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环境岩土工程简介

378 2020-05-29 10:51:02


工业革命的蓬勃兴起,极大地推动了社会的发展和人类文明的进步。与此同时,人类活动对我们赖以生存的环境产生了极大的影响;而日益恶化和脆弱的环境又给人类的工程实践带来了一系列新课题,提出了新的挑战。在这样的背景下,一门研究人类工程活动与自然环境关系的崭新学科—环境岩土工程应运而生。

1977年,印度的MOH在东南亚第九届国际土力学会议上首次提出了“岩土工程与环境影响”的概念,受到岩土工程界的广泛关注。但直到将近十年之后,才于19864月在美国里海大学召开了第一届环境岩土工程国际学术大会。这次会议,标志着环境岩土工程作为一门独立学科的诞生。关于环境岩土工程,迄今尚没有一个公认的统一的定义。目前学术界主要有以下一些观点:

一、环境岩土工程的定义

1大环境岩土工程

该学派的代表人物是环境岩土工程的创始人方晓阳教授。他认为:环境岩土工程是研究岩石、土的物理化学性质及其与大气圈、生物圈、水圈、岩石圈和微生物圈相互作用的交叉科学。环境岩土工程的出发点是要改变岩土工程领域中单纯用力学观点解决各种岩土工程问题的传统方法,强调要考虑化学的、生物的、物理~化学的等非力学因素对岩土工程的影响。因此他认为环境岩土工程是一门涵盖岩土工程、环境科学与工程和土壤科学的交叉学科。由于人口增长和人们生活水平的提高而引起了诸多的岩土工程问题。因土地资源紧张,迫使人们不得不在原本不适合进行建筑的地方进行建设,从而产生了诸如软土、黄土、膨胀土、沼泽土、冻土、风砂土、盐渍土、污染土等不良土问题和矿山开采、塌陷区、卫生填埋、放射性物质存储等工程问题,而这些新兴的岩土工程问题显然无法简单地用Terzaghi创立的传统土力学方法来加以解决,必须考虑环境因素的影响和制约。这些环境因素包括自然环境,如大气、水、生物和岩土圈的环境改变,也包括固、液废弃物对岩土的污染、酸雨和矿区酸液的排放等。它们对岩土工程的工程性质、安全营运都会产生影响,尤其是长期影响。

2小环境岩土工程

美国工程院院士、著名岩土工程学家,美国西弗吉尼亚理工学院教授J.K.Mitchell先生则认为:环境岩土工程是岩土工程学科中的一个分支学科,其目的是应用岩土工程的原理和方法解决环境问题,它所要研究的内容主要包括安全和经济的土地复垦、场址修复、废物处理和隔离等。他认为环境岩土工程的研究对象与传统的岩土工程有很大不同,具有许多特殊性。除了上述主流观点外,其他学者也从不同的角度对这一问题进行了阐述。G.格雷什克在《环境岩土工程学综述》一文中提到,环境岩土工程学是指应用技术手段使地基环境达到持久平衡的理论与实践,这种平衡不对生物的生命造成任何损害。国内也有专家认为环境岩土工程是用岩土工程的基本原理、方法和手段防止自然和人类活动引起的岩土环境的恶化,分析和评价环境与各类岩土工程间的相互作用和影响,改善城市和人类环境的运行和生活质量,保持人类社会经济的可持续发展。综上所述,我们认为:环境岩土工程就是从岩土工程的基本原理出发,综合运用物理的、化学的、地质的、生物的、环境的乃至法律的、行政的等多种手段,解决人类活动对岩土环境的恶化以及由此引发的各种工程问题,促进人类生存环境的不断改善,保持人类社会的可持续发展。环境岩土工程是一门蓬勃发展的年轻学科,其研究内容也还在不断的发展、充实和完善之中。

关于其研究内容,方晓阳主张为以下两个方面:

1)地质环境(岩土)工程主要强调有害有毒废料控制系统的管理和修正、填、料场的选择、填料的稳定性分析和土污染治理技术;

2)生态环境(岩土)工程研究环境岩土工程的敏感性生态和地质方面的问题。这其中又主要有三个对生态环境因素相当敏感的问题:①与地质、气候有关的问题,如泥石流、沙漠、湿地;②与健康有关的问题,如酸雨、核废料;③与文化有关的问题,如考古和文物保护。从目前本学科的发展水平来看,环境岩土工程的研究的内容和工作重点主要集中在三个方面:

1)环境工程主要是指用岩土工程的方法来抵御由于自然灾害引起的环境问题。如:沙漠化、洪水、滑坡、泥石流等;

2)环境卫生工程主要是指用岩土工程的方法来抵御由各种化学污染引起的环境问题。如:城市各种废弃物的处理等;

