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。

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。

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。

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。

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.

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。

岩土工程非线性模糊随机损伤

针对非确定损伤理论在非线性损伤力学研究中的空白,基于3种典型模糊损伤分布:降半分布、秋千分布和组合秋千分布,提出了服从β分布平面应变各向异性初始模糊随机损伤场,推演了损伤矢量临界值算法及平面应变损伤有效张量和模糊随机有效弹性矩阵族。由损伤材料粘-弹-塑性应变率演化通式,修正了Mohr-Coulomb损伤破坏准则下粘-弹-塑性模糊随机损伤本构模型,就土方开挖损伤增益特征,构造了基于模糊衰减模型的模糊随机损伤增量方程及其随机数字特征,实现了对粘-弹-塑性模糊随机损伤增量方程卸载模型的全面阐述。

砂土爆炸成坑离心模型试验相似律研究

传统弹坑相似律存在适用性和有效性不足的问题,且爆炸成坑离心试验中的科氏力作用尚不明确。开展了砂土中的触地、浅埋爆炸成坑离心模型试验,探究不同重力加速度、药量和埋深工况下的爆炸成坑规律。推导了浅埋和触地爆炸弹坑相似律,给出了弹坑半径公式。对离心模拟爆炸成坑过程中的科氏力作用进行了定量分析和数值模拟。研究结果表明:提出的弹坑相似律能够适用于触地和浅埋爆炸工况,并针对干砂中的离心机试验和常重力试验弹坑数据取得了良好的归一化结果。科氏力主要通过改变土体抛掷回落运动轨迹来影响最终的弹坑形态,浅埋爆炸成坑试验中明显观察到科氏力的影响,弹坑轮廓向着离心机转动方向偏移;触地爆炸弹坑则基本不受科氏力影响。使用更大半径的离心机设备以及在更高离心加速度下开展试验可以显著减小科氏力引起的弹坑偏移误差。研究结果对爆炸成坑效应的离心物理模拟技术和理论分析提供了参考和依据。

连锁桩墙在软土地区深基坑工程中的应用

连锁混凝土预制桩墙是一种兼具挡土和止水功能的创新基坑支护结构。依托宁波软土地区某深基坑工程,总结了连锁混凝土预制桩墙在设计与施工方面的难点与关键技术,并在施工便利性与环保性方面将其与传统钻孔灌注桩进行了对比。结果表明:连锁混凝土预制桩墙具有安全、高效和环保等优点,适用于软土地区基坑工程,是一种值得推广的绿色基坑支护技术。

聚合物改性钙基膨润土制备工艺对水力性能的影响

以钙基膨润土为原土,聚丙烯酸钠为聚合物添加剂,采用干混、湿混、物理捏合和原位聚合法制备改性膨润土.通过自由膨胀和改进滤失试验,评估了酸性矿山废水作用下制备工艺对改性膨润土水力性能的影响.结果表明,在酸性矿山废水作用下,干混、湿混和物理捏合法制备的改性膨润土膨胀指数较原土增大1.1~4倍,滤失量、渗透系数增大2.7~5.3倍和1.4~2.4倍,原位聚合法制备的改性膨润土膨胀指数较原土增大4倍,滤失量、渗透系数下降30%和97%.改性膨润土在酸性矿山废水中的水力性能如下:原位聚合>物理捏合>湿混>干混.场地污染较轻、材料应用成本有限时,可采用干混制备工艺;场地污染严重、污染物管控严格时,可采用原位聚合制备工艺.

堆载和固结对高饱和度废弃黏土抗剪强度影响

以杭州某基坑开挖渣土为研究对象,开展了24组大尺寸固结-直剪试验,研究了瞬时、阶梯型和斜坡型3种加载方式下高饱和度黏土固结过程抗剪强度的变化规律.结果表明,在上覆荷载作用下,土体产生瞬时压缩,压缩量随荷载的增大而增加;在3种加载方式下,当最终荷载相同时,最终沉降量较为接近;剪切曲线为应变硬化型,初始切线模量和最终剪应力均随固结度或上覆荷载的增大而提高;加载方式对初始切线模量有一定影响,对最终剪应力影响较小;抗剪强度随固结度的增长呈线性增大趋势,增大幅度随荷载的增大而显著;在3种加载方式下,当上覆荷载和固结度相同时,抗剪强度基本接近.基于试验结果,建立了高饱和度黏土固结过程抗剪强度预测模型,并利用本文试验数据和文献数据验证了其可靠性.模型分析结果表明:随着固结度的增长,抗剪强度包络线截距呈线性增大,而弯曲程度呈线性减小.在高饱和度废弃黏土堆填工程中,可采用本文建立的模型来预测不同堆填方式下土体固结过程的抗剪强度.

