环境岩土工程研究初探.pdf

岩土工程 环境岩土工程研究初探 施溪溪1,石丹群2,唐永菁3 1. 南京化工职业技术学院,江苏 南京210048 ; 2.江苏建筑工程质量检测中心有限公司,江苏 南京210008 ; 3.江苏纺织工业设计研究院有限公司,江苏 南京210009 摘要环境岩土工程是岩土工程的一个分支,是一门新兴的交叉学科,其学科体系还不是很完善。 在探讨了环境岩土工程的一些相关问题,包括环境岩土工程的定义、 研究对象、 特点、 研究方法、 环境 岩土工程和相关学科的关系以及环境岩土工程问的研究现状和发展趋势。 关键词岩土工程;环境;环境岩土工程;工程地质 中图分类号X14 文献标识码B 文章编号10045716200807000104 1925年太沙基出版了第一本土力学专著,标志着 土力学的诞生。人类开始真正地从强度和变形方面认 识岩土。岩土工程一开始就是复杂的,而后随着人口增 长、 生活水平的提高和工业化进展,岩土工程将变得更 加复杂。由于人口的不断增长,人们对土地的需要越来 越多。许多以前认为不适合建造住宅区或其它建筑物 的地面土壤层,如填地、 潮湿地、 活动土壤地段及矿井沉 陷区,现在也逐渐开始启用。为了克服这些天然的或人 为的有问题土体的不良状况,就需要更多土体的信息。 随着工业的发展进步,生活水平不断提高,许多大气、 水 体及陆地被工业、 农业及城市固体废物污染。这些都促 进了环境岩土工程的发展。随着人们的对岩土工程认 识的逐步加深和人们环境意识的逐步提高,环境岩土工 程开始发展起来并逐渐从岩土工程中分化出来。1986 年在美国里海大学召开的第一届国际环境岩土工程学 术讨论会标志着环境岩土工程成为了一门独立的学科。 1环境岩土工程的定义和研究对象 环境岩土工程学是跨学科的科学,它包括土壤、 岩石 以及它们和环境圈的相互作用。环境圈包括岩石圈、 大气 圈、 生物圈、 水圈以及微生物圈。环境岩土工程研究的对 象不单是岩土体,还包括与之相关联的其它环境要素。 由于目前环境岩土工程学科的形成还处于初步阶 段,人们对它还有不同的认识,所以对环境岩土工程的 理解不一,所给出的定义也不一致。1986年4月21～ 23日在美国宾州里海大学土木系,美籍华人方晓阳教 授主持召开的第一届环境岩土工程国际学术研讨会。 会上方晓阳教授指出环境岩土工程是一门交叉科学,覆 盖了在大气圈、 生命圈、 地水圈、 岩石圈及地质微生物圈 等各种环境下土和岩石及其相互作用问题。钱易院士 认为环境岩土工程学是应用岩土工程的概念进行环境 图1 各圈层及它们的相互作用 保护的跨学科的边缘科学。龚晓南认为环境岩土工程 是岩土工程与环境科学密切结合的一门新学科。它主 要应用岩土工程的观点、 技术和方法为治理和保护环境 服务。袁建新认为环境岩土工程学是一门新兴的综合 性交叉学科,它涉及岩土力学与岩土工程、 卫生工程、 环 境工程、 土壤学、 地质学、 水文地质、 水文地球物理、 地球 化学、 工程地质、 采矿工程以及农业工程学等。罗国煜 等认为环境岩土工程属于环境地质学范畴,并将环境岩 土工程分为区域环境岩土工程和城市环境岩土工程。 施斌认为环境岩土工程研究的主要内容是用岩土工程 的基本原理、 方法和手段防止自然和人类活动引起的岩 土环境的恶化,分析和评价环境与各类岩土工程间的相 互作用和影响,改善城市和人类环境的运行和生活质 量,保持人类社会经济的可持续发展。环境岩土工程除 了需要力学基础外,还需要化学、 环境科学、 地质科学和 社会科学。 综合不同学者的理解,环境岩土工程主要研究环境 1 2008年第7期 西部探矿工程 与岩土体之间的相互作用,应用岩土工程的理论、 技术 和方法为治理和保护环境服务。环境岩土工程可理解 为岩土工程中考虑环保要求的工程,或者为满足环保需 要而进行的岩土工程。 从系统科学的观点看,环境岩土工程研究环境系统 与岩土工程相互作用而形成的复合系统的运动规律。 它以岩土工程活动为中心,探索岩土工程与环境之间的 关系,从而规划人类的岩土工程,以达到岩土工程活动 与环境的协调发展。 