3)由人类工程活动引起的环境问题如:在密集的建筑群中打桩时,由于挤土、振动、噪音等对周围居住环境的影响;深基开挖时,降水、边坡位移;地下隧道掘进时对地面建筑物的影响等。 

  

二、环境岩土工程研究的主要内容

以环境岩土工程的基本理念为基础,结合这门学科的特点和最新发展,我们从环境和工程活动相互作用、相互影响的角度对环境岩土工程的研究内容进行阐述:

1.气候变暖引起的岩土工程问题

全球气候变暖对人类社会的影响已经在国际上引起了广泛的关注。从宏观上来看,气候变暖所引起的环境岩土工程问题有两个主要方面:(1)冻土问题近几十年来,青海高原冻区土地温显著升高、冻结持续日数缩短、最大冻土深度减小、多年冻土面积萎缩、季节冻土面积增大、冻土下界普遍上升,高原冻土呈现出总体退化趋势。冻土的空间分布表现为极稳定带向稳定带转化,稳定带向亚稳定带转化,亚稳定带向不稳定带转化。冻土的稳定性遭到破坏,使得建筑物的结构破坏严重,路基融化下沉加剧、道路边坡融冻泥流与滑塌、路基隧道冻胀及冰丘与冰椎等灾害也有加重的趋势。就脸新开通的青藏铁路,也不得不考虑若干年后的路基冻融及由此引起的沉陷。(2)海平面上升从环境岩土工程学的范畴来看,海平面上升,将会使沿海地区地下水位上升,引起浅基础承载力下降,砂土地震液化加剧,建筑物震陷加剧。还会带来土壤沼泽化、盐渍化等一系列问题。需要指出的是,由于海平面上升引起的抵御海水侵袭的防护设施(海堤等)的维护更新、其它市政设施(沿海城市的防洪堤坝、城市桥梁等)的使用和养护等越来越引起关注。

2.与自然灾害有关的岩土工程问题

据统计,近年来,我国滑坡、泥石流、洪水等自然灾害有不断增加的趋势,给人民生命财产带来了巨大的损失。一方面,随着社会的发展,人民的生活水平在提高;另一方面,由于自然灾害所造成的损失也会加重。在建设和谐社会的历史背景下,加大自然灾害的预防和治理力度,具有更深远的意义。全国范围内的地质灾害的预警体系正在逐步建立,地质灾害的防治手段也在不断加强。利用岩土工程的基本原理和技术手段,有效地对这些灾害加以预报、预防和治理,最大限度地减少这些灾害所带来的不利影响是环境岩土工程的重要内容。

3与特殊土有关的岩土工程问题

我国是特殊土广泛分布的国家,黄土、膨胀土、冻土、沿海软土、盐渍土、风砂土等特殊土在我国都有广阔的分布,它们既是特定自然环境的产物,又具有特殊的岩土工程性质。黄土在我国西北内陆地区分布很广,从岩土工程的角度来看,黄土的湿陷性,使得它在浸水后沉陷加剧,影响了建筑物的稳定性。我国的广西、云南、湖北、河南、安徽、山西、河北、四川等二十几个省都有膨胀土分布,膨胀土遇水膨胀、失水收缩的特性,对其上的建筑物的正常使用将会有很大的影响。此外,冻土的冻融交替性、沿海软土的低强度和高流动性、盐渍土的腐蚀性、风砂土的不稳定性等都会对这些地区的建设活动带来影响。适应国家西部大开发和振兴东北老工业基地战略的实施,加强特殊土的研究具有十分重要的意义。

4.由于城市建设引起的岩土工程问题

城市建设与我们的生活密切相关,城市建设引发的环境岩土工程问题主要有:1)由于打桩等挤土产生的地面隆起、周围建(构)筑物、管线、道路的破坏以及振动噪音对周围环境影响等;2)基坑和地下隧道开挖引起的地面变形和对周边建(构)筑物的破坏等。大规模地下空间利用会带来更多的问题。3)施工降水引起的地面沉降等;4)大型城市地下工程建设对区域水文地质、工程地质稳定性的影响。地下隧道开挖也有可能导致区域地下水环境发生改变,降低了地下水的循环代谢,加重地下水的污染。对这些环境岩土工程问题的治理,我们已经积累了一些经验。但必须加强新技术应用和技术集成的研究,推动这一领域的工作向更深层次和纵深方向发展。

