地貌学与第四纪地质学研究的工程意义综述.doc

前言一、地貌学与第四纪地质学研究概述地貌学及第四纪地质学是以第四纪地质学和地貌学基本知识为主体，并吸收沉积学、自然地理学、古气候学、古植物学、新构造运动学和地质年代学等有关知识组成的一门综合课程。第四纪地质学是研究距今二三百万年内第四纪的沉积物、生物、气候、地层、新构造运动和地壳发展历史规律的科学。地貌学是研究地表形态特征、成因、分布和形成发展规律的学科。两者都是研究地表环境的学科，具有多种理论与应用实际价值。第四纪是自然与人类相互作用的时代，它的过去、现在、和未来变化都对人类的生存与发展息息相关。因此，第四纪研究在科学的理论和实践中有特殊重图1-1东营黄河入海口要的地位。地貌即地球表面各种形态的总称，也叫地形。地表形态是多种多样的，成因也不尽相同，是内、外力地质作用对地壳综合作用的结果。内力地质作用造成了地表的起伏，控制了海陆分布的轮廊及山地、高原、盆地和平原的地域配置，决定了地貌的构造格架。而外营力（流水、风力、太阳辐射能、大气和生物的生长和活动）地质作用，通过多种方式，对地壳表层物质不断进行风化、剥蚀、搬运和堆积，从而形成了现代地面的各种形态。二、地貌学与第四纪地质学研究进展近年来，在来自国民经济建设巨大需求的推动下，我国地貌与第四纪地质学瞄准国际前沿科学问题，服务于国民经济建设，在理论研究、应用基础研究和应用研究方面，取得了长足的进展。地貌与第四纪学科在宏观和微观、分析和综合两个方面深入发展，产生了一大批高水平的成果，学科的总体水平有所提高。地貌与第四纪工作者，瞄准国家的重大需求展开研究，若干重要成果为国家建设的决策提供了科学依据。近5年来，地貌与第四纪学家承担了一系列重大项目，包括多项国家973项目，如“中国典型河口一近海陆海相互作用及其环境效应”(20022007)、“纵向岭谷区生态系统变化及西南跨境生态安全”(20032008)；“长江流域水沙产输及其与环境变化耦合机理(20032008)、“青藏高原环境变化及其对全球变化的响应图1-2三峡大坝与适应对策”(20052010)、“中国主要水蚀区土壤侵蚀过程与调控研究”(20062011)、“西南喀斯特山地石漠化与适应性生态系统调控”(20062011)，取得了重要进展。例如，已结题的973项目“中国典型河口一近海陆海相互作用及其环境效应”(20022007)，主要研究河口动力沉积过程及其在深水航道工程中的应用、三角洲海岸冲淤演变及其工程应用等。不但取得了一批有再要影响和创新意义的研究成果，丰富和发展了具有我国特色的河口海岸学科理论体系，而且有效地解决了长江口深水航道整治工程、长江口淡水资源开发利用、杭州湾北岸冲刷防护等重大工程中的关键科学技术问题，为长江三角洲地区社会经济的可持续发展作出了应有的贡献。第一章 地貌学与第四纪地质学研究的工程意义概述第四纪地质和地貌的研究，是开发利用资源和水文地质及工程工作的基础，也是水利、水电、水运、地下和地上交通与管线工程勘查的重要组成部分，还是灾害与地球环境和预测研究的重要环节。水利、水电、交通、建筑和水运等工程勘察都必须研究与工程有关的有利和不利的第四纪沉积物、地貌、新构造运动和现代动力作用。对大型长效和安全性要求高的现代工程，如大型水库、水坝、主航道、核电站、地铁、隧道和高层建筑等，不仅要研究可利用的地质、地貌条件，还应该研究工程后由于局部地质、地貌条件变化对工程可能产生的影响。许多大工程都修建在山前、平原、河谷和海（湖）岸，这些地貌单元的第四纪松散沉积物厚度较大，岩性和成因复杂，地层时代、风化程度和形成过程各异，新构造运动和现代动力作用强弱不等，对工程设计施工和工程的安全等的影响也就不同。图1-3钱塘江隧道因此地貌学与第四纪地质学研究对工程建设有着尤为重要的实际意义。本文将联系理论和实际，结合生产实践中的遇到的各种问题，综合阐述地貌学与第四纪地质学研究的工程意义。