人类工程活动造成的环境岩土工程问题.ppt
七 人类工程活动造成的环境岩土工程问题,教学内容,1 打桩对周围环境的影响2 基坑开挖造成地面移动或失稳3 软土隧道推进时的地面移动4 抽汲地下水引起的地面沉降5 采空区地面变形与地面塌陷,解决工程与环境之间的矛盾的几点原则,环境补偿的原则 工程活动中破坏的环境，待工程建设结束后重新恢复工程避让的原则对于环境非常复杂，工程活动对环境造成很大影响时，工程项目应另选场地或改变设计环境保护的原则 当环境和工程都不能退让时，工程应该采取各种措施环境治理的原则某些工程活动对于环境影响，应采取整治的方法,1 打桩对周围环境的影响,预制桩及沉管灌注桩等挤土桩，在沉桩过程中，桩周地表土体隆起，桩周土体受到强烈挤压扰动，土体结构被破坏探讨受打桩扰动后桩周土的工程特性，对合理进行桩基设计具有重要意义,打入预制桩第一节桩体,打入预制桩电焊接桩,打入预制桩末节桩体,1.1 桩挤土效应的理论分析,(1)小孔扩张理论,对饱和软土，其塑性区任一点的应力两个方向(径向、切向)上的总应力增量,R-塑性区半径cu-土的不排水强度-离桩心距离,塑性区的应力变化,弹性区的应力变化,R-塑性区半径cu-土的不排水强度-离桩心距离,塑性区边界上径向位移、塑性区半径及桩土界面的挤压力,Pu-桩土界面径向挤压应力cu-土的不排水强度up-塑性区边界上的径向位移E-土的弹性模量-土的泊松比,(2)强扰动区的范围,当土体确定后，土的力学指标E、c、不变，塑性区半径与小孔直径呈线性关系,由图可知，当土体的泊松比一定时，R/d值随着土体强度指标c、的增大而逐渐减小，R/d值随着土体弹性模量的增大而逐渐增大,1.2 沉桩挤土效用的数值模拟,沉桩向深、大方向发展，推动沉桩问题的数值分析方法正日趋完善采用一些大型土木工程数值分析软件（ANSYS、FLAC软件），对沉桩挤土及稳定性进行数值模型模拟,1.3 沉桩对周围环境的影响,(1)噪音的影响打桩时柴油锤产生的噪音可高达120dB以上，一根长桩至少要锤击几百次乃至几千次。这对附近的学校、医院、居民、机关等都具有一定的干扰作用，打桩产生的噪音影响人们学习、工作和休息,(2)振动的影响打桩时会产生一定的振动波向四周扩散。振动对人来说，较长时间处在一个周期性微振动作用下，会感到难受。特别是住在木结构房屋内的居民，地板、家具都会不停地摇晃，对年老有病的人影响尤大在通常情况下，振动对建筑物不会造成破坏性的影响。点振源，迅速衰减,精密机床、仪器仪表的正常操作有影响,(3)挤土效应的影响桩打入地下时，桩身将置换同体积的土。因此在打桩区内和打桩区外一定范围内的地面，会发生坚向和水平向的位移大量土体的移动常导致邻近的建筑物发生裂缝、道路路面损坏、水管爆裂、煤气泄漏、边坡失稳等等一系列事故,上海外白渡桥立剖面图,上海外白渡桥立剖面图,按桩的挤土效应，桩可分为,排挤土桩如混凝土预制桩、木桩等；排土的体积与桩的外包体积相等非排挤土桩排挤土的体积为零。如钻孔灌注桩、挖孔桩等低排挤土桩排挤土的体积小于桩的外包体积，如开口的钢管桩，工字钢桩等,减少桩挤土影响的措施,(1)预钻孔取土打桩先在打桩的位置上用螺旋钻钻成一直径不大于桩径23、深度不大于桩长23的孔，然后在孔位上打桩(2)设置防挤孔在打桩区内或在打桩区外，打设若干个出土的孔。出土孔的数量可按挤土平衡的原理估算(3)合理安排打桩顺序和方向对着建筑物打桩比背着建筑物打桩的挤土效应要不利得多,(4)控制打桩速率打桩速度越快，挤土效应越显著(5)设置排水措施促使由打桩挤压引起的超孔隙水应力消散(6)其他如设置防振沟等等加强施工过程中打桩对周围环境的影响监测,2 基坑开挖造成地面移动或失稳,随着经济建设的发展，高层建筑的基坑面积越来越大，深度也越来越深减少基坑开挖对周围环境的影响要有合理的支护体系及防渗措施需要挖土施工的密切配合建立行之有效的监测系统,2.1 深、大基坑工程及其环境土工问题,（1）地表沉降与土层位移墙体弹性变位基坑卸载回弹、塑性隆起、降水不当引起的管涌、翻砂墙外土层固结沉降井点或深井降水带走土砂(也是一种地层损失)墙段接头处土砂漏失槽壁开挖，地层向槽内变形,（2）基坑变形控制的环保等级标准,（3）基坑施工的时空效应问题,基坑施工稳定和变形基坑土方每步开挖的空间尺寸开挖顺序。