wA環(huán)境巖土工程學(xué)課件東南大學(xué)潘華良環(huán)境巖土工程學(xué)概論8人類工程活動造成的環(huán)境巖土工問題

1、第8章人類工程活動造成的環(huán)境巖土工程問題q解決工程與環(huán)境之間的矛盾的幾點(diǎn)原則：q(1)環(huán)境補(bǔ)償?shù)脑瓌t q(2)工程避讓的原則 q(3)環(huán)境治理的原則8.1打樁對周圍環(huán)境的影響q預(yù)制樁及沉管灌注樁等擠土樁，在沉樁過程中，樁周地表土體隆起，樁周土體受到強(qiáng)烈擠壓擾動，土體結(jié)構(gòu)被破壞。q探討受打樁擾動后樁周土的工程特性，對合理進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)具有重要意義。8.1.1樁擠土效應(yīng)的理論分析q1.小孔擴(kuò)張理論塑性區(qū)的應(yīng)力變化q對飽和軟土，其塑性區(qū)任一點(diǎn)的應(yīng)力兩個(gè)方向(徑向 、切向 )上的總應(yīng)力增量：1ln2rcurrt1ln2rcutr-塑性區(qū)半徑；cu-土的不排水強(qiáng)度；-離樁心距離；彈性區(qū)的應(yīng)力變化 2rr2

2、rtr-塑性區(qū)半徑；cu-土的不排水強(qiáng)度；-離樁心距離；塑性區(qū)邊界上徑向位移、塑性區(qū)半徑及樁土界面的擠壓力pu-樁土界面徑向擠壓應(yīng)力；cu-土的不排水強(qiáng)度；up-塑性區(qū)邊界上的徑向位移；e-土的彈性模量；-土的泊松比。upcreu1ucerr12112lnuuucecp2.強(qiáng)擾動區(qū)的范圍當(dāng)土體確定后，土的力學(xué)指標(biāo)e、c、不變，塑性區(qū)半徑與小孔直徑呈線性關(guān)系。8.1.3沉樁對周圍環(huán)境的影響q(1)噪音的影響。v打樁時(shí)柴油錘產(chǎn)生的噪音可高達(dá)120db以上，一根長樁至少要錘擊幾百次乃至幾千次。這對附近的學(xué)校、醫(yī)院、居民、機(jī)關(guān)等都具有一定的干擾作用，打樁產(chǎn)生的噪音影響人們學(xué)習(xí)、工作和休息。q(2)振動

3、的影響。v打樁時(shí)會產(chǎn)生一定的振動波向四周擴(kuò)散。振動對人來說，較長時(shí)間處在一個(gè)周期性微振動作用下，會感到難受。特別是住在木結(jié)構(gòu)房屋內(nèi)的居民，地板、家具都會不停地?fù)u晃，對年老有病的人影響尤大。v在通常情況下，振動對建筑物不會造成破壞性的影響。點(diǎn)振源，迅速衰減,精密機(jī)床、儀器儀表的正常操作有影響q(3)擠土效應(yīng)的影響。v樁打入地下時(shí)，樁身將置換同體積的土。因此在打樁區(qū)內(nèi)和打樁區(qū)外一定范圍內(nèi)的地面，會發(fā)生堅(jiān)向和水平向的位移。v大量土體的移動常導(dǎo)致鄰近的建筑物發(fā)生裂縫、道路路面損壞、水管爆裂、煤氣泄漏：邊坡失穩(wěn)等等一系列事故。上海外白渡橋立剖面圖按樁的擠土效應(yīng)，樁可分為：q排擠土樁v如混凝土預(yù)制樁、木樁

4、等；排土的體積與樁的外包體積相等；q非排擠土樁v排擠土的體積為零。如鉆孔灌注樁、挖孔樁等；q低排擠土樁v排擠土的體積小于樁的外包體積，如開口的鋼管樁，工字鋼樁等。y型沉管灌注樁減少擠土影響的措施：q(1)預(yù)鉆孔取土打樁。v先在打樁的位置上用螺旋鉆鉆成一直徑不大于樁徑23、深度不大于樁長23的孔，然后在孔位上打樁；q(2)設(shè)置防擠孔。v在打樁區(qū)內(nèi)或在打樁區(qū)外，打設(shè)若干個(gè)出土的孔。出土孔的數(shù)量可按擠土平衡的原理估算；q(3)合理安排打樁順序和方向。v對著建筑物打樁比背著建筑物打樁的擠土效應(yīng)要不利得多；q(4)控制打樁速率。v打樁速度越快，擠土效應(yīng)越顯著；q(5)設(shè)置排水措施。v促使由打樁擠壓引起的