第二章 各种地形、地貌研究的工程意义一、 岩溶研究的工程意义岩溶区的漏斗、落水洞、溶洞、溶蚀裂隙等，常可导致地基塌陷、水库渗漏、岩溶涌水等危害。因此在施工前一定要挺过地质、地貌和物探、钻探手段，并利用航空照片、卫星照片查明地表塌陷地貌、潜伏洞穴及隐伏岩溶地貌的发育特征和分布规律。大型地下溶洞在工业、农业、军事上有广泛用途。近年来， 随着城市人口的急剧增长， 交通与住房拥挤状况日趋突出， 在我国一些大中城市， 地铁工程、地下商城等地下工程建设项目逐年增多。我国地铁等城市地下工程建设的重心正由东部沿海城市向西南部城市转移， 而西南部城市岩溶较为发育， 如昆明、贵阳、桂林、广州等， 岩溶区水文地质条件比非岩溶区更加复杂， 环境地质问题更加敏感， 因此， 研究岩溶区城市地下工程对环境的影响具有重大的意义。（一） 岩溶地貌岩溶也称喀斯特 (karst)， 是指以碳酸盐为主的可溶性岩石（石灰岩、白云岩、石膏、岩盐）地区，由于地表径流和地下水流对岩石的溶蚀作用和机械破坏作用，在岩体中形成洞穴，或在岩层的表面形成奇峰异石等独特的地貌景观。南斯拉夫的喀斯特高原是典型地区，并因此得名 喀斯特 。 1966 年 5 月在中国第二次全国岩溶学术会议上将 “ 喀斯特 ” 以 “ 岩溶 ” 作为中国的图2-1石林通用术语。 凡是以地下水为主，地表水为辅，以化学过程（溶解与沉淀）为主。机械过程（流水侵蚀和沉积，重力崩塌和堆积）为辅的对可溶性岩石的破坏和改造作用都叫岩溶作用。 这种作用所造成的地表形态和地下形态叫岩溶地貌。岩溶作用及其所产生的水文现象和地貌现象统称岩溶。 岩溶在我国分布非常广泛， 典型的分布区有广西桂林、阳朔、柳州以及云南东部、贵州的大部分地区 ，广西的桂林山水、云南的路南石林皆闻名于世。这些奇异的景观都发育在碳酸盐岩地区。整个西南石灰岩地区连成一片，面积共达 550000km 2 ; 全国石灰岩分布面积约 1300000km 2 ， 约占全国总面积的 13.5% 。 图2-2溶洞（二）岩溶区工程地质问题 （1）岩溶地区城市地下工程主要具有以下3个方面的主要特点。1、环境地质问题种类较多。岩溶地区城市地下工程建设可能诱发一系列的环境地质问题， 如岩溶地表塌陷、地面沉降、地面开裂、对地下水资源量和水质的影响以及对建筑物基础的影响等。2、 环境地质问题较为敏感。岩溶区城市地下工程可能诱发岩溶地表塌陷和对建筑物深基础产生影响， 这点显著不同于非岩溶地区， 是岩溶区较为敏感的环境地质问题。3、 地下水与环境岩土体作用关系复杂。城市地下工程建设可能引起地下水位多次波动， 地下水与环境岩土体相互作用， 将对土洞、溶洞及地下溶蚀空间的稳定性造成影响， 进而影响建筑物基础的稳定性。（2）主要工程地质问题岩溶地区城市地下工程对地表的影响首先表现为地面变形， 地面变形进一步发展， 将导致地面开裂， 严重者导致岩溶地表塌陷。1、 岩溶地表塌陷岩溶地表塌陷大都发生在覆盖型岩溶分布区，人为活动引起岩溶地表塌陷的成因主要是施工抽排地下水或工程引起地下水位壅高， 破坏了原有的岩溶水赋存和径流图2-3四川天坑状态， 改变了水、气的压强差和土体的自重力、浮托力， 加大了地下水渗透比降， 机械冲刷、潜蚀和吸蚀作用的结果使上覆的岩(土)体塌陷。岩溶塌陷给城市建筑物、道路以及其他市政设施构成很大危害， 不仅影响生态景观结构、地形变化、水动力条件及地下水污染， 而且直接威胁人类生命及财产安全。如2008年， 广州市白云区夏茅村发生岩溶地面塌陷， 陷坑面积达300 m2， 导致数十处房屋的墙壁及地面开裂、变形， 造成了巨大的经济损失。图2-4地面塌陷2、 建筑物基础的稳定性问题目前， 非岩溶区建筑基础方面的研究较多， 而对于岩溶区城市地下工程对建筑基础影响方面还比较少。在覆盖型岩溶地区进行城市地下工程的施工， 建筑的浅基础会受到一定程度的影响。随着高层建筑和超高层建筑的兴起， 工程施工引起岩溶对深基础建筑物的影响也越来越值得关注。