土木工程数值分析大全11篇

土木工程数值分析篇（1）

弹性力学是高等学校土木水利等专业的一门理论性与应用性都很强的基础课程，目前各高校很多学科根据本专业本科教育培养目标，实现宽口径、厚基础的教学基本要求，减少课时和精简内容。另外，土木类专业所面临的现代工程结构设计问题大多为非杆系的复杂结构体系，所以许多高等院校要求开设弹性力学和有限元课程，其目的是加强土木类本科生对复杂结构数值分析能力的培养，以提高他们从事科学研究和现代结构设计的能力。然而学生普遍认为弹性力学解决实际工程的能力远不如材料力学和结构力学，而且弹性力学理论抽象，数学推导麻烦，课程枯燥乏味，提不起学习兴趣。因此在现有的学时下如何保证教学的基本要求和基本内容，用什么方法和手段达到既增大信息量，减少教学时数，又能强化学生能力的培养，成为弹性力学教学中需要关注的问题。

一、高校弹性力学教学现状

为了提高结构力学和弹性力学的相关教学水平和研究成果，教育部高等学校力学教学指导委员会力学基础课程教学指导分委员会结构力学及弹性力学课程教学指导小组定期召开工作会议，2006年工作会议在武汉理工大学召开，2009年工作会议在成都西南交通大学举行，2014年10月工作会议在北京工业大学举行，各高校在每次会议中都对弹性力学的教学进行了教学改革成果和经验交流，对教学实践、课程建设和资源积累等问题进行了研讨。北京工业大学在弹性力学的教学中也进行了很多研究和改革，北京工业大学弹性力学课程的设置和教学与国内其他高校具有类似特点与问题。2006年之前弹性力学作为土木工程本科专业的必修或必选课，学时一般为40学时左右，使用教材以徐芝纶《弹性力学简明教程》为主要教学参考书。在2007版本科教学改革之后，弹性力学在土木工程专业本科中仍然设置为学科基础必修课，但学时改为16学时，考试时采用闭卷考试，对学生学习要求较高，较多学生仍然认为太偏重于理论，理论抽象，数学推导烦琐难以理解，并且其解决实际工程的能力远不如结构力学。在2012版教学计划后，课程性质以及学时都没变，但考试时采用开卷考试，对学生的公式推导要求降低。改为16学时时，教师和学生的感觉都是时间太紧张，学习压力大，所以在刚完成的2015版土木工程本科教学计划中，弹性力学进行了很多变化，首先课程性质发生了改变，由学科基础必修课改为学科基础选修课，让学生有选择的空间，其次学时增加为24学时，让选修弹性力学的同学能真正学习到弹性力学的主要内容。所以目前在现有的学时下，如何保证教学的基本要求和基本内容，用什么方法和手段达到既增大信息量，减少教学时数，又能强化学生能力的培养，成为教学中关注的问题，由此也产生了弹性力学教学内容多和学时少的矛盾。许多高校和研究者在弹性力学课程教学和研究上进行了教学改革，取得了较多有益成果，尽管如此，土木工程专业弹性力学课程在以下几方面尚有待研究与改革：（1）教学对象上，弹性力学通常主要在工程力学专业开设，需要充分考虑结合土木工程专业的特点。（2）教学思路上，仍然偏向工程力学方法，在内容选择上较偏向数学，主要是理论上的教学，对理论分析和数值分析结合对比方面缺少。（3）讲课内容中未能充分引入弹性力学领域的最新进展，尤其是与土木工程结构相关进展，因此在弹性力学课程的教学方式、教学内容、考试形式等方面需要进行一些思考和探讨，对弹性力学教学中的普遍与特殊问题进行研究与实践，将促进学校土木工程学科力学教学的发展。

二、尽可能地提高学生的“计算分析”理论水平

根据高等院校土木类专业本科指导性专业规范以及2015版培养方案规定的学时，需要考虑在既有学时下，使学生的理论水平能达到当今土木类专业的培养要求。

1.重点突出弹性力学分析思路和概念。在教学中，在分析思路上，一般重点讲授弹性力学平面问题的相关问题，并且对弹性力学平面问题基本理论采取精讲的形式，对空间问题基本理论采取和平面问题基本理论相对比方法进行讲解。如果根据实际，直接从实际工程的三维问题，再到讲授二维问题可能更符合思维过程以及实际工程问题，使得思路更加自然，并且能节省教学课时。另外，在讲授方法思路中应突出思路、概念与结论。如弹性力学中的概念问题：弹性力学中应力的方向以及正负号的定义，平面应力问题和平面应变问题的区分，应力边界条件和位移边界条件的确定方法，处理局部边界条件的圣维南原理，等等，这些都是讲述平面问题基本理论中要熟练掌握的概念。

2.结合具体土木工程实例教学，附加一些分析程序和工具的介绍，拓宽学生分析方面的应用能力。在介绍分析思路时，需要结合有实际工程背景的工程算例来分析，这样可以明确学习目的，激发学生的学习动力。在理论分析完成后，还可以介绍相应的数值分析方法，介绍Matlab计算程序或有限元分析工具，对理论分析过程数值化，让学生自己操作计算，分析结果。最后由于土木工程专业学生在实际工作中需要学会运用，可以结合一些设计规范进行学习，如：公路隧道设计规范（JTGD70-2004）建议采用弹性力学数值方法—有限元法计算围岩的隧道支护结构内力和变形等，通过在理论分析结果和数值分析对比的同时，还可以通过规范要求进行验算。

三、根据当今土木类本科生的培养要求，编写适合土木工程专业学生使用的教材

就目前而言，对于土木类本科生的弹性力学课程，各高等院校所安排的教学内容、教学时数及选用的教材均存有不同。换言之，对教学内容、教学时数及教材均没有统一的指定，仍处在各高校教师根据自己的教学经验进行不断地探索与总结。目前已出版的弹性力学教材有很多种，所使用的教材一般为《弹性力学简明教程》，徐芝仑编，高等教育出版社出版。这本教材所涵盖的内容较多、较全面，也比较深刻，对概念思路的解释较为简洁，但仍然有需要改进之处：（1）基本上从平面问题到空间问题最后到板壳一些特殊问题，分析讲解思路可以变化，让学生更快更容易的理解。（2）理论讲解较多，实际土木工程案例的分析较少。（3）理论推导比较多，数值分析对比较少，数值分析工具的应用较少等，另外学生学习的课余指导用书比较少。为此，编写更加适合土木工程专业的教材以及教材指导用书是有必要的。

四、改革单一的板书教学模式，研制《弹性力学》的CAI电子教案

作为一门强调理论与应用的课程，仅以单一的板书教学模式明显不足。例如，本课程中复杂的理论推导数学演示，这些均可通过CAI电子教案的教学来表述。此项教改工作的目的是在教学时数不足的情况下，就如何实现课堂教学气氛活跃、高效率地完成教学内容、突出理论联系实际等方面而为之。根据本课程教学大纲中教学内容的要求及依据更加丰富的教材，可以编制本门课程的CAI电子教案。在实际教学中，采用多媒体与板书相结合的教学模式，预期可以达到较好的教学效果，授课学生能给出较好的评价。另外，课内教学是本课程的主要任务。但由于本门课程在土木专业上的应用性较强，学生的课程设计、毕业设计均会遇到实际结构问题的数值分析，对此需要课外指导，因此建立教师学生互动平台和窗口也是有必要的。

五、结语

为了提高土木工程专业弹性力学课程教学质量和效果，本文分析了土木工程专业弹性力学课程的教学相关问题，并探索了土木工程专业弹性力学课程的教学改进方法。

1.尽可能地提高学生的“计算分析”理论水平，使学生的理论分析水平达到当今土木类专业的培养要求。

2.根据当今土木类本科生的培养要求，编写适合土木工程专业学生使用的教材。

3.改革单一的板书教学模式，研制《弹性力学》的CAI电子教案，并建立教师互动平台和窗口。

参考文献：

[1]徐芝纶.弹性力学[M].第3版.北京：高等教育出版社，1990：181.