5、超孔隙水應(yīng)力消散；q(6)其他。v如設(shè)置防振溝等等。q加強(qiáng)監(jiān)測。8.2基坑開挖造成地面移動或失穩(wěn)q隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，高層建筑的基坑面積越來越大，深度也越來越深。q開挖基坑，大量卸荷，由于應(yīng)力釋放，即使有剛度很大的支護(hù)體系，坑周土體仍難于避免會發(fā)生水平方向和豎直方向的位移。再由于地下水的滲流，基坑施工期長，坑周土體移動對建筑物、道路交通、供水供氣管線、通訊等造成很大的威脅。8.2.1深、大基坑工程及其環(huán)境土工問題q地表沉降與土層位移v(1)墻體彈性變位；v(2)基坑卸載回彈、塑性隆起、降水不當(dāng)引起的管涌、翻砂；v(3)墻外土層固結(jié)沉降；v(4)井點(diǎn)或深井降水帶走土砂(也是一種地層損失)；v(5

6、)墻段接頭處土砂漏失；v(6)槽壁開挖，地層向槽內(nèi)變形?；幼冃慰刂骗h(huán)保等級標(biāo)準(zhǔn) 保護(hù)等級 地面最大降量及圍護(hù)結(jié)構(gòu)不平位移控制要求 環(huán)保保護(hù)要求 特級 1.地面最大沉降量 0.1h 2.圍護(hù)墻最大水平位移 0.14h 3.ks2.2 基坑周圍 10m 范圍內(nèi)設(shè)有地鐵、共同溝、煤氣管、大型壓力總水管等重要建筑及設(shè)施、必須確保安全。 一級 l.地面最大沉降量 0.2h 2.圍護(hù)墻最大水平位移 0.3h 3.ks2.0 離基坑周圍范圍內(nèi)沒有重要的干線水管、對沉降敏感的大型構(gòu)筑物、建筑物 二級 1.地面最大沉降量 0.5h 2.圍護(hù)墻最大水平位移 0.7h 3.ks1.5 離基坑周圍丑范圍內(nèi)沒有較重要

7、支線管道和建筑物、地下設(shè)施 三級 1.地面最大沉降量 1h 2.圍護(hù)墻最大水平位移 0.7h 3.ks1.2 離基坑周圍 mm 范圍內(nèi)沒有需保護(hù)的建筑設(shè)施和構(gòu)筑物，地下管線 注：h 為基坑挖深，ks為基底隆起安全系數(shù)，按圓弧滑動公式算出(c，取峰值的 70)。 3.地鐵車站深大基坑的施工技術(shù)要求(1)撐后挖，留土堤；(2)對支撐施加設(shè)計(jì)軸力(3070)的預(yù)應(yīng)力；(3)每步開挖及支撐的時(shí)限tr24h；(4)坑內(nèi)井點(diǎn)降水以固結(jié)土體、改善土性，減少土的流變發(fā)展。5.變形監(jiān)控(1)施工工況實(shí)施情況跟蹤觀察；(2)日夜不中斷的現(xiàn)場監(jiān)測與險(xiǎn)情及時(shí)預(yù)測和預(yù)報(bào)；(3)定量反饋分析，信息化設(shè)計(jì)施工；(4)及時(shí)修

8、改、調(diào)整施工工藝參數(shù)；(5)及時(shí)提出、檢驗(yàn)、改進(jìn)設(shè)計(jì)施工技術(shù)措施。 6.減少沉降的措施q(1)采取剛度較大的地下連續(xù)結(jié)構(gòu)；q(2)分層分段開挖，并設(shè)置支撐；q(3)基底土加固；q(4)坑外注漿加固；q(5)增加維護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度和墻外帷幕；q(6)盡量縮短基坑施工時(shí)間；q(7)降水時(shí)，應(yīng)合理選用井點(diǎn)類型，優(yōu)選濾網(wǎng)，適當(dāng)放緩降水漏斗線坡度，設(shè)置隔水帷幕；q(8)在保護(hù)區(qū)內(nèi)設(shè)置回灌系統(tǒng)；q(9)盡量減少降水次數(shù)。8.2.2.深基坑開挖對臨近地下管線的影響q1.地下管線位移計(jì)算q地下管線位移計(jì)算可按豎向和水平兩個(gè)方向的位移分別計(jì)算。(2)地下管線豎向位移計(jì)算q沉陷區(qū)的豎向位移方程y(x)： q地下管線