浅基础建筑物的稳定性城市地下工程施工过程中疏干排水引起的地表沉降， 以及运营期内地下工程结构对地下水的阻碍导致地下水位壅高， 都可能给浅基础建筑物造成一定影响。疏干排水对浅基础建筑物的影响：在地下工程施工中， 常常需要进行疏干排水， 排水将导致局部水力梯度、地下水流速发生变化。若黏土中网状裂隙发育， 水体沿裂隙渗流并向下部开口的溶洞、溶隙汇集，会对土体产生垂直渗透压力， 细小的土颗粒将被水流带走; 当水力坡度足够大时， 大的土颗粒也将随水流发生运移， 发生流土或管涌， 进而形成土洞。影响到地基土体的稳定， 给建筑物的安全带来极大的危害。地下水水位壅高对浅基础建筑物的影响：城市地铁建成后就像植入地下含水层中的一道隔水墙，阻碍地下水的径流， 造成地铁隧道和车站迎水面地下水位升高， 背水面地下水位降低。通常情况下， 地下水对浅基础地基承载力的影响主要表现在:地下水水位升高， 使水位以下的土体失去由毛细管应力或弱结合水形成的表面凝聚力， 承载力降低;由于地下水的浮力作用， 致使土体的有效重力减小， 承载力降低。深基础建筑物的稳定性随着现在高层建筑、超高层建筑的修建， 建筑基础的埋置也在加深， 在覆盖层较薄的地区， 深基础将埋置在岩层中， 在裂隙、溶洞、基岩面溶沟溶槽等岩溶较发育的地区， 下伏溶洞、溶蚀裂隙及暗河中的岩溶裂隙水， 连通性好， 水量丰富; 赋存于构造断裂带中的裂隙水， 连通性强。地下工程施工引起地下水位的波动会对溶洞及地下溶蚀空间的稳定性造成影响， 从而影响深基础建筑物的稳定性。工程实践中发现， 许多含溶洞地基的破坏往往是由局部破坏进而发展到整体破坏， 由溶洞内部破坏再发展到外部塌陷失稳。（3）岩溶区常用地基处理方法 1、填垫法 该法可分为充填法、换填法、挖填法、垫褥法等几类。 充填法适用于裸露岩溶土洞,其上部附加荷载不大的情况。最底部须用块石、片石作填料,中部用碎石,上层用土或混凝土填塞,以保持地下水的原始流通状况,使其形成自然的反滤层。 当已被充填的岩溶土洞,如充填物物理力学性质不好,可采用换填法。须清除洞中充填物,再全部用块石、片石、砂、混凝土等材料进行换填。石横电厂厂房岩溶地基处理采用此法取得了很好的效果。 对浅埋的岩溶土洞,将其挖开或爆破揭顶,如洞内有塌陷松软土体,应将其挖除,再以块石、片石、砂等填入,然后覆盖粘性土并夯实,称挖填法。此法适用于轻型建筑物,并且要估计到地下水活动再度掏空的可能性。为提高堵体强度和整体性,在填入块石、片石填料时,注入水泥浆液;对于重要工程基础下或较近的溶洞、土洞,除去洞中软土后,将钢筋或废钢打入洞体裂隙后再用混凝土填洞,对四周的岩石裂隙注入水泥浆液,以粘结成整体,并阻断地下水。 2、加固法 该法通常包括灌浆法、顶柱法、强夯法、挤密法、浆砌法等。 对埋深较大的岩溶土洞,宜采用密钻灌浆法加固。应视岩溶洞隙含水程度和处理目的来选择材料。用于填塞时,可用粘土、砂石、混凝土、水泥砂浆等;用于防渗时,可用水泥浆和沥青作帷幕,灌浆顺序可先外围后中间,先地下水上游后下游;用于充填加固时,用快干材料或砂石等将洞隙先行填塞,开始时压力不宜过高,以免浆料大量流出加固范围。在对广州白云机场候机楼扩建工程岩溶地基处理过程中,程鉴基运用双液化学硅化法对复杂多层含水溶洞成功进行加固。 3、跨越法 此法包括板跨法、梁跨法、拱跨法等 。 深度较大、洞径较小不便入内施工或洞径虽大、但因有水的溶洞,可据建筑物性质和基底受力情况,用混凝土板或钢筋混凝土板封顶,称板跨法。对埋藏较深但仍位于地基持力层内的规模较小的塌陷或土洞,可用弹性地基梁或钢筋混凝土梁跨越土洞或塌陷体。 在地下建筑工程的边墙、堑式挡墙、堤式坡脚挡墙及桥墩、桥台等地基下常见洞身较宽、深度又大、洞形复杂或有水流的岩溶地基,宜采用拱跨形式。拱分浆砌片石拱、混凝土拱、钢筋混凝土拱。 4、桩基法 溶洞、塌陷漏斗较深较大或溶洞多层发育,可采用桩基础。