環(huán)境巖土工程研究的發(fā)展課件

1、環(huán)境巖土工程學(xué)研究的發(fā)展主講： 黨進謙水利與建筑工程學(xué)院報告內(nèi)容環(huán)境巖土工程學(xué)產(chǎn)生的背景環(huán)境巖土工程的形成環(huán)境巖土工程的定義、內(nèi)容環(huán)境巖土工程的特點環(huán)境巖土工程的研究方法21世紀中國最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境巖土工程問題 1 環(huán)境巖土工程學(xué)產(chǎn)生的背景 環(huán)境巖土工程是當今人類工程活動對環(huán)境的作用和影響的深度和廣度的不斷增加、人類面臨的環(huán)境問題日趨突出的必然結(jié)果。大自然實質(zhì)上是一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)，由大氣圈、水圈、生物圈、巖土圈組成，它們之間是緊密聯(lián)系又相互制約的，其中任何一部分發(fā)生變化時，就會影響到其他幾部分。 巖土工程以工程目的，研究巖石和土的工程性質(zhì)。當巖石和土的工程性質(zhì)或環(huán)境不能滿足工程要求時，就要采

2、取工程措施，對巖石和土進行整治和改造。由于人們對自然認識水平的限制，在整治和改造巖土過程中，不可避免地存在著很大的盲目性和破壞性。 20世紀80年代以來，水體和土壤污染、水土流失、土地退化與沙漠化、泥石流、滑坡、固體廢棄物和核廢料處理、洪旱災(zāi)害、古跡保護等世界性的環(huán)境問題，一直威脅著人類的健康和安全，而且是人類直接相關(guān)的自然環(huán)境的破壞加重。傳統(tǒng)巖土工程發(fā)展到今天，面臨著一系列新的問題： 第一，如何整治和改造復(fù)雜的巖土環(huán)境。巖土工程的作用對象是巖土體，巖土體的工程性質(zhì)和環(huán)境直接影響工程活動。為了適應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展的需要，人類進行工程活動的場址的選擇空間越來越小，將以前認為不適合居住和進行工程建設(shè)的大量

3、土地開發(fā)利用，迫使人類在極其困難的環(huán)境中開發(fā)建設(shè)巨大的工程項目。規(guī)模巨大的跨海工程、三峽工程、青藏鐵路工程、南水北調(diào)工程等，巖土體的性質(zhì)非常復(fù)雜，受環(huán)境影響強烈。 第二，如何減少工程活動對環(huán)境的破壞。當今人類的工程活動已成為地球表層特別活躍的因素和力量，人為對環(huán)境的影響和擾動遠大于自然因素，工程活動破壞地表植被、擾動巖土體，影響水循環(huán)，打破了原有環(huán)境的平衡，必然誘發(fā)環(huán)境的破壞。如地下工程活動破壞了地下水系，引起地面泉水枯竭；隧道開挖破壞了巖土體的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致山體滑坡和泥石流；過量抽取地下水引起區(qū)域性的地面沉降；大型水利工程建設(shè)誘發(fā)岸坡崩塌、地震等。 第三，如何通過巖土工程活動合理處理廢棄物，并防

4、治廢棄物對環(huán)境污染。人類日益增長的生產(chǎn)、生活活動，產(chǎn)生了大量的副產(chǎn)品，工業(yè)垃圾、生活垃圾及其它廢棄物，特別是有毒有害或放射性廢棄物的大量堆積，不僅擠壓人類的生存空間，而且污染環(huán)境，造成傳染性疾病流行，導(dǎo)致人口死亡；廢棄物的淋濾造成下游地下水體污染，引起人、動物和植物中毒等。 第四，如何使工程建設(shè)與巖土環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。工程建設(shè)與巖土環(huán)境是相互作用的，工程活動改變巖土環(huán)境，導(dǎo)致巖土體的性質(zhì)發(fā)生變化，反作用于工程建設(shè)。隨著城市化、工業(yè)化的發(fā)展，人類工程活動對巖土環(huán)境影響的強度和范圍越來越大；巖土環(huán)境對人類工程活動的制約作用亦越來越突出。 以上這些問題，要求巖土工程師們所考慮的不僅是工程本身的技術(shù)問題，

