（岩土工程专业论文）城市地下水环境场变异与土结构相互作用的理论分析.pdf

广西大掌硕士掌位论文城市地下水环境场变异与土结构相互怍用的理论分析 城市地下水环境场变异与土结构相互作用的理论分析 摘要 城市区域的地下水是城市地质环境构成要素中最为活跃、动态变化 最为剧烈的要素之一，是地质环境中重要的地质营力。城市建设引发的 地下水变异，与岩土介质发生长期的相互作用，不仅影响着水、土的组 份，也影晌着水、土的性状。地下水变异对岩土的影响主要包括四种作 用，即：物理作用、化学作用、力学作用、生物作用，称为地下水四场 变异影晌。水土作用主要是四场变异使土体的微细观结构发生变化，进 而影响其宏观力学性质，产生一系列地质灾害和环境效应。自然界或工 程上出现的一些现象或问题也可通过水土作用研究得到解答。而城市区 域水土之间的相互作用本质在于地下水环境一一组份结构一一强度问 存在着内在联系。 前人对于水土作用作了很多研究，但都局限于宏观现象或工程实例 的解析，侧重单因素研究分析，即某一场单独作用的影晌。把四场变异 作为整体系统来研究水土作用下土体细观结构变异的并不多见。而随着 城市建设的发展，人类活动对地下水的扰动不断加剧，水土作用的模式 和强度大幅度增加，土环境因此失稳并导致灾害的现象频频发生，由此 需要在更深更广的层面进行水土作用的研究。本文就以此为出发点，以 土体微细观结构性质为桥梁，研究在地下水四场变异条件下，土体微细 广西大掌硕士掌位论文城市地下水环境场变异与土结构相互作用的理论分析 观结构是如何产生变异以致引起其宏观力学性质变化，最终产生地质灾 害，从微观层面探索水土作用的本质。不仅探讨每一场变异影响下，土 微结构成分质和量的运动变化，而且结合现实，依据相关研究成果，针 对地下水四场变异耦合对土环境稳定的总体效应作综合分析，例举几种 典型耦合情况，从定性和定量的角度加以论证分析。在此基础上为了定 量评判地下水引发的城市安全问题，本文提出了一个城市地下水四场变 异耦合对土环境稳定影响的综合评价体系。 该评价体系的特点是：首先利用层次分析法( a h p ) 对水土作用问 题进行层次划分，并根据各因素的重要性，通过判断矩阵确定地下水四 场作用排序的赋值权重，以明确具体城区内地下水四场作用的强弱顺 序；然后针对评价指标建立因素集u 和评语集矿，用专家评判给分的方 法确定各评价指标的隶属度，最后通过二级模糊综合评价模型评判地下 水四场变异耦合对土环境稳定的综合效应。得出土环境在地下水变异条 件下的演化趋势等级。该法可通过权重的大小、因素的隶属度以及最终 的评判结果定量衡量、监测、预警地下水对城市环境所构成的安全隐患 的大小，从整体了解城市土环境受地下水影响的程度及发展趋势，以便 采取积极有效的措施进行整治、补救、预防，从根本上消除或极大削弱 地下水对城市建设和安全所构成的不利影响。 关键词：地下水水土作用四场变异微细观结构四场耦合层 次分析法模糊综合评判城市安全 广西大掌硕士掌位论文城市地下水环境场变异与土结构相互作用的理论分析 t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ni n t e r a c t i o n b e t w e e ne n v i r o n m e n t a lf i e l d so fu r b a n g r o u n d ，a t e ra n ds o i ls t r u c t u r e a b s t r a c t g r o u n d w a t e ri so n eo ft h em o s ta c t i v ea n de x q u i s i t ee l e m e n t si nc i t y g e o l o g i c a l e n v i m n m e n t i n s c a p e s ，a n d a l s ot h em o s t i m p o r t a n tg e o l o g i c a l c o n s t m c t i o np o w e r l o n gt i m ew a t e 卜s o i li n t e r a c t i o nn o to n l yh a si n n u e n c eo n t h ec o m p o n e n t so f b o t hw a t e ra n ds o i lb u ta l s oo nt l e i rp r o p e r t i e s t h ei m p a c to f g r o u n d w a t e ro ns o i lm a i n l yi n c l u d e sf o u rk i n d so fm n c t i o n ，n a m e l y ：p h y s i c a l f u n c t i o n ，c h e m i c a la c t i o n ，m e c h a n i c s 缸n c t i o n ，b i o l o g i c a lf u n c t i o n ，w h i c hi s c a l l e dt h ei m p a c to ff b u r ：e