环境岩土工程研究综述

地下水土环境污染评估、控制及修复已成为我国环保领域的重大需求。利用岩土工程的手段来解决水土环境污染问题是最为经济、最符合国情的途径之一,也是环境岩土工程工作者的优势所在。结合我国水土环境污染控制方面重大需求及现阶段我国迫需解决的环境岩土工程问题来阐述环境岩土工程研究及工程实践进展,主要包括城市固体废弃物可持续填埋处置,废弃泥的工程特性、工程处置及资源化利用,土体和地下水污染评价与防治和土工合成材料在环境岩土工程中应用。

利用桐油和糯米汁改善黏土的强度及环境土工特性

充分利用桐油防渗性好、附着力强、耐酸碱、耐水、耐日光大气等性能和糯米汁黏糊度高、吸附强、胀度小等特点,将桐油、糯米汁掺入黏土中改善其环境土工特性。渗透、强度、等温吸附和扩散试验结果表明:黏土经桐油、糯米汁改良后,在最优质量比例为90∶5∶5时,渗透系数比未改良土下降2个数量级,同时对金属离子的吸附能力明显增强,尤其对Cu2+的吸附能力显著提高,并且明显地降低Cu2+的扩散系数。用扫描电子显微镜(SEM)对未改良土和混合土进行了微观形态结构研究,结果表明桐油能很好地分散并渗入黏土表面形成附着良好的包膜层。萧山黏土混合桐油和糯米汁后极大地改善了其作为黏土衬垫的环境土工特性。

环境土工基本理论及工程应用

随着工业化和城市化的快速发展,各类固体废弃物产量迅速增大,地下水土污染不断加剧,人类赖以生存的环境日益恶化。岩土工程研究者力图利用岩土工程的原理和方法来研究和解决这样的环境问题,并逐步形成了岩土工程学科的一个新兴分支——环境土工。环境土工问题伴随着生化反应、物理变化和机械运动等过程,目前国内外尚未建立统一的基本理论体系。该文论述了土体的生化反应、骨架变形、孔隙水运移、溶质迁移和孔隙气运移机理,并建立了考虑生化反应–骨架变形–水气运移–溶质迁移耦合作用的模型及其控制方程,界定并明确了模型参数及测试方法;揭示了高厨余城市固体废弃物填埋场存在严重的生化降解酸化抑制、骨架弱化和液气传导相互阻滞现象,以及城市固体废弃物压缩变形和液气产生及运移、污染物迁移与土体固结相互作用、污染物击穿防污屏障及覆盖屏障防水闭气的内在机理;结合笔者研究团队近二十年的环境土工研究和工程实践积累,总结了所提出的填埋场固废降解程度、渗滤液产量、填埋气收集率、填埋体沉降与填埋场容量、填埋场边坡稳定、防污屏障服役寿命评价方法以及所研发的填埋场液气立体导排、新型防污屏障和TDR污染土勘察技术的合理性和可靠性,并给出了工程应用实例。

非平衡态热力学在环境岩土工程中的应用

根据内变量的概念与质量、动量、能量和熵衡算方程,利用Gibbs局部平衡原理,获得化学、扩散、热传导过程均存在时材料的熵流和熵产,把Ziegler所提出的能量耗散广义正交原理量从一般固体的粘塑性领域推广到存在化学、扩散、热传导和力学现象相互作用的多孔介质领域,统一了粘性理论和塑性理论,建立了包括化学、扩散方程、热传导和力学过程的单相多组分和多相多组分两类介质模型的一般本构理论。

软土某深基坑开挖的实测性状和环境效应分析

介绍杭州某深大基坑工程的支护设计、施工和监测方案,并对主要监测结果作了分析。实测结果表明:深厚软土地基大型基坑的水平位移偏大,基坑开挖引起的围护结构变形及对周边环境的影响具有明显的三维空间效应,基础底板施工期间基坑的"蠕变"现象明显;坑外地表沉降呈抛物线型分布,沉降影响范围大于开挖深度的1.5倍,最大沉降位于坑外约0.62倍挖深处,最大沉降值约0.37倍挖深,最大沉降约为最大水平位移的0.3倍。