[2]马崇武，秦怀泉.力学与土木工程专业的力学课程教学[J].高等理科教育，2007，（6）：135-137.

[3]张宇星，吕建国.工程力学考试方法的探索与实践[J].高等理科教育，2005，（4）：128-129.

[4]铁木辛柯，古地尔.弹性理论[M].第3版.北京：清华大学出版社，2004：168.

[5]杨桂通.弹性力学[M].北京：高等教育出版社，1998.

[6]刘京红，等.土木工程专业弹性力学课程教学改革的探索[J].科技情报开发与经济，2007，（24）.

[7]王雁然.弹性力学及有限元教学的实践与研究[J].建筑教育改革理论与实践，2005，（6）

[8]原方，吴洁.研究生弹性力学教学方法及问题探讨[J].力学与实践，2005，（2）.

[9]周全太.土木工程专业弹性力学课程教学的若干思考[J].无锡教育学院学报，2005，25（2）：73-76.

土木工程数值分析篇（2）

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1005-2909（2017）03-0069-04

目前我国社会经济快速发展，为提升核心竞争力，获得竞争优势，需要大批素质全面的具有综合职业能力，直接服务于生产一线，从事技术和管理的应用型卓越工程人才[1-3]。高等学校的根本任务是培养具有创新精神和实践能力的高素质创新人才，而开展教学改革、创新教学方法则是培养创新人才的重要举措。

随着计算机技术的发展，计算机辅助教学手段逐步完善，数值模拟以其适用性强，便于处理非均质、非线性、复杂边界诸多问题等优点，已成为分析工程实际问题不可替代的手段[4-5]。数值模拟技术作为解决工程实际问题的有效手段，已成为土木工程研究生学术研究的重要工具，因此，让学生快速掌握数值模拟方法，更好地开展科研工作是一项重要任务。土木工程学科实践性强，如何针对学科特点制定合理的数值模拟课程，培养具备较强数值计算分析和创新能力的人才，是目前土木工程专业研究生教育的重要内容。

为使学生更好地掌握数值分析软件，提高其科研水平和创新能力，我们结合实际，专门为研究生开设了土木工程分析软件与应用课程，从该课程近几年的教学实践和反馈来看，取得了较好的教学效果。

一、课程教学现状

土木工程分析软件与应用课程目前主要存在着两大问题。

（一） 课时少，任务重

该课程面临讲授课时少，讲解内容多的矛盾。目前该课程共有32学时，包括上机和理论课时，如果按照每个数值分析软件安排8学时讲授来算，那么整门课程最多能讲授4个软件。而目前学生的研究方向和研究深度各有不同，为满足学生的最大化需求，需要尽可能选择多个软件进行讲解，因此就要做好课程讲授软件的选择。

同时，教学中难以做到像本科学习PKPM或Auto CAD之类的软件，课堂上教师带领学生一步一步地操作，所以必须对课程内容进行精简和合理编排，给学生设置有效作业任务，发挥学生主动性，提高上课效率。

（二）教学手段不够丰富

同时该课程教学手段单一，教师讲台上讲解，学生下面练习的教学方法过于落后，难以满足学生的实际科研需要，也无法快速有效地运用所学的数值软件知识辅助科研。学生学习积极性不高，在其进行课题研究和科研工作过程中，存在概念不清，软件不会用的问题。

基于上述问题，我们将采取以学生为中心，以教师为引导的教学方式，教师通过教学激活知识，引起学生学习的兴趣，调动学生学习的主动性和积极性，从而将外在的知识内化为自己的知识结构，增强分析问题的能力，提高其创新意识。

二、数值模拟软件的选择与特点

目前中国石油大学（华东）土木工程专业研究生主要分为结构工程方向和岩土工程方向。根据专业特点和学生自身需求，每学期课程开始之前先对学生的研究方向和拟用数值软件进行广泛调查，在此基础上，结合近年来土木工程领域数值模拟的发展趋势，遴选土木工程中应用广泛的几种数值软件作为主要教学内容。

经过多年的教学实践，我们选择的几种数值分析软件的主要特点和适用范围如表1所示。

三、教学改革探索与实践

一门课程能取得良好的教学效果，与教W内容的合理组织和安排，以及恰当的教学方法有密不可分的关系。为此我们从以下四个方面进行教学改革。

（一）构建“软件超市”，满足学生需要

为拓宽学生视野，尽可能满足学生的科研需求，适时选择多种土木工程常用分析软件，为研究生构建了内容丰富的“软件超市”，软件超市包括ANSYS，FLAC，ABAQUS，SAP，ADINA，COMSOL等工程数值软件，学生可结合自己的兴趣特长、研究方向及论文课题等进行针对性学习。为了提高学习效率，要求学生在上课之前对所讲软件有基本的了解。给学生讲述各种软件的特点、适用范围以及优缺点，以方便学生结合自己的课题需求选择合适的软件。

数值软件主要是计算理论的运用和数值算法的实现，要想完全掌握并熟练应用软件，必须要清楚该软件所运用的计算理论和数值算法，了解同一个问题用不同数值软件求解结果异同的原因

。如ANSYS属于有限元软件，有限元法是用较简单的问题代替复杂问题后再求解，将求解域分成有限元互连子域，对每一单元假定一个合适的近似解，利用变分原理和最小势能原理推导求解该域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。而FLAC3D属于有限差分软件，其本质是在每个节点处建立差分格式的近似方程求解。数值解不是准确解，而是近似解。许多工程问题都归结于求解偏微分方程，不同软件采用不同的方法而已，但殊途同归，最终都要收敛于精确解，这也是各种软件计算结果可以比较的基础。学生在学习过程中，可汲取各种软件的学习经验，举一反三，融会贯通。

（二）由浅入深，以基本理论为本

具备扎实的专业知识和良好的专业素养是培养高水平研究生的主要目的。研究生在学习软件过程中往往存在基本概念模糊，理论一知半解，好高骛远、急于求成等问题，教学中应强调基本概念的重要性。

在教学实践中，我们结合简单算例介绍基本理论，并注意提高学生手算的能力，通过手算和机算对比，一方面巩固学生的基本力学知识，另一方面还可以检验学生的学习效果。比如，以简单桁架结构为例对手工计算方法予以说明，进而归纳总结出计算步骤。这样一方面回顾了前面所学基础知识理论，另一方面掌握了数值软件的基本操作。从简单问题开始，由浅入深，等掌握了基本的操作命令，打好基础后，再给学生安排一定的课下操作练习进行强化。

不断强调课下实践的重要性，告诫学生不要好高骛远。切勿一开始就建立复杂模型，因为复杂模型难免出现大量错误而挫伤其学习积极性。因此，要从简单模型开始，如力学教材中的例题和课后习题，先熟悉各个操作命令，简单的问题更容易进行程序的查错和调试。只有简单模型没有问题之后，才能进行复杂模型的训练。虽然在前期可能耽误一些时间，但最终会产生事半功倍的效果。通过给学生布置任务，让学生带着问题自主学习，培养学生分析问题、解决问题的自学能力。