i e l d so fg r o u n d w a t e rv a r i a t i o n w a t e r _ s o 订i n t e r a c t i o n m e a n sm i c r o m i n is c a l es t r u c t l l r eo fs o i lh a sv a r i a t i o no ne f 王e c to ff i o u rf i e l d s v a r i a t i o no fg r o u n d w a t e ra n dt h e n h a si n n u e n c eo nt h em a c r o s c o p i c a lm e c h a n i c s p r o p e r t y o fs o 订，w h i c h p r o d u c e as e r i e so f g e o i o g i c a l c a l a m i t i e sa n d e n v i r o n m e n t a le f 佟c t s s o m ep r o b i e m si nn a t u r ea n dp r o j e c tc a nb er e s o l v e db y t h i sr e s e a r c h t h ee s s e n c eo ft h ew a t e r - s o i l i n t e r a c t i o ni sa ti n n e rr e i a t i o n sa m o n g g r o u n d w a t e re n v i r o m e n t s t m c t u r e s t r e n 舒h f o n n e rd om u c hr e s e a r c hi nm i sf i e l d ，b u t o n l y a r el o c a l i z a t i o na t m a c r o s c o p i c a lp h e n o m e n o no re n g i n e e r i n gi n s t a n c ea n a l y s i sa n dl a yp a r t i c u l a r i i i 广西大掌硕士学位论文城市地下水环境场变异与土结构相互作用的理论分析 e m p h a s i s o nt h es i n g l ef a c t o ra n a j y s i st h a ti ss i n g l e 矗e l da n a l y s i s t h e r ea r ef e w r e s e a r c ho nm i n i s c a l es t m c t u r eo fs o i lr e g a r d i n gf o u rf i e l d sa sw h o l es y s t e m c o m t h ep e r t u r b a t i o no fg r o u n d w a t e rc a u s e db yh u m a na c t i v i t yi s b e i n g a g g r a v a t e dc o n s t a n t l yw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec 时c o n s t m c t i o n ，a n dt h e n t h em o d ea n di n t e n s i 够o fw a t e 卜s o i i i n t e r a c t i o ni n c r e a s eb yal a r g em a r g i n ，w h i c h c a u s es o i le n v i r o n m e n tl o s i n gs t e a d ya n d1 e a dt ot h ef a c tt h a tc a l a m i t yt a k i n g p l a c ea g a i n a n d a g a i n ， s ot h e p a p e r s h o u l dm a k er e s e a r c ho nw a t e r - s o i l i n t e r a c t i o no nd e e p e ra n dw i d e ra s p e c t w es t u d yh o wm i c r o m i n is c a l es t r u c t u r e v a 呵a n dl e a dt ot h ec h a n g eo fm a c m s c o p i c a lm e c h a n i c sp m p e r t yo fs o i lo n c o n d i t i o no fg r o u n d w a t e rf o u rf i e l d s v a r i a t i o n ，a n dp r o d u c e t h e g e o l o g i c a l c a l