一种原位测量非饱和土的气体扩散系数和渗透系数的方法与装置

气体扩散系数Dg和渗透系数Kg是研究非饱和土中气体运移的两个重要参数。推导了稳态条件下,非饱和土中气体运移参数的计算理论。该理论基于示踪气体浓度C与气体流量q1之间及压力梯度P与气体流量q2之间的变化规律,分别确定非饱和土的Dg,Kg。依据推导的理论公式,设计并研制了一种原位测量非饱和土的Dg,Kg的装置。开展土柱试验,利用新装置测量非饱和土的Dg,Kg,并采用单元试验和数值模拟验证新方法和装置的有效性。研究表明新方法测量的非饱和土的Dg,Kg与单元试验及数值模拟结果吻合良好。基于数值模拟开展的敏感性分析结果揭示:Dg测量准确度随土体的质量含水率w减少而降低,而Kg的测量准确度受含水量的影响不显著;非饱和土的Dg,Kg的测量准确度均随着注气球半径增加而降低,但是注气球半径对Kg的测量准确度的影响更为显著,当注气球半径增加到0.05 m时,其准确度约为55%;土体各向异性降低测量准确度,当竖向与水平向的气体运移参数的比值Dgv/Dgh和Kgv/Kgh均为0.1时,Dg,Kg的测量准确度仍可达到40%以上。

酸性矿山废水对钠基膨润土渗透性的影响

钠基膨润土在环境岩土工程中被广泛应用,是垂直阻隔墙等防渗屏障的主要防渗材料。本文通过沉淀试验、自由膨胀试验和改进滤失试验对比了4种钠基膨润土在酸性矿山废水中的分散性、膨胀性和渗透性的差异。其中,改进滤失试验探究了滤失压力和酸性废水浓度对膨润土渗透系数的影响,钠基膨润土在酸性废水中的渗透系数相比去离子水中提高了2~3个数量级,而在50~150kPa范围内,渗透系数随滤失压力的提高逐渐降低,但提高滤失压力仍不足以抵消酸性废水的劣化作用。本文通过扫描电镜试验、X射线衍射试验和滤出液化学成分测试探究了酸性废水对钠基膨润土的劣化机理,得到结论:酸性废水对钠基膨润土的劣化作用包括离子交换和矿物溶解。其中,离子交换主要为酸性废水中三价阳离子(Fe3+为主)置换膨润土蒙脱石中一价阳离子(Na+为主)的过程;矿物溶解主要是酸性废水的强酸性导致蒙脱石中的Na被转化为离子的形式而使蒙脱石结构发生破坏的现象。通过对比4种钠基膨润土的微观试验结果得到了4种钠基膨润土的劣化机理差异,并归纳了影响劣化作用差异的关键因素。

深基坑隔断墙保护邻近建筑物的效果与工程应用分析

隔断墙是深基坑工程实践中开始应用的一种主动保护邻近建筑物的措施,但目前对其设计参数的确定缺乏有效的理论指导,可验证其效果的实测资料也甚少。以杭州某深大基坑为背景,利用有限元分析软件ABAQUS,考虑施工工况、墙土接触,建立三维有限元模型,土体采用修正剑桥模型,对隔断墙的效果进行了深入研究,并通过工程实例计算结果和实测值的对比进行验证。研究结果表明,隔断墙可明显降低坑外地表最大沉降,减小地表沉降槽的面积,并显著减小邻近建筑物的横向角变量,对减弱开挖引起建筑物损害效果明显。隔断墙减小基坑侧壁中点附近的最大沉降和不均匀沉降的效果比基坑角部更明显。隔断墙可明显减小围护墙水平位移,越靠近隔断墙,地基浅层土体水平位移减少越明显。在隔断墙深度范围围护墙外侧土压力比未设隔断墙情况偏小,隔断墙对围护墙有"遮拦"作用,对基底土体隆起基本没有影响。

粉砂地基深基坑工程土体渗透破坏机理及其影响研究

在砂土和粉土地区,渗透破坏是威胁基坑稳定性和周围环境的主要因素。基坑工程是由土、水以及围护结构组成的一个复杂系统,影响基坑工程渗透破坏的因素很多。在总结前人对土体渗透破坏与基坑工程渗透破坏模式的研究基础上,结合渗流对土体性质影响的试验成果,提出了考虑渗流、开挖卸荷以及围护结构变形共同作用的基坑工程渗透破坏分析方法,并分析了均质地基基坑工程的渗透破坏模式。将该方法运用于某粉砂地基基坑渗透破坏工程实例,通过有限元数值模拟,揭示了渗透破坏过程及其对围护结构的影响。通过对该基坑工程实例的分析认为,在进行基坑工程设计时不仅需要进行防止流砂、管涌等验算,还需考虑基坑工程整体破坏的可能性。

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。

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。