（三）真实赛题训练，提高团队协作能力

学习数值分析软件的目的在于应用，尤其是实践性很强的土木工程应用学科，应改变过去教师讲，学生听，师生互动少、学习效果不佳的状况。在教学过程中，我们鼓励学生以小组讨论形式，共同完成一个问题的数值模拟。每次讨论，我们都遵循“问题建模计算分析评价”的分析过程。为了激发学生的学习兴趣和主动性，做到学以致用，我们曾以山东省大学生结构设计大赛的真实赛题为任务，该赛题需要设计并制作一双竹结构高跷模型进行加载测试。在教学过程中，将学生分成若干设计小组，由每个小组设计模型方案，然后运用一到两个不同的数值分析软件完成模型建模及加载分析等内容，要求在规定的时间内完成设计作品和数值分析，并由各小组的组长在全班面前进行作品展示。期间其他各小组成员对该组作品进行打分，设计作品的成绩由学生评价与教师评价相结合给出。此项措施加深了学生对软件的认识和掌握程度，同时也提高了学生的团队协作能力，取得了不错效果。在教学实践中，我们还鼓励学生运用多个软件分析同一个问题，加深其对数值分析理论和方法的理解。

（四）案例教学，提高解决工程问题能力

本课程的主要内容是软件的学与用，其中“学”是手段，“用”是目的。课程教学要与工程实践相结合，否则学生感觉基础理论知识太过抽象，难以理解和掌握。要使学生清楚知道为什么学习本课程，习得知识可解决哪些实际问题，如何利用课程知识分析、解决工程实际问题。同时，针对个别软件前处理的不便，我们专门开发了FLAC3D前处理分析程序[6]，介绍了复杂地质建模前处理方法在岩石力学数值实验教学中的应用。

对于工科研究生来讲，学习数值分析软件最重要的就是解决工程实际问题。授课教师可结合自己的研究课题、科研项目，在教学中适当讲解一些具体工程实例，介绍自己的科研过程以及心得体会。下面简单列举几个工程实例的数值模拟教学内容。

1.大型储油罐抗震及隔震分析

储油罐是石油和天然气资源利用、再生产和供给的重要基础性设施，我们针对其抗震问题进行数值模拟的讲解。比如几何模型的建立方法、有限元网格的剖分技巧、土体与结构动力相互作用、人工边界的设置、地基材料的本构模型选择、地震波的选择与输入、罐底和基础之间的非线性接触效应等。在隔震方面，以大型LNG储罐为例，介绍预应力钢筋的建模方法、隔震夹层橡胶支座的数值建模技巧和其参数的合理选取。

2.大型土-海底沉管隧道体系的地震响应

通过此案例，介绍土-隧道摩擦接触面的单元选择，弹簧单元的施加，多层非均匀软土地基的建模，行波激励的数值模拟实现，以及动水压力的简化分析方法等。不仅让学生了解软件的应用情况，而且还穿插介绍相关的理论知识，拓宽了其知识面。

3.大型LNG储罐抗爆分析

储罐的抗爆问题难以用物理实验完成，而数值模拟则可解决该问题。以董家口港大型LNG为例，给学生讲解如何采用ANSYS软件进行建模前处理，如何利用LS-DYNA软件分析后处理方法，研究爆炸冲击荷载作用下LNG储罐的动力响应特点，并分析多种工况下罐体的变形规律和应力响应分布。

4.LNG储罐球形混凝土穹顶的热应力及裂缝分布

以山东某LNG接收站的一个16万m3大型LNG储罐钢筋混凝土穹顶为例进行数值计算。采用ADINA有限元软件建立精细化的有限元模型，模拟LNG储罐穹顶分段浇筑过程中的早期温度场分布，并将数值计算结果与现场测试结果进行对比。数值分析时考虑了混凝土徐变及龄期效应，对混凝土穹顶的温度场和应力场进行耦合计算，得到穹顶的热应力分布及裂缝发展情况。

可见数值模拟技术在替代物理实验方面具有较强的优越性，掌握好数值软件是十分必要的。在教学过程中，考虑到石油大学的特色，有侧重地讲解了特种结构的数值模拟试验技术和模拟过程。通过实际工程案例教学，让学生切实感受到数值软件强大的求解能力和成功解决问题的全过程，进而激发学习的兴趣和主动性，锻炼学生利用数值分析工具解决实际工程问题的能力。

四、教学效果

为了保证教学质量，土木工程分析软件与应用课程均由具有博士学位，数学和力学知识基础扎实，亦对数值分析软件有丰富应用经验的青年教师主讲，至今已经进行了3年的教学实践。由于教学实践效果良好，土木工程分析软件与应用课程已纳入中国石油大学核心课程建设和土木工程学术硕士点建设项目。学生结课论文选题广泛，如《盐穴储气库密封性数值模拟研究》《LNG储罐内罐地震响应分析》《大型LNG储罐在泄漏状态下的静力分析》《断层错动下埋地管线响应计算分析》《地震作用下碎石桩（单桩）复合地基加固机理分析》《钢结构楼梯主结构的弹塑性分析》《地震作用下预应力钢筋混凝土悬臂梁的两种单元模拟分析》等，类型多样，同时也体现了中国石油大学的特色，其中石油工业方面的数值仿真实验题目比例较大。

上课学生普遍反映，通过课程学习，提高了科研能力和研究效率。统计，上课学生中多人成功申请了中国石油大学（华东）自主创新科研计划研究生基金项目，并以第一作者身份在EI期刊发表多篇论文。同时，该课程教学效果也得到研究生导师们的一致肯定，提高了研究生的创新能力和培养质量，增强了其就业竞争力。

参考文献：

[1]朱正国，朱桃杏，王道远.工科院校实施创新教育的几点思考[J].教育探索，2014（1）：22-23.

[2]董倩，刘东燕，黄林青.卓越土木工程师实践教学体系构建[J].中国大学教学，2012（2）：77-80.

[3]张敏，鞠春华.大学生创新能力培养的研究[J].教育探索，2013（9）：5-6.

土木工程数值分析篇（3）

引 言：土木工程是建造各类工程设施的科学技术的统称。它既指所应用的材料、设备和所进行的勘测、设计、施工、保养维修等技术活动；也指工程建设的对象，即建造在地上或地下、陆上或水中，直接或间接为人类生活、生产、军事、科研服务的各种工程设施，例如房屋、道路、铁路、运输管道、隧道、桥梁、运河、堤坝、港口、电站、飞机场、海洋平台、给水和排水以及防护工程等。

1 未来土木工程的发展

1.1指导理论的继续发展

在可以预见的将来，土木工程工程技术理论的核心部分仍然是力学，新的分析方法和新的数值处理方法将是土木工程中力学的突破方向。在对复杂结构、流体介质等情况下的受力分析和近似上，现有的方法仍然具有很大的局限性。更加专门化的数学在将来也应该有很大的发展，用以处理土木工程技术中复杂的数值问题。更先进的电子计算机的应用，使得对复杂的情况的模拟更有把握，更接近于现实。力学也会突破宏观框架，向微观发展，控制论，虚拟现实等技术也在力学中加深影响。

