城市地质环境发展进度中的问题.doc

城市地质环境发展进度中的问题 城市地质环境发展进度中的问题 目录 1 城市地质环境极限及其量化描述指标 2 城市地质环境达到极限的触发因素分析 3 结论及建议 摘要 关键词 城市是人类最伟大的创造之一,它融会了人类所有各种各样的需求活动和无止境的创造,是在不断演变的人造物体。由于世界人口增加、生产的发展和集中化、经济的发展和集团化以及人口不断向城市聚集,城市的面积和数量都在迅速增长。 据统计,在上世纪初只有十分之一的人在城市中生活,而上世纪末,将近有一半人生活在城市。随着城市的不断扩充,大城市间的距离越来越小,逐渐形成了大范围的城市片和带。现在,全球已经形成了43个城市连续区,尚有20多个正在形成中,总人口已经达14亿。如美国的大西洋沿岸从波士顿到华盛顿;加利福尼亚半岛从圣地亚哥到旧金山;西欧的从英国伦敦到荷兰;日本东海从东京到大阪等等[1]。全球性的城市化是社会发展的趋势,是人类社会发展的一个必然。人口的迅速集中也就意味着其衣食住行所需的住宅、餐厅、商厦、工厂等建筑物的集中。到目前为止,不少国家和地区的高层建筑一般在8层以上,几乎占了整个城市建筑面积的3040。得天独厚、工业商业发达的美国,高层建筑数量最多,高度在100160 m的建筑就超过了100栋。有些国家还出现了高层建筑群,如法国巴黎的DEFECE区就修建了几十栋3050层的大楼;纽约市中心的曼哈顿有2030层的办公楼350栋。所以,可以预见未来城市在更大的面积上将更加密集的耸立超高层建筑物。 如此大面积、集中的人口、工业、建筑物势必对城市区域的地质环境产生巨大的压力。由此可见,当人类在城市中生活、工作、娱乐时,人的活动赋予了城市生命。但在某种意义上也可以说,人类活动同样是导致城市生命历程的坎坷甚至终结的主要因素。 1 城市地质环境极限及其量化描述指标 1.1 地质环境极限 城市地质环境大体上是指城市所在部分的地壳表层在自然条件下,依其自然规律保持着动态平衡的系统。即地壳表层与大气圈、水圈、生物圈,在长期地质历史中进行着能量迁移和物质交换,并在长期演化过程中逐步建立相对平衡的开放系统。它是具有自身特征和功能的空间,当受到外界扰动时,系统会自行调整来维持平衡。但是,如果扰动过大,超过系统承受的极限,平衡将不再能恢复。地质环境达到极限时的表现主要有地震、滑坡和泥石流、地面变形地面沉降、岩溶塌陷、地裂缝、地表变形和地基土体溶蚀引起的承载力下降、砂土液化等地质灾害。 1.2 量化描述指标 笔者建议用综合熵作为城市地质环境系统极限的量化描述指标,熵表示系统内的混乱度或无序度。在自然界,过程能自发地向着混乱度增加的方向进行,即系统倾向于取得最大的混乱度。热力学第二定律熵增定律表述了这一自然界的规律在有限的空间和时间内,一切与热运动有关的物理、化学过程的发展都具有不可逆性。 121 力学第二定律的表达形式[2] 1克老修斯表述热量不可能自动地由低温物体向高温物体传递。 2开尔文表述单一热源不能作功,也就是第二类永动机是不可能制造的。 3熵的表述在孤立系统中所发生的一切实际过程,总是使整体系统的熵值最大。由于热现象总是与大量分子的无规则运动相联系的,所以热力学第二定律也可以这样表述,即一个孤立系统中发生的任何过程总是由几率小的状态向几率大的状态进行的,亦即系统趋向混乱发展。 122 熵的表达式 1以热量和温度之比表示,即SQC/T 1式中S为熵变;T为温度;QC为热量。式1的涵义是,同样大的热量,其温度高与温度低时作可用功的效率是不一样的,温度高时效率大,温度低时效率小。 2统计物理学表示,即Sklgw 2式中S为熵变;k为波尔兹曼常数;w为微观状态出现的几率。 123 综合熵 当系统完全处于平衡时,熵最大。熵的概念是从平衡态的特性引入的,后来又把它推广到非平衡态。对处于任何非平衡态的系统,可分成许多小部分,每个小部分都可视为处于平衡态。据熵的可加性,整个系统处于非平衡态的熵,等于其中每个小部分熵S1、S2、S3、Sn的总和,即SS1S2S3Sn3通常把任意状态的平衡和非平衡态的熵称为广义熵。根据式3可以讨论城市地质环境系统中各种地质灾害相应的熵S1、S2、S3、Sn等,并按熵的相加性,求得城市的整体综合熵,但是具体如何将各种灾害折合成熵还正在进一步研究。 