城市热岛效应对土体工程性质的影响及其关键科学问题

随着全球气候变暖、城市化进程加快,世界各地大城市的热岛效应及其带来的各种环境和生态问题越来越严重。本文从地质环境保护的角度,分析了城市热岛效应的成因、特点及其对地质环境的影响,重点讨论了城市热岛效应环境中土体工程性质的变化及其带来的各种灾害效应,在此基础上,凝练出了4个关键科学问题,即城市热岛效应环境中土体温度场变化规律、土体中水分迁移规律、土体工程性质变化规律以及土体地质灾害效应,并对它们的具体研究内容进行了详细的分析。论文的分析成果对于掌握城市热岛效应对土体工程性质的影响,保护城市地质环境和防灾减灾,实现城市的可持续发展具有重要的理论和现实意义。      

模拟日照条件下膨胀土的湿-热耦合性状及蒸发效应

利用长弧氙灯模拟太阳辐射,通过调节灯罩与土样间的高度产生不同的辐射强度,通过控制光照时间模仿自然环境中的日照状态,通过设定恒温、恒湿环境获得单因素的控制条件,对阳光辐射下原状膨胀土的湿-热耦合性状及降雨蒸发效应进行分析。研究结果表明：当太阳辐射、降雨等气象现象发生后,膨胀土水分迁移和温度变化呈现不同的状态,随着土体水分的往复迁移,浅层土体趋于破碎,疏松,在太阳辐射作用下,土体含水率变化幅度增加,从而进一步加剧土体裂隙的拓展。对于膨胀土,裂隙性和膨胀性是它内在的秉性,而大气作用是诱因,在大气与土壤之间的水分和能量交换过程中,膨胀土的工程性质逐渐发生改变。采用自制的太阳辐射模拟装置,针对大气作用下原状膨胀土的湿热耦合性状以及降雨蒸发效应展开分析,相关经验也可应用到其他土类的研究。针对膨胀土工程性质,可进一步开展太阳辐射对膨胀土水分迁移机制影响的量化分析。     

考虑桩土侧移的被动桩中土拱效应数值分析

被动桩对侧向位移的土层起到遮拦作用的机制主要是土拱效应。采用土工有限元软件Plaxis Tunnel 3D 1.2,对堆载荷载作用下邻近桩基中的土拱效应产生机制和性状进行三维数值分析,指出目前被动桩中土拱效应二维有限元分析存在的问题。考虑桩土侧移与相对位移,再利用土工有限元软件Plaxis2D 8.2详细地研究了侧向土体位移大小、桩身水平位移大小、土体性质以及桩土接触面性质等影响因素对土拱效应性态和桩土荷载分担比的影响。     

软土隧道盾构出洞灾害的渗流应力耦合分析

对盾构出洞口涌水涌砂灾害问题作了分析。利用Midas-GTS软件,建立了盾构出洞施工的有限元模型。考虑盾构出洞施工的渗流-应力耦合效应,研究了盾构工作井外加固土体前方高水位工况下,地下水绕加固土体下卧土层的渗流规律以及加固土体前方原状土的沉降规律。研究结果表明,在假定井外加固土体完全隔水情况下,洞门涌水涌砂灾害的发生与否受到土体加固长度、井外地下水等因素影响;土体加固长度的增加对工程安全有利,但成本较高;地下水位的降低能有效减小盾构出洞洞门涌水灾害的发生,需综合考虑工程安全性、经济性和工期等来确定合理的施工参数。     