环境岩土工程学包括三个学科的内容岩土工程 学,环境科学与工程,土壤学。环境岩土工程的研究的 对象为环境岩土体和环境工程地质体,包括工程岩土 体,作为工程岩土体环境的岩土体,以及环境问题所涉 及的岩土体或地质体。环境岩土体是用力学和工程的 方法对其加以考察和描述,而环境工程地质体则是用地 质的方法和手段对其进行描述和研究。 2环境岩土工程的研究范畴与分支 环境岩土问题涉及的内容包括两大方面;一方面是 主要由于自然环境造成的大环境岩土问题,如江河湖海 的变迁、 泥石流、 区域滑坡、 海岸灾害风暴、 侵蚀、 地质 地震、 火山洪水等;另一方面是主要由人为的因素造成 的小环境岩土问题,如废弃污染问题,森林植被破坏造 成的水土流失,地面沉降变形,深基坑开挖失稳,打桩振 动等。事实上,前者也或多或少与人为因素有关,而且 小环境问题也会转化为大环境问题,如水库诱发地震、 大规模山体滑坡等。 图2 环境岩土工程的一般性分类系统 环境岩土工程具体研究内容很广泛,例如有滑坡、 管涌、 地震等灾害对岩土工程活动的影响分析;岩土工 程活动所造成的诸如地面沉降等环境岩土工程问题的 评价和治理;垃圾填埋处理、 名胜古迹保护、 核废料处置 等新的内容。对环境岩土工程的问题归纳如下有岩土 体力学稳定、 变形以及渗流问题;地震及环境振动问题; 岩土体化学问题;与能量场变化有关的问题;岩土体物 质的机械迁移问题;放射性问题;特殊岩土体问题;生态 问题。 方晓阳教授认为环境岩土工程有地质环境岩土 工程和生态环境岩土工程两个主要分支。地质环境 岩土工程主要强调有害有毒废料控制系统的管理和 修正、 填料场的选择、 填料的稳定性分析和土污染技术。 生态环境岩土工程主要研究环境岩土工程的敏感性 生态和地质方面。它又包括三类问题与地质、 气候有 关的问题,如泥石流、 沙漠、 湿地;与健康有关的问题,如 酸雨、 核废料;与文化有关的问题,如考古。 3环境岩土工程研究中的特点及研究方法 岩土实践的范围是地球表层,而地球对于宇宙来讲 是一个子系统,它的变化受其他子系统的影响,它们之 间有物质和能量的交换,是一个开放的系统;自然资源 是有限的,我们只有一个地球,并且随着人口的增长,资 源与人口相比越来越小,所以我们应实施可持续发展战 略,而不能盲目地掠夺式地利用,以防止对环境造成不 利的影响;人类无计划的活动会毁灭人类自身;自然界 在不断地变化,有一些直接危害人类,反过来人类要避 开危害,就必须采取措施;虽然岩土工程曾带来一些消 极影响,但它是由于人类认识上的片面性和历史的局限 性造成的,所以从理论上讲,所有的环境岩土工程问题 是可以解决的,但它依赖于人们环境意识的提高,岩土 工程技术的进步和法制建设的健全。 环境岩土工程既属于岩土工程也应属于环境学科。 2 西部探矿工程 2008年第7期 环境学科具有综合性、 多样性和发展性。环境岩土工程 当然也要用发展的眼光去看待和思考。环境科学由各 学科的环境分支组成。原学科的特色在其环境分支中 也必然有所体现。因此,从工程地质、 岩土力学和环境 工程视角研究环境岩土工程,也必然有各自特色。互相 尊重,取长补短,将促进环境岩土工程更快发展。环境 岩土工程容量虽大,但以解决人类岩土工程活动所产生 的环境问题为主体,特别是城市环境岩土工程。所以, 岩土力学和工程地质的结合,也自然会构成环境岩土工 程发展的主体。 环境岩土工程是一个系统工程。它涉及许多学科 领域,所以在研究中应从学科间的交叉处着眼,以辩证 的观点分析和解决问题。其次,由于人类工程活动造成 的环境问题,即环境岩土工程问题已越来越严重,应用 岩土工程的理论、 观点和技术解决好这些环境问题,改 善环境,使其更符合人类的生存需求。 对于如何解决环境岩土工程问题,方晓阳教授 1989年提出了一个 “粒子场理论” 用来评价土 水 污 染物相互作用,预测土的长期形状,他认为传统的机械 能场理论只能决定问题的短期性状,环境因素如温度 变化、 干湿、 胀缩、 冻融循环、 污染等将改变土粒子性 质,从而影响土的性质,且这种影响是长期的。