抗风化设计-未来岩土工程设计的一个重要内容.doc

抗风化设计未来岩土工程设计的一个重要内容沈珠江1前言 风化是地壳表面在大气、水和生物作用下发生的变化，一般指岩石性质的劣化。但是土，特别是硬土，在某些因素作用下也可能劣化。其实，软岩的性质往往与硬土很接近，难以截然分开，如膨胀岩与膨胀土。因此，本文中将同时讨论岩体和土体的风化。另外还应当说明，从岩土工程师的观点看，劣化当然指力学性质的劣化，而从土壤学的观点看，这样的劣化可能正是优化。其次，生物当然包括人类，但风化一般指自然条件下的变化，人类进行工程建设造成的岩土性质劣化不应包括在内，但人类活动造成的环境改变而引起的间接影响应当考虑。英文中的风化是从天气(weather)转化而来的，如果不计雷电等因素，4个大天气因素应当是温、湿、风、水，可是笔者查阅了几本地质学教科书1,2，有关物理风化一节往往只限于温度和机械破碎，而不讨论湿度变化，特别是降水和蒸发的影响。可能地质学家认为水与矿物之间只会产生化学作用，不会造成物理风化。但矿物颗粒对水的吸附应当是一种物理现象。既然热胀冷缩会引起风化，为什么湿胀干缩就不会呢！所以，在分析沉积岩，特别是软岩时，湿度变化引起的风化是必须考虑的。岩土材料具有卸荷软化特性。这种卸荷如果是人工开挖引起的，当然不属于风化，但如果是地质过程中覆盖层冲刷引起的，是否算作风化，尚可讨论。许多专著也把这一现象看作风化的一种3,4。但我们认为，卸荷是一种力学机制，属于岩土力学正常研究的范围，尽管从学科分类看，力学是物理学的一部分。因此，即使是缓慢的地质过程引起的卸荷，也不宜算作风化现象。当然，卸荷引起的裂缝开展将导致接触面增大，从而加速风化过程。  本文讨论物理风化和化学风化的有关问题，前者包括干湿、冷热和冻融，后者则重点探讨溶解、酸化和氧化。至于生物风化，本质上仍是因生物作用引起的物理和化学变化，但由于问题更加复杂，此处暂时不加讨论。另外，有人把风力和水力侵蚀也看作风化现象，但这只涉及质量迁移，并不引起材料劣化，而且对岩土工程的影响也不大，所以此处也不加讨论。风化是一种地质现象，从来是地质学家研究的对象。岩土工程师为什么要介入这一研究领域，并且宜以何种方式介入，下面将对此作一些初步的探讨，希望引起同行们的注意。但由于专业的限制，讨论涉及的内容不够熟悉，错误和不当之处请读者批评指正。   2目的和意义  风化具有多重属性，不同专业对风化现象有不同的理解和研究目的。矿物学界考虑风化的成矿作用5，农学界考虑风化的成土作用，地质学家关心风化引起的地质灾害，我们岩土工程师关心的自然是风化引起的岩土材料的劣化及其对工程结构寿命的影响。与此有关的问题如：洞室围岩的破坏、边坡的损坏、路基的融沉等。有些问题粗看似与风化无关，但仔细分析，仍与风化有关，例如黄土的湿陷，就与易溶盐的溶解密切相关。同样，堆石坝在雨水淋溶下的长期变形，表面看是一种流变问题，实际上也是一种风化过程。此外，许多文物也是一种人造工程，例如，石窟这样的文物的风化也应当是岩土工程师的研究对象6。另一种容易风化的材料是混凝土，所以混凝土结构物的风化破坏是与岩土风化破坏密切相关的一个问题7。自然过程引起的建筑物破坏有两种类型。一种产生短期作用力，如地震和风浪作用下的砂土液化和水流冲刷下的滑坡。这一过程中岩土材料的性质并未发生变化。另一种就是缓慢发展的风化过程。等量变积累到一定程度，在某一诱因作用下发生突然破坏，典型的如泥石流。在岩土工程领域内，需要对风化进行研究的理由可以归结为以下4个方面。第一是工程建设引起的岩土体的环境改变，特别是由于开挖造成的深部岩体暴露于大气中引起的风化问题。第二是环境变化对工程的影响，例如全球变暖引起的永久冻土退化和酸雨引起的风化加剧。第三是老旧建筑物不断增多，缓慢作用的风化过程对建筑物寿命的影响逐渐显现。第四是随着科技的进步，包括岩土工程本身，特别是环境岩土工程的进步，对风化现象从定性描述到定量研究的条件正在逐步成熟。