1.2 工程实现的变化

土木建筑的最终目的是建设出合乎设计要求的工程构造物，从设计到成果中间需要一个很长的工程实现的过程。这也是土木工程一个重要的组成部分。甚至可以说是土木工程最重要的方面，有了好的理论和设计，没有好的工程实践，一样不会产生一个优秀的作品。 信息时代正在迎面走来，其他学科和其他方面的新观点新技术，必然的也会影响到土木工程。并且为这一传统学科注入新的活力。包括控制理论，施工技术，新材料，环境工程，经济理论等等。

1.3 主动控制技术

迄今，绝大部分的土木工程建筑都是被当作一个静态的，被动的物体。对周围环境的影响，如风动，温度变化，突发事件等只能依靠自身的结构进行被动的抵御。显得缺少灵活性和应变能力。今后土木建筑设施的一个发展方向之一就是主动控制技术在建筑构造物中的应用。运用计算机技术和模糊控制技术，以及一些预设的控制结构。使得建筑物能够对各种环境因素做出适当的反应。

2 未来土木工程的发展

2.1 指导理论的继续发展

在可以预见的将来，土木工程工程技术理论的核心部分仍然是力学，新的分析方法和新的数值处理方法将是土木工程中力学的突破方向。力学也会突破宏观框架，向微观发展，控制论，虚拟现实等技术也在力学中加深影响。

城市规划，建筑等相关学科进一步的交叉，融合，互相支持，互相服务。土木工程内部的次级学科也同时会在现实需要的推动下产生出新的学科，如对城市地下空间的大规模利用就使得新的地下规划学科有了产生和发展的必要。不同次级学科的理论也会相互渗透，比如现在就有一些大型体育场馆采用了类似桥梁的悬索结构。

2.2 工程实现的变化

土木建筑的最终目的是建设出合乎设计要求的工程构造物，从设计到成果中间需要一个很长的工程实现的过程。这也是土木工程一个重要的组成部分。

信息时代正在迎面走来，其他学科和其他方面的新观点新技术，必然的也会影响到土木工程。并且为这一传统学科注入新的活力。包括控制理论，施工技术，新材料，环境工程，经济理论等等。

（1）全过程信息化

信息化的特点将更深的渗透到未来的土木工程中，重点不仅仅限于CAD方面，也包含对工程进度的管理、运行中数据资料的收集，分析，整理；对建筑物结构，强度，可靠性的分析和相应对策的决策等。

全过程信息化对今后的土木建筑构造物的维护有很大的意义。比如可以使用植入的传感器配合电子计算机实现对建筑全方位的实时的监控，及时掌握整个建筑物的状态。我国现在正是基本建设的高潮，20～30年后，现在这些建筑物逐渐进入维护期。如果能在现在建造过程中就做好各种信息化准备工作，对今后维护也大有帮助。

信息化也成为专家系统技术的基础。程序的解题能力不仅取决于它所采用的形式化体系和推理模式，而且取决于它所拥有的知识。要使一个程序具有智能，必须向它提供大量有关问题领域的高质量的信息输入。

（2）可持续发展和人性化

这两个要求是与社会经济的发展相适应的，社会的发展要求更加充分合理的利用资源，社会生活水平的提高也提高了对土木建筑设施人性化的要求。

整个土木工程过程是建立在对资源和能源的不断消耗上的，在可持续发展成为整个社会的主题的时候，土木工程也必然的要面对这个问题。施工过程中也相当注重对周围环境的影响。

（3）主动控制技术

迄今，绝大部分的土木工程建筑都是被当作一个静态的，被动的物体。对周围环境的影响，如风动，温度变化，突发事件等只能依靠自身的结构进行被动的抵御。显得缺少灵活性和应变能力。今后土木建筑设施的一个发展方向之一就是主动控制技术在建筑构造物中的应用。运用计算机技术和模糊控制技术，以及一些预设的控制结构。使得建筑物能够对各种环境因素做出适当的反应。

3 未来展望

3.1 指导理论的继续发展

在可以预见的将来，土木工程工程技术理论的核心部分仍然是力学，新的分析方法和新的数值处理方法将是土木工程中力学的突破方向。在对复杂结构、流体介质等情况下的受力分析和近似上，现有的方法仍然具有很大的局限性。更加专门化的数学在将来也应该有很大的发展，用以处理土木工程技术中复杂的数值问题。更先进的电子计算机的应用，使得对复杂的情况的模拟更有把握，更接近于现实。力学也会突破宏观框架，向微观发展，控制论，虚拟现实等技术也在力学中加深影响。

3.2 工程实现的变化

这也是土木工程一个重要的组成部分。。

（1）全过程信息化

信息化的特点将更深的渗透到未来的土木工程中。

（2）可持续发展和人性化

这两个要求是与社会经济的发展相适应的，社会的发展要求更加充分合理的利用资源，社会生活水平的提高也提高了对土木建筑设施人性化的要求。

整个土木工程过程是建立在对资源和能源的不断消耗上的，在可持续发展成为整个社会的主题的时候，土木工程也必然的要面对这个问题。对资源和能源的节约，包括在建设中的和使用过程中的，成为土木工程以后的一个方向，这要求有良好的设计和有效的运作管理机制，土木工程构筑物在它的整个寿命周期，从规划，设计，建造到建成后的使用，维护，拆除都要尽量的将对环境的影响降到最小，同时尽可能大发挥它的社会经济效应。

4 结束语：

在未来的土木工程研究中，需要加强结构形式、建筑材料、施工工艺等探索与研究，也需要加强土木工程理论与技术的融合，实现更大的突破。

土木工程数值分析篇（4）

在土木工程中，结构损伤依据检测技术能分成局部与整体检测两部分，根据结构模型能分成无模型与有模型诊断两类。土木工程在使用当中，具有一定使用年限，由于酸雨、地下水、北方冬季结冰等耐久性因素，或遭遇洪水、地震与台风等灾害等偶然荷载作用，甚至诸如贯穿裂缝、混凝土浇捣及养护、建筑材料质量参差等诸多不确定因素，建筑物经过多年磨损而存在安全隐患，出现质量问题，给土木工程带来不可估量损坏。建国六十年来，许多建筑物已经达到其使用的耐久极限，改革开放三十年也有大量的新型建筑达到了其生命的“半衰期”，为确保人们生命财产安全，采用有效诊断措施给予防控是必要的。

1. 结构损伤、振动损伤与安全诊断

在土木工程当中，结构损伤所指的是结构材料及其几何特性出现改变，会给当前结构性能与整体系统力学带来影响。由土木结构强度、刚性与稳定性上看，土木结构损伤主要包含内部缺陷、材料缺陷与设计结构隐患、结构裂纹、性能下降等。振动损伤所指的是结构因振动引发的损伤，经过各振动信号采集与处理，对结构损伤给予判断，因振动源存在不确定性，振动测试环境比较复杂，具有不可控性，此类损伤诊断较难实施。安全诊断所指的是通过土木结构损伤状况的识别，分析结构各性能指标，并判断结构损伤状况，一旦存在损伤，就应对其位置与损伤程度进行确定，对土木结构剩余寿命进行估计以判断其继续应用性，并研究制定相应的修复补强方案。

2. 结构损伤的诊断方法

1.1. 整体检测方法

整体检测方法主要通过建筑物原有力学模型，通过施加各种假设荷载或振动作用，分析建筑物的荷载极限，主要适用于有详细的工程力学计算书建筑物，对于近二十年建成的超高层框架结构或连续多跨单层层建筑物，最好有静力学、动力学、运动学力学分析的计算机模型。现代大型计算机工程力学分析软件，例如Ansys、Nastran软件能为建筑物的损伤分析提供良好的辅助。

