同，但这并不表明这种划分方法不具工程意义，事实上，同一工程只要统一划分标准，通过试验、类比，提出与各风化带相匹配的物理力学参数，就能满足设计的使用。

3.2 以波速比为依据的定量划分风化带方法与定性划分方法相比，其划分的各风化带的厚度是确定的，但其划分的风化带准确度却并不比定性划分的高，往往较定性划分的风化带厚度大。这是因为岩体波速不仅仅受风化程度的影响，岩体中构造裂隙及其它结构面对波速影响也较大，而大多数情况下，岩体中总会有裂隙及其它结构面存在，在裂隙发育较强的地段，即便是弱风化(新鲜)岩体，由于其波速降低值较大，按波速比的定量划分标准也可能划分成强风化(弱风化)岩体。

3.3 以波速比为依据的风化带定量划分方法，主要反应的是岩体完整性的变化，这对风化裂隙发育、构造裂隙及其它结构面不发育的岩体较为适用，划分出的风化带也与定性划分的风化带较为接近。而对某些整体状、结构致密、完整性好的岩体，如砂岩、采用波速比的定量划分法划分风化带时，其波速降低值往往不明显;而采用定性划分时，其色泽、锤击声的变化却相对明显，这种情况下，采用波速比定量划分的风化带厚度较定性划分的风化带厚度小。

3.4 以风化系数为依据的定量划分方法，主要作为一种验证手段。当定性划分与波速比定量划分难度较大时(如波速降低值不明显，岩石色泽、锤击声的区分度也不大)或两种方法划分的风化带差异较大时，通过室内试验，采用风化系数定量划分，了解其抗压强度的变化显得比较行之有效。

3.5 以风化系数为依据的定量划分与以波速比为依据的定量划分同为定量方法，两者有相似之处，也有明显的差异。相似之处在于两者均为定量划分方法，其划分的准确度受岩体结构面影响较大。两者差异在于，前者主要反应的是岩石强度的变化。采用这种划分方法有一个前提条件，就是风化带内有可选的岩样(不含结构面的完整岩石)，适合结构致密、完整性好的岩体;后者主要反应的是岩体完整性的变化。采用这种划分方法时，对风化裂隙发育的岩体较为适用，对结构致密、完整性好的岩体，由于波速降低值不明显，影响其划分的准确度。

4 结语

目前工程上主要采用定性划分的方法对风化带进行划分，这种划分方法人为因素影响较大，不同的人掌握的尺度不同，划分的结果也各不相同，显得随意性很强。本文通过对岩体风化带定义和划分的描述，并以实际工程为例说明定性与定量划分之间存在的主要差异，找到了对岩体风化带进行合理、有效划分的方法。风化带划分是为满足工程设计需要，风化带划分不必拘泥于风化带界线的具体位置，针对同一工程，只要按统一的标准在进行定性划分的基础上，通过对比定性和定量两种方法划分的差异，对定性划分结果进行验证，并作出适当修正，再通过试验、类比等综合分析方法提出与划分的各风化带相匹配的物理力学参数，就能满足工程设计的需要。 ■