抗风化设计-未来岩土工程设计的一个重要内容.doc

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