采取支撑提前、快撑快挖的措施无支撑情况下，每步开挖土体的暴露时间围护结构水平位移基坑抗隆起的稳定性基坑施工的时空效应谋求最大限度地调动、利用和发挥土体自身控制地层变形位移的潜力，以求保护工程周边环境,（4）地铁车站深大基坑的施工技术要求,撑后挖，留土堤对支撑施加设计轴力(3070)的预应力每步开挖及支撑的时限tr24h坑内井点降水以固结土体、改善土性，减少土的流变发展,（5）变形监控,施工工况实施情况跟踪观察日夜不中断的现场监测与险情及时预测和预报定量反馈分析，信息化设计施工及时修改、调整施工工艺参数及时提出、检验、改进设计施工技术措施,苏州某基坑工程变形监测,监测频率及报警值,基坑的监测周期为基坑开挖开始时进场监测，地下室施工至0.00m后结束监测在基坑降水开挖期间，做到一日一测。基坑监测频率至少每天一次，开挖时应每天2次，如有异常应加密频率根据建筑基坑工程监测技术规范，结合场地的规模及工程地质水文地质条件，本工程的报警值确定如下：围护结构水平、垂直位移大于3mm/日或累计大于50mm；坑外地下水位最大下降率大于500mm；管线水平、垂直位移大于2mm/日或累计位移10 mm；周边地表沉降大于3/天或累计沉降大于30；周边建筑物沉降变化速率大于2/天或累计沉降大于10,桩顶水平位移变化图,地下管线水平位移变化图,CX7水平位移 CX8水平位移,周边地表沉降,周边建筑物沉降,（6）减少沉降的措施,采取刚度较大的地下连续结构分层分段开挖，并设置支撑基底土加固坑外注浆加固增加维护结构入土深度和墙外帷幕尽量缩短基坑施工时间降水时，应合理选用井点类型，优选滤网，适当放缓降水漏斗线坡度，设置隔水帷幕在保护区内设置回灌系统尽量减少降水次数（预防流土、管涌）,2.2 深基坑开挖对临近地下管线的影响,（1）地下管线位移计算地下管线位移计算可按竖向和水平两个方向的位移分别计算,(2)地下管线竖向位移计算,（3）地下管线水平位移方程y(x),3 软土隧道推进时的地面移动,在软土地层中，地铁、污水隧道等常采用盾构法施工。盾构在地下推进时，地表会发生不同程度的变形地表的变形与隧道的埋深、盾构的直径、软土的特性、盾构的施工方法、衬砌背面的压浆工艺等因素有关,3.1 盾构掘进中的环境问题,由于盾构掘进引起地层扰动，产生诸如土体地表沉降和分层土体移动、土体应力、含水量、孔隙水压力、弹性模量、泊松比、强度和承载力等物理力学参数的变化（1）盾构在地下管网交叉、密集区段掘进施工（2）盾构穿越大楼群桩（3）盾构通过不良地段（流塑性粉砂、富含沼气软弱夹层）掘 进施工（4）盾构进、出工作井施工（5）盾构作业面因土压或泥水加压不平衡，导致涌泥、流沙。,武警战士正用黄沙填堵凹陷的地面,2003年7月2日凌晨，上海地铁四号线发生地面沉陷事故，楼房倒塌，外滩防汛墙被破坏,3.2 盾构施工而土体扰动相关的课题,盾构周边土体因开挖而卸荷变形盾构掘进时周边土体超孔隙水压力分布及其变化盾构掘进时土体受施工扰动的变形地表沉降受施工扰动土体力学性质的变异盾构轴线上方地表中心沉降与土体受施工扰动范围的关系地表沉降与施工条件的关系,3.3 盾构掘进引起的土体沉降机理,（1）水和泥浆的扰动盾构经过的地区，可能引起地下水含量和紊流运动状态的改变泥水盾构的大量泥浆外排回灌，给周围环境带来不良影响（2）对不良土层的影响盾构法施工刀盘的切削旋转振动引起饱和砂土或砂质粉土的部分液化含砂土颗粒的泥水不断沿衬砌管片接缝渗入，引起局部土体坍塌,（3）周围土体应力状态的变化,周围地层变形的内在原因土体的初始应力状态发生变化，使得原状土经历了挤压、剪切、扭曲等复杂的应力路径,3.4 盾构掘进对土体的影响范围,R-塑性区外半径a隧道半径p扩张压力Dp塑性变性区De弹性变性区,4 抽汲地下水引起的地面沉降,4.1 