環(huán)境巖土工程評價與土體結(jié)構(gòu)的研究

環(huán)境巖土工程評價與土體結(jié)構(gòu)的研究

1環(huán)境巖土工程的土壤條件研究土木工程工程原本是復(fù)雜的。隨著人口的增加、生活水平的提高和工業(yè)化的進(jìn)展，這將變得更加復(fù)雜。大量以前認(rèn)為不合適居住和其他工程的土地也被利用,而使空氣、水和土地受到污染。在各種環(huán)境條件下,目前用于分析土性的土力學(xué)原理和方法已受到挑戰(zhàn)。因此,環(huán)境巖土工程發(fā)展迅速,它是一門交叉科學(xué),覆蓋了在大氣圈、生命圈、地水圈、巖石圈及地質(zhì)微生物圈等各種環(huán)境下土和巖石及其相互作用問題。地質(zhì)微生物層是指樹根特性和細(xì)菌活動及其對水土體系工程性質(zhì)有影響的土層。自從第一屆環(huán)境巖土工程國際學(xué)術(shù)討論會于1986年召開以來,環(huán)境巖土工程得到迅速發(fā)展,不僅覆蓋了傳統(tǒng)巖土工程問題而且延伸到有害有毒廢料控制,(2)濕地、海岸邊、疏浚和海相沉積物,(3)干旱和沙漠地區(qū),(4)敏感性生態(tài)地質(zhì)環(huán)境及考古技術(shù)。在環(huán)境巖土工程領(lǐng)域,現(xiàn)在主要有兩個分支:地質(zhì)環(huán)境工程和生態(tài)環(huán)境工程。地質(zhì)環(huán)境工程主要強(qiáng)調(diào)有害有毒廢料控制系統(tǒng)的管理和修正、填料場的選擇、填料的穩(wěn)定分析和土清污技術(shù)。生態(tài)巖土工程研究環(huán)境巖土工程的敏感性生態(tài)和地質(zhì)方面。當(dāng)前巖土工程計算方法主要有:(1)阿太堡界限和比重等土質(zhì)參數(shù)對同一種土在任何條件下都假設(shè)為常數(shù),(2)用荷載作為破壞控制標(biāo)準(zhǔn),(3)通常任意假設(shè)土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,(4)土的含水量只包含重力水(自由水),而不包含其他孔隙水如環(huán)境水雙電層水結(jié)合水滲透水),(5)在分析和計算中,只考慮了土體靜水勢能,而未考慮熱勢能和電勢能問題。因此,我們提出了一個分析各種環(huán)境條件下土性的統(tǒng)一方法———粒子能場理論。本文的目的是推進(jìn)粒子能場理論在各種環(huán)境條件下水土性質(zhì)的應(yīng)用。2顆粒能量場理論2.1鍵能、粒子系統(tǒng)和能源粒子能場理論創(chuàng)建于80年代末,包括基本粒子、粒子系統(tǒng)和能場三部分,該理論的假設(shè)有:(1)物質(zhì)世界由像原子、離子和分子的粒子組成,粒子依據(jù)其電磁力和結(jié)構(gòu),可能相互吸引或排斥,(2)鍵能(如離子鍵、共價鍵、化學(xué)鍵)和鏈(如陽離子、水偶極、對稱陽離子)控制粒子間的應(yīng)力-應(yīng)變-強(qiáng)度特性和耐久性,能(動能、勢能、熱能、電能、磁能和放射能)使粒子產(chǎn)生相互運(yùn)動,(3)粒子系統(tǒng)可以是固態(tài)(吸力>排斥力時)、液態(tài)(吸力≈排斥力時)和氣態(tài)(吸力<排斥力時)。粒子系統(tǒng)是指粒子群性狀,能量變化是粒子運(yùn)動的主要原因。能源可以從面力和體力獲得,由面力和體力(如重力)產(chǎn)生的能源包括勢能、動能、熱能、電能、磁能和放射能。