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    風積土地區(qū)工程病害分類和防治系統(tǒng)化研究

    2017-02-14 01:03:09張向東陳鐵林劉家順
    災(zāi)害學(xué) 2017年1期
    關(guān)鍵詞:風積力學(xué)病害

    張 玉,張向東,陳鐵林,劉家順

    (1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044; 2.北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點實驗室, 北京 100044; 3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木與交通學(xué)院,遼寧 阜新 123000)

    風積土地區(qū)工程病害分類和防治系統(tǒng)化研究

    張 玉1,2,張向東3,陳鐵林1,2,劉家順3

    (1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044; 2.北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點實驗室, 北京 100044; 3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木與交通學(xué)院,遼寧 阜新 123000)

    針對風積土地區(qū)工程病害分類、影響因素和防治措施,以典型的風積土地區(qū)——遼西為例,首先通過現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗和工程建設(shè)要求三者相結(jié)合的方法,從病害現(xiàn)象和病害機理兩個角度分別對工程病害進行分類。然后基于“工程地圈系統(tǒng)”和層次分析法,分析引起工程病害的四級影響因素,并針對每類工程列出相應(yīng)的防治措施,最終形成了系統(tǒng)化的風積土地區(qū)工程病害識別和防治簡單框架,以利于工程設(shè)計和施工。結(jié)果表明:①風積土是一種以粗顆粒為主、顆粒級配良好、中等壓縮性、抗剪強度低、振動易液化、具有明顯結(jié)構(gòu)性但不具有明顯濕陷性的粉質(zhì)粘土;②風積土地區(qū)工程病害主要因壓縮沉降、剪切破壞、振(震)陷、振(震)動液化、濕陷破壞、凍脹融沉、風化剝落、水流沖刷等原因引起;③基于“工程地圈系統(tǒng)”,風積土地區(qū)工程病害主要受地質(zhì)圈、生物圈和大氣圈的耦合影響,影響因素主要包括:風積土的物理力學(xué)性質(zhì)、人類工程活動和自然環(huán)境;④工程病害防治有必要形成系統(tǒng)化的病害識別、調(diào)控和防治框架,便于工程病害防治工作規(guī)范化、流程化、標準化和信息化。

    風積土;工程;病害;分類;地圈系統(tǒng);防治

    風積土是指巖石風化、崩解、破碎、變質(zhì)后,主要通過風力進行搬運、沉積而形成的松散顆粒狀物質(zhì),主要分布在青藏高原區(qū)、西北干旱區(qū)和東部季風區(qū),沙漠和黃土是典型的風積土。其中,遼西風積土主要分布于遼河平原以西的季風區(qū),包括遼寧省的阜新市、朝陽市、錦州市、葫蘆島市和沈陽市部分地區(qū)。作為風力搬運沉積形成的一類土,其物理力學(xué)性質(zhì)有別于其他類型土,如:結(jié)構(gòu)性顯著、以粗粒土為主、顆粒級配良好、抗剪強度低等。由于工程的強度、剛度和穩(wěn)定性與所處的土體物理力學(xué)性質(zhì)有較大的關(guān)系,且相互作用相互影響,故這些致病因子直接導(dǎo)致其工程應(yīng)用上的局限性,往往發(fā)生不同類型的工程病害現(xiàn)象,如:道路翻漿冒泥、地基不均勻沉降,邊坡失穩(wěn)等,直接導(dǎo)致后期維修養(yǎng)護費用增加,嚴重者發(fā)生工程災(zāi)害。隨著振興東北老工業(yè)基地戰(zhàn)略的逐步實施,道路工程、鐵道工程、市政管道工程和基坑工程等工程相繼開展,很多潛在的工程病害也逐步顯現(xiàn),如:地基振陷、風積土振動液化等。王浩[1]指出:在防護加固方案設(shè)計時應(yīng)全面分析,建立基于自然邊坡病害類型的防護加固對策。另外,各種病害現(xiàn)象的發(fā)生機理和特點的不同往往導(dǎo)致其防治措施的不同,且各種工程病害因所處自然環(huán)境的不同往往具有區(qū)域性的特點。因此,對區(qū)域性各類工程病害從不同的角度或側(cè)重點進行科學(xué)分類、影響因素分析和相應(yīng)防治措施制定很有意義,故針對風積土地區(qū)開展這些研究是有必要和有價值的。