土工膜/GCL界面剪切强度特性的试验研究

土工复合膨润土垫(GCL)是一种新型复合材料,其良好的防渗隔气功能以及抗张拉的能力使其与HDPE土工膜(GM)的联合使用在填埋场具有广泛的应用前景,但GM/GCL界面较低的剪切强度易导致填埋场衬垫系统等失稳。利用大尺寸界面直剪仪进行三种不同土工膜与GCL界面的剪切试验,重点研究GCL不同加载水化顺序对膨润土挤出及界面强度的影响。试验结果表明:干燥状态下,粗糙土工膜/GCL界面的峰值强度较大于光滑土工膜/GCL界面的峰值强度,但粗糙土工膜/GCL界面表现出强烈的应变软化特性,其残余强度接近于光滑土工膜/GCL界面的强度;不同加载水化顺序是影响膨润土挤出的重要因素,并严重影响界面剪切强度;膨润土挤出造成粗糙土工膜/GCL界面的峰值摩擦角降低3.5°,大位移摩擦角降低7.6°,接近光滑土工膜/GCL界面的摩擦角。

复杂环境下某深厚软土基坑的实测性状研究

详尽分析了杭州某上部带有较厚硬壳层的深厚软黏土地基中,开挖深度为17.4~19.8 m,采用地下连续墙和多层钢筋混凝土支撑作为支护结构的超深基坑工程的实测性状。现场监测内容包括基坑侧壁土体水平位移、坑外地表沉降及内支撑轴力。研究表明,本案例基坑的最大水平位移与基坑最大开挖深度之比hm m?/H介于0.24%~0.75%,最大水平位移超过100 mm,其中蠕变变形占总侧向变形的比例高达44%~56%,基坑水平位移蠕变速率为0.15~0.76 mm/d,蠕变速率与基坑开挖深度和基底附近土层性质有密切关系;"T"型地下连续墙和隔断墙技术对减小侧壁土体变形有一定作用。基坑坑外横向地面沉降大致呈抛物线分布,坑外纵向沉降大致呈马鞍形,地表周围土体最大沉降与基坑最大开挖深度之比vm m?/H介于0.26%~0.7%,最大沉降量与坑壁最大侧向位移量的关系大致为vmax hmax???~hmax2.57?,沉降蠕变速率为0.1~0.6 mm/d。随着开挖及相邻支撑的浇筑及拆除,多层支撑支护结构中各层支撑的轴力不断变化。

含土工复合排水网衬里的界面剪切特性研究

采用大尺寸界面直剪仪对土工复合排水网与粗糙土工膜以及土工织物之间界面力学特性进行试验研究。试验发现,土工网芯较大地影响了含土工复合排水网衬里的界面剪切特性。对于挤压型土工膜/土工复合排水网界面,当正应力大于210 kPa时,土工网芯严重破坏了土工膜粗糙表面,导致其界面强度参数减少,峰值摩擦角从17.4°降低到8.6°。而对于土工织物/土工复合排水网界面,当正应力大于50 kPa时,土工网芯的嵌固作用较大地增加了犁沟分量,使其界面强度参数显著增加,峰值摩擦角从10.6°增加到21.3°。

宁波海相软土工程特性研究

根据宁波地区120余项实际工程的勘察资料,从地质成因、颗粒级配、矿物成分、土性指标、微观结构及结构性等方面系统分析了宁波海相软土的工程特性,并与我国沿海典型软土进行了比较。选取宁波地区典型软土,通过室内试验,从内因和外因两方面分析研究了含水量、干密度、围压、应力路径、排水条件以及剪切速率等因素对应力应变曲线的影响。宁波海相软土工程特性研究对该区今后的工程建设具有实际意义。