能場是指一個能量對另一個能量的反應(yīng)場,也可以說成是能量的影響領(lǐng)域,粒子能場是粒子面力和體力作用的集合。2.2純農(nóng)村原子質(zhì)權(quán)的來源(1)能場:從實用上講,能場或粒子能場由機(jī)械能場(勢能和動能場)、熱能場、電能場、磁能場和放射能場五部分組成。除機(jī)械能場外,均歸納為多介質(zhì)能場,電能場是所有能場的中心。(2)粒子間強(qiáng)度和鍵:在組成粒子的原子和分子中存在兩種鍵,即主鍵和次鍵。所有粘土粒子都帶有電荷,當(dāng)兩個粒子面面排列時,在負(fù)電荷面和介于可交換陽離子之間存在吸引力。如果相鄰面的原子非常接近,而使其外電子層重疊,就會產(chǎn)生排斥力。當(dāng)各種吸引力和排斥力疊加后,就得到凈相互作用力。(3)各種能場的連接:各種能場的連接如圖1所示,表1給出了分析各種能場粒子性狀所需的定律、理論和原理。由于環(huán)境條件的變化,土的性質(zhì)也會變化,就應(yīng)采用不同的分析方法。2.3界面機(jī)理:干土變濕和脹縮循環(huán),氡氣受污染作用控制物態(tài)變化的三個基本熱量變化是:熔化熱(從固態(tài)到液態(tài))、升華熱(從固態(tài)到氣態(tài))和蒸發(fā)熱(從液態(tài)到氣態(tài))。當(dāng)物態(tài)變化時,物質(zhì)就會吸收或釋放能量(如圖2所示)。(1)固-液-氣相界面:固-液-氣相物態(tài)包括干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、脹縮循環(huán)和氡氣。用圖3來說明干濕循環(huán)和脹縮循環(huán)的界面機(jī)理。干土變濕(膨脹)是多介質(zhì)能場作用的結(jié)果,而濕土變干(收縮)僅是熱能場作用的結(jié)果,因此,脹縮循環(huán)是不同能場作用的結(jié)果,從而不可逆。同樣道理,凍融循環(huán)也有不同機(jī)理;氡氣未經(jīng)過液態(tài)階段而從固態(tài)直接到氣態(tài)的變化也與此類似。圖3同時表明,對同一種土,含水量相同時,其工程性質(zhì)不一定相同,而取決于水流方向。細(xì)粒土,特別是污染土的水流運(yùn)動一般屬于物質(zhì)遷移運(yùn)動。(2)破壞前和破壞階段的關(guān)系:大多數(shù)巖土工程問題主要考慮荷載作用下的破壞,但荷載不是唯一的控制因素。兩種不同情況下破壞前和破壞的相互關(guān)系如圖4所示?？煽闯?破壞前條件下材料的使用期限是可控制的,一旦材料達(dá)到破壞點后人們已無能為力。2.4土壤能力及能量當(dāng)前巖土工程的理論和方法主要是根據(jù)機(jī)械能(勢能、動能和動荷載)確定的,的確,機(jī)械能對巖土工程性狀起著重要作用,但機(jī)械能只能決定問題的短期性狀。(2)環(huán)境(熱-電-磁-放射)能場隨著時間的推移,土的性質(zhì)不再只是由機(jī)械能場控制,環(huán)境因素(如溫度變化,干濕、脹縮、凍融循環(huán),污染等)將改變土粒子性質(zhì),因為熱-電-磁能場與自然環(huán)境關(guān)系密切,所以它們也會影響土的性質(zhì),且這種影響是長期的。a)熱能場在水土體系里熱能場有三個基本特征:(1)濕潤熱力和運(yùn)動擴(kuò)散力,(2)熱轉(zhuǎn)換作用,(3)物態(tài)。