a m i t yf i n a l l yr e g a r d i n g m i c r o c o s m i cs t m c t u r a l p r o p e r t y a s b r i d g e，h o w e v e r i no r d e rt oe x p l o r et h ee s s e n c eo fw a t e r s o i li n t e r a c t i o ni n m i c r o c o s m i ca s p e c t w en o to n l ys t u d yt h eq u a l i t i v ea n dq u a n t i t i v e c h a n g eo f m i c r o s t m c t u r ea n dc o m p o s i t i o n so fs o i lu n d e rt h ev a r i a t i o no fe v e 巧f i e l d ，b u t a l s om a k ec o m p r e h e n s i v e a n a l y s i s o no v e r a ue f i f e c tt o s t a b i l i t y o fs o i l e n v i r o n m e n tf r o mg r o u n d w a t e rf o u rf i e l d sv a r i a t i o na 1 1 dc o u p l i n ga c c o r d i n gt o r e l e v a l l tr e s e a r c hr e s u l t sa n dr e a l i t y ，t h e ne x e m p i i 匆s e v e r a it y p i c a ic o u p l i n g s i t u a t i o na n dm a k ea n a l y s i s 矗o mq u a l i t i v ea n dq u a n t i t i v ea s p e c t s o nt h eb a s i so f i t ，t h ep a p e rp u tf o n v a r dac o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ns y s t e mo ft h ee f b c tf r o m g r o u n d w a t e rf o u rf i e l d sv a r i a t i o na n dc o u p l i n gt os t a b i l i t yo fs o i le n v i r o n m e n t i no r d e rt oe v a l u a t eu r b a ns a f ep r o b l e mc a u s e dg r o u n d w a t e r 矗o mq u a n t i t i v e a s p e c t 广西大掌硕士学位论文 城市地下水环境场变异与土结构相互作用的理论分析 t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ns y s t e m i n c l u d e ：a n a n a l y s i st ot h ei s s u e so fw a t e r s o i li n t e r a c t i o nb ya n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) m e t h o d ；ad e c i s i o no fg r o u n d w a t e rf o u rf a c t e r r i g h tt h r o u g hj u d g em a t r i x t oa c c o r d i n gt oi t s i m p o n a n c ei no r d e rt od e t e r m i n ec o n c r e t eo r d e r so fe 髓c to f f o u r 矗e l d si nu r b a na r e a sg r o u n d w a t e r ；s e tu pf a c t o rc o l l e c t i o nua n dc o m m e n t c o l l e c t i o nva c c o r d i n gt ot h ee v a l u a t i o ni n d e xa n dc o n f i h ns u b o r d i n a t ed e g r e e s o fe a c he v a l u a t i o ni n d e xt h r o u g ht h em e t h o do fe x p e r tj u d g i n ga n dg i v i n g s c o r e ；f i n a l l ye v a l u a t et h ec o m p