考虑界面软化特性的垃圾填埋场斜坡上土工膜内力分析

为分析垃圾填埋场斜坡上防渗系统中的土工膜在上覆垃圾堆体重力作用下产生的拉应力,考虑土工膜-黏土界面的应变软化特性,通过建立土工膜受力的平衡方程获得了土工膜拉应力的解析解。与传统方法相比,该方法可分析土工膜-黏土界面不同位置所处的3种应力状态:弹性状态、软化状态及残余状态,从而使得垃圾填埋场斜坡上土工膜的受力分析更为合理。参数分析显示,当软化阶段的强度损失及残余位移与峰值位移的差值较小时,土工膜-黏土界面的峰值强度对土工膜最大拉应力的影响较小,而其残余强度是主要控制因素;而当土工膜-黏土界面的软化特征较明显时,则峰值强度和残余位移的影响也更为明显。另外,土工膜上覆堆体高度、斜坡坡度及土工膜锚固长度对土工膜拉应力也有较大影响。

月壤岩土工程问题研究进展

针对中国探月工程开展过程中遇到的月壤特性问题,综述国内外月壤的基本物理力学性质以及模拟月壤和机构相互作用的研究现状.给出模拟月壤的粒度分布、密度、孔隙比、强度指标和压缩指数等几参数的取值范围.总结出模拟月壤三轴试验的主要控制指标有:相对密度、围压、剪切速率等,并简要分析高真空度对模拟月壤性质的影响.通过对月球车研制中月壤对车轮牵引特性的影响、软着陆中月壤对足垫冲击响应等研究的发展现状的回顾,指出离散元方法在月壤特性分析和机构与模拟月壤相互作用等领域的应用前景.针对新型模拟月壤研制、模拟月壤本构关系和多种月面环境耦合下对月壤性能的影响等亟待解决的问题.

神奇的土颗粒与土力学实验教学改革

基于土力学实验特点及教学现状的分析研究,重点探讨了目前实验内容设置和实验教学模式。针对其不足对土力学实验教学进行改革,包括更新实验内容,改革教学模式,以教学演示仪器及土颗粒神奇现象等方式吸引学生,从而提高了土力学实验教学水平,激发学生兴趣,培养了学生创新能力和科研素质。

宁波地区典型淤泥质粘土工程特性

总结宁波地区120个软土地基工程的试验成果,采用数理统计和室内土工试验方法,系统分析研究了宁波地区典型淤泥质粘土的物理力学指标特征、各指标间的相互关系以及固结主要参数,并与我国其他地区软土相关工程特性进行比较,揭示了宁波地区典型软粘土工程特性,即:天然含水率与孔隙比、重度与孔隙比、液限与塑性比相关性非常好;建立的宁波地区软土经验公式不同于其他软土地区。此外,结构性对该地区软土工程性状影响较大,固结系数和次固结系数都受其影响,且影响程度异于其他地区。

砂性土地基深基坑工程对周边环境的影响分析

随着城市建设的发展,周边环境复杂的深基坑工程数量明显增多,基坑的开挖必将改变周围土体应力场,对周边环境产生影响。以杭州一紧邻地铁隧道的砂性土地基深基坑工程为例,运用Plaxis软件对基坑施工过程中围护结构以及临近隧道变形进行模拟,并与现场监测数据进行了对比分析,探讨了基坑外土体位移的衰减规律。结果表明:计算结果与实测结果基本吻合,砂性土地基深基坑开挖会引起围护结构、周边土体以及临近隧道产生向基坑方向的位移,变形规律与开挖工况以及距基坑远近密切相关。本文结果为类似砂性土地基深基坑工程设计及施工提供有益借鉴。

土工离心机在岩土工程教学中的应用

基于对岩土工程教学现状的分析和对物理模拟在岩土工程教学中独特优势的认识,利用浙江大学建成的大型土工离心机ZJU-400开展了初步教学应用尝试。离心教学实验中,采用离心模型模拟一个升降水位引起边坡失稳的足尺实验实例。通过让学生全面参与土工离心模型试验过程,大大激发同学的兴趣,激活学生主动学习和主动思考的积极性,增强学生对土力学的直观认识,初步掌握土工测试技术。本尝试为我国岩土工程学科创新型教学改革提供有益的借鉴。

无纺土工织物保土应用中的概率设计准则

保土准则是土工织物反滤准则的重要组成部分,但目前的设计准则保土有余,透水不足。介绍了无纺土工织物的两种孔洞分布曲线,计算了土颗粒透过织物的概率。在理论分析的基础上,提出了一种概率保土准则。该准则对土体中的骨架颗粒和小颗粒透过织物的概率分别加以限制,既能保持土体稳定,又能防止淤堵。