當(dāng)土變濕時,濕潤熱是吸水物質(zhì)的熱轉(zhuǎn)化,這種現(xiàn)象發(fā)生在細(xì)粒土中,特別是膠體中。運(yùn)動擴(kuò)散力由形成連接力的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生,可用不可逆過程的熱動力學(xué)估算。在大多數(shù)土中,熱轉(zhuǎn)換過程是傳導(dǎo)或?qū)α骰騼烧呒娑兄?。熱一般垂直向地面運(yùn)動,而不是向下運(yùn)動。在不擾動條件下,固體粒子、液相和氣相是分散排列的,而在重塑條件下則是以絮凝結(jié)構(gòu)排列,現(xiàn)場條件下的土處于兩者之間。b)電能場和電磁能場水土體系中電能起著重要作用,基本特性有:極化作用、質(zhì)子遷移、電粘滯作用、電動作用和電磁能。c)放射能場與放射能場有關(guān)的巖土工程問題有:核廢料的處理、放射性和有毒氡氣的控制、核能的利用和γ射線的利用。(3)多介質(zhì)能場a)電粘滯作用(圖5(a))在水力梯度(勢能)作用下,水流進(jìn)帶負(fù)電荷的粘粒土孔隙中是熱電能場作用結(jié)果,可交換陽離子在下游分開而形成勢流,而勢流對可變換陽離子產(chǎn)生了電延滯力。Fang用這個概念解釋土體內(nèi)部開裂機(jī)理。b)熱電作用(圖5(b))Seebeck于1822年發(fā)現(xiàn)了直接把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿姆椒?即熱電作用。c)電磁作用(圖5(c))熱電能與自然水土體系密切相關(guān),由于水土與環(huán)境關(guān)系復(fù)雜,熱電能在這體系中的分布是隨機(jī)的,離子運(yùn)動方式也是隨機(jī)的。當(dāng)水土體系通電后,粒子保持隨機(jī)運(yùn)動,但能場邊界會改變。由于這個原因,當(dāng)兩個或多個運(yùn)動電荷作用于這體系時,熱電能可能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶拍?。事實?水土體系也可能本身就有電磁能。2.5對長期土性的預(yù)測(1)應(yīng)用粒子能場理論可用來識別和表征巖土工程問題的每個階段,有下列三個應(yīng)用領(lǐng)域:(1)問題的識別和分類(表2),(2)修正室內(nèi)和現(xiàn)場試驗或理論和試驗結(jié)果預(yù)測長期性狀(2)評述粒子能場理論覆蓋了巖土工程問題和方法的大部分領(lǐng)域,目前的機(jī)械能場方法只是其中的一部分。圖6為對土性相對影響的比較,圖7為環(huán)境對土的利用期限的影響。機(jī)械能控制影響土性的主要因素,但只是短期影響,而環(huán)境因素是長期影響。粒子能場理論是將無關(guān)的群體、能場和各種環(huán)境連接為一個有關(guān)的系統(tǒng)的橋梁。3生態(tài)巖土工程地球環(huán)境有四個層次:大氣圈、生命圈、地水圈、巖石圈,它們相互關(guān)聯(lián),形成正常環(huán)境,統(tǒng)稱為生物圈。生態(tài)巖土工程是環(huán)境巖土工程的一部分,通常有三類問題:(1)與地質(zhì)、氣候有關(guān)的問題,如泥流、沙漠、濕地,(2)與健康有關(guān)的問題,如酸雨、核廢料;(3)與文化有關(guān)的問題,如考古。它們對生態(tài)環(huán)境因素相當(dāng)敏感,都直接或間接地與環(huán)境巖土工程有關(guān)。