r e h e n s i v ee f 诧c tt os t a b i l i t yo fs o i le n v i r o n m e n t f r o mg r o u n d w a t e rf o u rf i e l d sv a r i a t i o na n dc o u p l i n gt h r o u g ht h es e c o n df u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e l sa n dd e t e n n i n eag e n e r a le v o l u t i o nt r e n do f s o i le n v i r o 衄e n tu n d e rg r o u n d w a t e rv a r i a t i o n w ec a nw e i g ha n dm o n i t o rt h e d e 黟e eo fp o t e n t i a ls a f e t yh a z a r do fg r o u n d w a t e rt o w a r du r b a ne n v i r o n m e n ts o a st ok n o wt h ed e g r e ea n de v o l u t i o nt r e n do fg r o u n d w a t e rt o w a r du r b a ns o i l e n v i r o n m e n t ，t h r o u g h w h i c hw ec a nt a k e p o s i t i v ea n d e f r e c t i v em e a s u r et o r e n o v a t e、 r e m e d ya n dp r e v e n ti no r d e rt od i s p e lm n d a m e n t a l l yo rw e a k e n g r e a t l ya d v e r s ee f 艳c to fg r o u n d w a t e rt o w a r dt h es e c u r i 够o fu r b a nc o n s t n j c t i o n k e yw o r d s ： g r o u n d w a t e r ；w a t e 卜s o i i i n t e r a c t i o n ；m i c r o - m i n i s c a i e s t r u c t u r e ；f o u r n e l d c o u p l i n g ；a n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ；f u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ；u r b a ns a f e t y v 第一章绪论 j 】问题的提出和研究意义 一0 一域的地下水是城市地质环境构成要素中最为活跃、动态变化最为剧烈的要素 之 ，是地质环境中重要的地质营力，也是诱发城市各种地质灾害的导火线。城市建设 两及琏! 小变异，与岩土介质发生长期的相互作用，在影响水土组分及性状的同时也改 变了土体的宏观物理力学性质，引发了诸如地面沉降、地裂缝、基坑管涌、流砂、滑坡、 泥石流、塌陷、水土污染、海水入侵、土地盐碱化“等城市地质灾害及相关环境地质 效应，给城市带来了巨大灾难，阻碍破坏城市建设的进行和发展。 随毫经济的发展和社会的不断进步，城市建设伴随城市化的愈演愈烈被摆在个相 比美j 五更为重要的位置上。比如，高层建筑和建筑群的不断兴起，深大基坑的开挖，各 釉桩摹的频繁使i = ：| ，地下空间的开发及大型地下工程的兴建( 如地铁，过江隧道，地下 萄i 匀等j 等等。然而，在繁华的背后，却蕴含着深刻的危机：城市建设加大了对水土环 境扰动，一方面重塑了岩土表部的特征，一方面也对岩土体施加各种荷载，不断扰动地 f 水的化学、动力、物理和生物场。相应的，地下水运动时，也对岩土体产生四种作用， 即：物理作用( 包括润滑，软化和泥化作用，结合水的强化作用) ，化学作用( 包括离 子交换，溶解，水化，水解，溶蚀，氧化还原，沉淀作用) 力学作用( 包括渗透，渗流， 孔隙静水压力和动水压力及浮托力、冻胀力作用，非饱和土中还存在一种基质吸力) 和 生物作用( 生物吸收，转化，清除，降解及与化学组分的反应) 。地下水与岩土体相互 作用直接表现在：一是地下水与岩土体要素间发生能量转移；二是土体的力平衡被打 破；三是地下水生物化学组份产生变化。水土作用在改变地下水、的物理、力学性质 和生物化学组分的同时，也改变土体的物理、生物、化学及力学性质，其必然导致土体 微细观结构性质的改变，这种改变可能是突然的，也可能是缓慢的、潜移默化的，需要 漫长的地质历史，但两种方式最终都会改变土体的宏观物理力学性质，最终影响土体的 变形性能和强度。3 “4 “。由于土体是受多种地质作用影响并随环境因素改造的非均质、非 连续介质，其力学性质往往由它的物质组成、结构和胶结特征及某些特殊成分所决定， ，“，“、 一伸蔓1 鲁d 自9 理论匀彬 t 。