因此，与针对快速作用的抗震设计相对应，针对缓慢作用过程的抗风化设计似应提到日程上来了。  任何工程设计都是根据已有的理论和经验，经过演绎推理预测工程建成以后可能出现的性状。现有的岩土工程设计中虽然也考虑风化，但一般只考虑风化的现状，把岩体分成全风化、强风化、弱风化等，很少考虑其过去和未来。工程建成以后建筑物及其周围岩土体会不会因风化而影响其寿命和功能，目前尚无系统的研究。某些工程中采取的一些措施可能有抗风化的意思，但只是根据经验采取一些工程措施，例如喷涂混凝土保护层，采取排水或隔水措施等8,9，至于如何建立抗风化设计的理论和实用体系，则似尚无人提及。当然，人们也听说过“抗老化”的提法，但这一般是针对有出生（生产）日期的人工材料，而岩土材料是天然形成的，已有的生命周期可能比建筑物的使用周期要长得多。工程建设可能改变其生存环境，加快风化速度，这正是抗风化设计需要研究的关键问题。但为了更好地预测未来，人们也需要研究岩土的过去的风化史。例如断层泥如果是风化形成的，建水库以后风化作用是否会进一步加剧，就是一个很好的研究课题。为此，岩土工程师要与地质学家合作研究，开展对过去风化过程的仿真分析，并把这一工作作为岩土工程反演分析的一部分。  3物理风化  忽略声、电、磁和单纯的力学因素，物理风化的内容只剩下湿度和温度变化，冻融则是伴随着相变的温度变化。  3.1干湿过程 干湿过程对许多土类均有重大影响，例如黏土的干缩、膨胀土的湿胀和黄土的湿陷。许多岩石也会因湿度增加而引起强度降低，这里当然有化学作用，但也不能完全排除物理作用，特别对沉积岩。具有膨胀性的泥岩和页岩遇水后迅速劣化，这是常见的现象，无法完全用化学作用解释10。因此，笔者认为，在岩土风化问题研究中，忽略干湿过程这样重要的气候因数，似乎是不合适的。水对岩土材料的影响可能有3种。一种是力学影响，可以通过有效应力原理进行解释，即干燥时有效应力增加，体积收缩，吸水时有效应力降低，体积膨胀，这种变化是可逆的。另一种是不可逆的物理变化，最后则是化学变化。水对化学风化的作用将在下一节讨论。目前，对单调的干燥和润湿过程的数值分析已取得一定的进展11,12，但对多次干湿循环的研究尚停留在试验研究阶段。 3.2 冷热过程  与湿胀干缩可能引起裂缝类似，热胀冷缩也可能引起岩土体内裂缝的形成。只是土体中本来就有较大的孔隙，温度效应的研究主要针对核废料的存储，气候变化引起的热效应很小，一般无需研究13，14。至于岩体的温度应力，当然可以采用混凝土温度应力场类似的计算方法。但由于岩体组成中矿物颗粒的热胀系数的不同，分析工作更复杂。3.3冻融过程           冻融过程是冷热过程的一种特殊情况。由于水体冻结后的体积膨胀率高达0.09，极易在岩土体内造成胀缩裂缝，此外，冻结还会引起水分迁移，因此冻融过程是物理风化的一个重要内容。土体冻融问题的研究已较深入。文献15对建立可以考虑相变的温度水分变形三场耦合分析的理论框架提出了初步的建议，但仍只限于饱和土。有关非饱和正冻土问题当然还要复杂。   岩体冻结研究目前还只限于单个裂缝充水后的冻胀问题，有关砂岩、页岩等多孔岩体中孔隙水的冻结问题，笔者未找到相关报道。  冻融对结构的影响，混凝土结构方面已有较多研究7，冻土路基的融沉问题虽有人研究，但多是经验性的，严格的数值分析理论只是初步有人考虑16。冻融对土坡的影响则是另一个广泛遇到的工程问题，目前也没有见到相关文献。以上讨论的物理风化相对较为简单，有的已经可以建立相应的数学方程，有的在建立数值分析理论方面有一定的端倪，应作为当前重点研究的领域。4 化学风化 化学风化的特点是不仅会破坏原有岩土材料的结构，而且还会改变其化学成分构成，产生新的矿物，直到适应新的化学环境为止。化学风化过程中的化学反应有的是直接与水进行的，有的则以水为媒介进行。