3.1人工干預(yù)酸雨酸雨的主要污染源與巖土工程有關(guān)的地球變暖和溫室效應(yīng)應(yīng)包括:大氣溫度上升、海水位上升和干旱等。地球變暖也與厄爾尼諾現(xiàn)象有關(guān)。據(jù)1998年記載,厄爾尼諾現(xiàn)象引起下列不正?，F(xiàn)象:(1)暴雨引起的山洪和泥石流;(2)沿海岸線高潮海浪;(3)嚴(yán)重干濕和冷熱循環(huán)引發(fā)干旱和冰雹;(4)颶風(fēng)和雷暴雨的襲擊;(5)干旱加雷暴雨引發(fā)的大火。(2)人為因素a)酸雨酸雨主要由燃煤電廠、汽車尾氣和工業(yè)設(shè)施的各種污染物散發(fā)到空氣中而產(chǎn)生。這些排放物主要為二氧化硫、氮和其他氣體,由氧和水汽化物組成,在空氣中形成硫酸、碳酸、鹽酸和其他酸性物質(zhì)。b)酸礦物質(zhì)排放礦井中的硫化鐵被氧化成硫酸,硫酸溶解在水中,從礦井中排出,這些酸性水流入溪流、湖泊或地下,從而引起水土污染。酸礦物水是一種化學(xué)復(fù)合液,沒有定量的成分,主要傳遞和沉淀溶液中的無機(jī)物。這些酸性礦物水處于堿性到強(qiáng)酸性之間。礦井中不可溶的固體小顆粒通過水流流出礦井,大顆粒則沉淀下來,使水流變緩,更小的顆粒則懸浮在水中相當(dāng)長時間,然后排到水庫或井中。c)海洋污染物和疏浚材料1995年國際保護(hù)組織和世界銀行建議全球通過必要的海洋保護(hù),努力保持海洋生物多樣化。疏浚材料是海相沉積物,是承載力、抗剪強(qiáng)度和滲透性低的超飽和、超軟弱細(xì)顆粒淤泥質(zhì)粘土,含有大量的有機(jī)物、原油沉淀物、海洋殘余物、氣體和氣泡、有害有毒污染物。d)放射性核廢料和氡氣放射性核廢料和氡氣是生態(tài)巖土工程問題的主要部分,將在下文中討論。3.2抗剪強(qiáng)度的形成環(huán)境本文所用的“遺傳診斷”一詞定義為材料下列方面的檢驗和評估系統(tǒng)方法:(1)礦物成分,(2)可交換離子的類型和濃度,(3)材料對環(huán)境的敏感性和分解可能性,(4)環(huán)境歷史,(5)強(qiáng)度歷史,(6)目前的荷載和環(huán)境條件。可用粒子能場理論來識別和表征這個問題的每個階段。因為傳統(tǒng)的巖土工程方法不能有效地分析某些敏感性生態(tài)巖土工程問題,所以,遺傳診斷是一個有效的方法。(1)抗剪強(qiáng)度分析土的應(yīng)力-應(yīng)變-強(qiáng)度不是固定不變的,如果環(huán)境條件改變,隨從彈性到塑性條件變化,也隨軟化或硬化條件變化,因此,應(yīng)力-應(yīng)變-時間關(guān)系不能概括為一個數(shù)學(xué)模式,也不能隨意假設(shè)為彈性、塑性或粘彈性。可用遺傳診斷方法來理解和解決環(huán)境條件下土結(jié)構(gòu)問題的基本穩(wěn)定性。環(huán)境條件下抗剪強(qiáng)度分成原材料固有抗剪強(qiáng)度和當(dāng)前環(huán)境條件下引起的抗剪強(qiáng)度兩部分,前者由礦物結(jié)構(gòu)、粒子大小和形狀、粒子間的連接強(qiáng)度決定;而后者則由下列環(huán)境因素引起:(1)干濕循環(huán)和凍融循環(huán),(2)淋溶作用,(3)吸附作用,(4)可交換離子,(5)地質(zhì)微生物因素。(2)沉降分析和先期固結(jié)壓力在傳統(tǒng)的沉降與時間曲線中,太沙基固結(jié)理論只考慮了機(jī)械能場中的荷載,而沒有考慮多介質(zhì)能場中的生物和物理-化學(xué)因素,后者對超固結(jié)粘土更為關(guān)鍵。