植物固土护坡效应的研究现状及发展趋势

近年来由于自然环境变化和人类工程实践活动的影响,水土流失、滑坡等地质灾害发生的概率逐年提高,这些灾害的发生为当地人们的生产、生活带来了一定程度的危害。利用植物固土护坡方法可有效防治上述地质灾害的发生。植物固土护坡效应主要表现在水文效应和力学效应两方面。水文效应包括植物茎叶的降雨截留作用,植物茎叶削弱雨滴溅蚀作用,植物茎叶及其腐殖质抑制地表径流作用; 力学效应包括须状根系的加筋作用、主直根系的锚固作用和水平根系的牵拉作用等。本文着重探讨了植物护坡表现在水文效应和力学效应两方面的研究现状及其发展趋势。其中,在水文效应方面,对植物茎叶降雨截留及削弱溅蚀等进行了着重探讨; 对于力学效应着重探讨了根系增强土体抗剪强度理论模型、根-土相互作用、植物固土护坡力学效应数值模拟等。在上述基础上,指出了植物固土护坡效应发展趋势,即体现在水文效应方面,需开展大气-土体-植物水分迁移对边坡稳定性影响研究; 根-土复合体强度理论模型方面,进一步探讨Wu-Waldron-Model模型和Fiber-Bundle-Model模型所适用的工况条件; 数值模拟方面,需进一步探讨在建立计算模型时应系统考虑植物根型特征、根系强度等诸因素以及这些因素对计算结果的影响; 在工程实践方面,进一步开展植物护坡方法在边坡工程中的应用,探索植物护坡在不同地质、气候和区域环境条件下的应用与维护,使植物固土护坡效应体现出水文效应、力学效应、景观效应的有机结合。     

砷、镉复合污染土击实特性及微观结构试验研究

重金属污染土不仅破坏环境健康,同时威胁岩土工程安全。通过控制变量法对砷（As）、镉（Cd）单一污染土和复合污染土的土壤化学、土体微观结构和击实特性对比分析,研究了不同重金属污染源、不同重金属浓度对污染土的击实特性影响规律及作用机制。结果表明：单一污染土中,As使土壤扩散双电层变厚,土颗粒呈絮凝状,小孔隙增加,小颗粒含量先增后减,最优含水率升高5.90%,最大干密度降低1.02%;Cd的作用效应截然相反,Cd压缩土壤扩散双电层,土体呈堆积状,小孔隙减少,小颗粒含量减少,最优含水率降低8.03%,最大干密度增加1.00%。Cd对土体击实特性影响大于As。复合污染土中,As、Cd对土体最优含水率的影响呈协同作用,而对最大干密度无明显相互作用关系。污染土宏微观联系桥梁可以通过分形维数与最大干密度建立,二者拟合结果为二次函数关系。研究成果可为重金属污染土环境与工程灾害防控提供关键参数和理论支撑。     

基于微结构指标主成分分析的沉桩挤土效应研究

前期研究已认识到,土的宏观力学性质及其表现从本质上应取决于土的微观结构.在结构性较强的软土中沉桩,桩周土体内部结构会发生显著变化,土体的强度与变形性质是这种内在变化的宏观表现,研究土体微观结构与宏观力学行为变化之间的关系,对认知土体的力学性质,从微观出发去认识沉桩挤土效应的机理,指导工程实践具有重要地理论和现实意义.本...     

膨胀土强度特性的研究进展

膨胀土地区的工程灾害问题日益严峻,其本质是膨胀土强度的变化而造成的。研究表明:膨胀土的黏土矿物类型和含量是影响膨胀土强度的关键内在因素,蒙脱石的有效含量对其影响最大。含水量与密度都会影响土体强度,对于膨胀土而言,含水量的影响更为明显。膨胀土自身的胀缩性与超固结性使得其强度劣化。干湿循环与裂隙研究结合紧密,干湿循环过程中产生的裂隙是强度劣化的直接原因,土体强度随干湿循环次数增加而逐渐降低。在非饱和土理论和土体结构的各向异性两个方面有待深入研究。     

被动桩中土拱效应问题的数值分析

被动桩对侧向位移的土层起到遮拦作用的机理主要是土拱效应。采用有限元软件Plaxis 8.1,详细地研究了被动桩中土拱效应的产生机理,分析了导致侧向位移的荷载大小、土体性质、群桩以及桩土接触面性质等影响因素对土拱效应性态和桩土应力分担比的影响,分析表明,桩间距是影响土拱效应的最主要因素。     

安徽省中部地区膨胀土的胀缩特性研究

针对安徽省中部地区一些工程构筑物发生开裂等地质灾害问题,根据勘察资料和大量土体的工程地质性质试验成果,系统地分析了与灾害密切相关的上更新统粘性土的胀缩特性,及与其内在的矿物成份、化学组分及粘粒之间的关系,论述了膨胀土的空间分布特征与膨胀土灾害的关系,从而为灾害的成因判定和治理提供了科学的依据.     