    關(guān)于土的工程分類已比較成熟,趙樹德[2]已從土的生成原因、顆粒級配和密實度等不同角度或側(cè)重點介紹了我國土的工程分類。關(guān)于工程病害現(xiàn)象的研究也屢見不鮮,可歸結(jié)為兩大類:①某一單類工程存在的病害,如:邊坡、路基、隧道等;②某一類型土在單類工程應(yīng)用中存在的病害,如:膨脹土路基、凍土路基等;這些研究內(nèi)容為工程病害研究提供了參考價值,但具有局部性,并沒有對某一區(qū)域工程從不同角度或側(cè)重點給出比較全面的分類,關(guān)于風積土地區(qū)工程病害分類則是空白。張向東[3-9]已對風積土做了大量研究,主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)性、動力特性、凍脹融沉和沉降特性四個模塊。另外,石勇[10]就自然災(zāi)害的脆弱性、評價方法及展望進行了研究,指出:自然災(zāi)害脆弱性的研究對象正從單純的承災(zāi)個體和區(qū)域向多個層次發(fā)展,利用模糊層次分析法建立指標體系并進行客觀評價成為發(fā)展趨勢。因此,對風積土地區(qū)工程病害現(xiàn)象進行全面分類,運用王思敬院士[11]提出的“工程地圈系統(tǒng)”,以及AHP層次分析法研究病害影響因素并給出防治措施是很有意義的,對于完善風積土的研究內(nèi)容,指導(dǎo)工程實踐和其他類型土工程病害研究具有參考價值。

    1 工程病害現(xiàn)場調(diào)查

    現(xiàn)場調(diào)查是從承病體本身直觀地熟知風積土地區(qū)既有的工程病害現(xiàn)象,為工程病害分類和進一步挖掘致病因子奠定基礎(chǔ)。為科學(xué)全面的對風積土地區(qū)工程病害現(xiàn)象進行分類,選取阜新市、朝陽市、錦州市、葫蘆島市和沈陽市五座城市中病害現(xiàn)象較為嚴重的工程作為調(diào)查對象,涵蓋道路、鐵路、市政管道、建筑、基坑和邊坡六大工程,每類工程在每座城市選取病害嚴重的兩個路段或三個工程,其中道路、鐵路和市政管道的路段總長各為1 km,建筑、基坑和邊坡各選三個大的工程。通過承病體病害現(xiàn)象的調(diào)查和數(shù)據(jù)統(tǒng)計,得到了風積土地區(qū)既有的工程病害現(xiàn)象、每百米出現(xiàn)次數(shù)和各自所占的比例(各種病害出現(xiàn)次數(shù)占所屬工程類別的病害總次數(shù)的比例),如表1所示。

    由表1可知,道路工程中每百米存在病害次數(shù)約30次,其中,下沉(窩水)出現(xiàn)次數(shù)最多,路面裂縫(寬度≥5mm)次之;鐵道工程中每百米存在病害次數(shù)約26次,其中,軌枕下沉出現(xiàn)次數(shù)最多,道碴泥濘板結(jié)次之;市政管道工程中每百米存在病害次數(shù)約15次,主要包括路面下沉(塌陷)和路面滲水;建筑工程中,不同程度的下沉和傾斜現(xiàn)象均存在,且每座建筑物有裂縫約兩個;基坑工程中,大變形最多,坡肩裂縫次之,滑坡現(xiàn)象較少;邊坡工程中,滑坡次數(shù)最多,風化剝落次數(shù)次之(與處在季風區(qū)有關(guān))。當然,除了表中所列病害現(xiàn)象之外,還有一些病害現(xiàn)象由于屬于隱蔽病害和潛在病害而不能直接看到,只能通過工程經(jīng)驗和理論分析得出,如:鐵路道碴囊、路基振陷和道碴粉化等。

    表1 風積土地區(qū)既有的工程病害現(xiàn)象和比例

    注:①表中的數(shù)據(jù)只能作為定性分析的參考;②凍脹融沉在現(xiàn)場不能直觀的看出,但路旁土體隆起和路堤外擠均包括凍脹作用,下沉包括融沉作用;③滑坡是個統(tǒng)稱,涵蓋狹義上的滑坡、泥石流、坍塌、崩裂等;④其他不易發(fā)現(xiàn)的隱藏病害,如:道碴粉化、流沙、管涌等將在后面的潛在病害中提及。