= i 。一p + 一z 祭件利地质环境，内外多重因素导致了土微细观结构的异常复 ” i9 巧目 。微锄观结构等微观机制成为制约土体宏观力学性质指标的主导因素 基体的况 其复杂性根源于在一定条件下土的物质成分及其形成的微结构形态， 。! 微缝构要素层次的多样性和复杂性，受力后微结构的相应变化等，而这些都成 约水t 相互作用和影响的重要因素。另外，土的多孔、散体及复杂性特点，使微结 2 * 力的变化还与时间及土类有密切联系，这也为水土长时间相互作用和影响提供了 一 困此，微细观结构的变化是地下水向土体施加影响并改变其性质的桥梁。如何搭 寸vj n 柝印 一蔓就成了解决问题，研究探索的关键，也是本课题研究的重点。 叫t 一述现象【以引出一系列问题有待研究和解决：地下水四场变异以怎样的方式使 t 体的微细观结构发生变化，进而影响其宏观力学性质；在水土作用的过程中，地下水 自身性质如何变化? 该变化又如何改变土体物理力学性质并最终影响土体的变形和强 度。另外，地下水四场变异如何使土的微细观结构变化，并最终对岩土宏观强度施加影 响? 在作用彩f 珊方面，地下水所导致的土体微细观结构变异和宏观地质灾害有怎样的联 系，如伺发掘这种潜在的联系以便应用于实际? 地下水变异是以正效应还是负效应的 疗式影l 向 体稳定，即强化或弱化土体的结构强度? 这需要我们结合具体的条件进行研 窄分析，如图】l 所示。 地r 水四场变异 结构强化一土宏观 厂 强度增强( 正效应) l 十结构初始状态 望爿结构调整 爿土结构平衡状态h i 结构弱化一土宏观 图卜1 地下水化学场变异对土结构一强度调整 f i g 1 一la d j u s t m e n to fg r o u n d w a t e rc h e m i s t r yn e l d 、，a r i a t i o nt os o i ls t r u c t u r e s t r e n g t h 由此可以看出，基于土体微细观结构变异的水土作用研究，实质上是对四场变异如 何影响土体微观结构和宏观物理力学性质的研究，是如何把微细观土体结构破坏和土体 宏观失稳现象相联系的积极探索。自然界或工程上出现的一些现象或问题可以通过水土 相互作用的研究得到解答，而城市区域水土作用本质在于地下水环境微细观结构 ( 组分) 强度间存在着内在联系，主要针对地下水四场变异的分析。前人对水土作 用作了很多研究，但都局限于宏观现象或工程实例的解析，侧重于针对某一局部侧面进 行论述，以地下水四场变异对土体微结构的影响来全面研究水土作用本质的并不多见， 本文以此为出发点。 垤一 “一魄场盘兽_ 毒i = 等j 掣 j 鱼作用的理论分析 ! 2 水土作用研究现状 水上作用的概念是基于水岩相互作用概念基础上的9 1 。水岩相互作用理论产 j 舄钌# 不是用于研究水对岩石的物理力学特性影响的，而是地球化学工作者为研 。、垮涂丽产。生的，而后随着学科的交叉与融合，逐渐被其它领域地学工作者引 。媚关问题的研究，在这种背景下岩石力学与工程地质学者应用水岩作用的成果 ，? 1 的物理力学行为进行了研究。而水土作用的研究与此不同的是，它研究目的 ow ；孰是切入到水土相互作用对土的物理力学性质的影响的研究【i o 】。水岩相互作 一州 ，。成果是水土相互作用研究的基础。下面就与研究方向相关问题的研 i ， 进行描述，并确定本文的研究工作。 l2 1 水岩作用研究现状 水岩作用研究始于2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初。水岩作用是一种基本的地球 化学作用，在地表、地下的物理和化学作用中扮演着重要角色，水岩作用是指水、 热液和岩石任岩石固相以下的温度、压力范围内进行的各种化学反应与物理化学反 囊；。水岩相互作用研究有助于认识自然体系，有益于我们解决当今世界所砸临的 全球性的和地区性的资源与环境方面的难题“2 “”1 。 地球化学工作者对水一岩相互作用进行了实验室研究与地球化学模拟。在7 0 年代一些学者在静态与封闭的环境下进行了水岩相互作用的实验研究，如 f w d i c k s o n 与j l b is c h o f p “、a h a j a s h 1 “、m j m o t t l e 与h d h o l l a n d 16 1 在不 同环境下进行了玄武岩一海水反应实验；8 0 年代后，w e d i b b l e 与j m p o t t e r ”“、 d c p o h l 与j g l i o u “”等在开放体系与流动环境下进行了考虑动力学因素的水岩 反应的实验：水岩相互作用的实验研究在开放的流动体系动力学方面与水岩界面地 球化学及表面特性的研究方面取得重要的进展“。地球化学模型大多数是建立在化 学和平衡热力学理论基础之上，遵循质量守恒定律、质量作用定律和能量最低原理： 也有利用化学动力学原理建立地球化学模型解决非平衡水一岩相互作用问题1 。在 近3 0 年内，在水岩作用的地球化学模拟领域有许多进展“”。