前者有溶解作用、水化作用、水解作用，后者如酸化作用以及氧化作用。岩土制品直接暴露在空气中造成的氧化则主要与文物有关。  4.1 溶解作用   溶解作用是指水直接溶解岩石矿物的作用，使岩土体遭到破坏。最容易溶解的是卤族盐类(岩盐、钾盐)，其次是硫酸盐（石膏、硬石膏）和碳酸盐类（石灰岩、白云岩等）。溶解作用一般进行得十分缓慢，但当水中含有侵蚀性CO2而发生碳酸化作用时，水的溶解作用就会显著增强，如在石灰岩地区的岩溶现象，往往与此有关。当水的温度增高以及压力增大时，水的溶解作用也会比较活跃。根据质量守恒定律和反应平衡方程，地球化学家们提出了计算溶解过程的模型17。但是这类模型一般只能用于大尺度的计算。针对某一具体工程，可能还要另觅途径，例如建立地区性的经验公式。含易溶胶结物的土类（黄土和盐渍土）因淋溶而产生的变形也是当前岩土力学研究中的一个重要课题，但也只停留在试验阶段18。4.2   水化作用  水化作用是水分和某种矿物质的结合，结合时一定量的水加入到物质的成分里，改变了矿物原有的分子式。水化过程通常会引起体积膨胀，使岩土体发生破坏。水泥的水化是大家熟悉的。再如硬石膏（CaSO4）遇水后变成普通石膏（CaSO4×2H2O）其体积膨胀约60%，会对原结构产生巨大的膨胀压力。4.3   水解作用 水解作用是指矿物与水的成分起化学作用形成新的化合物。许多矿石吸水发生水解后可以分解成几部分，如正长石（KAlSi3O8）经水解后形成高岭土（Al2O3×2SiO2×H2O）、石英（SiO2）和氧氧化钾（KOH）。复杂的水解作用对于硅酸盐类和铝硅酸盐类矿物质的风化具有特别重要的意义。这种作用包括分解矿物、带出某些元素、与氢氧离子组合以及水化作用。在水解过程中，矿物的原生晶体结构被破坏、改造，并且可能完全遭到破坏和被完全不同于原始的新生成的表面风化矿物结构所替代。水解往往和溶解以及碳酸化作用同时进行，所以需要一起分析。4.4   酸化作用 雨水中大都含有二氧化碳，具有一定的酸性。近年，随着大气污染的加剧，硫酸和硝酸根随之增加，酸雨频发，许多风化问题与此有关。目前己有人研究酸化对岩石的腐蚀，但还停留在定性的试验阶段19,20。建立经验性的定量分析模型的研究，正在探索之中21,22。4.5   氧化作用 氧化作用常与水化作用相伴进行。在自然界中低氧化合物、硫化物和有机化合物最易遭受氧化作用。尤其低价铁，常被氧化成高价铁。常见的黄铁矿（FeS2），在水溶液中可发生氧化，变成硫酸亚铁（FeSO4）和硫酸（H2SO4），而硫酸又有腐蚀作用。硫酸亚铁进一步氧化成褐铁矿（Fe2O3×2H2O）。黄铁矿在风化过程中会析出硫酸，具有很强的腐蚀作用，能溶蚀岩石中某些矿物并可增加对钢筋混凝土和石料等的腐蚀破坏。氧化物往往是许多矿石风化后的最终产物，例如红士中就含有大量的Fe2O3、Al2O3、MnO等矿石。深部易氧化的矿物暴露大气以后的迅速氧化，往往是一个难于应付的问题。化学风化会改变原有岩土材料的化学成分构成，破坏其结构，因而一旦发生，显然会对工程造成较大的影响。建立描述化学风化作用的定量模型需要解决两个方面的问题，一是需要建立定量描述化学风化发生过程的模型；二是需要研究化学风化发生前后，原材料在物理力学特性等方面的改变。对于上述两个问题研究，目前只有一些初步的尝试，尚未见到有深度的文献报道。5研究途径  地质学家对风化问题进行了长期的定性研究，影响物理风化和化学风化的主要因素已经清楚。岩土工程师的主要任务是在此基础上建立定量分析模型，形成抗风化设计的理论体系，并用于解决实际问题。但是，这里存在几个难点。首先，大气变化过程都是断续随机发生的，难以用一个连续变化过程描述。其次，地质学家所研究的一般都是大范围的区域性的问题，可以从大量观测资料的分析建立平均的发展趋势17，对于一个具体工程这样的小尺度问题，难以直接应用这些成果。