5、還應(yīng)考慮工程與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。對于這些問題，僅靠傳統(tǒng)巖土工程學(xué)是無法解決的，必須結(jié)合環(huán)境科學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、土壤學(xué)等自然學(xué)科和社會學(xué)、經(jīng)濟學(xué)等社會科學(xué)。環(huán)境巖土工程學(xué)作為多學(xué)科的交叉點應(yīng)運而生。 2 環(huán)境巖土工程學(xué)的形成 全球性的環(huán)境破壞和退化，使人類的生存和發(fā)展受到日益嚴重的挑戰(zhàn)，環(huán)境問題已成為全人類共同關(guān)注的焦點。20世紀70年代，人類對環(huán)境問題的認識有了一個飛躍，環(huán)境意識日益增強，環(huán)境保護熱潮在全球蓬勃興起。 人們越來越意識到，人類的一切活動必須建立在對自然發(fā)展演化規(guī)律深刻認識的基礎(chǔ)上，必須強調(diào)人地關(guān)系的協(xié)調(diào)發(fā)展，人類的工程活動必須從追求局部、短期利益的階段向追求整體、長遠利益的階段發(fā)展

6、。 1986年方曉陽教授在第一屆環(huán)境巖土工程國際學(xué)術(shù)研討會上，將環(huán)境巖土工程定位為“跨學(xué)科的邊緣科學(xué)，覆蓋了在大氣圈、生物圈、水圈、巖石圈及地質(zhì)微生物圈等多種環(huán)境下土和巖石及其相互作用問題”。同年方曉陽教授出版了環(huán)境巖土工程專著，在該書中指出，傳統(tǒng)的土力學(xué)和巖土工程研究缺乏對環(huán)境巖土性質(zhì)影響的考慮，而實際上，巖土工程問題正是由于環(huán)境、化學(xué)和生物作用等造成的。 美國土木工程師學(xué)會(ASCE)的巖土工程分會(GT)，意識到巖土工程活動中的環(huán)境問題日益突出，于20世紀90年代初開始醞釀改變他們所辦刊物巖土工程的名稱，以使其包容更廣泛的涉及巖土環(huán)境的內(nèi)容。1997年正式改名為巖土與環(huán)境工程，標志著“環(huán)

7、境巖土工程”的誕生。 3 環(huán)境巖土工程的定義和研究內(nèi)容 3.1 環(huán)境巖土工程的定義 環(huán)境巖土工程作為一門新興的研究領(lǐng)域，近年來發(fā)展迅速，其內(nèi)涵也在不斷的豐富之中。關(guān)于環(huán)境巖土工程的定義和學(xué)科地位，各家看法不一，目前尚未統(tǒng)一，其研究內(nèi)容和范圍也存在較大的差異。 方曉陽教授（1986）指出：環(huán)境巖土工程是一門交叉學(xué)科，覆蓋了在大氣圈、生物圈、水圈和地質(zhì)微生物圈等各種環(huán)境下土和巖石及其相互作用的問題。 胡中雄教授（1990）：環(huán)境巖土工程是應(yīng)用巖土工程的概念進行環(huán)境保護的一門學(xué)科。 龔曉南（2000）：環(huán)境巖土工程是巖土工程與環(huán)境科學(xué)密切結(jié)合的一門學(xué)科，它主要是應(yīng)用巖土工程的觀點、技術(shù)和方法為治理和

8、保護環(huán)境服務(wù) 袁建新（1996）：環(huán)境巖土工程學(xué)是一門新興的綜合交叉學(xué)科，它涉及巖土力學(xué)與巖土工程、衛(wèi)生工程、環(huán)境工程、土壤學(xué)、地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)、水文地球物理、地球化學(xué)、工程地質(zhì)、采礦工程以及農(nóng)業(yè)工程學(xué)等。 施斌（2000）：環(huán)境巖土工程是用巖土工程的基本原理、方法和手段防止自然和人類活動引起的巖土環(huán)境惡化，分析和評價環(huán)境與各類巖土工程間的相互作用和影響，改善城市和人類環(huán)境的運行和生活質(zhì)量，保持人類社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。 白彥光（2003）：環(huán)境巖土工程研究環(huán)境與巖土體之間的相互作用和影響，應(yīng)用巖土工程的理論、技術(shù)和方法為治理和保護環(huán)境服務(wù)，以及應(yīng)用環(huán)境科學(xué)的理論、方法研究巖土工程問題。3.2