溶解性有机质对冻融作用下污染土壤中重金属Pb的溶出释放规律

采用室内模拟实验方法研究了溶解性有机质（DOM）对冻融作用下污染土壤中重金属Pb的溶出规律。结果表明：冻融作用明显改变了土壤基本理化性质和重金属Pb的化学形态;与未冻融土壤相比,DOM明显促进了冻融土壤中Pb的溶出释放。DOM对污染土壤中Pb的溶出释放作用与土壤类型、土壤污染时间和污染程度有关：DOM对棕壤中Pb的溶出释放作用大于对黑土中Pb的溶出释放作用;而且随着土壤Pb污染时间越长和污染程度越重,DOM对土壤中Pb的溶出释放作用越大。DOM对土壤中Pb的溶出释放还与DOM质量浓度、性质和组成密切相关：DOM质量浓度的增加提高了污染土壤中Pb的溶出释放;DOM的低pH和小分子量亲水性组分利于土壤中Pb的溶出释放。     

温度对非饱和土抗剪强度影响的试验研究

在室内试验的基础上,对不同含水量和干密度的粘性土试样进行了不同环境温度下的直剪试验,获得了南京地区非饱和下蜀土重塑土抗剪强度与温度的关系.试验结果表明:温度对粘性土的抗剪强度有比较复杂的影响.当含水量大于约18%时,土的抗剪强度随着温度的升高而降低,表现出强度的热软化现象;而当含水量等于或低于18%时,土的抗剪强度在干密度等于1.67g·cm-3时,几乎不受温度影响,而当干密度小于1.67 g·cm-3时,土的抗剪强度随着温度的升高而增加,呈现出强度的热同结现象.与此同时,还对土的热固结和热软化现象的机理进行了分析.     

雄安多要素城市地质标准体系研究

雄安新区作为多要素城市地质调查试点城市,急需建立城市地质标准,为高水平现代化城市管理提供全方位技术支撑。从城市地质与现代城市行政管理有机融合的角度角度出发,通过分析我国城市地质标准现状和雄安新区规划建设需求,研究提出雄安多要素城市地质标准体系。研究表明:高起点规划、高标准建设雄安新区,需要建立一套系统的、完整的、先进的多要素城市地质标准体系;标准体系应该包括空间、资源、环境和灾害等子体系:空间涵盖全域、重点区、特色小镇、工程建设场地等四方面,资源涵盖地热、矿泉水、地下水等三方面,环境涵盖土壤质量、地下水质量、湿地质量等三方面,灾害涵盖地面沉降、地裂缝、地震、砂土液化、地面塌陷等五方面。与雄安新区规划、建设、运行等不同阶段城市管理密切结合,需要研制30项城市地质技术标准,包括空间标准6项、资源标准9项、环境标准7项、灾害标准8项。     

冻融循环作用下土体结构演化规律及其工程性质改变机理

寒区工程被破坏的最主要原因之一就是冻融循环作用,冻融循环过程可导致土的工程性质发生较大的变化,进而导致寒区工程设施产生变形,甚至失稳。对冻融循环作用下土的结构、基本物理性质以及力学性质进行了分析和总结。研究发现：冻融循环作用后土颗粒之间的原有结构被破坏,从而形成新的结构,土中团粒会发生分裂和团聚作用,团粒粒径向均一性趋势发展,并且在不同的内部及外部条件下,土会产生不同的构造;冻融循环后,土的渗透性增大,塑性指数减小。松散土和密实土的密度以及孔隙比具有不同的变化趋势,并且可使无湿陷性的黄土状土中大孔隙增加并产生湿陷性。土的力学性质变化趋势不一,一方面这与土的构造变化直接相关,另一方面冻融循环试验方法的不同也是引起研究结果差异性较大的重要原因。因此,需要建立冻融循环作用下土工程性质变异性的判定方法、评价及预测体系,而这些也可能成为未来研究工作的方向。     