但因为检测方法对力学模型的依赖，未必适用于改革开放前甚至各种古代建筑等缺失力学计算书的建筑结构损伤分析，部分受到地震、海啸、或者例如九江大桥撞击甚至911恐怖袭击的建筑物则不适用，因为其设计模型和实际模型条件已不一致。

1.1.1. 系统识别与模型修正法

系统识别与模型修正法主要是应用基本的运动方程、动力测试资料与有限元模型进行优化约束，并修正结构模型刚度、质量及阻尼分布等，与结构动态响应相接近，经过基线模型及修正模型矩阵的比较，能对土木结构损伤给予诊断。Nastran软件对系统识别与模型修正法的支持度很高，能提供静力学、动力学、运动学力学以至热力学的模型分析功能。应用这种方法在子结构的划分及处理上优势较多，因测量噪声、模型误差与土木结构等在局部刚度变化上不是很敏感，实际应用颇受限制，致使特征方程的求解出现亚定问题，要有效解决模型于数据不定性，可应用统计推断法，像贝叶斯法，根据边界条件中的子结构修正，能减少未知数，同时，运用良态建模与子结构合理划分等，获取最优信息量。当然，贝叶斯法属于统计的理论范畴，实际操作时可以在结合超声回弹综合法等构件强度分析方法，可以将重要构件实际强度数据输入到力学设计模型中，从而论证建筑物现状刚度和设计刚度之差，可以让结构工程师分析建筑物的损坏情况。

系统识别与模型修正法较为适合正常情况使用下的建筑物安全鉴定使用，即实际使用状况与设计使用功能相同的建筑物。

1.1.2. 动力指纹识别方法

在土木结构诊断中，动力指纹识别是在结构特性变化下，如结构参数中的质量、刚度及阻尼等出现变化，相应动力指纹就会出现变化。动力指纹便能看成结构损伤标志，重用动力指纹主要包含振型曲率、频率、MAC与应变模态等，经实际结构试验，土木结构损伤中的固有频率变化比较小，振型的局部刚度变化较为敏感，不过其精准测量比较困难。如Elkordy等人采取振型方法进行五层框架结构的损伤诊断，在不同损伤状况中，第1-第4层当中的第1振型，是依据第5层当中的第1阶振型进行归化处理，并对损伤前后的振型变化比，当作参数输进BP网络中，还应对损伤位置给予检测，对其损伤程度进行测定。

在检测当中，仅应用振型方法诊断会受到检测时建筑物振动影响检测结果，具有一定缺陷性，建议采用多次检测的数据结果进行加权提高数据准确性。

1.1.3. ANN方法

ANN方法为神经网络法，是上世纪80年代，广受关注的人体神经原理的模拟方法，有自我学习与并行计算之功能，其容错性也很强，运用网络算法当中的墨水识别，能有效解决传统模式当中的模式损失与高噪音等缺点，已成损伤结构诊断中应用最广泛工具，神经网络诊断原理是依据不同状态下的结构反映。经特征提取，选择损伤敏感参数当做网络输入的向量，而结构损伤为输出，构建损伤状态及输入参数间的映射关系，网络含模式分类作用，通过目前结构可直接反映结构损伤状况。MSC.Marc软件对神经网络法的支持度很高，对比起Nastran，MSC.Marc可以分析的处理各种线性和非线性结构分析包括：线性/非线性静力分析、模态分析、简谐响应分析、频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静/动力接触、屈曲/失稳、失效和破坏分析等。它提供了丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的单元库，几乎每种单元都具有处理大变形几何非线性，材料非线性和包括接触在内的边界条件非线性以及组合的高度非线性的超强能力。运用神经网络的损伤诊断法，并不需要土木结构的动力特点先验知识，含有损伤的诊断非参数性，非线性的应设立较强，比较适合非线性的模式分类与识别，与模型修正方法相比，神经网络方法的适用范围更为广泛，不单可以分析整个建筑物，亦可以单独核算各种构件。

1.2. 局部检测方法

这种检测方法被大量用于建筑物中局部受损构件的检测，主要包含染色法、目测法、涡流法、以及前文提及的超声回弹综合法与发射光谱法等，这些检测方法中的大部分应用在某部件焊接缺陷、裂缝位置、受偶然荷载损坏的构件、与腐蚀磨损等方面的检查，在实际检测当中，多种技术的联合应用能对结构状态进行评价。

如射线检测法是用直线加速器与X射线，对土木结构缺陷给予检测，例如地下连续墙裂缝检测，对其结构内部的缺陷位置与形状给予检测，以判断结构可用与维修参考。声发射法所指的是对活动缺陷给予动态监测，并采取声发射探头对发射源中发射弹性波向电信号进行转换，再通过放大处理，获取特征参数，以推测材料内部的缺陷位置。超声回弹综合法根据实测声速值和回弹值综合推定混凝土强度的方法。本方法采用带波形显示器的低频超声波检测仪，并配置频率为50～100KHZ的换能器，测量混凝土中的超声波声速值，以及采用弹击锤冲击能量为2.207J的混凝土回弹仪，测量回弹值，直接得出混凝土实际强度。

通过局部检测，找出结构损伤点，通过注浆、二次抹面、壁可法或者构件破坏重新浇捣，及时补强，提高构件耐久性。但因为局部检测的对象是构件，仅能处理诸如贯穿裂缝、混凝土浇捣及养护、建筑材料质量缺陷或偶然荷载破坏的构件，当处理整体受损，或者改变使用用途、调整建筑结构的建筑物，还需要结合各种整体检测方法检测。

1.3. 无模型的诊断方法

在土木结构的损伤诊断中，无模型诊断方法并不需要有关结构模型的特征量，从土木结构振动的响应频谱、时程与时频等进行特征量提取，实施结构损伤的诊断。这种诊断方法起初仅应用在机械损伤诊断当中，进入21世纪之后，才逐步应用在土木结构当中，其诊断方法主要有频域法、时域法与时频分析法等三类，其中，频域法是运用频响函数对损伤诊断的指标进行构造，如波形识别指标在桥梁结构中的损伤诊断，又如功率谱密度均方根的指标在线性结构中的早期损伤定位。时域方法包含卡尔曼滤波法与ARMA模型等，如运用加速度的时域信息对残差量进行构造，并采取奇异值的分解法，对方程组进行求解，以验证方法有效性。而时域分析法是运用新信号的分解法，对原有傅里叶变换分解法进行替代，现在大多为小波变换，如廖锦翔等人，就运用小波变换，对桥梁裂缝的位置进行了识别，并实施数值模拟，以检测结果的准确可靠性。

1.4. 重建力学模型法

与无模型的诊断方法的使用环境相同，目前我国存在大量建国以前留下的古建筑，而因为建筑物设计及竣工资料档案制度建立以前的五十至八十年代建筑物也不在少数，这些建筑物大多处于年久失修的状况，而且因为设计资料缺失，无法通过整体检测方法测定其安全状况。我所工作的海印集团曾多次接收这种资料缺失的旧物业，例如海印广场项目、海印电器总汇、海印江南粮油城项目。在这些项目中，我司与设计院一道，通过超声回弹综合法，测出混凝土结构强度，同时利用X射线探测主要构件的构造钢筋，重建改造部位的力学模型，降次使用轻度受损的范围，对中度受损的构件及时回顶、拆除、植筋并重新浇捣，收效显著。重建力学模型，对重新活化古建筑、近代建筑有重要意义，有待专题研究并形成相关的行业规范。