5.由于城市发展引起的岩土工程问题

城市垃圾(包括工业废弃物)的卫生填埋和处置一直是环境岩土工程研究的主要内容,岩土工程十分关注对于废弃物填埋场、过去工业活动造成污染土地的除污措施。欧美等发达国家都有一整套填、埋场的规划、勘探、设计和运行规范。与此同时,将工业废弃物如:粉煤灰、煤矸石等应用于工程建设,既解决了环境污染问题,又为岩土工程发展开辟了新的天地。与汽车业相关的问题越来越引起环境岩土工程界的关注,废轮胎的处置和再利用已引起了环境岩土工程界的重视。用废轮胎作为各种岩土工程用的轻质材料,如填等料,可明显地减少地基或路基沉降,增强地基或路基的整体稳定性;由废旧汽车轮胎生产的橡胶土是一种新的轻质多孔隙建筑材料,可以应用于包括路堤、挡土结构、山坡填土、地下厂房回填、道路填工、土地开垦在内的岩土工程中。在环境岩土工程领域,这是一个有着相当广阔前途的发展方向。人类的其它活动也会对岩土性质产生影响。试验研究表明,城市附加磁场对粘性土强度具有影响。据报道,经磁化处理后,南宁市邕江Ⅰ、Ⅱ级阶地冲积相粘性土的强度有所增大。这是由于城市附加磁场可对粘性土的土粒表面电荷及双电层结构产生影响,并使孔隙水中化学组分发生磁化学反应,导致粘性土土粒间的细观连接强度产生变化,从而使粘性土的强度发生变化。其它还有什么因素会对土体的强度产生影响?影响程度如何?许多未知的问题需要环境岩土工程继续探索。欧美许多国家现在已经基本放弃了修建地表水库来储备水资源的传统做法,而是越来越多地利用地下含水层广阔的空间,建立“水银行”来调节和缓解供水。实践证明,包括地表人侵和井灌的人工补给是一种可行的、费用低廉的解决供水的办法。它既可以储备地下水,减少地下水的抽取费,又可提高地下水位,控制由于地下水位下降引起的海水入侵和地面沉降。通过土壤中的细菌作用、吸附作用和其它物理、化学作用,回灌污水的水质得到改善,通过处理后的污水人渗来实现污水的循环再利用,保护了生态环境。

6.与放射性核废料和与石油储备等相关的岩土工程问题

近年来,以核电利用为代表的核能利用的迅速增长,核废料处理问题也越来越突出,其永久安全性及其对地质环境和生物圈的长期影响是人们十分关注和担忧的问题。对中低放废物,一般采取近地表方式或岩硐方式进行最终处置;而对于乏燃料,则是采取深地质处置方式进行最终处置。在地质贮置环境中,在自然和人类活动的影响下,要保证处置库的长期(1~10万年)安全性,防止被处置的废弃污染进入生物圈并危害人居环境,是环境岩土工程的重要研究内容。在相当长一个时期内,石油和天然气仍然是重要的基础能源,一旦能源发生危机,将会破坏经济发展,引起社会的严重动荡。地下能源储库是一种平时和战时都极为安全、稳妥的储存方式,是高度战略安全的储库。就目前来看,地下储存有岩体(一般为花岗岩)中水封储存和盐岩中溶腔储存等方式。不管那种储存方式,都必须研究它们和储存介质的作用问题,这也是环境岩土工程新的研究方向。 CO2气体的大量排放是全球气候变暖的元凶,为了解决这个问题,西班牙政府着手开始了将CO2 气体深埋的研究,这其中很重要的就是涉及CO2 气体与存储岩土体介质的作用问题。对环境岩土工程而言,这也是一个新的课题。

7.矿山开采引发的岩土工程问题

大规模的矿山开采引起的环境岩土工程问题主要表现在:地下开采引发的地表沉降、坍塌和山体滑坡、崩塌;露天开采造成的地表植被破坏及其引发的水土流失;采矿爆破作业诱发的地震;矿区排水疏干及矿床开采导致地下水位下降和水资源流失。此外,矿业固体废弃物堆置不当也会引发炉渣场和尾砂库泥石流、尾矿沙尘暴等环境岩土工程问题。

8.土地复垦和再利用有关的岩土工程问题

土地资源的,使得对已污染废弃的工业场址的去污修复和复垦、对矿区地面塌陷区的复垦和再利用、对原来不适合作建筑场地用的沼泽地、软土或其它特殊地基的利用变得等越来越迫切,环境岩土工程在这些领域大有可为。