方晓阳 教授的这种认识与包承纲教授的 “要把土当真正的土” 的认识是相通的。这种环境土力学的研究观点,能够在 土力学发展中发挥积极作用。 罗国煜教授在E. Hoek统计优势面概念启发下,提 出两类优势面概念,以较系统的优势面分析理论从事环 境岩土工程问题和地质灾害研究。优势面分析理论认为 稳定性取决于断裂 → 老、 新、 活三类断裂 → 优势断裂。 优势断裂是对稳定性起控制作用的断裂,它可用优势指 标按系统分析方法找出,并通过优势面组合分析优势面 组合 → 优势分离体建立地质仿真模型,以之建立相应力 学模型,实现地质分析与量化评价的合理结合。 4环境岩土工程与相关学科的关系 由于环境问题涉及的面比较广泛,问题本身往往又 比较复杂,环境岩土工程学与相邻各专业在工作内容上 不可避免地要出现交叉甚至重合。与环境岩土工程相 关的学科有工程地质学、 岩土力学、 岩土工程学、 地质 工程、 环境工程地质学。 工程地质学的基础理论是地质学的基本理论,它认 为地质成因和演化过程决定地质体的工程特性,研究方 法是从地质体局部特性上进行研究,探索地质体在生成 时的地质环境以及形成地质体的地质作用和演化过程, 从而在整体上认识和把握地质体的组成和结构以及发 育规律,并进一步探讨和预测它在工程建筑物作用下的 表现和工程行为。 岩土力学、 岩土工程和工程地质学在研究对象和目 标上有很大的相同之处;是密切相邻的学科。但是岩土 力学属于力学学科的边缘,而岩土工程属于工程学科的 边缘。虽然对岩土的地质认识是建立岩土力学模型和 本构关系的重要基础,但岩土力学更偏于模型及建模后 的力学研究。岩土工程是将岩土作为工程结构物的一 部分工程学科。不过岩土力学和岩土工程与其他的力 学或工程学科相比,需要更多地质学科的支持,或者说 更需要与地质学科的结合。 环境工程地质与环境岩土工程在研究内容上有很 大一部分是重复的。例如自然地质灾害中的滑坡、 泥 石流、 地震、 地面沉降等都是双方共同研究的内容。.但 从研究的出发点来看,二者还是有一定的区别。环境岩 土工程更着重于研究由人类工程引起的环境问题和用 工程的观点去处理地质灾害问题,而环境工程地质则侧 重于地质学的观点去认识地质灾害问题。 岩土工程活动会引发环境问题,这就对岩土工程提 出了挑战。我们应该用岩土工程技术解决一切岩土工 程活动可能产生的环境问题。如用更先进的岩土工程 技术解决深基坑、 地铁开挖可能产生的地表变形等环境 问题,即把环境岩土工程问题的解决落到实处,采用比 以前更先进的岩土技术和切实的岩土工程措施,使工程 建设过程中和建成后,都不会引发环境问题。 以上这些学科与环境岩土工程可以说是殊途同归, 其研究成果和研究方法与环境岩土工程有很大的互补 性,对环境岩土工程研究而言有借鉴的地方。不同学科 之间的关系应该是 1交叉的课题应该是各有侧重; 2在工作环节上相互衔接,或者是平行探索; 3在方法论上发挥所长,相互补充; 4学科发展上应该是相互渗透。 一切环境问题是自然科学问题,同时也是社会问 题,任何学科对环境问题的研究都不能单纯注重其发生 的机理和防治的技术,环境岩土工程进行理论研究和技 术开发要将为社会管理决策提供技术支持作为一项内 容,同时要同法学、 社会学、 经济学进行合作研究,促进 与环境岩土工程有关的公共管理体系的建立健全。 5当前环境岩土工程研究现状和趋势 环境岩土工程学的岩土力学领域已相当成熟且具 有长期的发展历史,近年的新进展主要涉及与之相关的 废物处置、 污染控制和环境治理等问题。环境岩土工程 学莲勃发展的领域主要有 3 2008年第7期 西部探矿工程 1污染物的固定。有害废物的集中处置和集中利用 是发展的主流,可避免被处置的污染物产生有害影响。 2加强植被的应用。植被是土壤自然平衡的一部 分,适当地选择植物可免除或减少更昂贵的工程措施的 使用。植被也是最好的水土流失控制手段。 3对自然界的先进数学模拟技术、 计算机硬件 和软件的发展大大促进了数学模拟技术的发展。可 以预料,对土壤性质试验结果的统计分析、 对物质和 能量传输过程的模拟和分析以及新数学方法的引入 将使规划和设计更加安全可靠。