9、水平位移方程y(x) 8.3軟土隧道推進(jìn)時(shí)的地面移動q在軟土地層中，地鐵、污水隧道等常采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)在地下推進(jìn)時(shí)，地表會發(fā)生不同程度的變形。q地表的變形與隧道的埋深、盾構(gòu)的直徑、軟土的特性、盾構(gòu)的施工方法、襯砌背面的壓漿工藝等因素有關(guān)。8.3.1盾構(gòu)掘進(jìn)中的環(huán)境問題q由于盾構(gòu)掘進(jìn)引起地層擾動，諸如土體地表沉降和分層土體移動、土體應(yīng)力、含水量、孔隙水壓力、彈性模量、泊松比、強(qiáng)度和承載力等物理力學(xué)參數(shù)的變化是不可避免的。武警戰(zhàn)士正用黃沙填堵凹陷的地面 2003年7月2日凌晨，上海地鐵四號線發(fā)生地面沉陷事故，樓房倒塌，外灘防汛墻被破壞。 8.3.3盾構(gòu)掘進(jìn)引起的土體沉降機(jī)理q1.水和泥漿的擾動

10、v盾構(gòu)經(jīng)過的地區(qū)，可能引起地下水含量和紊流運(yùn)動狀態(tài)的改變。q2.對不良土層的影響v盾構(gòu)法施工刀盤的切削旋轉(zhuǎn)振動引起飽和砂土或砂質(zhì)粉土的部分液化。3.周圍土體應(yīng)力狀態(tài)的變化盾構(gòu)掘進(jìn)施工引起的土體沉降機(jī)理 沉降類型 原 因 應(yīng)力擾動 變形機(jī)理 i 盾構(gòu)工作面前方土體隆起 工作面處施加的土壓力過大；上隆(過?。撼两? 孔隙水壓力增大， 總應(yīng)力增大 土體壓縮產(chǎn)生彈塑性變形 初始沉降 土體受擠壓而壓密 孔隙水壓力消散， 有效應(yīng)力增大 孔隙比減小， 土體固結(jié) 盾構(gòu)通過時(shí)的沉降 土體施工擾動，盾殼與土體間剪錯(cuò)。出土量過多 土體應(yīng)力釋放 彈塑性變形 盾尾空隙沉降 土體失去盾構(gòu)支撐，因建筑空隙產(chǎn)生地層損失，管片

11、后背注漿不及時(shí) 土體應(yīng)力釋放 彈塑性變形 v 土體次固結(jié)沉降 土體后續(xù)時(shí)效變形(土體后期蠕變) 土體應(yīng)力松弛 蠕變壓縮 盾構(gòu)掘進(jìn)對土體的影響范圍rrrrpprrcccccparsin2sin1tancostan8.4抽汲地下水引起的地面沉降q8.4.1地下水位上升引起的巖土工程問題v1.淺基礎(chǔ)地基承載力降低v2.砂土地震液化加劇v3.建筑物震陷加劇v4.土壤沼澤化、鹽漬化v5.巖土體產(chǎn)生變形、滑移、崩塌失穩(wěn)等v6.地下水位凍脹作用的影響v7.對濕陷性黃土、崩解性巖土、鹽漬巖土的影響v8.膨脹性巖土產(chǎn)生脹縮變形8.4.2抽汲地下水產(chǎn)生的環(huán)境問題v1.地表塌陷v2.地面沉降v3.海(咸)水入侵v4

12、.地裂縫的復(fù)活與產(chǎn)生v5.地下水源枯竭，水質(zhì)惡化7.抽汲地下水出現(xiàn)環(huán)境問題的現(xiàn)狀q據(jù)最新統(tǒng)計(jì)(中國日報(bào)，2004年7月23日)我國已有50多個(gè)城市由于過量的抽汲地下水造成48655km2的地面沉降。8.4.4人工回灌與地面回彈q1.回灌對地面沉降的影響q抽汲地下水導(dǎo)致地面沉降，是由于地下水位下降，導(dǎo)致孔隙水壓力降低，土中有效應(yīng)力增加，地層發(fā)生壓密變形的外在表現(xiàn)。q回灌，則有利于穩(wěn)定地下水位，并促使地下水位回升，使土中孔隙水壓力增大，土顆粒間的接觸應(yīng)力減小，土層發(fā)生膨脹，從而導(dǎo)致地面回彈可控制地面沉降。q在地下水集中開采地區(qū)，如滬東工業(yè)區(qū)，回灌前1959年10月至1966年9月，地面累計(jì)下沉0.