如果最大的粒間壓力大于當(dāng)前上覆壓力,則稱為先期固結(jié)壓力或過去壓力,地質(zhì)作用、孔隙壓力的改變、土的結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件均會引起預(yù)固結(jié)效果。估算先期固結(jié)壓力的方法均從機(jī)械能出發(fā),而不問其產(chǎn)生的原因。超固結(jié)粘土形成原因目前還不太清楚,也沒有有效的方法可用。從圖8可以看出,荷載引起的超固結(jié)壓力大于環(huán)境引起的超固結(jié)壓力,而且后者所需時間更長。另一方面,開始破壞所需時間表明,環(huán)境引起破壞時間更長。在這兩種情況中,確定開始破壞時間的方法也將不同,換句話說,在加荷情況,應(yīng)該采用機(jī)械能場準(zhǔn)則,如果考慮環(huán)境因素影響,則應(yīng)該采用多介質(zhì)能場準(zhǔn)則。(3)土坡穩(wěn)定和滑坡地基穩(wěn)定是多介質(zhì)能場作用的結(jié)果(見表2),下面的例子比傳統(tǒng)土坡穩(wěn)定更為復(fù)雜。a)泥流泥流是一種重要的滑坡類型,引起泥流的原因和破壞機(jī)理復(fù)雜,是一種沒解決好的滑坡問題。傳統(tǒng)的極限平衡或極限分析方法不適用分析泥流。圖9從粒子能場理論觀點說明泥流的破壞機(jī)理。b)泥石流泥石流和泥流相似,泥流是對細(xì)粒土而言,泥石流則包括碎石、礫石和漂石等大顆粒材料。泥石流的特點特別,在特殊的地理、環(huán)境條件和氣候出現(xiàn)。c)固化泥流固化泥流有兩種:(1)由于暴雨上部土變濕,下部土仍處于干燥狀態(tài),引起干濕界面滑坡,(2)上部土融化,下部土仍處于永久冰凍狀態(tài),引起融凍界面滑坡,這兩種類型的破壞面均在界面上。濕土區(qū)深度可按Beattie等建議方法計算;凍土深度可用Stefan和Berggren方法計算或用電阻法測定。(4)人工土天然土經(jīng)常并不能適應(yīng)建筑目的,否則會引起過早破壞或漸進(jìn)破壞,人工土的原理和方法見圖10。該方法的關(guān)鍵在于控制土元素的離子替換或增減以滿足工程需要,采用洗選方法把天然土變成等離子土(純土)。天然土和等離子土之間特性差異的試驗包括:阿太堡界限、滲透性、抗剪強(qiáng)度和固結(jié)。這些資料可用來選擇適當(dāng)?shù)耐林械入x子類型以滿足各種工程應(yīng)用目的,這樣的改良土適于有害有毒控制設(shè)備、止水工程,同時也能用于土體加固和注漿。4廢材、污染和污水處理4.1放射性廢水與普通填充式城市固體廢水在所有自然或人造廢料中,放射性核廢料的性質(zhì)不穩(wěn)定和不可預(yù)見,因而也最復(fù)雜。在分解過程中可改變形態(tài)和性質(zhì),它不僅自身是污染物,且很容易污染周圍環(huán)境。為了有效控制這類廢料,必須了解放射性與環(huán)境相互作用機(jī)理,特別是與土-巖石-水體系的相互作用機(jī)理。自然和人為因素是核廢料的兩個主要來源,自然因素主要來源于鈾,人為因素是采礦、核電廠反應(yīng)堆和核武器,其中核電廠是主要來源。(2)有效控制核廢料方法欠缺的原因除核廢料的不穩(wěn)定性和不可預(yù)見性外,影響核廢料控制的另一個重要因素是公眾缺乏了解和覺醒也無法可依,只是政府行為。表3列出了放射性核廢料和普通填埋式城市固體廢料的一般特性的對比。