3. 土木结构中的损伤诊断相关问题探究

在土木工程当中，其结构的损伤诊断是很重要的，直接关系着土木结构稳定安全性，损伤诊断法在航天、航空与机械等领域应用较为广泛，在土木工程，特别是桥梁结构中，其应用有效性还需不断加强，因土木结构的影响因素并不确定，结构也较复杂，在实际应用当中，诊断方法还存在较多困难，需要不断深入研究及实践，损伤诊断当中，对实际结构损伤的数据需求量大，不过实际数据比较有限与不足，运用大量试验对标准样例与损伤数据进行获取，所付出代价较为昂贵，并且费时费工，损伤结构研究当中，构建结构模型，并运用数值仿真实施相关研究，其现实意义更强。

在损伤诊断当中，大多诊断指标是在航空与机械等方面发展来的，土木工程当中的结构诊断指标，还需要不断完善，尤其是结构的实用性，还应加强研究，运用更可靠损伤指标，让其适合某结构。对于大型的土木结构，激励环境下，难以激发高阶模态，加强低阶模态的结构损伤诊断，更具有其理论意义与实践价值。土木结构中的自身动力与非线性等变异，会对结构损伤诊断造成较多困难，需要进一步研究。随着新材料及新思想的发展，在土木工程中，应加强结构设计改进，加强新参数与性能指标的测试，并运用新数学模型，强化土木结构边界条件注意，有效扩大应用范围，增强拟合程度。

我国的结构损伤的诊断发展迟于欧美、日本等西方发达国家，即使对比香港，我国大陆还是处于萌芽的阶段，其主要原因首先是我国目前新建项目之多，导致政府相关主管部门暂时未能顾及土木结构使用的安全，未能退出相应政策支持，这需要政府立定决心，成立分管土木结构使用的安全的部门，仿效香港制定相关的建筑物周期性诊断的法律法规；其次，国内支持土木工程力学模型的软件、各种检测工具和标准匮乏，即使有更好的检测方法也会因市场缺乏竞争而导致价格高昂，使用者望而却步，也是制约结构损伤的诊断的重要因素，许多设计院目前还是依赖工程师手稿计算，而对建筑物的安全鉴定还是使用目测法、染色法等低效率方法，所谓工欲善其事必先利其器，须由国家主管部门牵头，研究属于中国的力学模型软件，制定安全鉴定的行业标准以致国家规范。只有完善上述两点，我国结构损伤诊断行业才能迎头赶上世界列强。

结束语：

在建筑工程中，土木工程结构作为其重要构成，结构损伤程度直接关系建筑质量及其安全性，加强土木结构的损伤诊断是非常必要的，我国土木结构的损伤诊断已比较系统与深入，不过依然存在一些问题，需要运用合理诊断方法，对其损伤进行诊断，为土木结构的安全可靠性提供相关参考依据，确保建筑工程质量的安全性，保证人们的生命财产安全。

参考文献：

[1]张海芳.关于土木工程结构损伤诊断的研究[J].中国房地产业：理论版，2012（9）

土木工程数值分析篇（5）

中图分类号：TU471.8文献标识码：A

在南京现代粮食中心市政配套设计SJ1合同段箱涵设计中，涵洞基础普遍存在软土地基，地基处理采用了木桩复合地基处理技术，一定程度上解决了涵洞基础位于高压缩性软土地基上的构筑结构设计问题。结合该项目，并借鉴以前专家对软土地基的处理设计与分析，本文对木桩复合地基的竖向承载力、沉降计算及有关施工方法作了一定的分析与设计；并对其他相关软土地基处理方法进行了比较与分析。

一、工程概述及工程地质条件

1、工程概述

龙潭物流园区是龙潭新城的重要组成部分，位于南京主城的东北部，距长江二桥约25公里；是以近洋国际物流为主的长江三角洲北翼国际物流节点；是辐射安徽、苏北、长江中上游等地区的重要区域物流园区；作为南京市现代物流产业发展先期重点建设的物流园区，依托龙潭港，将成为南京都市圈内重要的区域物流中心。

2、工程地质条件

2.1 工程场地属河漫滩地貌单元。场地内场地开阔。由于受人类活动影响，原地貌形态改变，现主要为农田及农村居民区，场地地势较平坦。

2.2 根据现有勘探成果，结合原位测试和室内岩土试验成果综合分析，本工程勘探深度范围内，地基土按成因年代、物理力学性质等自上而下分为2层（6个亚层）。

1-1层素填土:灰黄色、灰褐色，以粉质粘土为主，软塑，夹有少量砖屑、腐植物等，填龄小于10年，道路内普遍分布。厚度：0.20-1.90m,平均0.40m；层顶标高:5.26-7.10m,平均6.04m。

2-1层粉质粘土:灰黄色、灰褐色，软塑，局部流塑，结构较差，有铁锰浸染。道路内普遍分布，厚度:0.30-1.60m，平均1.00m；层顶埋深:0.20-1.90m，平均0.41m。

2-2层粉质粘土～淤泥质粉质粘土：灰色，流塑，局部软塑，偶见少量腐植物。该层场区内普遍分布，厚度:0.70-10.90m，平均5.64m；层顶埋深:0.70-2.50m，平均1.39m。

2-3层粉细砂：灰色，松散～中密，主要成份为石英、长石等，夹有云母碎片。场区内普遍分布，厚度:0.20-9.00m，平均3.42m；层顶埋深:1.60-12.80m，平均7.03m。

2-4层粉细砂：灰色，中密，主要成份为石英、长石等，夹有云母碎片。该层未揭穿，场区内普遍分布；层顶埋深:7.20-14.50m，平均11.13m。

2.3按《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85），综合确定的各土层承载力容许建议值见表2.1。

表2.1

2.4 各土层室内压缩试验试验e-p数据：

表2.2

2.4 工程区域属于长江漫滩地貌单元，第四系覆盖层主要为人工填土、粉质粘土、粉质粘土～淤泥质粉质粘土、粉细砂等。根据土层分布特点，地下水类型属潜水，赋存于1层人工填土中和2层土中，富水性上部一般，下部砂土中较强，主要接受大气降水和地下径流补给，以蒸发和径流方式排泄，水位随季节变化较明显。

二、涵洞软土地基处理方案比选

根据结构荷载计算出地基应力设计值P＝99 KPa，而基础落在2－2层上，地基承载力的设计值fao＝60KPa，地基承载力不足，且变形过大，不能满足结构和使用要求，故地基应进行处理。根据对多种地基处理设计方案作了认真优化比选，方案有：①换填法；②预应力管桩；③加固土桩；④钻孔灌注桩；⑤木桩复合地基。最终择优选择了方案⑤。其理由是：

⑴安全可靠。根据以前木桩应用经验和实际效果，如秦淮河上的几座古桥地基都采用了木桩处理；南京明代古城墙的地基也是采用了木桩处理。这些木桩基础历经几百年，上部结构安然无恙，从工程类比法上定性分析，足见其安全可靠，能够满足地基承载力、沉降和抗滑要求。

⑵施工简便。木桩施工可采用人工或半机械化即可完成，适合在狭长地段施工，相对方案①～④施工操作简便。

⑶方法实用。采用木桩一方面起着加固软土地基的作用，另一方面还可在结构底板两侧分别打1～2排木护桩，可以起着在施工期间防止原有护砌挡墙的滑移、挡水土堰的侧向加固及对木桩地基侧向保护的三重作用。