2 城市地质环境达到极限的触发因素分析 热力学第二定律揭示了自然界物质能量有朝着 混乱方向运行的趋势,即自然界的热力学过程总是由不平衡态不可逆地趋向平衡态。但另一方面,地球上的生物进化却越来越有秩序,即使是最小的植物也要靠创造环境的大混乱来维持自身的秩序;每次人类技术所建立起来的只是一个暂时秩序的岛屿,而在此同时会给周围环境带来更大混乱,如果用更新的和更复杂的技术来排难解纷,只会给世界带来更大的混乱,就像火上浇油一样[3]。通俗的说就是人类在为自己创造幸福的时候,也创造了灾难。城市的建设就是一个最明显的例子。热力学第一定律能量守恒和物质不灭定律告诉我们,人类的资源和能源是有限的,供给一个城市的有效能量是有限的。 热力学第二定律是能量以不同形式转化的定律,这个有效能由于人类的介入而转化成为无效能,有序能转化为无序能,集中能被转化成分散的收不回来的能。这种无效、无序、分散能始终是增加的,即环境的熵是增加的。将系统缩小到地质环境,当地质环境的熵增加到一定值时,有效能降低得无法维持人类的正常生存,人类对秩序进行恢复的努力变得“得不偿失”、城市地质环境达到了极限。下面对使熵增加的地震、滑坡和泥石流、地基土体溶蚀引起的承载力下降、砂土液化、地面变形地面沉降、岩溶塌陷、地裂缝和其触发因素人类城市的活动日常工作生活、地上建设建筑物、人工地面、植被破坏、地表地下开挖、地下水开采等引起的混乱效应,热岛效应高温低压、电容器效应、电磁效应、荷载效应、天然地面覆盖、污染、雷击、地下临空面等等之间的关系进行简要分析。 2.1 地上建筑物聚集 城市建筑高层化、密集化的趋势日益明显,势必有越来越大的荷载作用于城市区域,将影响地下构造体的应力分布。如果地应力中,垂直应力是最大主应力时,加载效应将 成为发生破裂的条件,很容易影响地震活动。例如城下式地震可能因为地面重荷导致的围压增大,使发震时间推迟而强度会增加;对城市附近地区的地震,因为有水平牵拉作用而促使其易于发震。 同时上部荷载使地基土体压密,引起地下空洞的顶板坍塌,造成地面变形地面沉降、岩溶塌陷、地裂缝、地表变形。山地城市中的建筑物荷载,会对山坡有侧拉作用,导致滑坡。 据有关资料,我国各个地区的地裂缝与该区的地震活动和频度成相关关系。早在上世纪六七十年代只有沭阳、邯郸、西安等地地裂缝的报道,近20多年来,已在全国25个省区发现地裂缝[4]。而这20多年是我国城市规模发展最快的的时候,这可以间接的反映城市建设活动对地质环境的影响。 2.2 地表地下开挖 为了满足城市高密度人口的需要,城市正在向三维空间发展,与建筑物高度相一致的基坑深度在迅速增加;地下功能空间地下商业空间、交通空间、文化娱乐空间的利用率增大;地下多功能隧道城市共同沟兴建。当这些地下空间建设时,临空面附近的地质体因应力场变化导致破坏,从而有可能诱发地震和地面变形。如图2中所示,在较软地层中、张性断层下、正断层下、俯冲断层上的开挖。 多数深度较大的开挖都伴随着地下水暴露、水流方向改变、动水压力等,将影响临空面的稳定。伴随着开挖降水,地质体中的孔隙水排出,有效应力增大,土体压缩固结,地面发生变形。平原区尤其沿海、沿江地区地下水埋深较浅,年平均水位一般在地下0.53 m范围内,地层常为饱和软粘土、淤泥质粘土,夹有细砂、薄层粉细砂层。因此,深基坑一经开挖,大多首先要遇到地下水悬浮颗粒向上突泥、涌水和冒砂问题。这些不良作用不仅使基坑底变得松软难以施工,而且由于地下水将深部及周边物质的带出,随时间的推移造成地面沉降、裂缝的发生。例如武汉汉口区某深约6 m的基坑,由于工程位于土质条件很差的粘性土、淤泥质土的环境中,加之护坡结构不合理,在开挖过程中护坡桩向坑内侧倾歪,结果使旁侧的某服装厂生产楼发生整体倾斜,一些部位被拉裂,且在院内出现了数条裂缝,造成不良的环境工程地质效应[6]。 20世纪80年代以来,我国发生的多起大型灾难性崩滑地质灾害事件与地表地下开挖有关,而且近几年有愈演愈烈的趋势,如1980年的盐池河岩崩、1992年的乌江鸡冠岩崩、陕西韩城电厂边坡变形引起的地面变形等[5]。 