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-未来岩土工程设计一个重要内容沈珠江1前言 风化是地壳表面在大气、水与生物作用下发生变化,一般指岩石性质劣化。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与土体风化。另外还应当说明,从岩土工程师观点看,劣化当然指力学性质劣化,而从土壤学观点看,这样劣化可能正是优化。其次,生物当然包括人类,但风化一般指自然条件下变化,人类进行工程建设造成岩土性质劣化不应包括在内,但人类活动造成环境改变而引起间接影响应当考虑。英文中风化是从天气(weather)转化而来,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与机械破碎,而不讨论湿度变化,特别是降水与蒸发影响。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,在剖析沉积岩,特别是软岩时,湿度变化引起风化是必须考虑。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,当然不属于风化,但如果是地质过程中覆盖层冲刷引起,是否算作风化,尚可讨论。许多专著也把这一现象看作风化一种[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范围,尽管从学科分类看,力学是物理学一部分。因此,即使是缓慢地质过程引起卸荷,也不宜算作风化现象。当然,卸荷引起裂缝开展将导致接触面增大,从而加速风化过程。  本文讨论物理风化与化学风化有关问题,前者包括干湿、冷热与冻融,后者则重点剖析溶解、酸化与氧化。至于生物风化,本质上仍是因生物作用引起物理与化学变化,但由于问题更加复杂,此处暂时不加讨论。另外,有人把风力与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剖析,希望引起同行们注意。但由于专业限制,讨论涉及内容不够熟悉,错误与不当之处请读者批评指正。  2目与意义  风化具有多重属性,不同专业对风化现象有不同理解与研究目。矿物学界考虑风化成矿作用[5],农学界考虑风化成土作用,地质学家关心风化引起地质灾害,我们岩土工程师关心自然是风化引起岩土材料劣化及其对工程结构寿命影响。与此有关问题如:洞室围岩破坏、边坡损坏、路基融沉等。有些问题粗看似与风化无关,但仔细剖析,仍与风化有关,例如黄土湿陷,就与易溶盐溶解密切相关。同样,堆石坝在雨水淋溶下长期变形,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,石窟这样文物风化也应当是岩土工程师研究对象[6]。另一种容易风化材料是混凝土,所以混凝土结构物风化破坏是与岩土风化破坏密切相关一个问题[7]。自然过程引起建筑物破坏有两种类型。一种产生短期作用力,如地震与风浪作用下砂土液化与水流冲刷下滑坡。这一过程中岩土材料性质并未发生变化。另一种就是缓慢发展风化过程。等量变积累到一定程度,在某一诱因作用下发生突然破坏,典型如泥石流。在岩土工程领域内,需要对风化进行研究理由可以归结为以下4个方面。第一是工程建设引起岩土体环境改变,特别是由于开挖造成深部岩体暴露于大气中引起风化问题。第二是环境变化对工程影响,例如全球变暖引起永久冻土退化与酸雨引起风化加剧。第三是老旧建筑物不断增多,缓慢作用风化过程对建筑物寿命影响逐渐显现。第四是随着科技进步,包括岩土工程本身,特别是环境岩土工程进步,对风化现象从定性描述到定量研究条件正在逐步成熟。因此,与针对快速作用抗震设计相对应,针对缓慢作用过程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理论与经验,经过演绎推理预测工程建成以后可能出现性状。现有岩土工程设计中虽然也考虑风化,但一般只考虑风化现状,把岩体分成全风化、强风化、弱风化等,很少考虑其过去与未来。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与功能,目前尚无系统研究。某些工程中采取一些措施可能有抗风化意思,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理论与实用体系,则似尚无人提及。当然,人们也听说过“抗老化”提法,但这一般是针对有出生(生产)日期人工材料,而岩土材料是天然形成,已有生命周期可能比建筑物使用周期要长得多。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关键问题。但为了更好地预测未来,人们也需要研究岩土过去风化史。例如断层泥如果是风化形成,建水库以后风化作用是否会进一步加剧,就是一