環境岩土工程

環境岩土工程

《環境岩土工程》，是人民交通出版社出版的圖書，作者是周健, 劉文白, 賈敏才。

基本信息

工業革命的蓬勃興起，極大地推動了社會的發展和人類文明的進步。與此同時，人類活動對我們賴以生存的環境產生了極大的影響；而日益惡化和脆弱的環境又給人類的工程實踐帶來了一系列新課題，提出了新的挑戰。在這樣的背景下，一門研究人類工程活動與自然環境關係的嶄新學科—環境岩土工程應運而生。
1977年，印度的MOH在東南亞第九屆國際土力學會議上首次提出了“岩土工程與環境影響”的概念，受到岩土工程界的廣泛關注。但直到將近十年之後，才於1986年4月在美國里海大學召開了第一屆環境岩土工程國際學術大會。這次會議，標誌著環境岩土工程作為一門獨立學科的誕生。關於環境岩土工程，迄今尚沒有一個公認的統一的定義。目前學術界主要有以下一些觀點：
（1）大環境岩土工程 該學派的代表人物是環境岩土工程的創始人方曉陽教授。他認為：環境岩土工程是研究岩石、土的物理化學性質及其與大氣圈、生物圈、水圈、岩石圈和微生物圈相互作用的交叉科學。環境岩土工程的出發點是要改變岩土工程領域中單純用力學觀點解決各種岩土工程問題的傳統方法，強調要考慮化學的、生物的、物理～化學的等非力學因素對岩土工程的影響。因此他認為環境岩土工程是一門涵蓋岩土工程、環境科學與工程和土壤科學的交叉學科。由於人口增長和人們生活水平的提高而引起了諸多的岩土工程問題。因土地資源緊張，迫使人們不得不在原本不適合進行建築的地方進行建設，從而產生了諸如軟土、黃土、膨脹土、沼澤土、凍土、風砂土、鹽漬土、污染土等不良土問題和礦山開採、塌陷區、衛生填埋、放射性物質存儲等工程問題，而這些新興的岩土工程問題顯然無法簡單地用Terzaghi創立的傳統土力學方法來加以解決，必須考慮環境因素的影響和制約。這些環境因素包括自然環境，如大氣、水、生物和岩土圈的環境改變，也包括固、液廢棄物對岩土的污染、酸雨和礦區酸液的排放等。它們對岩土工程的工程性質、安全營運都會產生影響，尤其是長期影響。
（2） 小環境岩土工程 美國工程院院士、著名岩土工程學家，美國西維吉尼亞理工學院教授J.K.Mitchell先生則認為：環境岩土工程是岩土工程學科中的一個分支學科，其目的是套用岩土工程的原理和方法解決環境問題，它所要研究的內容主要包括安全和經濟的土地復墾、場址修復、廢物處理和隔離等。他認為環境岩土工程的研究對象與傳統的岩土工程有很大不同，具有許多特殊性。 除了上述主流觀點外，其他學者也從不同的角度對這一問題進行了闡述。G．格雷什克在《環境岩土工程學綜述》一文中提到，環境岩土工程學是指套用技術手段使地基環境達到持久平衡的理論與實踐，這種平衡不對生物的生命造成任何損害。國內也有專家認為環境岩土工程是用岩土工程的基本原理、方法和手段防止自然和人類活動引起的岩土環境的惡化，分析和評價環境與各類岩土工程間的相互作用和影響，改善城市和人類環境的運行和生活質量，保持人類社會經濟的 可持續發展。綜上所述，我們認為：環境岩土工程就是從岩土工程的基本原理出發，綜合運用物理的、化學的、地質的、生物的、環境的乃至法律的、行政的等多種手段，解決人類活動對岩土環境的惡化以及由此引發的各種工程問題，促進人類生存環境的不斷改善，保持人類社會的可持續發展。環境岩土工程是一門蓬勃發展的年輕學科，其研究內容也還在不斷的發展、充實和完善之中。
關於其研究內容，方曉陽主張為以下兩個方面：1）地質環境（岩土）工程 主要強調有害有毒廢料控制系統的管理和修正、填、料場的選擇、填料的穩定性分析和土污染治理技術；2） 生態環境（岩土）工程 研究環境岩土工程的敏感性生態和地質方面的問題。這其中又主要有三個對生態環境因素相當敏感的問題：①與地質、氣候有關的問題，如土石流、沙漠、濕地；②與健康有關的問題，如酸雨、核廢料；③與文化有關的問題，如考古和文物保護。從目前本學科的發展水平來看，環境岩土工程的研究的內容和工作重點主要集中在三個方面：1）環境工程 主要是指用岩土工程的方法來抵禦由於自然災害引起的環境問題。如：沙漠化、洪水、 滑坡、土石流等；2）環境衛生工程 主要是指用岩土工程的方法來抵禦由各種化學污染引起的環境問題。如：城市各種廢棄物的處理等；3）由人類工程活動引起的環境問題 如：在密集的建築群中打樁時，由於擠土、振動、噪音等對周圍居住環境的影響；深基開挖時，降水、邊坡位移；地下隧道掘進時對地面建築物的影響等。　