地下水位上升引起的岩土工程问题（1）浅基础地基承载力降低无论是粘性土还是砂性土其承载能力都随着地下水位上升而下降粘性土承载力最大下降率为50%；砂性土承载力最大下降率为70%,（2）砂土地震液化加剧随着地下水位上升，砂土抵抗砂土液化能力随之减弱砂土的敏感影响区（地下水位2m）：随着土体含水量的提高而加大，随着上覆土层的浅化而加剧（3）建筑物震陷加剧对于粉细砂土：越疏松或初始剪应力越小，地下水位上升对液化震陷影响越大对于粘性土：地下水位上升既促使其饱和，又扩大其饱和范围，使本身的轻度较低，易发生塑性剪切破坏,（4）土壤沼泽化、盐渍化地下水位上升，地表过湿呈沼泽化或由于强烈蒸发浓缩作用，使盐分在上部岩土层中积聚形成盐渍土（5）岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象地下潜水位或河水上升时，岩土体浸润范围增大，浸润程度加剧，岩土被水饱和、软化，降低了抗剪强度（6）地下水位冻胀作用的影响冻结状态的岩土体具有较高强度和较低压缩性当温度升高岩土体解冻后，其抗压和抗剪强度大大降低，压缩性增高，地基变形，建筑物失稳,（7）对建筑物的影响地下水位在基础底面压缩层范围内上升时，水浸润、软化地基土，使其强度降低、压缩性增大，建筑物产生较大的沉降变形地下水位上升使建筑物基础上浮，建筑物失稳（8）对湿馅性黄土、崩解性岩土、盐渍土的影响地下水位上升，增强水与岩土相互作用，导致岩土结构破坏，强度降低，压缩性增大,（9）膨胀性岩土产生胀缩变形膨胀性岩土地区，地下水位变化频繁或变化幅度大时，岩土的膨胀收缩变形幅度大，导致自身强度降低或消失，引起建筑物的破坏,4.2 抽汲地下水产生的环境问题,地表塌陷地面沉降海(咸)水入侵地裂缝的复活与产生地下水源枯竭，水质恶化,（1）地表塌陷,地下水位降深增大，水动力条件急剧改变，水对土体的潜蚀能力增强，地表塌陷的数量增多，规模增大水位降深小，地表塌陷坑的数量少，规模小当降深保持在基岩面以上且较稳定时，不易产生塌陷,（2）地面沉降,土层中孔隙水压力降低，颗粒间有效应力增加，地层压密超过一定限度时，表现出地面沉降当抽水时，在抽水井周围形成降水漏斗，在降水漏斗范围内的土层将发生沉降,（3）海水入侵,近海地区的潜水或承压含水层往往与海水相连，并保持某种平衡如果大量开采陆地地下淡水，引起大面积地下水位下降，从而引起海水入侵，使淡水水质变坏，加强水的腐蚀性,（4）地裂缝的产生和复活,地裂缝主要发生在河南、陕西、江苏、湖北、贵州、河北等省，多为地下水开采、煤矿采空及降雨等因素造成,（5）地下水源枯竭与水质恶化,盲目开采地下水，当开采量大于补给量时，地下水资源就会逐渐减少，以致枯竭造成泉水断流、井水枯干，地下水中有害离子量增多，矿化度增高,（6）建筑物的影响,（7）抽汲地下水出现环境问题的现状,据最新统计(中国日报，2004年7月23日)我国已有50多个城市由于过量的抽汲地下水造成48655km2的地面沉降,4.3 人工回灌与地面回弹,（1）回灌对地面沉降的影响抽汲地下水导致地面沉降，是由于地下水位下降，导致孔隙水压力降低，土中有效应力增加，地层发生压密变形的外在表现回灌，则有利于稳定地下水位，并促使地下水位回升，使土中孔隙水压力增大，土颗粒间的接触应力减小，土层发生膨胀，从而导致地面回弹可控制地面沉降,在地下水集中开采地区，如沪东工业区回灌前1959年10月至1966年9月，地面累计下沉0.51m回灌后1965年9月至1974年9月，地面累计上升1836mm同一时期，沪西工业区回灌前地面累计下沉4359cm，回灌后地面累计上升2644mm,（2）地面回弹模型的建立与求解,相对于含水层(组)的抽水压密过程而言，人工回灌导致的含水层(组)的回弹。(膨胀)过程是完全弹性的，即回灌引起的含水层(组)的竖向膨胀变形过程符合弹性虎克定律；式中(t)-土骨架的竖向膨胀应变 Se(t)-地下水位回升值,5 采空区地面变形与地面塌陷,由于地下开采强度和广度的扩大，地面变形和地面塌陷的危害不断加剧地下矿产开采以后，采空区上方的覆盖岩层和地表失去平衡而发生移动和变形，形成一个凹陷盆地,山西省孝义市郝家寨煤矿,采空区分类,老采空区指建筑物兴建时，历史上已经采空的场地现采空区指建筑物兴建时，地下正在采掘的场地未来采空区指建筑物兴建时，地下贮存有工业价值的煤层或其他矿藏,建筑物与采空区关系,建筑物遭受釆空区地表移动损坏的程度与建筑物所处的位置和地表变形的性质及其大小有关经验表明，位于地表移动盆地边缘区的建筑物要比中间区不利得多地表均匀下沉使建筑物整体下沉，对建筑物本身影响较小，但如果下沉量较大，地下水位又较浅时，会造成地面积水，不但影响使用，而且使地基土长期浸水，强度降低，严重的可使建筑物倒塌,The end,