在基岩起伏处,其上覆土层性质较软弱、厚度又大、不易清除时,宜采用钻孔或冲孔灌注桩、爆扩桩,视工程需要作支承桩或摩擦桩,桩头锚入基岩内;采用打入桩时,桩尖应锚入基岩,采用人工挖孔桩时,多数情况开挖时宜设护壁。湖南某厂锅炉房采用钻孔灌注桩有效处理了深达12.3 m、宽4.8 m的溶洞。广西某市中心广场24层贸易大厦采图2-5大型混凝土桩基用冲孔和挖孔要结合,解决复杂、多层、含水岩溶地基强度和稳定性问题。 规划工程场地应在满足工程需要尽量避开岩溶发育区。无法避开时,综合考虑工程荷载、重要性、施工工艺,把地基、基础、上部结构作为一个整体,综合运用多种处理方法,扬长避短,以便取得最佳技术、经济效果。 二、 流水、湖泊和沼泽堆积物研究的工程意义大型水坝和水库工程要求地质基础稳固，蓄水不会渗漏，配套工程合理，易于施工和节省投资。为此要对河谷地貌、沉积物、地质构造、新构造运动、地震和重力作用等进行详细研究，峡谷与宽谷间的过度地段，尤其是有河中小岛的地段是优选地貌、地质条件。如三门峡水库和三峡大坝就利用了上述条件。水运工程（港口、航道、运河等）要求工程地段河道具备一定的水深、河宽、河滩稳定、无心滩暗礁、无岸崩，上下游冲淤变化对水运的影响不大等等。防洪工程要求重视对河床形态、主流线移动、曲线移动、岸坡岩性、管涌、叉河洲滩演变和沿岸重力作用的研究。（一）流水地貌及其堆积物流水地貌及其堆积物是陆地上分布最为广泛的地貌类型和第四纪沉积类型。流水地貌及其堆积物的研究，对于水工建筑、道路桥梁建设、农田基本建设、水土保持及灭害防治、河运航道、地下水赋存条件以及砂矿地质等方面都具有最普遍而广阔的意义。在暴雨或大量积雪消融时，所形成的瞬时洪流称暂时性水流。暂时性水流形成的侵蚀地形是侵蚀沟，沟床中的水流堆积物称冲沟堆积物。沉积于沟口的沉积称洪积物。在半干旱气候带的松散沉积层之上，在植被稀疏的缓坡地区侵蚀沟可以发展得很快，使地形遭受强烈的分割，蚕食耕地，破坏道路，造成大量水土流失，淤塞水库河道，冲沟密布还使潜水位下降，造成危害甚多，为黄土高原的沟堑纵横，称为侵蚀沟。侵蚀沟中被侵蚀破坏的碎屑物质，洪水期被搬运出沟口后，由于水流分散，坡度急剧减小，流速降低，这些碎屑物质遂堆积于沟口，形成一种半圆冲出锥堆积物称为冲出锥。洪积扇是在暴雨季节，山区洪流沿河谷流出山口时，由于山区与山麓之间地形相差悬殊，水流出山口后形成散流，水流厚度、流速迅速减小；同时还因地表水的蒸发及通过山口松散沉积物时的迅速下渗，使水量大大减小，搬运力急剧减弱，由洪流搬运的碎屑物质在山口处呈扇形堆积形成的。过去不同时期的河谷底部（河床及河漫滩部分），由于河流下切侵蚀作用加强，被抬升超出一般洪水期水面以上，呈阶梯状分布于河谷谷坡上，这种地貌称为河流阶地。每一级阶地都经历了两个形成阶段：首先是以侧方侵蚀为主，形成宽广的河谷，同时堆积冲积层；然后下切侵蚀加强，切开冲积层，形成阶地陡坎。图2-6洪积扇冲积平原是大河的中下游发生大量堆积而形成广阔的地带。可以分为山前平原、中部平原和滨海平原三部分。山前平原是从山区到平原的过渡带，成因上属于冲积洪积型。当河流流出山口到平原 后，河床坡降急剧减小，水流呈扇形散开，河道分汊，水流厚度减小，其动能大大减弱，形成冲洪积扇形平原。中部平原是冲积平原的主要部分，组成中部平原的沉积物主要是冲积物，但也夹有湖积物及风成堆积物，位于中部平原的河流，以汊道式的游荡型河流为主，众多的河流甚至几个水系组成一个冲积平原。图2-7西藏冲积平原（1）淤泥质土淤泥及淤泥质土是在静水或非常缓慢的流水环境中沉积，并伴有微生物作用的一种结构性土。就其成因看有滨海沉积、湖泊沉积、河滩沉积及沼泽沉积四种。在中国渤海、东海、黄海等沿海地区的天津、上海和广州等城市，长江中下游、珠江下游、淮河平原、松辽平原，洞庭湖、洪泽湖、太湖和鄱阳湖四周，以及昆明滇池地区，都埋藏有厚度达数米至数十米的淤泥及淤泥质土。