另外，多数风化过程是缓慢发展的，无法进行室内试验模拟。针对以上几个问题，可以考虑以下两种手段。第一是借鉴流变问题和老化问题的研究思路，先建立经验公式。第二是对工程所在地的典型风化剖面进行分析。这好比工程中的反馈分析，为了更好地预测未来，先研究岩土的过去的风化史。因此，我们设想的研究途径是，借鉴地质学家的经验，从半经验方法人手开展风化过程的理论研究和实验研究，逐步发展风化计算的数学模型和计算方法，并通过对过去风化史的分析进行验证，最后用于岩土工程的抗风化设计。像其他研究课题一样，抗风化设计的研究也要分3步走。首先是对机理尚未弄清的问题，通过实验和观测建立经验公式。目前关于风化速率的研究，特别涉及化学风化问题，可能主要采用这一方法。其次是对主要影响因素已弄清的问题采用半经验的方法，如在理论公式中引入经验系数。岩土工程中很多问题都采用这样的办法进行分析，如流变分析和地基沉降计算。对物理风化问题，已有可能发展采用这一方法为主的研究途径。至于全面的理论分析，涉及变形场、（孔隙）压力场、温度场、浓度场和化学反应场的多场耦合问题。虽然，随着环境岩土工程的需要，人们对多场耦合问题的研究已愈来愈关注，但在岩土工程领域内，目前的研究均未涉及化学反应14,23。看来，要进行包括化学动力学在内的多场耦合分析，恐怕尚有待时日24,25。当然，像抗震设计不是每个工程都要做一样，抗风化设计也只能有必要时才进行。   6结论  以上从岩土工程师的观点出发，探讨了抗风化设计的意义、内容和研究途径，得出以下几点结论：  (1)   风化是自然条件下发生的缓慢过程，到目前为止，岩土工程师的兴趣主要集中在对现有风化介质的工程特性的评价上，很少关心风化体的过去和未来。(2)   物理风化主要包括干湿、冷热和冻融作用，目前对这些因素作用下的单调发展过程，已经提出一些数值仿真计算理论和方法，但对于长期循环作用下的岩土体劣化问题，只有少量的试验研究资料。(3)   化学风化包括溶解、水化、水解、酸化和氧化等，主要由地质学家和矿物学家进行研究，虽然有一些定量计算的模型，但大都着眼于某一地区的大尺度范围的变化，针对某一具体工程的分析，有待于岩土工程界自己的努力。(4)   工程建设改变了岩土体的赋存环境，作为建筑物支承体或建筑物一部分的岩土体会不会因风化而劣化，应当作为一个问题加以考虑。在环境问题加剧的今天，抗风化设计应当像抗震设计一样提到日程上来。 参考文献   1      张宝政、陈琦，地质学原理。地震出版社，19832      孔宪立，石振明主编，工程地质学，中国建筑工业出版社，2001   3      A.   F.   雅库绍娃，B.   E.   哈茵，B.   .   斯拉温   俄   著，何国琦译，普通地质学，北京大学出版社，19884      Mitchell,   岩土工程土性分析原理，高国瑞等译，南京工学院出版社，19885      廖士范，关于风化作用涵义的探讨，贵州地质，1997,14(1):64-706      丁梧秀等，洛阳龙门石窟围岩风化特性研究，岩土力学，2004,25(1):141-1447      李宁臣，混凝土大坝冻融破坏问题的数值计算分析，岩土力学，2004,23(1):89-938      刘长武、陆士良，软岩的风化效应及其对巷道维护的影响，中国矿业大学学报，2000,29(1):70-729      左许泉、罗瓒锦，路基边坡风化与防护，西南公路工程，1998,23(1):11-1610   王学滨等,考虑水致弱化及应变梯度的断层岩爆分析，岩石力学与工程学报，2004,23(11):42-4411   沈珠江、邓刚，黏土干湿循环中裂缝演变过程的数值模拟，岩土力学，2004增刊   12   沈珠江，   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