1 9 6 2 年r m g a r r e l s 与m e t h o m p s o n 对天然水体进行模拟建立了海水离子络合模型“；1 9 6 7 年， r m g a r r l s 和f t m a c k e n z i 利用观测的水化学资料解释花岗岩水一岩反应， 建立了反向地球化学模拟( i nv e r s eg e o c h e m i c a lm o d e l i n g ) 的基础1 ；1 9 6 9 年，h c h e l g e s o n 提出了正向地球化学模拟( f o r w a r dg e o c h e m i c a lm o d e l i n g ) 的 市，乜下水环境场变异目+ i 目杓相i 作用的理论分析 ；e 梃架。地球化字反应模型与流体流动和溶质迁移过程方程的结合，建立了“反 奠 迁移模型”f r ( 、a c t jo n t r a n s p o r tm o d e l ) 、“水化学模型7 ( h v d r o c h e m i c a 】 m 。d e l ) 、“水文地球化学模型”( h y d r o c h e m i c a lm o d e l ) 。p 1 u m m e r ( 1 9 8 5 ，1 9 9 2 ) 将 ? ? 。求化学模拟分为两类：_ _ f 向地球化学模拟( f o r w a r dg e o c h e m i c a lm o d e l i n g ) 是依 i ：1 。崩定的水岩反应来预测水的化学组分和质量转移；反向地球化学模拟( i n v e r s e “e m i c a lm 。d e l i n g ) 是依据观测到的化学和同位素资料来确定系统中所进行的 ? 岩反应，也就是对观测到的水化学资料做出解释，这类模拟主要在于解决某一 计。，k 演场中地下水的地球化学演化路径问题。为了研究不同温度、压力、组分条 件下水 岩相互作用系统中所发生的地球化学作用，人们开发了数十个能模拟不同 水岩相互作用的正向与反向地球化学模拟软件。正向地球化学模拟软件如e q 3 6 软件，m i n t e q a 2 ( a l l i s 。n 等，1 9 9 0 ) ，毗t e q x ( v a ng a a n s ，1 9 8 9 ) ，e c h e m ( m o r r e v ， 1 9 8 8 ) ，h y d r a q l l ( p a p e hs 等，1 9 8 8 ) 。反向地球化学模拟软件如b a l a n c e 软件 a r k h u r s t 等，1 9 8 2 ) ，n e t p a r t h 等。 因此，从地球化学角度，水岩相互作用的研究主要用于矿产资源如热液成矿研 究、沉积成岩作用、油气形成研究、风化研究、地下水化学污染物迁移研究等。 水岩相互作用涉及地球科学的方方面面。从岩石工程特性角度，水岩相互作用 不在局限于化学作用的研究，研究重点转向岩石的物理力学特性研究，水岩相互作 用被赋与了新的内涵，其物理含义有了本质的变化，体现了地球化学学科与工程学 科的交叉与融合。 从地下水的渗流场流体作用角度，众多学者的研究主要集中在渗流场、应力 场与应变场祸合方面的研究以及水的物理作用( 如泥化、软化等) 。在渗流与应力 关系研究方面，l 。u is f1 9 7 4 ) 根据某坝址的抽水试验资料分析，提出了渗透系数 与应力的负指数关系式：s n o w ( 1 9 6 8 ) 通过试验得出了一组平行裂隙在应力作用下 的渗透系数的表达式；k i l ls a l le ta 1 ( 1 9 8 4 ) 研究了地下洞室开挖后围岩渗透 系数的变化，提出了渗透系数与应力的关系式；0 d a ( 1 9 8 6 ) 由裂隙几何张量来统 计表达岩体渗流与变形之间的关系；仵彦卿( 1 9 9 5 ) 提出了渗透系数与应力的分形 几何关系式及渗透压力作用下岩体裂隙变形的关系式。在渗流场与应力一应变场耦 合分析方面，n o o r i s h a de ta 1 ( 1 9 8 2 ) 对非连续节理岩体渗流与应力耦合进行了 分析，提出了以节理元为基础的有限元方法：o d a ( 1 9 8 6 ) 运用渗透率张量 ( p e r m e a b l l t yt e n s o r ) 和应力张量法，提出了岩体渗流场与应力场耦合分析的等 城市，乜下水环境场变异与土结构相互作用的理论分析 设釜_ 续介质模型；仵彦卿( 1 9 9 5 一1 9 9 9 ) 提出了考虑温度场的岩体渗流场与应力场 耦合分析的连续介质模型、改进的等效连续介质模型、狭义和广义双重介质模型以 及裂隙网络介质模型；陶振宇( 1 9 8 8 ) 在水库诱发地震的预测研究中应用渗流与应 。j 稿合分析方法；张有天( 1 9 8 9 1 9 9 7 ) 运用渗流场与应力场耦合分析的连续介 口! 模型分析了水电工程中的边坡稳定问题；许彦卿( 1 9 9 5 ) 运用岩体渗流场与应力 = 辐合分析的广义双重介质模型分析了水电工程中的边坡稳定问题； 从水岩的力学作用角度，康普红”运用损伤力学理论分析了水对岩石强度和变 川j 影响：常春”等应用模糊神经网络处理实验数据，分析了静水压力对岩石屈服 强度的影响： 从水岩作用的力学效应方面，王士天等”“、王思敬等研究了水库地区的水岩作 川对地质环境的影响，对水岩作用的类型进行了分类，阐述了水岩力学作用在水库 地区可能产生的环境变化与地质灾害”“；仵彦卿“3 对水岩相互作用导致的地质灾害 。