⑷满足工期。采用木桩复合地基，无需混凝土或水泥的龄期要求，木桩施工完毕，即可做垫层基础，为工程抢得至少30d以上的时间。

⑸造价较低。木桩复合地基的经济合理性是非常明显的。

三、木桩复合地基的内力分析与设计

1、木桩复合地基承载力的确定

木桩复合地基设计，首先是承载力的确定。由于采用木桩进行地基处理，目前，国家尚无设计规范可循，故在设计中，参照相关木桩复合地基资料设计方法，按照深层搅拌法方法进行计算。木桩平断面布置如图2所示。

1)木桩复合地基参照深层搅拌法进行计算：

（1）

式中：

fsp，k 为复合地基的承载力标准值（kPa）；

m为面积置换率；

Ap 为桩的截面积（m2）；

fs，k为桩间天然地基土承载力标准值（kPa）；

β为桩间土承载力折减系数，当桩端土为软土时，可取0.5～1.0，本工程取0.6；

Rk为单桩竖向承载力标准值（kN）。

为偏于安全，木桩单桩竖向承载力标准值不计端阻力值，则有

（2）

式中：

up为桩截面周长（m），

qsi为桩周第i层土的侧阻力标准值（kPa），

li为按土层划分的各段桩长（m）。

已知：木桩直径d=15cm，桩距=80cm，桩长=500cm，平均qsi=30Kpa，=60Kpa

每排装的置换率0.022

2）荷载计算(取单位涵长计算)

(1)恒载

箱重力P箱=2×γ2×(δ×L+t×ho+C1×C2)=130.1 kN

基础重力P基=γ3×B×d=109.4 kN

填土重力P土=γ1×H×L=152.3 kN

水重力P水=γ水(Lo×ho-2×C1×C2)=79.6 kN

(2)车辆荷载

汽车等代土荷载近似按0.9m计。

竖向恒载标准值

3）基地应力

N=P箱+P基+P土+P水+P车=471.4 kN

σ=N/A+qv = 98.9 kPa≤ [σo]=107.17 kPa

基底应力满足设计要求。

2、木桩复合地基的沉降计算

木桩复合地基的沉降计算，目前尚无明确的计算公式，根据以前专家的设计经验，应用其相关计算方法及公式，得出了木桩复合地基的最终沉降量。

木桩复合地基沉降计算

木桩复合地基改变了土的孔隙比值，同时，也提高了土的压缩模量Es值。根据复合地基变形协调的原则，木桩复合地基的最终沉降量由复合层的沉降变形和下卧层的沉降变形组成。沉降计算公式为

地基沉降按分层总和法计算

平均宽5m，长10m，基础底面处附加压力，土的压缩模量，沉降计算经验系数。

沉降设计参数为：；

）

式中：为复合地基压缩模量，为木桩压缩模量。

Zi为土层深度， αi 为应力系数，可查条形基础竖向应力系数表

关于木桩的的取值，因没有这方面的试验资料及计算公式，根据以前经验参照搅拌桩的压缩模量公式，其中为水泥桩抗压强度标准值，根据经验推算，取木桩，其中为木桩顺纹抗压强度设计值，，则

复合层的沉降为：

深度5～8m时的沉降为：

深度8～11m时的沉降为：

深度0～15m时的沉降为

深度11～11.6m时的沉降为

故木桩复合地基最终沉降量。

四、木桩复合地基在施工中的质量控制

1、施工排水措施质量控制

围堰排水法：涵洞施工所在河道常年水位较高，施工时需要进行围堰施工，采用潜水泵将基坑内积水抽到两边河道内，降低水位，满足施工要求。

对于围堰坝体的做法，采用较为实用的草包围堰加木桩加固法。

2、木桩材料的选择

经综合比较，采用杉木为木桩材料较为合适，杉木具有直径变化小，直度好，材质较硬，耐腐蚀性能高和价格适中等优点。

3、木桩施工质量的控制

⑴为了确保木桩施工质量，参考以前专家设计施工经验，结合本工程特点采用40K自制落锤法施工方法；施工过程中结合人工打入方法，对自制落锤摸索出其相关的施工技术控制参数，确保了木桩的施工质量，工期与造价也得到有效的控制。

⑵木桩打入淤泥质粉质粘土层中5m长，木桩顶部桩间铺设30cm级配碎石，其桩上部砌筑50cm厚M10浆砌块石，且木桩头嵌入砌体垫层中，确保木桩复合地基与块石砌体基础有效共同作用。

五、其他相关软土地基处理方法比较与分析

1、软土地基处理方法中复合地基处理主要分为三类：

①粒料桩（如：碎石桩、砂桩等）

采用碎石、砂砾、废渣、砂等散粒材料做桩料，粒料桩对地基土起置换作用、竖向排水作用及应力集中作用，但不考虑它对地基土的挤密作用，桩体施工完毕还需预压一段时间

②加固土桩（如：粉喷桩、浆喷桩等）

利用专用机械将软土地基的局部范围（某一深度、某一直径）内的软土柱体用加固材料改良、加固而形成，与桩间软土形成复合地基。起到置换，应力集中，进而减小沉降，提高软基强度的作用。

③预应力管桩

利用专用机械将软土地基的局部范围（某一深度、某一直径）内的软土柱体用加固材料改良、加固而形成，与桩间软土形成复合地基。起到置换，应力集中，进而减小沉降，提高软基强度的作用。

2、各类复合地基工程特性及适用范围

①粒料桩（如：碎石桩、砂桩等）

施工工艺复杂，造价较高，粒料桩应打穿软土，到达相对较好的持力层。

适用于砂石料较为丰富地区，粒料桩施工完毕，其上须设置一垫层，能大幅度提高路基及基础的整体稳定性

②加固土桩（如：粉喷桩、浆喷桩等）

施工工艺成熟，造价较高，加固土桩应打穿软土，到达相对较好的持力层，每延米加固料的掺入量要通过室内试验确定。

适用于软土层底埋深不大于15米的软基，能大幅度提高路基的整体稳定性，减小总沉降量。

③预应力管桩

施工工艺成熟，造价较高，加固土桩应打穿软土，到达相对较好的持力层，每延米加固料的掺入量要通过室内试验确定。

土木工程数值分析篇（6）

中图分类号：U45 文献标识码：A

1项目概况

长株潭城际铁路树木岭隧道进口里程DK1+440，出口里程DK14+300。

树木岭隧道进口工作井-树木岭站盾构区间为左右双线，采用两台Ф9.33m的土压平衡盾构从进口工作井始发后平行掘进。盾构管环外径9.0m,内径8.1m,管环厚度45cm，平均宽度1.8m，双边楔形量32mm，C50砼，抗渗等级P12，管片壁后空隙采用同步注浆进行充填。管环为通用管环，每环管片包含5块标准块，2块邻接块，1块封顶块。F块位置对应不同22组盾构推进油缸位置，管环类型分为22个点位。

2 盾构施工对邻近及下穿京广铁路的沉降影响分析

2.1盾构施工对邻近京广铁路段的沉降影响分析

2.1.1树木岭隧道与近邻京广铁路线位置关系

树木岭隧道进口至树木岭车站区间隧道于里程YDK1+440~ YDK2+226邻近京广铁路线，其中在里程YDK1+810.42~ YDK2+226设计采用Φ600@400双排高压旋喷隔离桩，位于现状铁路护栏外侧并躲避既有地下管线设置