9、 環(huán)境巖土工程的研究內(nèi)容和分類 環(huán)境巖土工程學(xué)的研究內(nèi)容非常廣泛，涉及到與巖土工程有關(guān)的所有環(huán)境問題，即凡自然環(huán)境、以及自然環(huán)境經(jīng)過人類作用形成的客觀環(huán)境與巖土工程相互作用的問題，都是環(huán)境巖土工程的工作內(nèi)容。工程活動與環(huán)境是相互作用的，工程活動對環(huán)境的影響并不局限于工程場址的直接環(huán)境，會涉及到工程場址以外更大范圍的環(huán)境；同時，工程在建設(shè)和運行期間，可能導(dǎo)致環(huán)境的次生演化，不利的環(huán)境條件或次生演化的環(huán)境都可能影響工程建設(shè)和正常運行。所以環(huán)境巖土工程學(xué)所要解決的技術(shù)問題，是將人類干擾或破壞了的環(huán)境和不利的環(huán)境塑造成人地和諧的人類生存環(huán)境，使人類工程活動與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。在這個條件下，環(huán)境巖土工程的研

10、究內(nèi)容有： 第一，人類與自然環(huán)境之間的共同作用問題。這類問題的動因主要是由自然災(zāi)變引起的，研究自然災(zāi)變（如地震、水土流失、洪澇災(zāi)害等）發(fā)生的原因、規(guī)律、誘發(fā)因素、造成的危害等，建立自然災(zāi)變的預(yù)測預(yù)報模型，尋求減少災(zāi)害損失的巖土工程協(xié)調(diào)技術(shù)，通過巖土工程的方法抵御由于天災(zāi)引起的環(huán)境問題。 第二，人類生產(chǎn)、生活活動與環(huán)境之間的共同作用問題。這類問題的動因主要是人類自身，隨著城市化水平的提高，各種有毒有害廢棄物排放增多，污染大氣、土壤、地下水和河流，危害人類健康。廢棄物處理的環(huán)境巖土工程技術(shù)，包括：填埋設(shè)計和施工；有毒和放射性廢料的封閉；環(huán)境污染的凈化技術(shù)；場地運營、監(jiān)控和填筑；廢棄物淋濾液控制系統(tǒng)

11、（如截水墻、排水井）等。 第三，人類工程活動與環(huán)境之間的相互作用問題。研究人類的工程活動對周圍環(huán)境的影響，如基坑開挖對周圍環(huán)境的影響；密集建筑群中打樁造成的擠土效應(yīng)；強夯施工等的震動、躁聲對周圍環(huán)境的影響；城市地鐵隧道盾構(gòu)施工對周圍環(huán)境的影響等。 4 環(huán)境巖土工程學(xué)的特點 1)研究對象的系統(tǒng)性。環(huán)境巖土工程學(xué)以解決人類巖土工程活動所產(chǎn)生的環(huán)境問題為主題，人類巖土工程活動處于封閉的循環(huán)的自然環(huán)境系統(tǒng)中，構(gòu)成系統(tǒng)的各要素之間是緊密聯(lián)系又相互制約的，任何一部分的運動變化，都會影響到其他幾部分，同時也在其他幾部分的影響之下。環(huán)境巖土工程就是在自然環(huán)境這個大系統(tǒng)下，研究自然環(huán)境與巖土工程相互作用而形成的

12、復(fù)合系統(tǒng)的運動規(guī)律。 2)研究內(nèi)容的廣泛性。環(huán)境巖土工程學(xué)涉及的問題非常廣泛，既要研究包括在各種工程地質(zhì)條件下的勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)測，安全和可靠地建造各類土木工程等巖土工程內(nèi)容，更要研究應(yīng)用各種方法和手段，防止自然和人類工程活動引起的巖石、土、水、大氣環(huán)境的惡化，分析和評價環(huán)境與各類巖土工程之間的相互作用和影響，以確保工程的安全運行和人類生活質(zhì)量的提高。 3)研究問題的復(fù)雜性。巖土體是自然的產(chǎn)物，又處在自然與人類活動的共同作用下，其性質(zhì)對局部環(huán)境條件的變化非常敏感。環(huán)境要素是多序列的，每個序列中又有多種類型，在工程活動中，各種要素之間的相互作用和相互關(guān)系又在不斷地變化?？梢?，環(huán)境巖土工程問題