水库诱发地震、滑坡、岩溶塌陷、地面沉降等) 的力学机制进行了探讨； 许多学者在研究液一固耦合问题时已注意到，不能局限于运用有效应力理论研 叠水括州j i 作用，还应重视水岩相互的化学作用对岩石的物理力学特性的影响。 1 。? 印w ic d e i 、h o l l n 等”研究了p h 值对玻璃裂隙扩展的影响；a t k i n s o n 等3 用h c l 、 n i o h 溶液对石英的裂隙扩展速率、应力强度等进行了试验研究；1 9 8 1 年s i m m o n s c r 。等研究水化学溶解侵蚀作用对岩石裂隙扩展作用的影响；水岩的化学作用机 理复杂，也有以能量的观点来解释水化学作用导致岩石力学性质改变的机理。“。2 m “。 1 9 9 7 年徐则民。4 1 认为水岩的化学作用不仅涉及成岩成矿、污染物的迁移转化也涉及 地质灾害等众多地质过程；2 0 0 0 年张信贵等。”63 在研究南宁地区泥岩承载特性时， 指出水化学环境的变异会加剧泥岩的水岩相互作用，导致泥岩的结构强度发生变 异，提出进行泥岩水稳定性时应采用不同水化学环境下相关参数来评价，并进行了 前期固结压力的衰减试验。2 0 0 0 年汤连生等。”较系统地开展了水岩作用的岩石断裂 力学效应试验，对在常温常压、不同循环条件下、不同水化学溶液化学作用下的不 同岩石k 。值和c o d 断裂力学指标及抗压指标的历时效应进行了研究。 1 2 2 水土作用研究现状 水土作用涉及因素多、作用复杂，各学科研究的角度、概念的提法、物理涵义 各不相同，水土作用是一个复杂的、多因素相互作用的体系。 从环境污染角度研究水土间的相互作用，主要包括两个方面。一是有关农业土 5 城市，乜下水环境场变异与土结构相互作用的理论分析 研究，主要涉及士一水溶液系统阃污染物的转化、迁移、降解、吸收、扩 。物等系列物理的、化学的、生物的作用。水土问的相互作用起到降低或 j 染物质浓度，使之不致造成危害。如在研究粘土与污染物间的相互作用方面， 。e 。kp i c k e r i n 2 ，wf 。“3 ，高岭粘土对溶液中铜离子的吸附与浓度的影响；f a r r a h ， ，i c k e r i n g ，w f 1 3 9 】研究了不同类型的粘土( 高岭石、伊利石、蒙脱石) 对重金属 u ，p b 、z n ，c d 等离子的吸附，反应了不同类型粘土与污染物问相互作用的属性；赵 终芝等对不同土质吸附污染物的行为进行了研究，以此了解不同土质作为垃圾填 埋衰星的可行性。类似的研究国内外学者研究众多，由于不是本文的研究重点，在 此不再赘述。二是有关工程上的污染土研究，污染土是由于外来致污物质( 污水、 固体废物淋滤、酸雨、废气随水入渗) 侵入土体改变了原生土性状。7 0 年代初国外 开始研究污染土，1 9 8 5 年1 1 月在荷兰的u t r e c h t 召开第一届国际污染土会议之后， 又在美国和我国上海相继召开有关环境岩土工程方面的国际会议，如h e l l e m a n s ，j 【4 1 进行过防止污染物质进入水体与土体方法与已破坏的土体再生利用可能性的研究。 我国在6 0 年代开始在老厂房改建中发现地基土被废液污染，使土性改变建筑物被 破坏的事故。国内曾对造纸、制皂、合成洗涤剂、制革、食品加工等对场地的污染 进行过勘察与调查。同时也开展了对污染土性质、污染离子在土中迁移，以及废弃 物处理的研究。污染土是环境化学场发生变化后水土作用的极限状态。 从土的工程性质角度研究水土间的相互作用，除对污染土这类特殊土进行专门 研究以外，国内外学者各自从不同的侧面、角度针对不同的对象对水土间的作用进 行过不同程度的研究。 米切尔【4 2 主要从双电层的角度，讨论了土一水相互作用的可能机制；城市区域 地下水环境变异而导致一一些现象和问题的发生己受到许多学者的重视。如英国 h a w k i n s 研究过地下水面升降与土颗粒间强度的问题；前苏联学者p a k h o m o v 提出 粘土与废液相互作用所表现出来的粘土矿物分解与物理化学膨胀作用的问题；葡萄 牙学者s i v l v a 讨论过地基土中地下水流对岩土体产生的物理、化学作用的问题；美 国的y ba c a r 等曾研究过粘土曾被水化学溶液溶蚀而“击穿”的问题；冯金良【4 4 i 曾研究过无定形态游离氧化铁脱水老化时对粘性土物理性质的影响作用；周福俊【4 5 j 通过对大庆市西部地区地下水硬度的研究，提出c 0 2 分压作用及其水一岩间的离子 吸附与交换作用问题。针对红粘土，孔令伟、罗鸿禧等研究了游离氧化铁起胶结作 用，有效胶结铁的溶蚀给红粘土的工程特性带来明显影响；程昌炳等用穆斯堡尔谱、 日 掌硕士掌位论文 城市j 也下水环境场变异与土结构相互作用的理论分析 电f 能谱、核磁共振谱、反应活化能以及物质的磁性研究了高岭土与针铁矿胶结的 本质，并对贵州红粘土力学特性通过用人工合成矿物的化学动力学参数的测定，预 报红粘土在酸液侵蚀下的强度变化规律：周芳琴、罗鸿禧等“”研究了有机质与微生 物引起的氧化还原作用对起胶结作用的游离氧化铁赋存状态转化的影响，并指出这 种影响可能导致岩土工程安全问题；张海洋等在实验中发现有机酸对岩石中的铁等 金属有很高的淋滤率；在城市区域水文地球化学环境被扰动的研究方面，钱会认为 氧化碳的分压对碳酸钙的溶解是有影响的；马风山、蔡祖煌、吴春吉、王东胜，s i e v e r ， r “枣人对于海水入侵大陆时，海水与地下水、地层土发生的物理、化学反应作了很 多l 作：罗逸、鱼! a h 4 塑，鼬! 