(3)放射性廢料與環(huán)境相互作用機(jī)理原子核由質(zhì)子和中子組成,盡管一個元素的所有原子核的質(zhì)子數(shù)相同,但放射性同位素中子數(shù)不同。原子量總是小于中子、質(zhì)子和電子質(zhì)量之和,失去質(zhì)量的能當(dāng)量稱為核的連接能。連接能越大,核就越穩(wěn)定。核不穩(wěn)定時,就會衰變成穩(wěn)定狀態(tài)。在衰變過程中,核放射隨時間減少,每種核放射由半衰期決定。有五種放射衰變作用:γ衰變、α衰變、β衰變、電子俘獲和發(fā)射。放射性原材料是從鈾衍生的,而鈾來源于火成巖,鈾轉(zhuǎn)化為鐳需很長時間。已提出從巖石和礦物中釋放鈾、鐳和氡氣的機(jī)理。(4)核廢料控制方法評述a)貯藏50年內(nèi)放射程度將減少50～100倍,通過把核廢料貯藏在安全地方以減少放射程度。b)固化發(fā)展把核廢料轉(zhuǎn)變成固體的技術(shù),以減少其活動性和擴(kuò)散性。c)隔離把核廢料貯藏在隔離人類的地方,如深海底、礦井底、遙遠(yuǎn)的不毛之地和沙漠地區(qū)。d)安置把核廢料安全運(yùn)輸和安置在貯藏室內(nèi)。為了開發(fā)有效放射性廢料處理系統(tǒng),必須考慮下列三個基本準(zhǔn)則:(1)廢料必須安置在隔離的貯藏環(huán)境里;(2)裝運(yùn)箱和外包裝材料必須保障放射性原子核不滲漏;(3)巖層應(yīng)該不可滲漏。在研究核廢料和周圍巖石相互作用時,最感興趣的是確定什么巖石對核廢料的反應(yīng)小和敏感性差,能保持不滲漏狀態(tài)。研究表明,有效的是硅酸鹽類巖石。核廢料與地下水和有關(guān)的巖土工程性質(zhì)的相互作用及放射性廢料先進(jìn)處理技術(shù)得到很大發(fā)展。4.2氡氣的環(huán)境作用無色無味的放射性有毒氡氣來源于巖層鈾和鐳的分解,滲入土水體系中,最終擴(kuò)散到大氣中。氡氣任何時候都會與巖土、礦物質(zhì)、土水和空氣相互作用,是個典型的多介質(zhì)能場問題。氡氣是惰性氣體,因此缺乏正常化學(xué)和生物反應(yīng)能力,它的分子只有一個原子,不與其他元素相混,但是,最近研究發(fā)現(xiàn),在土、水和空氣中可找到氡氣,并受溫度、pH值、離子交換反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等環(huán)境影響。(1)氡氣與環(huán)境的相互作用氡氣具有獨特的性質(zhì),其原體是固體元素鐳,氡本身是氣態(tài),其裂變物釙和鉛也是固體。鐳的半衰期是1620a,而氡氣只有3.8d。氡從巖層中釋放而滲入土-水-空氣體系分三個階段:(1)氡從原體巖轉(zhuǎn)移到變質(zhì)巖;原體巖是火成巖變質(zhì)巖有石灰石大理石等氡通過反沖作用從巖石和礦物中釋放。(3)氡通過吸附作用與塵埃和懸浮物相互作用,含氡塵埃和懸浮物是復(fù)合粒子,要用粒子能場理論來分析其性質(zhì)。(2)氡氣的性質(zhì)和調(diào)節(jié)方法在六個惰性氣體中,氡的原子數(shù)最大,但電離能最小,這就是氡氣不穩(wěn)定和易與土-水-空氣體系混合的主要原因。惰性氣體原子量和原子數(shù)與電離能的關(guān)系如圖11所示?？刂品派湫杂卸倦睔獾姆椒ㄓ斜粍臃ê椭鲃臃ā１粍臃ㄔ噲D把氡氣保存在貯藏室內(nèi),主動法是阻止氡與地巖接觸或控制氡-水排出系統(tǒng)。4.3污染和清污過程的吸附與環(huán)境關(guān)系早期的污染土治理方法主要是從場地開挖和清除污染土,并把它們在填埋場里填埋起來?