    2 風積土室內(nèi)試驗

    現(xiàn)場調(diào)查只能直觀地熟知風積土地區(qū)既有的工程病害現(xiàn)象,而一些隱蔽病害、潛在病害和病害出現(xiàn)的部分致病因子是由風積土的物理力學(xué)指標決定的。張向東[5]就風積土的結(jié)構(gòu)特性已經(jīng)進行了試驗研究,指出:風積土具有明顯的結(jié)構(gòu)性和相似性。因此,有必要獲取風積土的物理力學(xué)指標,試驗取土地點位于哈大客運專線路經(jīng)區(qū)——沈陽市東陵區(qū)小羊安DK369+980.00~DK370+180.00里程段,經(jīng)試驗測得了原狀風積土的基本物理力學(xué)指標[12],如表2所示。

    表2 風積土的基本物理力學(xué)指標

    結(jié)合表2和前期研究,可以得出:風積土是一種以粗顆粒為主、顆粒級配良好、中等壓縮性、抗剪強度低、振動易液化、具有明顯結(jié)構(gòu)性但不具有明顯濕陷性的粉質(zhì)粘土。風積土的這些物理力學(xué)性質(zhì)決定了風積土地區(qū)的工程性質(zhì),即易發(fā)生下沉、振陷、剪切破壞和振動液化等。

    3 工程的建設(shè)要求

    工程建設(shè)是為了滿足使用需求,這種需求就是對工程的建設(shè)要求,直接反映了引發(fā)工程病害的部分外在因素,有利于分析潛在的工程病害。隨著我國沿海發(fā)展、西部大開發(fā)、振興東北老工業(yè)基地和中原經(jīng)濟區(qū)規(guī)劃等國家戰(zhàn)略的逐步實施,各種標志性和挑戰(zhàn)性工程將不斷建設(shè),如:高速公路工程、高速鐵路工程和高層建筑工程等,工程建設(shè)要求的提高必然需要技術(shù)的同步提升,各種潛在的工程病害將不可避免。在參考相關(guān)文獻[13-15]等的基礎(chǔ)上,結(jié)合風積土的物理力學(xué)指標分析了道路工程、鐵道工程、市政管道工程、建筑工程、基坑工程和邊坡工程六大工程的建設(shè)要求和潛在的工程病害,如表3所示。

    表3 工程的建設(shè)要求和潛在的工程病害

    由表3中的潛在工程病害和現(xiàn)場調(diào)查得到的既有工程病害,一定程度上可全面地體現(xiàn)風積土地區(qū)的工程病害現(xiàn)象。

    4 工程病害分類

    在前述內(nèi)容中,定性地表述了風積土地區(qū)既有的工程病害現(xiàn)象,定量地給出了風積土的物理力學(xué)指標和特點,并分析了工程的建設(shè)要求特別是最新發(fā)展要求。通過這些內(nèi)容,可以對既有和潛在的工程病害現(xiàn)象,以及引起這些現(xiàn)象的本質(zhì)原因有所了解。但由于引起工程病害的致病因子呈多元化趨勢,且很多致病因子具有隨機偶然性和時效性,如:爆破引起的振動、礦山開采引起的沉陷和地震等,直接導(dǎo)致病害現(xiàn)象的多樣化。然而,無論致病因子是什么,它們總是直接或間接地通過影響風積土的物理力學(xué)性質(zhì)而引起各種工程病害。因此,把握住風積土的物理力學(xué)性質(zhì)是關(guān)鍵。在這些研究的基礎(chǔ)上,現(xiàn)從病害現(xiàn)象和病害機理兩個角度對風積土地區(qū)工程病害進行分類。

    4.1 基于病害現(xiàn)象的分類

    基于病害現(xiàn)象的分類是在以上研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上進行的,如表4所示。

    表4 基于病害現(xiàn)象的風積土地區(qū)工程病害分類

    由表4可以直觀地了解風積土地區(qū)工程病害現(xiàn)象,可用于指導(dǎo)工程設(shè)計、施工、檢測和養(yǎng)護等。

    4.2 基于病害機理的分類

    前文提到,無論工程病害的致病因子是什么,它們總是直接或間接地通過影響風積土的物理力學(xué)性質(zhì)而引起各種工程病害。因此,基于病害機理的分類需要重點考慮風積土的物理力學(xué)指標,同時也是對表4中各種病害現(xiàn)象引發(fā)原因的總結(jié),如圖1所示。