以環境岩土工程的基本理念為基礎，結合這門學科的特點和最新發展，我們從環境和工程活動相互作用、相互影響的角度對環境岩土工程的研究內容進行闡述：
1．氣候變暖引起的岩土工程問題全球氣候變暖對人類社會的影響已經在國際上引起了廣泛的關注。從巨觀上來看，氣候變暖所引起的環境岩土工程問題有兩個主要方面：（1）凍土問題 近幾十年來，青海高原凍區土地溫顯著升高、凍結持續日數縮短、最大凍土深度減小、多年凍土面積萎縮、季節凍土面積增大、凍土下界普遍上升，高原凍土呈現出總體退化趨勢。凍土的空間分布表現為極穩定帶向穩定帶轉化，穩定帶向亞穩定帶轉化，亞穩定帶向不穩定帶轉化。凍土的穩定性遭到破壞，使得建築物的結構破壞嚴重，路基融化下沉加劇、道路邊坡融凍泥流與滑塌、路基隧道凍脹及冰丘與冰椎等災害也有加重的趨勢。就臉新開通的青藏鐵路，也不得不考慮若干年後的路基凍融及由此引起的沉陷。（2）海平面上升 從環境岩土工程學的範疇來看，海平面上升，將會使沿海地區地下水位上升，引起淺基礎承載力下降，砂土地震液化加劇，建築物震陷加劇。還會帶來土壤沼澤化、鹽漬化等一系列問題。需要指出的是，由於海平面上升引起的抵禦海水侵襲的防護設施（海堤等）的維護更新、其它市政設施（沿海城市的防洪堤壩、城市橋樑等）的使用和養護等越來越引起關注。
2．與自然災害有關的岩土工程問題據統計，近年來，我國滑坡、土石流、洪水等自然災害有不斷增加的趨勢，給人民生命財產帶來了巨大的損失。一方面，隨著社會的發展，人民的生活水平在提高；另一方面，由於自然災害所造成的損失也會加重。在建設和諧社會的歷史背景下，加大自然災害的預防和治理力度，具有更深遠的意義。全國範圍內的地質災害的預警體系正在逐步建立，地質災害的防治手段也在不斷加強。利用岩土工程的基本原理和技術手段，有效地對這些災害加以預報、預防和治理，最大限度地減少這些災害所帶來的不利影響是環境岩土工程的重要內容。
3． 與特殊土有關的岩土工程問題我國是特殊土廣泛分布的國家，黃土、膨脹土、凍土、沿海軟土、鹽漬土、風砂土等特殊土在我國都有廣闊的分布，它們既是特定自然環境的產物，又具有特殊的岩土工程性質。黃土在我國西北內陸地區分布很廣，從岩土工程的角度來看，黃土的濕陷性，使得它在浸水後沉陷加劇，影響了建築物的穩定性。我國的廣西、雲南、湖北、河南、安徽、山西、河北、四川等二十幾個省都有膨脹土分布，膨脹土遇水膨脹、失水收縮的特性，對其上的建築物的正常使用將會有很大的影響。此外，凍土的凍融交替性、沿海軟土的低強度和高流動性、鹽漬土的腐蝕性、風砂土的不穩定性等都會對這些地區的建設活動帶來影響。適應國家西部大開發和振興東北老工業基地戰略的實施，加強特殊土的研究具有十分重要的意義。
4．由於城市建設引起的岩土工程問題城市建設與我們的生活密切相關，城市建設引發的環境岩土工程問題主要有：1）由於打樁等擠土產生的地面隆起、周圍建（構）築物、管線、道路的破壞以及振動噪音對周圍環境影響等；2）基坑和地下隧道開挖引起的地面變形和對周邊建（構）築物的破壞等。大規模地下空間利用會帶來更多的問題。3）施工降水引起的地面沉降等；4）大型城市地下工程建設對區域水文地質、工程地質穩定性的影響。地下隧道開挖也有可能導致區域地下水環境發生改變，降低了地下水的循環代謝，加重地下水的污染。 對這些環境岩土工程問題的治理，我們已經積累了一些經驗。但必須加強新技術套用和技術集成的研究，推動這一領域的工作向更深層次和縱深方向發展。