9.与历史文化遗产保护有关的岩土工程问题

世界范围内存在着大量的石质和土质文物,随着时间的推移,由于自然和人为因素造成的破坏日趋严重,对这些文物加以保护,已经提到了议事日程。采用岩土工程技术对现存的文物加以保护是《我国文物事业“十五”发展规划和2015年远景目标》的重要方向。在这一领域,环境岩土工程的工作主要有两个方面:一是研究温度、酸雨、气候等环境因素的变化对文物的影响;二是研究用环境岩土工程的原理和方法对其风化程度、风化速率加以控制,从而达到保护的目的。在我国西北地区保存了大量土遗址,如长城、西夏王陵、交河故城、高昌古城、楼兰古城等遗址,木锚杆加固技术在交河古城土质文物保护方面取得了阶段性成果。在石质文物方面,锚索技术、PS -F材料裂隙灌浆技术、崖面防风化化学加固技术等岩土工程手段在解决石质文物岩体开裂、崖面风化、冲沟发育、大气降水入渗等岩土工程问题方面得到了成功的应用,取得了明显的效果。

10.敏感性生态区的岩土工程问题

在生态敏感地区,如冻土地区、沙漠地区等,人类的工程活动改变了自然的原生状态,对本已脆弱的环境带来极为不利的影响。生态环境的变化反过来制约了人类的活动。高原冻土具有特殊的生态环境功能,它可以控制植被成为适应寒旱生境的年轻植物区系、大厚度区域性隔水层;冻土及其活动层还具有调节水资源的作用等。冻土退化使它这些生态环境功能减弱。大量调查表明,植被良好的地段,厚层冰就发育。在东北大兴安岭地区,木材运输便道破坏植被后,35年内就会变成冲沟;而青藏公路的施工便道也几乎全部沙漠化。在沙漠地区,输油管道的穿越使稀疏的植被遭到破坏,加快了沙漠化速度。祁连山露天煤矿开采过程中的便道,几年后也成了冲沟。青藏铁路建设、西气东输、南水北调西线等大型工程,都是在生态敏感区域进行的工程活动。如何协调工程建设活动与生态环境的关系,是环境岩土工程不必须直面的挑战。

 

三、环境岩土工程的特点

环境岩土工程这门学科的特点归结为以下几个方面:

(1)多学科性环境岩土工程涉及岩土力学与岩土工程、卫生工程、环境工程、土壤学、地质学、水文地质、水文地球物理、地球化学、工程地质、植物学、采矿工程以及农业工程等诸多学科。随着人们环境保护意识的增强,人们已清楚地认识到在地表以下比地面以上存在着更多的生物体,并且土性的许多重要方面都与生物现象相关。目前,在边坡防护工程中应用植物护坡的“绿色岩土工程”理念,已经得到越来越多的认可,并且建立了根系与土体作用定量关系的力学模型,植物根系作为一种可变形锚固体的、生态加固土体渐进变形破坏思想正在逐步确立。岩土工程与微生物学、植物学的这种融合是传统的岩土工程所不曾涉及的。

(2) 法律约束性由于涉及到环境问题,因此环境岩土工程要受到各种法规的制约。如美国就有20多项法规与环境岩土工程有关,法律法规对我们做什么和怎么做具有很大的影响。此外,环境岩土工程的工作进程和技术方法常受到律师和合约人的制约,有时因环境保护法规和公众的抗议使工程方案不得不变更。

(3)公众参与性不象传统的岩土工程,环境岩土工程有更多的公众参与。大型工程的建设、污等染问题就是公众很敏感的论题,因此需要特殊的研究方法和治理措施相配套。最典型的例子就是美国B.埃弗雷特.乔丹水库和水坝,议员、军方、专家、公众等方方面面旷日持久的争论,为这个水库建设蒙上了阴影。北京的圆明园整治中的塑料膜的铺设、云南怒江水电的开发等都因为公众的参与而不得不进行更进一步的论证。四川省的一位叫鲁家果的专家上书温家宝总理,对南水北调西线提出了自己的见解,引起了高层的高度重视。

(4)对工程师的环境伦理提出了更高的要求除了专业技术知识外,环境岩土工程的从业者还必须具有较高的道德和伦理要求。《美国土木工程师协会伦理规范》就要求:工程师“要运用他们的知识和技能来提高人类福利和保护环境”,“应当坚定地坚持克持续发展原则,保护环境,从而提高大众的生活质量”。

(5)高成本性环境岩土工程的费用比较高,利益和成本比与传统的岩土工程相比常常低得多。对于诸如三峡大坝、西气东输、西电东送、南水北调等大型工程,人们不得不采取更多的措施来减少工程活动对环境的影响,由此必然带来成本的提高。


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环境岩土工程是否也可称为环境地质工程,从字面理解应该侧重于工程。如果从环境保护的角度来提,是否可以叫做岩土环境和岩土环境工程、地质环境工程呢?

岩土环境:研究地面以下岩石、土的物理化学性质,及其与大气圈、生物圈、水圈、岩石圈和微生物圈相互作用所构成的地下生态系统的交叉科学。

岩土环境

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