它的含水量接近或超过液限；孔隙比大于1，有的高达2.5；压缩系数大于0.510帕,有的超过210帕；渗透系数为1010厘米/秒；容许承载力一般为30100千帕。 1、 淤泥的工程特性地基的沉降由固结沉降、侧向挤出和次固结沉降三部分组成。当荷载小于比例界限值（即从荷载试验曲线得到的直线段）时，沉降主要由固结所引起。在相同条件下淤泥及淤泥质土地基沉降量比一般第四纪粘性土天然地基大若干倍。因此，上部荷重的差异、复杂建筑体型、建筑物的毗邻及大面积地面负荷等都可以引起严重的差异沉降或倾斜，造成房屋损坏，上下水管道开裂及雨水倒灌等不良后果。图2-9地基不均匀沉降致楼房整体倒塌沉降速率较大且沉降稳定历时较长，沉降速度与施工的快慢和活载堆积的速率有关。缓慢的加荷，如一般民用房屋或工业建筑的活载较小者,竣工时速度大约为0.51.5毫米/日，施工期间沉降量约为总量的20%。主固结沉降稳定历时约需数年。加荷速率过快，且荷载较大时，建筑物容易发生倾斜甚至倒塌事故。主要沉降完成后还有相当长时间的次固结沉降。次固结沉降速率较小，但延续时间可达几十年。淤泥固结后的抗剪强度和压缩模量比固结前有很大的提高，预压加固地基的方法就是根据这个原理提出的。在地震周期荷载作用下淤泥地基将出现附加下沉，下沉量与周期荷载的大小、循环次数及地基中的静剪应力状态有关。在中国唐山地震期间，渤海沿岸淤泥地区房屋出现了程度不同的下沉；在烈度超过八度地区，下沉量有的超过30厘米，并引起房屋不同程度的倾斜。 2、 淤泥地基设计除按一般地基设计原则和方法进行外，尚需根据淤泥地基变形大、强度低、变形稳定历时长等特点，及建筑结构的具体条件，采取相应的建筑结构和地基处理措施。 建筑结构措施 工业厂房与民用房屋往往造型复杂，在平面上有工字形、L形、T形,在立面上有高差变化,在结构上有时为砖石结构与排架结构相连。至于舞台、图书馆、体育馆等建筑则更为复杂。沉降观测资料说明：建筑平面、立面和结构变化的部位，也常是地基变形差异较大，容易引起墙体开裂的部位。因此，在设计时应采用以下措施：体型不宜太复杂，同一栋建筑高度和荷载不宜变化太多，房屋的纵墙不宜中断或曲折。将整个房屋划分为若干基本单元，各单元的长高比应小于2.5,使各单元具有独立良好的刚度和调整不均匀变形的能力。各单元的结构、荷载应尽量相同。如果相邻两单元的结构、荷载有明显的差异，应计算建筑物各部分的沉降，并研究在结构较弱、荷载较轻的单元可能出现的问题,如高低层相邻,要考虑高层对低层的影响。必要时必须改变基础形式或施工程序,如先建高、重部分,待其完成后再建低、轻部分等。各单元间应留沉降缝；如有可能，可用简支梁连接。横向刚度甚弱或无内横墙的多层房屋，特别是双跨的框架结构，其中柱荷载很大，横向变形会很不均匀，应通过变形计算，务使其沉降差异小于0.003l（l为柱中心间距）。 在近代工业区或大城市中，建筑物之间的间距甚小，这种情况往往会引起建筑物的倾斜。倾斜超过容许值后，对使用及安全都不利。可通过计算确定倾斜量。如不能满足使用要求，则可在两相邻建筑物之一采用桩基解决。 在高层建筑的基础设计中，目前常采用箱形基础加地下室式的补偿式基础，以满足地基承载力和沉降要求。该法的原理是通过挖去的土方，减少地基中的附加应力和增加基础刚度，以达到减少沉降及增加地基稳定性的目的。补偿式基础在地震区还有较好的抗震性能。 3、 地基处理措施 常用的处理方法分为三类：利用预压以减少地基变形，增加地基承载力。为了缩短预压时间，多采用砂井排水法,但由于预压所需堆载较多,使用受到一定限制。目前，已有真空排水预压法，效果甚好。采用砂垫层（见换土法）和碎石桩（见振冲法），这些方法在薄层土中效果较好。采用刚性桩，如钢筋混凝土预制桩、灌注桩和钢管桩，适用于重型构筑物或沉降要求严格的建筑物；采用桩基础后，上部建筑可不设沉降缝，也不需要在结构上采取严格措施，但造价比较昂贵。 4、 大面积地面负荷时的地基设计 各种仓库、码头货栈和高填土等都会引起地面凹陷，桩基和墙基不均匀转动下沉,严重时会造成柱身及墙身断裂及吊车滑行。