环境岩土工程学课件-东南大学-潘华良环境岩土工程学概论-8人类工程

第8章人类工程活动造成的环境岩土工程问题解决工程与环境之间的矛盾的几点原则：(1)环境补偿的原则(2)工程避让的原则(3)环境治理的原则8.1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。8.1.1桩挤土效应的理论分析1.小孔扩张理论塑性区的应力变化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：1ln2RCurrt1ln2RCutR--塑性区半径；cu--土的不排水强度；ρ--离桩心距离；弹性区的应力变化2Rr2RtR--塑性区半径；cu--土的不排水强度；ρ--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；μ--土的泊松比。upCREu1uCErR12112lnuuuCECP2.强扰动区的范围当土体确定后，土的力学指标E、μ、c、φ不变，塑性区半径与小孔直径呈线性关系。8.1.3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。Y型沉管灌注桩减少挤土影响的措施：(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2／3、深度不大于桩长2／3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。加强监测。8.2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。开挖基坑，大量卸荷，由于应力释放，即使有刚度很大的支护体系，坑周土体仍难于避免会发生水平方向和竖直方向的位移。再由于地下水的渗流，基坑施工期长，坑周土体移动对建筑物、道路交通、供水供气管线、通讯等造成很大的威胁。8.2.1深、大基坑工程及其环境土工问题地表沉降与土层位移(1)墙体弹性变位；(2)基坑卸载回弹、塑性隆起、降水不当引起的管涌、翻砂；(3)墙外土层固结沉降；(4)井点或深井降水带走土砂(也是一种地层损失)；(5)墙段接头处土砂漏失；(6)槽壁开挖，地层向槽内变形。基坑变形控制环保等级标准保护等级地面最大降量及围护结构不平位移控制要求环保保护要求特级1.地面最大沉降量0.1％H2.围护墙最大水平位移0.14％H3.Ks≥2.2基坑周围10m范围内设有地铁、共同沟、煤气管、大型压力总水管等重要建筑及设施、必须确保安全。一级l.地面最大沉降量0.2％H2.围护墙最大水平位移0.3％H3.Ks≥2.0离基坑周围范围内没有重要的干线水管、对沉降敏感的大型构筑物、建筑物二级1.地面最大沉降量0.5％H2.围护墙最大水平位移0.7％H3.Ks≥1.5离基坑周围丑范围内没有较重要支线管道和建筑物、地下设施三级1.地面最大沉降量1％H2.围护墙最大水平位移0.7％H3.Ks≥1.2离基坑周围mm范围内没有需保护的建筑设施和构筑物，地下管线注：H为基坑挖深，Ks为基底隆起安全系数，按圆弧滑动公式算出(c，φ取峰值的70％)。3.地铁车站深大基坑的施工技术要求(1)撑后挖，留土堤；(2)对支撑施加设计轴力(30％～70％)的预应力；(3)每步开挖及支撑的时限tr≤24h；(4)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(1)施工工况实施情况跟踪观察；(2)日夜不中断的现场监测与险情及时预测和预报；(3)定量反馈分析，信息化设计施工；(4)及时修改、调整施工工艺参数；(5)及时提出、检验、改进设计施工技术措施。6.减少沉降的措施(1)采取刚度较大的地下连续结构；(2)分层分段开挖，并设置支撑；(3)基底土加固；(4)坑外注浆加固；(5)增加维护结构入土深度和墙外帷幕；(6)尽量缩短基坑施工时间；(7)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；(8)在保护区内设置回灌系统；(9)尽量减少降水次数。8.2.2.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沉陷区的竖向位移方程y(x)：地下管线水平位移方程y(x)8.3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。8.3.1盾构掘进中的环境问题由于盾构掘进引起地层扰动，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是不可避免的。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。8.3.3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。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。3.周围土体应力状态的变化盾构掘进施工引起的土体沉降机理沉降类型原因应力扰动变形机理I盾构工作面前方土体隆起工作面处施加的土压力过大；上隆(过小：沉降)孔隙水压力增大，总应力增大土体压缩产生弹塑性变形Ⅱ初始沉降土体受挤压而压密孔隙水压力消散，有效应力增大孔隙比减小，土体固结Ⅲ盾构通过时的沉降土体施工扰动，盾壳与土体间剪错。出土量过多土体应力释放弹塑性变形Ⅳ盾尾空隙沉降土体失去盾构支撑，因建筑空隙产生地层损失，管片后背注浆不及时土体应力释放弹塑性变形V土体次固结沉降土体后续时效变形(土体后期蠕变)土体应力松弛蠕变压缩盾构掘进对土体的影响范围rrrrpprrcccccpaRsin2sin1tancostan8.4抽汲地下水引起的地面沉降8.4.1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2.砂土地震液化加剧3.建筑物震陷加剧4.土壤沼泽化、盐渍化5.岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等6.地下水位冻胀作用的影响7.对湿陷性黄土、崩解性岩土、盐渍岩土的影响8.膨胀性岩土产生胀缩变形8.4.2抽汲地下水产生的环境问题1.地表塌陷2.地面沉降3.海(咸)水入侵4.地裂缝的复活与产生5.地下水源枯竭，水质恶化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。8.4.4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0.5～1m，回灌后1965年9月至1974年9月，地面累计上升18～36mm；同一时期，沪西工业区回灌前地面累计下沉43～59cm，回灌后地面累计上升26～~44mm。申昆毛纺厂位于昆山市区、长江三角洲冲积平原。境内水网密集，水利资源丰富，主要河、湖有吴淞江、娄江、阳澄湖、淀山湖，水面占全市总面积22％。申昆毛纺厂自1989年开始已连续6年采用深井回灌。如2号井剖面，孔深68m以上为粉砂、粉细砂潜水、微承压水含水层，68m～96m为第一承压水，细砂含水层厚度16m，滤水管位置73m～89m，承压水位埋深7.5m，水温20℃，出水量56m3／d申昆毛纺厂深井回灌量每年2万t左右，用水量1.6万t，回灌时问100d～105d。夏灌冬用井一般从6、7月份自来水水温高于25.6℃时开始回灌，到9月份水温低于25.6℃时停止。冬灌夏用井在12月份自来水水温低于12.6℃时开始回灌，到翌年3、4月水温升至12.6℃停灌。2号井试验曲线，夏灌期回灌水量2.39万t，平均水温28.2℃，冬用期用水量0.44万t，平均水温25.4℃，9个月采灌期中在含水层中温差3℃。3号井试验曲线可以看出：冬灌期回灌水量2.03万t，平均水温9.2℃，夏用期水量1.63万t，平均水温11.4℃，10个月采灌期中在含水层中温差2.2℃。2号试验井回灌量与水温变化夏灌期冬用期试验时间1990.61990.71990.81990.9总计1990.121991.11991.21991.3总计回灌量(t)157796818170453623964122021101016764422水温(℃)27.330.629.525.428.2(平均)25.624.826/25.4(平均)3号试验井回灌量与水温变化冬灌期夏用期试验时间1990.111990.121991.11991.21991.31991.4总计1991.51991.61991.71991.81991.9总计回灌量(t)2645281670358282141172203891393248739694416407316338水温(℃)12.47.85.87.69.512.69.2(平均)11.0/11.2512.2/11.4(平均)表3深井制冷与人工制冷机经济效益对比表溴化锂制冷机压缩制冷机项目冬灌井蒸汽喷射制冷机单效双效氨压离心机设备费用比11.25645.3投资费用比12.24.44.14.15.6运行费用比12.31.31.52.12.0耗电比14.5551718耗煤比13.01.8///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。eztSatewez18.5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建筑物遭受釆空区地表移动