当前,计算机分析 的 “瓶颈” 是如何为数学分析确定可靠的设计参数。 更高级的计算机程序的可靠性与输入数据的可靠性 同等重要。关键问题是参数和模拟,而计算技术本 身一般很少会出现错误。 中国是发展中国家,正在大搞经济建设,岩土工程 活动越来越多,工程规模越来越大,引发的环境问题,即 环境岩土工程问题也越来越严重。目前对环境岩土工 程的研究还停留在层面上。还应加强岩土工程理论和 技术的研究,使岩土工程理论和技术的原理和环境的原 理相协调,使工程的建设尽量少引发环境问题。特别是 现在可利用的良好场地已越来越少,不得不在条件恶劣 的场地上进行工程活动,如长江三峡移民工程中,就不 得不在古滑坡等上面建房,为了不引发环境问题,这就 对岩土工程理论和技术提出了更高的要求。当前西方 先进国家已把环境岩土工程的重点转向垃圾填埋处理、 高放废物处置、 名胜古迹的保护、 土 水 污染物相互 作用原理等方面的研究。作为发展中国家的中国,在这 方面的研究还刚刚起步。所以对中国来说,只有加强在 垃圾填埋处理、 高放废物处置等方面的研究,才能紧跟 世界潮流,把握世界研究新动向。 6 小结 环境岩土工程是一门新兴的学科,对它还没有一个 确切的、 公认的定义,研究范畴还很模糊。但它也有自 己鲜明的个性,是一门实用性很强、 应用十分广泛的综 合性交叉学科。它涉及岩土力学与岩土工程、 卫生工 程、 环境工程、 土壤学、 地质学、 水文地质、 水文地球物 理、 地球化学、 工程地质、 采矿工程以及农业工程等。环 境岩土工程的研究有着重要的意义,它使我们站在一个 更高的层次去考查和分析岩土工程,使之更符合自然规 律,使我们周围环境更适宜于人类的生存和发展。总的 说来,环境岩土工程在实际的应用中展示了它的生命 力。相信随着环境岩土工程实践的发展,环境岩土工程 理论也将取得更大的发展,并成为21世纪岩土工程中 的热点问题。 参考文献 [1] 方晓阳.环境岩土工程学[M].刘洁,译.地下空间, 1996 , 162 1052126. 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J iangsu Province Textile Industry Design an Research Institute Co. , L td. N anjing J iangsu210009, China Abstract As the branch of geotechnical engineering , environ2 mental geotechnology is a new intercross subject. Now , its sub2 ject system is not perfect. This paper studies on some concerned problem of environmental geotechnology. These problems inclu2 ding the definition , research subject , characteristic and research of environmental geotechnology are analyzed and mean2 while the relationship between environmental geotechnology and other related subjects is discussed. Finally , the development sta2 tus , tendency and prospect of the science are also discussed in this paper. Key words geotechnology engineering; environment ; environ2 mental geotechnology; geoengineering 4 西部探矿工程 2008年第7期