土工膜/土工织物界面大型斜坡模型试验研究

复合衬垫系统广泛应用于垃圾卫生填埋场,是防止渗沥液污染物渗漏扩散的重要屏障。在垃圾重力及沉降作用下易造成斜坡上复合衬垫系统拉伸破坏或沿其界面产生滑移而失稳。目前,由于缺乏对复合衬垫系统内部剪力传递机理的认识,仍难完全解决以上两大岩土工程问题。因此,设计并采用复合衬垫系统大型斜坡模型试验装置开展了其内部剪力传递机理的研究。该装置通过砂袋加载模拟填埋过程,采用手拉葫芦为核心的滑移控制系统再现了土工膜/土工织物界面的渐进累积破坏过程。试验结果表明:当外部剪力小于峰值强度时,界面不会进入残余状态,上覆的土工合成材料锚固端的拉力也非常小;但当外部剪力超过界面峰值强度时,界面就会逐渐进入残余状态,并最终达到残余强度。同时,薄弱界面上覆的土工合成材料锚固端的拉力也显著增加,严重时甚至被完全拉断。

填埋场斜坡上土工膜受力特性的离心模型试验研究

由于垃圾土沉降大,斜坡上土工膜易受到较大下拽力而破损,影响衬垫系统防渗功能。通过离心模型试验对填埋场斜坡上土工膜在垃圾土重力和沉降作用下的拉力和应变进行了研究,并通过FLAC数值对比分析,可获得如下结论:试验采用的模型垃圾土能很好地模拟现场垃圾土,模型土最大沉降量可达土层厚度的20%;土工膜存在中性点,以中性点为界土工膜可分为受拉区和受压区,中性点的位置与坡度和沉降有关,从坡顶到中性点拉应变逐渐变小,从中性点到坡脚压应变先增大后减小;坡度和沉降是影响土工膜拉力发展的重要因素,坡度或沉降越大,拉力越大,沉降是通过改变界面强度的发挥程度来影响土工膜拉力的发展;当采用单糙面土工膜(上光下糙)时,外部作用力很难向土工膜下界面传递,土工膜锚固端拉力几乎为零。

用图像分析法研究有纺土工织物单向受拉时孔径的变化

现有反滤设计中保土准则使用土工织物未受拉时的等效孔径,但平面单向拉伸会导致该值变化,变大则不满足保土准则,变小则不满足透水准则及淤堵准则。有纺织物孔径由孔径分布曲线和特征孔径反映,采用数字图像分析法对两种有纺土工织物单向受拉时孔径变化进行精确测定。有纺织物被单向张拉至3%,6%,9%和12%的平面应变,随着拉应变的增加,两种有纺土工织物开孔面积率增大;孔径分布曲线向孔径大的方向移动;3种特征孔径值(O30,O50和O95)增大,其变化率都与拉应变呈近似线性关系,且小孔径部分相对于大孔径部分随拉伸应变的增长而增大较快。

采用桩土共同作用的浙江省第一医院医技楼现场实测分析

采用桩土共同作用设计方法的浙江省第一医院医技楼实测资料表明,大楼装修完成时基础底板周边和内部实测平均土压力分别已达地基土承载力特征值的83.3%和62.7%,地基土承载力被较大程度的得到利用。桩顶应变计实测结果显示,大楼竣工时桩顶反力超过单桩极限承载力的50%,这是与传统设计方法的不同之处。同时,随建筑层数的增加,桩间土分担荷载的比例逐渐减少,装修完成时土承担上部荷载的20%。而在大楼结顶时基础底板内钢筋实测应力很小,基础底板面层和底层钢筋平均压应力分别为9.84和7.68MPa,远低于钢筋所能承受的最大抗压值。同时发现,基础底板的存在会削弱桩侧摩阻力,相同桩顶荷载水平下全桩长范围内实测桩基平均侧摩阻力均小于静载试验中单桩的平均侧摩阻力。该大楼实测沉降结果表明,沉降较小且较为均匀,能满足使用要求。