龙岗区岩溶塌陷灾害及对土地资源开发利用的影响

通过对深圳市龙岗区岩溶塌陷灾害的系统工程地质调查，阐明了岩溶塌陷灾害的地质环境和成因机理，系统分析了岩溶塌陷灾害的分布发育特征和危害性，在此基础上，探讨了岩溶塌陷灾害对城市土地资源可持续开发利用的影响。     

淤泥质软土动态流变特性与流变参数研究

实际调查和理论分析表明,软弱岩土具有流变特性,动态载荷作用加速了软弱岩土的流变行为,成为诱发岩土地质灾害的重要因素和主要动力。在测试分析动载作用下淤泥质软土的流变力学特性基础上,建立了动态黏弹塑性流变力学模型和流变方程,推导出动态流变参数计算式;通过测试,分析了动态剪切作用频率、动态剪切应变、淤泥质软土含水率等因素对动态流变参数影响特性。研究结果对揭示动载作用下淤泥质软土动态流变特性与流变参数影响变化规律,探索软弱岩土突发地质灾害的流变动力学机制等具有一定的理论和现实意义。     

基于改进时序InSAR技术的东莞地面沉降时空演变特征

东莞市是珠三角城市群和粤港澳大湾区的重要节点城市,深厚欠固结软弱土及其诱发的地面沉降已成为湾区内代表性的区域地质灾害问题,影响城市地质环境安全。为研究东莞市地面沉降发育规律及时空演变特征,采用改进时序InSAR技术对覆盖东莞地区的137景Sentinel-1 SLC SAR影像数据进行处理,分析了2015年6月至2020年6月地表形变动态演化规律。结果表明：（1）全域内地表沉降变形整体较稳定,沉降发育区占市域面积的34.6%,变形严重发育区主要集中在麻涌镇、道滘镇、洪梅镇、中堂镇、沙田镇及滨海湾新区;（2）大部分沉降变形点处于缓慢发展变形阶段,年平均沉降速率在20 mm/a以内,累计沉降量在1 000 mm以内;（3）结合形变监测和现场调查,认为地面沉降与深厚软土发育和人类工程活动的耦合作用有很强的相关性。证明该方法能较好地识别和反映城市复杂形态区地面沉降发育的时空演化特征,为灾害预警、减避及治理提供技术支持。     

对黄土基本动力特性的认识

黄土高原是多地震地区,黄土体的地震灾害是工程建设中迫切需要解决的工程问题.依据人们对我国黄土动力特性的研究成果,阐述了黄土的动强度特性、黄土的循环动应力应变特性、震陷变形特性及黄土场地震害小区划研究,从而为正确地认识黄土工程的地震灾害提供基础.     

Strategies for addressing climate change on the industrial level: affecting factors to CO2 emissions of energy-intensive industries in China

Urban earthquake disaster prevention is regarded as an integrated systematic engineering. Urban earthquake disaster prevention system is made up of all the earthquake disaster prevention activities. The concept and composition of urban earthquake disaster prevention system periphery were presented based on system periphery theory. A seismic risk-control mechanism model of system periphery was deduced using exchange rate of periphery as a dependent variable, and an observability–controllability model of system periphery was established and crystallized in its application to the quantitative analysis of practice problem. The input sets of urban earthquake disaster prevention system are determined as the maximum earthquake magnitude happened in or around the city, the measurable earthquake frequency, population density and fixed assets density. The inside state sets of urban earthquake disaster prevention system are determined as disaster resistant ability of buildings, disaster resistant ability of lifelines and investment dynamics in disaster prevention per urban built-up area. The system output is urban seismic risk. The calculative results show the model presented in this study can analyze the influence of system periphery intensity and inside state on seismic risk and can control urban seismic risk by adjusting the parameters of system periphery, the system inside state and human influence intensity.