，F(xiàn)在治理有害有毒廢料場方法已有改進(jìn),重點是使用電動法、電化學(xué)法、電磁法或固化法在原地處理。(1)影響空氣-水-土污染的關(guān)鍵因素(1)塵埃:塵埃是各種材料分解產(chǎn)生的,其成分復(fù)雜易變,有的是液態(tài)懸浮粒和煙霧,有的是固態(tài)煙塵,還有的是固體和液體凝聚物。(2)懸浮物:當(dāng)塵埃吹落到水里時,就成了懸浮物。塵埃-懸浮物通過吸附與環(huán)境相互作用。(2)污染和清污機(jī)理所有固體或土礦物粒子都會吸附氣體和溶解物,吸附特性取決于水土體系的粒子表面積、溫度和壓力。表面積越大,吸附能力就越強(qiáng),所以細(xì)粒土比粗粒土吸附力強(qiáng)。溫度降低和壓力增大,吸附量就大。土污染和清污與吸附壓力的關(guān)系如圖12所示。從此可以看出,環(huán)境會影響吸附壓力,其變化范圍為6.25～2500kg/cm2。許多情況下,吸附壓力很大,很難將污染物和土粒子分開。污染和清污過程中的吸附壓力也不同。大多數(shù)情況下,清污時需要大得多的壓力才能將污染物和土粒子分開。(3)電動作用(線性一維電流)用亥姆霍茲經(jīng)典理論分析電動現(xiàn)象時必須注意下列局限性:(1)該理論基于膠體的雙電層厚度,適用于孔隙較大和界面雙電層擴(kuò)散小的情況,(2)該理論只適用原狀或重塑粉質(zhì)粘土,不適用于墊層的混合均勻粘土或有機(jī)質(zhì)土。4.4電磁力的特性電磁能用于清除土污染的想法和理由是基于如下物理原理:(1)根據(jù)庫侖定律,靜止的兩個電荷之間存在大小相等的作用力,運(yùn)動電荷作用力與靜電荷作用力之間存在一個差值,總力可分成電荷力(取決于電荷大小)和電磁力(取決于電荷速度)兩部分。(2)當(dāng)磁力作用在運(yùn)動電荷上時,就存在磁場,磁場吸引力等于作用于以1m/s的速度垂直磁場運(yùn)動的1C電荷上的力。根據(jù)物理原理和實用觀點,電磁力會增加能場的影響面積,從而導(dǎo)致水土體系中更多的離子交換。已研制出測定水土體系電磁力的簡單試驗設(shè)備和方法。把長約7.25mm和15mm的土樣放在塑料管內(nèi),并一起放在兩個電解槽之間(如圖13所示),施加電流。圖中陰影部分是電磁能場,水土體系的水將從陽極向陰極流動,并測記時間和出水量。電動和電磁作用的主要區(qū)別(如圖14所示)是:電動是一維線性電流作用,電磁是三維隨機(jī)電流作用,其他特性見表4。圖14還給出了這兩種方法的試驗結(jié)果,它們存在明顯的差別。4.5自清污作用因素自然界生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境循環(huán)一般是處于平衡狀態(tài)的,同樣,自然界水土體系具有自清污能力,包括沉積作用、中和作用、蒸發(fā)作用、滲透作用、吸附作用和抑制作用。水、地面和土體的自清污作用因素列于表5,如果污染量小于自清污能力,理論上講污染對人健康沒影響。自清污系統(tǒng)的基本原理是保持自然生態(tài)系統(tǒng)或環(huán)境循環(huán)的平衡。以海水入侵作為一個自清污例子(圖15)。如果滲入地下的雨水量等于或大于地下水輸出量,那么海水與淡水交界面保持不變,這表明地下水將不被海水污染。4.6土壤熱貯藏量測定結(jié)果熱電、電動和電磁系統(tǒng)需要電源作為輸入能,如果采用太陽能作為能源,將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闊犭娔?