根据大量现场调查，平均堆料在3吨/米图2-8淤泥质土基坑支护坍塌以下时,仍可采用天然地基，但应注意由于不均匀下沉而产生的吊车轨道不平及吊车顶与屋架下弦相撞等问题；同时，应适当增加柱的断面和配筋；禁止在基础上堆料。当平均堆料超过3吨/米时,要通过计算确定是否可用天然地基；必要时应设置柱基桩。露天堆载数量因不涉及建筑物安全，可根据起吊设备要求确定技术措施，但要验算地基稳定性。三、 冰川、冻土研究的工程意义冰碛物由于分选性差，含泥，故孔隙度较小，常视为含水性差的沉积物；而冰水成因的沙砾则为良好的含水层。冻土区具有不同于非冻土区的水文地质与工程地质特征，在冻土区施工，必须考虑冻土类型、结构和施工作业与修建物可能引起的冻土变形变化给工程造成的影响。在我国的内蒙和东北区，冻融作用是引起土地资源破坏的重要影响因素之一。（一）冻 土冻土是 一 种 温 度 低 于的 土 岩 ，其特殊性主要表现为它的性质与温度密切相关， 是一种对温度敏感且性质不稳定的土体根据存在时间的长短冻土分为多年冻土和季节冻土， 我国冻土分布范围广泛， 多年冻土达 万平方公里， 青藏高原是世界上中低纬度海拔最高、面积最大的多年冻土分布区， 多年冻土 面 积 占 中 国 多 年 冻 土 面 积 的， 占我国国土面积的。冻土具有流变性， 其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征， 在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险： 冻胀和融沉。多年冻土有着自己独特的环境特性， 它是一个很脆弱的环境体系， 一旦遭到破坏就无法挽回。因此在青藏高原进行工程建设， 冻土区有关的地质灾害问题将非常突出。在铁路及公路工程中， 路基不均匀沉降而导致的系列问题已给工程建设本身及社会经济带来了巨大损失。为了保证道路的正常安全运营， 地基的沉降变形必须得到严格控制。否则， 施工后地基过大的沉降， 特别是不均匀沉降， 将导图2-9冻胀丘图2-10冰丘致路面的不平顺， 降低行车的舒适度，严重时甚至引起行车事故。在青藏高原多年冻土进行铁路和公路建设， 在多年冻土地基上填筑路堤， 由于工程活动将会导致冻土冻结上限的变化， 以及高路堤边坡的不同朝向等系列因素将会导致路基温度场的不同变化规律等， 都是造成 路 基 不 均 匀 沉 降 的 潜 在 因 素， 所以进行高原冻土区路基施工的研究对多年冻土区的道路建设具有重要意义。（1） 高原冻土的工程性质青藏高原是世界中、低纬度海拔最高、面积最大的多年冻土分布区， 这里的多年冻土具有地温高、厚度薄、极不稳定等特点， 其复杂性和独特性举世无双。在青藏高原地区， 冻土在寒季就像冰一样冻结， 随着温度的降低体积会发生膨胀，建在上面的路基就会被动胀的冻土顶得凸 起；到 了 夏 季 ， 融 化 的 冻 土 体 积 缩 小 ，路基又会随之凹下去。冻土的冻结和融化反复交替地出现，就会产生许多特殊的自然地质现象， 如冻胀、融沉、冻裂、冰椎 、冻 融 分 选 、融 冻 泥 流 等， 对 道 路 运 营安全造成威胁。青藏高原多年冻土路基最大的问题就是融沉与冻胀。冻土层融化会产生下沉， 而冻结则产生冻胀变形， 其中融沉是关键因素。土体中的热状况、水分状况与变化规律及由此引起的应力重分布是引起冻害严重与否的主要因素。在寒冷的气候条件下， 土体中的水分会冻结成冰并 膨 胀， 同 时 未 冻 结 去 的 水（如 地 下 水）会 源 源 不 断 地 向 冻 结 去 迁 移 并 结 冰， 引起更大的冻胀及破坏力， 造成路基的不均匀变形或纵向裂缝的形成。（2） 多年冻土地区基础设计的原则由于冻土所具有的特殊工程地质特性，因而基础类型的选择除考虑铁塔安全等级、类型外，还应考虑冻土类型、冻土环境、交通条件及人工作用便捷性等。