2.3 热岛效应 城市的人为活动将增加污染保温气体二氧化碳,再加上植被减少、钢筋混凝土建筑物的吸热放热,使得城市相对于郊区温度增高,它好象温度相对低的海洋中出现一个吸收阳光而温度相对高的岛屿一样。岛屿在气象上产生的效应在城市也同样有,所以把城市在气象学上的效应称为“热岛效应”[2]。城市热岛效应表现在由地面向上温度降低的梯度加大,地表形成低压。低压可以吸出地下热气,相当于施加给地质体一个附加的“水压力”,有效应力减小,不但可促使砂土的液化还有助于断层的错动,同时热气使低压变得更低,它有助于使地表的温湿空气上升到很高处遇冷,如果恰好又赶上固体潮的峰值,有固体潮放出的地下热水汽参与,可形成大的暴雨。有效应力减小和暴雨叠加很可能触发地震。而暴雨和地震又容易引起崩塌、滑坡。1981年四川西部和1982年四川东部的暴雨,先后在两地区形成大范围的崩塌、滑坡和泥石流群体。20世纪70年代以来,香港地区已经多次发生暴雨引起的滑坡和崩塌[7]。 2.4 电容器效应 城市污染以后空气的电阻率增加了,云和地之间形成的电容器机构的电容增加了,这就使云与地之间形成的电压差可以达到很大才放电,这样雷电就更强烈。同时高层建筑物增多,构件中的金属和电子设备越用越多,增加了直接雷击和感应雷击的可能性。巨大的电能输入地下,有可能激发滑坡、塌陷和地震。 2.5 电磁效应 电磁和雷击的电流一样是能量的一种存在形式。随着城市扩大、工业化程度的增大、人口的增多,城市上空和地下的电磁场浓度越来越密,强度也越来越大,造成了极大的电磁场环境污染。电磁场的环境污染对人的健康危害已经被许多实例所证实,但是否会对城市所处的岩土强度产生影响,进而影响城市的地基安全,尚无人研究。以下几种现象说明,电磁场波的确会影响岩土的结构、应力,导致岩土的强度变化 1自然条件下,无需向地下供电,地面两点间通常能观测到一定大小的电位差,这就是自然电场,它是由电子导电矿体的天然电化学作用和地下水中电离子的过滤或扩散作用等形成,它表明,地下岩土介质中存在有带电粒子。显然,在电磁场作用下这些带电粒子的分布会发生变化,引起岩土中矿物颗粒的重新排列以及岩土中水溶液分布的改变。而这些变化过程可能正是岩土体强度降低过程。 2当高频电磁波通过岩土时,电磁波的能量会被岩土吸收,转换成热能,形成热应力场,岩土被击穿而产生电空隙,使岩土强度降低。 3电磁场可能引起“震电效应”。在地震前,岩石中的应力极度膨胀,这导致了岩石中电荷分布变化,产生了电磁场;另外介质的震动,会产生“震电效应”,即产生电场。因此有可能认为在电磁场的辐射下,会引起岩土的应力变化和“电震效应”,事实上已经有人利用脉冲磁场来消除材料因微观弹性应变所造成的残余应力。可以推测,电磁场对岩土的结构会产生影响,而这些影响可能会造成岩土强度的瞬时或永久变化。 4物质由分子组成,分子由原子组成,原子则由原子核带正电的质子和不带电的中子组成和环绕原子核旋转的带负电的电子组成。当外界存在很大的电磁场时,必将影响原子结构变化,从而导致物质结构变化。如在合适频率的人工交变电磁场的作用下,氢核的质子磁距会产生旋进运动,电磁场会对导电聚合物的分形形貌产生影响。因此,电磁场也可能引起地质环境的改变。 2.6 工业生活污染 城市居民生活废水和工业废水中所含污染物繁多,这些未经处理或处理不充分的废污水排入流经城市的河流,以及工业废气向大气排放,其中所含的SO2、NOx等气体形成酸雨下降到地表水体,造成水体被污染,水质恶化。再加上生活垃圾、工业垃圾中的污染物随降雨径流进入水体,污染更加严重。地基土体由于赋存地下水环境变化,其水土之间的物理化学平衡被破坏。随着物理化学作用的活跃,土体的物质稳定和以物质稳定为基础的土体结构、力学性质亦随之变化图3。 尽管地下水与地基土体之间的相互作用是长期的,缓慢的,但城市建设对地下水的扰动逐渐加大,水土作用将长期进行量的积累,从而导致质的变化,笔者的水土作用模拟实验也证明了这一点。图47显示了随着水土作用程度的不同,土体应力应变曲线的变化。 有胶结的原状土与无胶结的扰动土的主应力差-轴向应变曲线,在水土相互作用的初期与水土作用持续进行中曲线的线型发生了变化水土作用初期,原状土与扰动土在应力应变曲线的形状上有很大的不同