如圖5(b)),再變成電磁能(如圖5(c))。為了驗證太陽電磁作用的可能性,進(jìn)行了簡單室內(nèi)試驗,其流程如圖16所示。本項研究目的是:(1)提出熱貯藏量原理,(2)開發(fā)廉價的太陽能接收和貯藏系統(tǒng),(3)開發(fā)太陽能變成熱電磁能的轉(zhuǎn)換系統(tǒng),(4)應(yīng)用推廣。(1)太陽電磁作用a)利用天然土作為太陽能接收和貯藏系統(tǒng)根據(jù)熱貯藏量原理提出利用天然土作為廉價的太陽能接收和貯藏系統(tǒng),為檢測熱貯藏量和其他有關(guān)參數(shù),給出了溫度和時間關(guān)系示意圖(圖17)。b)熱貯藏量從圖17可以看出,從a點到b點是加熱過程,測出某一深度土體吸收的熱能,ΔT1表示加熱時間,從b點到d點地面不再輸入熱能,但仍能測出該深度處吸收的熱能,ΔT2表示這段時間,從d點到e點是釋放階段,ΔT3表示其時間,土的熱貯藏量定義為b,c,d和e點下的面積。ΔT2和ΔT3越大,熱貯藏量就越大。c)電磁作用的發(fā)展(圖13)增大電驅(qū)動力促使水土體系中的水、氣泡或污染物排出,太陽能轉(zhuǎn)化成熱電能(如圖5(b))和電磁能(如圖5(c))。(2)試驗研究和應(yīng)用a)試驗研究試驗研究包括兩部分,一是通過不同土類、密度和厚度的組合,確定用何種土吸收太陽能,二是電磁作用如何使水土體系中水均勻分布。對于前者,使用紅外線燈作為太陽能,Fang完成了把土和地基結(jié)構(gòu)作為太陽能接收和貯藏系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作,并進(jìn)行了少量試驗,典型的試驗結(jié)果如圖18所示。需進(jìn)一步作下列研究:(1)各種土類、顆粒大小、土層厚度和含水量的組合,(2)各種加熱強(qiáng)度,(3)其他環(huán)境條件(如風(fēng))。b)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)用水、土或其他廉價方法把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能,試驗有待完善。c)可能應(yīng)用不僅在工程領(lǐng)域而且在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有許多應(yīng)用。與環(huán)境巖土工程有關(guān)的重要應(yīng)用有:(1)除掉疏浚材料中多余水分和氣泡以提高其密度、承載力和抗剪強(qiáng)度,(2)廣大干旱和沙漠地區(qū)的灌溉。521環(huán)境與學(xué)科的交叉研究這里介紹的兩個環(huán)境巖土工程不僅是交叉學(xué)科,而且全面反映了與環(huán)境的相互作用,相當(dāng)困難,但最具挑戰(zhàn)性,現(xiàn)在只是一個夢想,可能在21世紀(jì)變成現(xiàn)實。5.1跨臺灣海洋權(quán)益的法律應(yīng)對在半個世紀(jì)前就已提出興建隧道、大橋或輪渡來連接大陸和臺灣島的橫跨臺灣海峽工程的構(gòu)想。臺灣海峽的寬度變化大,從廈門到高雄大約310公里。相當(dāng)不利的環(huán)境條件有地震、火山活動、海嘯、臺風(fēng)、暴雨、強(qiáng)海浪及復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)