鱼：旦等研究原状膨胀土与化学溶液反应后，其土体力 学行为的改变。地下水的物理力学作用方面，主要体现在城市大面积抽水作用，引 起地下水的浮力、静水压力、动水压力、孑l 隙水压力变化所引起大面积地面沉降， 其中美国、日本、墨西哥等国尤甚；张元欣、屠洪权等人对地下水深度变化对地基 承载力的影响进行了研究； 吴恒4 7 】f 4 8 h 4 9 】( 1 9 9 6 ，1 9 9 8 ，1 9 9 9 ) 提出城市区域地下水变异对城市下伏土体 强度及性状的影响，分析了城市建设引起地下水化学场变异的因素，对地下水化学 成份变异后的水土作用的化学机理做了探讨，并总结出了地下水变异引起土体强度 变异的主要形式。周平根【5 0 1 ( 1 9 9 6 ) 对水与岩土介质相互作用做了描述；汤连生， ：f = 思敬沦述了工程地质地球化学的必要性。 1 2 3 土结构研究、土结构与工程性质关系研究现状8 ”。” 早在本世纪2 0 年代，关于土结构性研究的重要性，t e r z i 曲i 就曾强调指出：在 评价粘性土的变形与强度特性时应当注意其结构的重要性。沈珠江将土的结构性本 构模型的建立视为2 1 世纪土力学的核心。土结构与的工程性质密切相关，摩根 斯顿在“结构与物理化学作用对粘土性质影响”一文中说“土结构的研究有两个主 要任务：一是为解决工程问题提供土的特征资料，这主要是宏观结构的研究；二是 帮助我们认识土的力学原理，这是研究土的微观结构的主要目的。”水土相互作用 是从水对土体颗粒的作用出发，通过对水与土颗粒间的相互作用来研究土颗粒问的 排列、胶结状态，进而达到对土的力学行为的研究，因此有必要对土结构、土结构 与工程性质关系的研究做一简述。土结构的研究与进展和现代测试技术的发展以及 观察手段密切相关，大体可分为三个阶段： 1 土结构概念体系的初步建立因测试技术制约，对微观结构的研究以间接 j “西大掌硕学位论文城市 也下水环境场变异与土结构相互作用的理论分析 的、定性的描述研究为主。 土的微观结构概念是t e r z i 曲i 于1 9 2 5 年提出来的。概念是建立在悬液中粘土粒 子相互作用的基础上。他把粘粒悬液在电解质的作用下形成的絮凝沉积物在一定上 覆荷重压力作用下形成的结构称为蜂窝结构，同一时期他又提出絮凝结构和单粒结 构概念；g o l d s c h m i d t ( 1 9 2 6 ) 提出了片架排列结构。他认为高灵敏粘土中的粘土颗 粒是不稳定的片架排列，而低灵敏粘土则有较大的密度和较稳定的排列；c a s a g r a n d ( 19 3 2 ) 发展了t e r z i 曲i 的蜂窝结构，假定蜂窝结构排列存在于灵敏的海洋土中， 诲把处于粉粒骨架中间的那部分受压较小的粘土排列称为“基质粘土”或“充填粘 ：”，而把相邻粉砂粒间受有高压作用的那部分粘土排列称为“联结粘土”或“健 合粘土”；w l k u b i e n a ( 1 9 3 8 ) 阐述了土体微观形态的描述体系：p o p o v ( 1 9 4 4 1 9 4 9 ) 利用光学方法研究压缩下粘土的微结构的变化，提出隐结构概念；l a m b e ( 1 9 5 3 1 9 5 8 年) 从胶体化学、双电层理论出发，提出了边一边和边一面接触的开放式非盐 絮凝结构，面一面和边一面接触的“盐絮”结构以及面一面接触的分散排列结构； 我国科学家陈宗基教授( 1 9 5 7 ) 将粘土中片状颗粒的接触形式分为点面接触，边面 接触和面面接触，并将粘土片状颗粒的相互作用形象地绘成三维网格模型；v a n o l p h e n ( 1 9 6 3 ) 提出“集合体”结构模型，标志“团粒”结构研究开始。 2 土结构研究的深化一测试技术的发展，进一步产生新的概念并转向定量化 研究 随着光电技术的发展，透射电镜( t e m ) 特别是扫描电镜( s e m ) 测试技术的 应用，土结构的研究进一步深化，又产生了许多新的结构模型和新的概念。a y l m o r e ( 1 9 5 9 1 9 6 0 ) 等提出“畴”和湍流层状排列的概念；p u s c h 和b o w l e s ( 1 9 6 6 1 9 7 3 ) 等提出了“集聚体”的概念，他们把“集聚体”看作一个组构单元，单元内各单个 颗粒可以以不同的方式相互作用：s m a r t ( 1 9 6 9 ) 提出了颗粒发育的结构型态；d u d l e g ( 1 9 7 0 ) 提出了环状支撑和集合粘土粗粒状排列的结构模型，描述了粘土片状颗粒 与砂粒或粉粒的相互作用关系；0 b r i e n ( 1 9 7 1 ) 等人提出“梯型排列片架结构”模 型；k c o l l i n sa n da m e g o w n ( 1 9 7 3 1 9 7 4 ) 提出了“联结”、规则集聚体、粘土 基质、粒状基质、部分可辨颗粒、贯穿孔隙等概念模型，说明各种土的复杂多变的 各种结