5．由於城市發展引起的岩土工程問題城市垃圾(包括工業廢棄物)的衛生填埋和處置一直是環境岩土工程研究的主要內容，岩土工程十分關注對於廢棄物填埋場、過去工業活動造成污染土地的除污措施。歐美等已開發國家都有一整套填、埋場的規劃、勘探、設計和運行規範。與此同時，將工業廢棄物如：粉煤灰、煤矸石等套用於工程建設，既解決了環境污染問題，又為岩土工程發展開闢了新的天地。與汽車業相關的問題越來越引起環境岩土工程界的關注，廢輪胎的處置和再利用已引起了環境岩土工程界的重視。用廢輪胎作為各種岩土工程用的輕質材料，如填等料，可明顯地減少地基或路基沉降，增強地基或路基的整體穩定性； 由廢舊汽車輪胎生產的橡膠土是一種新的輕質多孔隙建築材料，可以套用於包括路堤、擋土結構、山坡填土、地下廠房回填、道路填工、土地開墾在內的岩土工程中。在環境岩土工程領域，這是一個有著相當廣闊前途的發展方向。人類的其它活動也會對岩土性質產生影響。試驗研究表明，城市附加磁場對粘性土強度具有影響。據報導，經磁化處理後，南寧市邕江Ⅰ、Ⅱ級階地沖積相粘性土的強度有所增大。這是由於城市附加磁場可對粘性土的土粒表面電荷及雙電層結構產生影響，並使孔隙水中化學組分發生磁化學反應，導致粘性土土粒間的細觀連線強度產生變化，從而使粘性土的強度發生變化。其它還有什麼因素會對土體的強度產生影響？影響程度如何？許多未知的問題需要環境岩土工程繼續探索。歐美許多國家現在已經基本放棄了修建地表水庫來儲備水資源的傳統做法，而是越來越多地利用地下含水層廣闊的空間，建立“水銀行”來調節和緩解供水。實踐證明，包括地表人侵和井灌的人工補給是一種可行的、費用低廉的解決供水的辦法。它既可以儲備地下水，減少地下水的抽取費，又可提高地下水位，控制由於地下水位下降引起的海水入侵和地面沉降。通過土壤中的細菌作用、吸附作用和其它物理、化學作用，回灌污水的水質得到改善，通過處理後的污水人滲來實現污水的循環再利用，保護了生態環境。
6．與放射性核廢料和與石油儲備等相關的岩土工程問題近年來，以核電利用為代表的核能利用的迅速增長，核廢料處理問題也越來越突出，其永久安全性及其對地質環境和生物圈的長期影響是人們十分關注和擔憂的問題。對中低放廢物，一般採取近地表方式或岩硐方式進行最終處置；而對於乏燃料，則是採取深地質處置方式進行最終處置。在地質貯置環境中，在自然和人類活動的影響下，要保證處置庫的長期(1~10萬年)安全性，防止被處置的廢棄污染進入生物圈並危害人居環境，是環境岩土工程的重要研究內容。在相當長一個時期內，石油和天然氣仍然是重要的基礎能源，一旦能源發生危機，將會破壞經濟發展，引起社會的嚴重動盪。地下能源儲庫是一種平時和戰時都極為安全、穩妥的儲存方式，是高度戰略安全的儲庫。就目前來看，地下儲存有岩體(一般為花崗岩)中水封儲存和鹽岩中溶腔儲存等方式。不管那種儲存方式，都必須研究它們和儲存介質的作用問題，這也是環境岩土工程新的研究方向。 CO2氣體的大量排放是全球氣候變暖的元兇，為了解決這個問題，西班牙政府著手開始了將CO2 氣體深埋的研究，這其中很重要的就是涉及CO2 氣體與存儲岩土體介質的作用問題。對環境岩土工程而言，這也是一個新的課題。
7．礦山開採引發的岩土工程問題大規模的礦山開採引起的環境岩土工程問題主要表現在：地下開採引發的地表沉降、坍塌和山體滑坡、崩塌；露天開採造成的地表植被破壞及其引發的水土流失；採礦爆破作業誘發的地震；礦區排水疏乾及礦床開採導致地下水位下降和水資源流失。此外，礦業固體廢棄物堆置不當也會引發爐渣場和尾砂庫土石流、尾礦沙塵暴等環境岩土工程問題。
8．土地復墾和再利用有關的岩土工程問題土地資源的，使得對已污染廢棄的工業場址的去污修復和復墾、對礦區地面塌陷區的復墾和再利用、對原來不適合作建築場地用的沼澤地、軟土或其它特殊地基的利用變得等越來越迫切，環境岩土工程在這些領域大有可為。