13、51m，回灌后1965年9月至1974年9月，地面累計(jì)上升1836mm；同一時(shí)期，滬西工業(yè)區(qū)回灌前地面累計(jì)下沉4359cm，回灌后地面累計(jì)上升2644mm。q申昆毛紡廠位于昆山市區(qū)、長江三角洲沖積平原。q境內(nèi)水網(wǎng)密集，水利資源豐富，主要河、湖有吳淞江、婁江、陽澄湖、淀山湖，水面占全市總面積22。 q申昆毛紡廠自1989年開始已連續(xù)6年采用深井回灌。如2號井剖面，孔深68m以上為粉砂、粉細(xì)砂潛水、微承壓水含水層，68m96m為第一承壓水，細(xì)砂含水層厚度16m，濾水管位置73m89m，承壓水位埋深7.5m，水溫20，出水量56m3d q申昆毛紡廠深井回灌量每年2萬t左右，用水量1.6萬t，回灌時(shí)問

14、100d105d。q夏灌冬用井一般從6、7月份自來水水溫高于25.6時(shí)開始回灌，到9月份水溫低于25.6時(shí)停止。q冬灌夏用井在12月份自來水水溫低于12.6時(shí)開始回灌，到翌年3、4月水溫升至12.6停灌。q2號井試驗(yàn)曲線，夏灌期回灌水量2.39萬t，平均水溫28.2，冬用期用水量0.44萬t，平均水溫25.4，9個(gè)月采灌期中在含水層中溫差3。q3號井試驗(yàn)曲線可以看出：冬灌期回灌水量2.03萬t，平均水溫9.2，夏用期水量1.63萬t，平均水溫11.4，10個(gè)月采灌期中在含水層中溫差2.2。2 號試驗(yàn)井回灌量與水溫變化 夏灌期 冬用期 試驗(yàn)時(shí)間 1990.6 1990.7 1990.8 1990

15、.9 總計(jì) 1990.12 1991.1 1991.2 1991.3 總計(jì) 回灌量(t) 1577 9681 8170 4536 23964 1220 2110 1016 76 4422 水溫() 27.3 30.6 29.5 25.4 28.2 (平均) 25.6 24.8 26 / 25.4 (平均) 3 號試驗(yàn)井回灌量與水溫變化 冬灌期 夏用期 試驗(yàn)時(shí)間 1990.11 1990.12 1991.1 1991.2 1991.3 1991.4 總計(jì) 1991.5 1991.6 1991.7 1991.8 1991.9 總計(jì) 回灌量(t) 264 5281 6703 5828 2141 17

16、2 20389 1393 2487 3969 4416 4073 16338 水溫() 12.4 7.8 5.8 7.6 9.5 12.6 9.2 (平均) 11.0 / 11.25 12.2 / 11.4 (平均) 表 3 深井制冷與人工制冷機(jī)經(jīng)濟(jì)效益對比表 溴化鋰制冷機(jī) 壓縮制冷機(jī) 項(xiàng)目 冬灌井 蒸汽噴射制冷機(jī) 單效 雙效 氨壓 離心機(jī) 設(shè)備費(fèi)用比 1 1.2 5 6 4 5.3 投資費(fèi)用比 1 2.2 4.4 4.1 4.1 5.6 運(yùn)行費(fèi)用比 1 2.3 1.3 1.5 2.1 2.0 耗電比 1 4.5 5 5 17 18 耗煤比 1 3.0 1.8 / / / 2.地面回彈模型的建立與求解q相對于含水層(組)的抽水壓密過程而言，人工回灌導(dǎo)致的含水層(組)的回彈。(膨脹)過程是完全彈性的，即回灌引起的含水層(組)的豎向膨脹變形過程符合彈性虎克定律；q 式中 (t)-土骨架的豎向膨脹應(yīng)變；q se(t)-地下水位回升值。ez tsatewez18.5采空