本工程设计在多年冻土地区基础采用了保持冻土地基冻结状态和按地基融化状态的设计原则。对于地质情况较好，基础负荷不大，环保要求高的塔位采用掏挖式基础。掏挖式基础在以往的工程中也施工过，施工工艺成熟。施工过程主要控制好坑壁坍塌、保持冻土稳定等措施。季节性冻土地区按地基土融化状态设计为大开挖基础，主要设计基础型式有适合于冬季施工的装配式基础、锥柱基础，以及跨河及冻土地质条件极差、基础负荷大的灌注桩基础。 1、桩基础。主要为钻孔灌注桩基础，在基础作用力较大且地质条件较差的河网地区的塔位使用钻孔灌注桩基础。相对于其它软弱地基基础而言，具有施工方便，可以保证铁塔运行安全的特点。因此在本工程的跨河地段和地质条件较差地段采用这种常规的钻孔灌注桩基础较为安全可靠和经济适用。2、预制装配式基础。该基础适合于非多年冻土、多年冻土地区的基岩及融区、低含冰量的冻土区、地下冰分布均匀的富冰冻土粗粒土地段及不冻胀和弱冻胀性的地基上。3、锥柱基础。由于锥柱基础可以通过自身的结构型式改变消除切向冻胀力，因此在季节性冻土和多年冻土地区广泛地应用，特别在多年冻土地区最大冻结深度在24米之间基础易于开挖成型不易垮塌的地区。（3）多年冻土地区基础施工的关键工作1、基坑开挖：按地基土冻结状态设计的基础关键是保持土壤冻结状态，减少人为扰动；按地基土融化状态设计的基础关键是做好遮阳防雨措施以保持坑壁的稳定，并采取必要的抽水排水工作；管桩基础桩孔的成型和孔壁稳定。2、基础工程:现浇基础混凝土配合比设计、浇制、养护；预制管桩基础的安装、回填；基础辅助措施如热棒的施工技术及工艺。（4）多年冻土地区基坑开挖基本原则1、按保持冻结原则设计的基础，摸清规律掌握好开挖的时机与时间，在人工开挖的条件下，对厚层地下冰、地表沼泽化或径流量大的地段基坑开挖尽量在天气较为寒冷的季节施工；若在暖季施工时采取遮阳、防晒措施，选择在气温较低的时段内快速施工。在饱冰冻土、含土冰层地段施工时，可在暖寒季交替期施工，视天气情况采取遮阳和防晒措施，能够保持冻土的稳定。2、按容许融化原则设计的基础，设计要求进行基底换填的按设计进行换填，设计未要求的，铺设厚不小于30cm的碎石垫层。对于在暖季施工融化地下水比较多的基坑，需要采取抽水排水措施，为防止坑壁坍塌应采取挡土板、钢筒或混凝土护壁措施。3、基坑一般采用爆破方式进行开挖（可可西里保护区视时间而定，要避开动物迁徙的季节），爆破作业采用松动爆破或预裂爆破（药量按冻土爆破设计原则控制）。基坑从开挖到下桩（浇制）要连续，必须突出“快”字。4、桩基础开挖视地质情况采取人工掏挖和机械旋挖相结合的方式。 图2-11风镐施工 图2-12冻土区人工成孔四、 海洋和海陆交替带研究的工程意义为了在海岸地带建港、采矿、筑堤、填海造地、利用潮发电、修造建筑物和防止海水入侵大陆、利用海岸滩涂养殖水产和开发三角洲与海岸旅游资源等等，都必须研究海岸带地质、地貌、沉积物、内外动力作用过程和海平面的升降等。海岸是陆地与海洋过渡的地带，位居亚洲与太平洋之交的中国海岸类型丰富，河海交互作用与人类活动影响使海岸海洋环境与作用过程独具特色。河流的贯通作用，使得全球变化与人类活动对河流流域的作用，亦在海岸海洋地区表现出来，并对海洋环境形成显著的影响。历史与现实实例表明，在海岸海洋的开发利用中需重视研究海陆交互过渡带环境特征，尽可能减小人类活动对海岸海洋环境的负面效应。人们应调查研究区域海岸环境特点，探索其动力过程机制，阐明其发展变化趋势，依据自然规律，在阀值极限的范围内规划设计工程与开发利用，才可达到事半功倍与避免灾害的效果，确保海岸海洋的可持续性开发利用。（一）海岸地貌和沉积物海岸带是波浪的侵蚀和堆积作用最强烈的地区，在波浪对海岸的塑造下，形成多种海岸地貌类型。海岸带是陆地与海洋相互作用的有一定宽度的地带，其上界是风暴浪作用的最高位置，下界为波浪作用开始扰动海底泥沙处。