9．與歷史文化遺產保護有關的岩土工程問題 世界範圍記憶體在著大量的石質和土質文物，隨著時間的推移，由於自然和人為因素造成的破壞日趨嚴重，對這些文物加以保護，已經提到了議事日程。採用岩土工程技術對現存的文物加以保護是《我國文物事業“十五”發展規劃和2015年遠景目標》的重要方向。在這一領域，環境岩土工程的工作主要有兩個方面：一是研究溫度、酸雨、氣候等環境因素的變化對文物的影響；二是研究用環境岩土工程的原理和方法對其風化程度、風化速率加以控制，從而達到保護的目的。在我國西北地區保存了大量土遺址，如長城、西夏王陵、交河故城、高昌古城、樓蘭古城等遺址，木錨桿加固技術在交河古城土質文物保護方面取得了階段性成果。在石質文物方面，錨索技術、PS -F材料裂隙灌漿技術、崖面防風化化學加固技術等岩土工程手段在解決石質文物岩體開裂、崖面風化、沖溝發育、大氣降水入滲等岩土工程問題方面得到了成功的套用，取得了明顯的效果。
10．敏感性生態區的岩土工程問題在生態敏感地區，如凍土地區、沙漠地區等，人類的工程活動改變了自然的原生狀態，對本已脆弱的環境帶來極為不利的影響。生態環境的變化反過來制約了人類的活動。高原凍土具有特殊的生態環境功能，它可以控制植被成為適應寒旱生境的年輕植物區系、大厚度區域性隔水層；凍土及其活動層還具有調節水資源的作用等。凍土退化使它這些生態環境功能減弱。大量調查表明，植被良好的地段，厚層冰就發育。在東北大興安嶺地區，木材運輸便道破壞植被後，3～5年內就會變成沖溝；而青藏公路的施工便道也幾乎全部沙漠化。在沙漠地區，輸油管道的穿越使稀疏的植被遭到破壞，加快了沙漠化速度。祁連山露天煤礦開採過程中的便道，幾年後也成了沖溝。青藏鐵路建設、西氣東輸、南水北調西線等大型工程，都是在生態敏感區域進行的工程活動。如何協調工程建設活動與生態環境的關係，是環境岩土工程不必須直面的挑戰。
環境岩土工程這門學科的特點歸結為以下幾個方面：
(1)多學科性 環境岩土工程涉及岩土力學與岩土工程、衛生工程、環境工程、土壤學、地質學、水文地質、水文地球物理、地球化學、工程地質、植物學、採礦工程以及農業工程等諸多學科。隨著人們環境保護意識的增強,人們已清楚地認識到在地表以下比地面以上存在著更多的生物體，並且土性的許多重要方面都與生物現象相關。目前，在邊坡防護工程中套用植物護坡的“綠色岩土工程”理念，已經得到越來越多的認可，並且建立了根系與土體作用定量關係的力學模型，植物根系作為一種可變形錨固體的、生態加固土體漸進變形破壞思想正在逐步確立。岩土工程與微生物學、植物學的這種融合是傳統的岩土工程所不曾涉及的。
(2) 法律約束性 由於涉及到環境問題，因此環境岩土工程要受到各種法規的制約。如美國就有20多項法規與環境岩土工程有關，法律法規對我們做什麼和怎么做具有很大的影響。此外，環境岩土工程的工作進程和技術方法常受到律師和契約人的制約，有時因環境保護法規和公眾的抗議使工程方案不得不變更。
(3)公眾參與性 不象傳統的岩土工程，環境岩土工程有更多的公眾參與。大型工程的建設、污等染問題就是公眾很敏感的論題，因此需要特殊的研究方法和治理措施相配套。最典型的例子就是美國B.埃弗雷特.喬丹水庫和水壩，議員、軍方、專家、公眾等方方面面曠日持久的爭論，為這個水庫建設蒙上了陰影。北京的圓明園整治中的塑膠膜的鋪設、雲南怒江水電的開發等都因為公眾的參與而不得不進行更進一步的論證。四川省的一位叫魯家果的專家上書溫家寶總理，對南水北調西線提出了自己的見解，引起了高層的高度重視。
(4)對工程師的環境倫理提出了更高的要求 除了專業技術知識外，環境岩土工程的從業者還必須具有較高的道德和倫理要求。《美國土木工程師協會倫理規範》就要求：工程師“要運用他們的知識和技能來提高人類福利和保護環境”，“應當堅定地堅持克持續發展原則，保護環境，從而提高大眾的生活質量”。
(5)高成本性 環境岩土工程的費用比較高，利益和成本比與傳統的岩土工程相比常常低得多。對於諸如三峽大壩、西氣東輸、西電東送、南水北調等大型工程，人們不得不採取更多的措施來減少工程活動對環境的影響，由此必然帶來成本的提高。
說到這，您可能雲裡霧裡；您也可能清醒異常，所謂的環境岩土工程不就是個無所不包的大雜燴，對了，我和您一樣深有同感！人類社會發展到今天，越來越強調學科的綜合性和參與的全面性，環境岩土工程可謂其中的典型！

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