    圖1 基于病害機理的風積土地區(qū)工程病害分類

    由圖1可以看出,基于病害機理的分類主要涵蓋了風積土的靜力學(xué)、動力學(xué)、水力學(xué)和風化等特性,可指導(dǎo)具體工程采取具體的防治措施。

    5 工程病害影響因素

    風積土地區(qū)工程病害現(xiàn)象必有其背后的影響因素,即致病因子。由于引起工程病害的致病因子呈多元化趨勢,且很多致病因子具有隨機偶然性和時效性。因此,挖掘工程病害現(xiàn)象的影響因素,必須全面系統(tǒng)科學(xué)地進行考慮。

    王思敬院士[11]提出了“地圈系統(tǒng)”和“工程地圈系統(tǒng)”,深入挖掘和分析了地圈系統(tǒng)的構(gòu)成、相互作用和動力過程,并指出:很有必要把人類工程活動地區(qū)的人工和自然動力過程結(jié)合起來進行系統(tǒng)研究?!暗厝ο到y(tǒng)”主要由地質(zhì)圈、生物圈和大氣圈組成,如圖2所示,而“工程地圈系統(tǒng)”著重強調(diào)了生物圈中的人類工程活動對地圈系統(tǒng)的動力作用和影響。王立麗[15]對我國災(zāi)害事件建立了三層分類體系,并指出:我國災(zāi)害多、成因多、頻率高且時空分布不均;這些研究內(nèi)容為地質(zhì)環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害與工程地質(zhì)的研究奠定了基礎(chǔ)。風積土地區(qū)工程病害主要受地質(zhì)圈、生物圈和大氣圈的耦合影響,而工程壽命周期內(nèi),地質(zhì)構(gòu)造處于相對穩(wěn)定的格局。因此,工程病害的影響因素主要包括:風積土的物理力學(xué)性質(zhì)、人類工程活動和自然環(huán)境(圖3)。為了更清晰直觀地挖掘風積土地區(qū)工程病害的影響因素,現(xiàn)利用AHP層次分析法,按四級指標給出所有影響因素(表5),為進一步定量分析工程病害的嚴重程度提供參考。

    圖2 地圈系統(tǒng)示意圖

    圖3 風積土地區(qū)工程病害的影響因素

    注:三級指標和四級指標可根據(jù)工程實際進行拓展,使得引起工程病害的影響因素更系統(tǒng)更全面,“—”代表“無”,因為物理力學(xué)指標均為確定數(shù)值,不存在概率性。

    表6 風積土地區(qū)工程病害的技術(shù)防治措施

    6 工程病害防治措施

    前述內(nèi)容從不同角度研究了風積土地區(qū)工程病害種類和影響因素,為給出各種工程病害的防治措施奠定了基礎(chǔ)。王思敬院士[11]指出:極端災(zāi)害風險評價是核心任務(wù),危險性預(yù)測是關(guān)鍵,制定對策措施是目標。而往往各種工程病害必然產(chǎn)生或多或少的生命財產(chǎn)損失,故防治措施的制定至關(guān)重要。防治措施是一個系統(tǒng)工程,不僅包括技術(shù)措施,也包括管理措施和安全措施。但在進行防治技術(shù)設(shè)計時,不可能考慮到所有的影響因素,即使全部考慮則必然會增加工程成本,故適當?shù)墓芾泶胧┦呛鼙匾摹R曰舆吰率Х€(wěn)來說,往往其加固技術(shù)已滿足要求,出現(xiàn)問題的原因在于后期管理不當,如坡頂堆載、振動嚴重等。因此,技術(shù)措施和管理措施同等重要,沒有好的管理措施,再好的技術(shù)措施也是空談。反之,技術(shù)措施達不到,再好的管理措施也是不奏效的。

    風積土地區(qū)工程病害的影響因素主要包括:風積土的物理力學(xué)性質(zhì)、人類工程活動和自然環(huán)境等,在這些因素中,自然環(huán)境是無法改變的,但可以通過技術(shù)措施使得工程免受自然環(huán)境的影響,人類工程活動是可以控制的,風積土的物理力學(xué)性質(zhì)是可以改變的。人類工程活動的控制屬管理措施,風積土的物理力學(xué)性質(zhì)的改變屬技術(shù)措施,由于管理屬人類行為,呈復(fù)雜化多樣化,這里不再進行列出。在參考相關(guān)文獻[16-19]等的基礎(chǔ)上,現(xiàn)把目前已有的適宜于風積土地區(qū)工程病害防治的技術(shù)措施按工程類別列出,如表6所示。