现代海岸带由三个基本单元组成：潮上带：平均高潮线以上的沿岸陆地部分，通常称潮上带；潮间带：介于平均高潮线与平均低潮线之图2-13海蚀桥间；潮下带：又称为水下岸坡，为低潮线以下，至波浪有效作用于海底的下限。其下界约相当于1/2波长的水深处。古海岸带则是已脱离波浪活动影响的沿岸陆地部分。海岸侵蚀地貌可分为海蚀穴、海蚀凹槽、海蚀崖、海蚀沟、海蚀桥、海蚀柱、波切台、古海蚀地貌等。海滩是由波浪作用堆积形成的平坦海滨地带。也是海岸变化最活跃的部分。当波浪前进方间与海岸线方向垂直时，形成进流。进流将水下的砂、砾向岸上搬运，随着进流能量的耗尽，部分砂砾沉积在岸上，另一部分砂砾随回流退回向海一方。在海水进流与回流的往返作用下，在海岸上沉积物堆积形成砾滩或沙滩。通常按沉积物的粒级大小分为砾滩、沙滩、泥滩。沉积物的大小和成分主要取决于碎屑物来源的基岩类型、海水运动的强度、风向、地形条件等。沙坝与连岛沙坝（offshore bar or tombolo）：沙坝是指滨海沙砾沉积沿海岸方向所构成的狭长海岸堆积地貌，沙坝的形成是由海浪和海流携带泥沙在滩边或湾中堆积而成。沙坝可长达几公里甚至数十公里，宽度可达几百米至几公里。连岛沙坝（连岛沙洲）是连接大陆和邻近岛屿或相邻岛屿间的沙质堆积体。在岸外有岛屿耸立时，岛屿前方迎波区受到侵蚀，物质被带至岛屿后侧的波影区堆积，或由沿岸泥沙流携带的物质在波影区堆积，从而逐渐使陆岛相连，形成连岛沙坝，相应的岛屿称为陆连岛。连岛沙坝在我国广泛分布，如辽宁沿海的大连小平岛、和尚岛，辽西笔架山、复县太平岛等，山东沿海及闽粤沿海、海南岛的鹿回头、广西的犀牛角外沙至大环和企沙赤沙、樟木漫等地均有连岛沙坝发育。图2-14海岸地形（二）海岸工程在海岸带进行的各项建设工程 属海洋工程的重要组成部分。主要包括围海工程、海港工程、河口治理工程、海上疏浚工程和海岸防护工程沿海潮汐发电工程、海上农牧场、环境保护工程渔业工程等。建筑物和有关设施大都构筑在沿岸浅水域。由于水下地形复杂和径流入海的影响，海流、海浪和潮汐都有显著的变形，形成了破波、涌潮、沿岸流和沿岸漂沙，特别是发生风暴潮的时候，海况更是万分险恶，使海岸工程受到严重的冲击，甚至造成破坏。在寒冷的地区，还会受到冰冻和流冰的影响。海岸工程的建筑物的结构，可分为斜坡式、直墙式、透空式和浮式等4种。无论哪一种结构，都需要先经过室内的模拟试验、数学模型和现场测验等手段进行研究论证。 在海岸工程建设中，对图2-15荷兰海堤现场和建筑物进行的测验。用以探索海岸工程设施的可能性和合理性，探索有关海洋动力因素运动特征和岸滩演变规律，以及它们同海岸工程建筑物或其他设施之间相互作用的规律，为海岸工程的实施提供科学依据。这是研究海岸工程的一种重要方法。 在海岸带建造各种工程设施时，常需进行工程前期的环境调查、理论分析研究和模型试验研究，确定各种动力因素对工程设施的作用，搞清工程设施对岸滩演变和环境、生态的影响。此外，对重要的或有代表性的海岸工程还需进行单项或局部工程设施的现场试验，以提供必要的科学论证。有些海岸工程建成后，仍要进行长期的现场测验。为此在工程施工阶段，需将有图2-16海上油田作业平台关量测传感器预装在建筑物的测试部位，工程竣工后就能开始测试。理论分析和模型试验的成果，常需通过现场原型的测验进行验证，而海岸工程现场测验又常为海岸工程的理论研究和模型试验提出新的课题和提供论证资料。现场测验的主要内容有以下几个方面： 海岸动力因素同岸滩在现场量测波浪、潮汐、水流、泥沙在近岸带运动的基本特征资料，以及这些动力因素同各种类型的岸段(平直海岸、海湾、河口、泻湖通道、岛屿等)各种岸滩（沙质、砾质、淤泥质等）相互作用的基本资料。根据上述资料，进一步分析研究浅海区的波浪谱、波浪变形，破波带的波浪、水流与泥沙运动规律，以及岸滩的演变规律等。 海岸动力因素与海岸工程建筑物在现场量测波浪、水流等因素同直墙式、斜坡式、透空式和浮式等海岸工程建筑物相互作用的基本资料，根据这些资料分析各种动力因素对建筑物的作用荷