13、是由局部逐漸向區(qū)域擴展的復(fù)雜的環(huán)境演化問題。 4) 研究方法的多學(xué)科性。環(huán)境巖土工程學(xué)的研究領(lǐng)域涉及到自然科學(xué)和社會科學(xué)的許多方面，研究方法上，強調(diào)多學(xué)科性，尤其強調(diào)大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈對巖土工程的影響，其中又特別強調(diào)化學(xué)和生物的作用，強調(diào)環(huán)境科學(xué)和工程與當前巖土工程的結(jié)合。 5)研究目標的長遠性。陳新民在論環(huán)境巖土工程一文中指出：環(huán)境巖土工程問題的本質(zhì)和核心是預(yù)測。其研究目標不單是考慮現(xiàn)在，更重要的是考慮長遠的問題。如固體廢棄物的填埋處置，既要保證現(xiàn)在的安全，又要考慮將來的變化和再利用；又如在考慮工程建設(shè)與環(huán)境的相互作用時，從工程在建設(shè)和運行期間可能導(dǎo)致環(huán)境的次生演化出發(fā)，根據(jù)變化后

14、的環(huán)境特征，分析工程與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。 6) 研究成果的社會性。環(huán)境巖土工程學(xué)的研究成果，具有廣泛的應(yīng)用價值，但又是一種很難應(yīng)用的研究成果。環(huán)境問題是全人類共同關(guān)心的重大論題，環(huán)境問題的最終解決在施以技術(shù)手段的同時，還要加強社會管理，提高社會管理水平才能實現(xiàn)。所以，環(huán)境巖土工程學(xué)研究成果的實施，必須得到全社會的承認和法律法規(guī)的支持。 7) 學(xué)科發(fā)展的法規(guī)性。立法對促進環(huán)境巖土工程學(xué)的發(fā)展起著決定性作用。如1980年前后，美國連續(xù)頒布了三個有關(guān)保護建筑環(huán)境方面的聯(lián)邦法律，強調(diào)對已有建筑項目和擬建項目的環(huán)境評估，以此為契機，各大巖土工程公司紛紛開展這方面的業(yè)務(wù)和研究。1995年10月30日頒布的中

15、華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法，促進了固體廢棄物處理與處置技術(shù)和理論的發(fā)展。 8) 學(xué)科的低效益性。環(huán)境巖土工程學(xué)的效益很大一部分體現(xiàn)為社會效益和生態(tài)效益，經(jīng)濟效益較低，利益和成本比遠小于傳統(tǒng)巖土工程。這也是環(huán)境巖土工程學(xué)研究成果推廣困難的一大因素。 5 環(huán)境巖土工程學(xué)的研究方法 一種是粒子能量場理論。方曉陽教授針對巖土工程學(xué)研究方法的不足，提出了可用于分析各種環(huán)境條件下巖土性質(zhì)的統(tǒng)一方法粒子能量場理論，該理論包括基本粒子、粒子系統(tǒng)和能量場三部分。粒子能量場有機械能場、熱能場、電能場、磁能場和放射能場五部分組成。機械能場對巖土工程性質(zhì)起著重要作用，但只能決定問題的短期性狀，環(huán)境（熱、電、放

16、射）能場與自然環(huán)境關(guān)系密切，對巖土性質(zhì)的影響是長期的。粒子能量場理論能識別和表征巖土工程問題的每個階段，可用于巖土工程問題的識別和分類、修正室內(nèi)與現(xiàn)場試驗或理論和試驗結(jié)果、預(yù)期巖土工程的長期性狀等三個領(lǐng)域。 一種是優(yōu)勢面理論。環(huán)境巖土工程的研究要從地質(zhì)環(huán)境的地球物理場、地球化學(xué)場和巖土體質(zhì)量的基礎(chǔ)入手，注意場地區(qū)域性和綜合性特征，突出人類活動的影響作用，最終完成環(huán)境演化的預(yù)測分析，并導(dǎo)出相應(yīng)的對策和治理方法。優(yōu)勢面理論認為：各種環(huán)境巖土工程問題均是一個以優(yōu)勢面為骨架，受多種因素作用的系統(tǒng)，巖土體的穩(wěn)定性是由巖土體結(jié)構(gòu)或優(yōu)勢面控制的，各種因素通過優(yōu)勢面起作用。因此，防止巖土體穩(wěn)定性破壞的各種處理措施都是在消除優(yōu)勢面的導(dǎo)滑作用后方可奏效。優(yōu)勢面的確定是依據(jù)兩類優(yōu)勢面的概念，即地質(zhì)優(yōu)勢面和統(tǒng)計優(yōu)勢面，地質(zhì)優(yōu)勢面反映性質(zhì)優(yōu)勢，統(tǒng)計優(yōu)勢面反映數(shù)量優(yōu)勢。通過兩類優(yōu)勢面的分析，找到真正的控制性結(jié)構(gòu)面真正優(yōu)勢面，進行穩(wěn)定分析。6 21世紀中國最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境巖土工程問題 1) 臺灣海峽