    由表6可以看出,風積土地區(qū)工程病害的防治措施呈多樣化,具體應(yīng)用時要根據(jù)工程實際選用。

    根據(jù)工程病害分類、影響因素和技術(shù)防治措施,從系統(tǒng)學(xué)角度,一定程度上可以形成風積土地區(qū)工程病害識別和防治簡單框架。該框架具體內(nèi)容由表4、表5、表6和圖1組成,具體流程如圖4所示。

    圖4 工程病害識別和防治框架

    7 結(jié)論

    該研究可得出以下主要結(jié)論。

    (1)風積土是一種以粗顆粒為主、顆粒級配良好、中等壓縮性、抗剪強度低、振動易液化、具有明顯結(jié)構(gòu)性但不具有明顯濕陷性的粉質(zhì)粘土;

    (2)風積土地區(qū)工程病害主要因壓縮沉降、剪切破壞、振(震)陷、振(震)動液化、濕陷破壞、凍脹融沉、風化剝落、水流沖刷等原因引起;

    (3)基于“工程地圈系統(tǒng)”,風積土地區(qū)工程病害主要受地質(zhì)圈、生物圈和大氣圈的耦合影響,影響因素主要包括:風積土的物理力學(xué)性質(zhì)、人類工程活動和自然環(huán)境;

    (4)工程病害防治有必要形成系統(tǒng)化的病害識別、調(diào)控和防治框架,便于工程病害防治工作規(guī)范化、流程化、標準化和信息化。

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    Engineering Disease Classification and Control in Aeolian Soil Area

    ZHANG Yu1, 2, ZHANG Xiangdong3, CHEN Tielin1, 2and LIU Jiashun3

    (1.SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China; 2.KeyLaboratoryofUrbanUndergroundEngineering(MinistryofEducation),BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China; 3.InstituteofCivilEngineeringandTransport,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

    Asforthediseaseclassification,influencingfactorsandcontrollingmeasurementsforAeolianSoilengineeringinwesternLiaoningProvinceofChina,methodsoffieldinvestigation,indoorexperimentandconstructionrequirementsanalysisareused.Thediseaseclassificationsareobtainedintermsofdiseasephenomenonanddiseasemechanismrespectively,thenanalyzingthefour-levelinfluencingfactorsundertheEngineering-GeosphereSystemandAnalyticHierarchyProcess,andgivingthecontrollingmeasurements,thusformingthesystematicalandsimpleframeforengineeringdiseaseidentificationandcontrol.Theresultsshow: ①AeolianSoilissiltyclaywithcoarsegranule,goodgradation,mediumcompressibility,lowshearstrength,easyliquefaction,apparentstructureandnon-obviouscollapsibility; ②EngineeringdiseaseinAeolianSoilareaoftendevelopsunderthereasonofcompressiblesettlement,shearingdamage,vibration-subsidenceandliquefaction,collapsibility,frost-heaveandthaw-settlement,weathering,currentscour,etc.; ③BasedontheEngineering-GeosphereSystem,themaininfluencingfactorsforengineeringdiseaseinAeolianSoilareaarephysicomechanicalpropertyofAeolianSoil,humanactivityandnaturalenvironment; ④It’snecessarytoestablishsystematicalframeofdiseaseidentification,adjustingandcontrol,thusmakingtheworknormative,processive,standardizingandinformatized.

    Aeoliansoil;engineering;disease;classification;geospheresystem;control

    10.3969/j.issn.1000-811X.2017.01.003.]

    2016-04-23

    2016-07-23

    中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目“土質(zhì)隧道圍巖注漿參數(shù)選定物理模型試驗研究”(C16JB00110);高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(20112121110004)

    張玉(1987-),男,河南鄧州人,在讀博士生,主要從事工程病害、注漿材料和加固技術(shù)研究. E-mail:zhangyu871030@163.com

    TU44;U457;X43

    A

    1000-811X(2017)01-0011-07

    10.3969/j.issn.1000-811X.2017.01.003

    張玉,張向東,陳鐵林,等. 風積土地區(qū)工程病害分類和防治系統(tǒng)化研究[J]. 災(zāi)害學(xué),2017,32(1):11-16,21. [ZHANG Yu,ZHANG Xiangdong,CHEN Tielin, et al. Engineering disease classification and control in aeolian soil area[J]. Journal of Catastrophology,2017,32(1):11-16,21.

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