2.1.2计算模型

根据隧道与京广铁路平面位置关系，取邻近京广铁路线最近横断面里程段YDK2+226分析，采用midas/gts软件计算，该段隧道埋深17.06m，两隧道中心间距为18m。模拟计算不考虑隧道纵向影响，取每延米隧道近似按平面应力应变问题处理。建立宽度100m，深度50m的二维有限元计算模型，模型左右边界水平约束，底部边界竖直向约束，地层材料及铁路路基采用四节点平面单元模拟，管片采用二节点弹性梁单元。岩土材料屈服条件采用Moth―Coulomb准则。

本计算考虑两种工况：有隔离桩和无隔离桩，分别计算两种工况下隧道施工引起的铁路路基沉降。列车荷载参照规范，取为60kPa。

2.1.3计算假定

（1）土体为各向同性、均值的理想弹塑性体，简化地表和各层土体，使其均呈匀质的水平层状分布；

（2）初始地应力在模型计算只考虑土体自重应力，不考虑地下水的影响；忽略岩土体构造应力，使岩土体在自重作用下，土体达到平衡，而后再进行盾构施工的开挖；

（3）模型中所选用的地层参数，参照工程地勘报告中所给出的土体参数；

（4）假定既有铁路的路基及轨道结构变形一致；

（5）假定既有铁路在施工前路基及轨道结构处于良好状态；

（6）计算中不考虑衬砌管片分块之间的横向连接及各管片环之间纵向连接，而代之于考虑刚度折减系数，刚度折减系数计算中取为0.8；

（7）根据日本对工程实测数据统计，盾构隧道施工地层应力释放率为10%~20%，本数值模拟过程中考虑最不利情况，设定地层应力释放率为20%；

（8）模型中处自重外，考虑地面列车活载，为安全起见，地面施加60kPa的面压力。此处地面上是满布的列车轨道，所以将60kPa施加到整个模型的顶面。

2.2盾构施工对下穿京广铁路注浆加固区沉降影响分析

2.2.1隧道下穿京广铁路注浆加固区域说明

树木岭隧道进口至树木岭车站区间隧道于里程YDK2+260~ YDK2+400斜穿京广铁路客外上行线，正穿车辆段房屋2层1栋，3层1栋，1层3栋。

根据勘察报告，地表普遍分布第四系人工堆积层更新统冲洪积层，岩性为人工填土；地层有更新统冲洪积层及白垩系至下第三系东湖群，岩性主要为粉质粘土、细圆砾土及泥质粉砂岩。

盾构下穿既有铁路线前，在YDK2+226~ YDK2+295.86采取注浆加固，在既有铁路南北两侧施做注浆施工导洞作为注浆工作面，注浆加固区的范围沿铁路方向长度70m，总宽度40m。注浆加固区的深度方向为隧道顶部以上5m及顶部以下3(共8m)范围内。

2.2.2计算模型

树木岭隧道在YDK2+226--YDK2+295.86采取注浆加固，取隧道埋深为18.8m的里程段YDK2+246分析，采用midas/gts软件计算，两隧道中心间距为18m。模拟计算不考虑隧道纵向影响，取每延米隧道近似按平面应力应变问题处理。建立宽度80m，深度50m的二维有限元计算模型，模型左右边界水平约束，底部边界竖直向约束，地层材料及铁路路基采用四节点平面单元模拟，管片采用二节点弹性梁单元。岩土材料屈服条件采用Moth-Coulomb准则。考虑注浆加固对围岩岩性的改善，在模拟时适当提高加固区围岩参数，各材料参数取值见表1。

表1 围岩及支护结构物理力学参数

2.2.3计算假定

（1）土体为各向同性、均值的理想弹塑性体，简化地表和各层土体，使其均呈匀质的水平层状分布；

（2）初始地应力在模型计算只考虑土体自重应力，不考虑地下水的影响；忽略岩土体构造应力，使岩土体在自重作用下，土体达到平衡，而后再进行盾构施工的开挖；

（3）模型中所选用的地层参数，参照工程地勘报告中所给出的土体参数；

（4）假定既有铁路的路基及轨道结构变形一致；

（5）假定既有铁路在施工前路基及轨道结构处于良好状态；

（6）计算中不考虑衬砌管片分块之间的横向连接及各管片环之间纵向连接，而代之于考虑刚度折减系数，刚度折减系数计算中取为0.8；

（7）根据日本对工程实测数据统计，盾构隧道施工地层应力释放率为10%~20%，本数值模拟过程中考虑最不利情况，设定地层应力释放率为20%；

（8）模型中处自重外，考虑地面列车活载，为安全起见，地面施加60kPa的面压力。此处地面上是多条列车轨道，所以将60kPa施加到整个模型的顶面。

2.2.4施工采取的应对措施

（1）根据数值模拟分析结果，未处理任何措施条件下，盾构下穿铁路路基时，施工产生的沉降不能满足铁路正常运营要求；

（2）采用地层注浆加固措施后，可以明显降低沉降量及沉降槽的宽度，注浆加固措施可以比较好的控制由于盾构穿越工程对京广铁路所带来沉降，降低工程风险；

（3）在实际施工时时刻跟踪监测，根据监测结果及时调整施工参数，确保盾构穿过时铁路安全；

（4）采用地层注浆加固措施后，由于无法完全保证隧道顶部地层加固范围及加固效果，若地面变形值达到警戒值，需采取地面跟踪注浆来保护路基；

（5）盾构施工会加剧地面铁路轨道的不平顺，从而加大地面列车的冲击荷载，根据监控量测结果确定是否在盾构推进过程中采取列车限速措施。

3.结束语

目前，我部第一台盾构机已全部组装调试完成，通过上述针对各种不同区段一系列盾构施工对京广既有线铁路沉降影响分析研究，使我们对穿越京广既有线铁路这一本工程最高的风险点和最大技术难点有了一个更加深入的了解，并根据沉降影响分析研究成果，编制完成了盾构临近及穿越京广既有线铁路的施工方案，用于指导下部盾构的实际施工。

参考文献：

（1）树木岭隧道进口至树木岭车站区间工程地质勘察报告；

（2）树木岭隧道进口至树木岭车站区间超前地质预报设计；

（3）相应的国家和行业标准、规范及规定：

①《铁路轨道施工及验收规范》TB 10302-96；

②《铁路轨道工程施工质量验收标准》TB10413-2003，J284-2004；

土木工程数值分析篇（7）

【关键词】土木工程；结构设计；存在问题；措施

对于土木工程来讲，结构设计是其关键环节，不仅能够提升建筑整体施工水平，也能够确保建筑物的安全性和质量性。本文就结合当前我国土木工程结构设计中的问题进行分析，并指出结构设计的具体措施。

一、土木工程结构设计中存在的问题

建筑物结构的稳定性直接关系到其今后的使用寿命和运行状况，这就要求结构设计者一定要根据建筑物的整体情况科学设计，从当前的情况来看，土木工程结构设计中还存在着一定的问题，影响到建筑结构的稳定性，具体表现在以下几个方面。

首先，土木工程结构设计缺乏牢固性。在土木工程结构设计的过程中，结构构件一定要有较强的承载力，且结构物必须要具有整体的牢固性，这样就能够有效的防止结构物局部出现破坏的时候影响到建筑物的整体性。但是从当前的情况来看，土木工程结构设计时，整体的牢固性较差，结构缺乏必要的冗余度和良好的延展性，这样在发生灾难的时候就会带来较大的损失。尤其在地质较为复杂的情况下，土木工程的结构设计也缺乏整体性，导致事故的发生。

其次，土木工程结构设计的安全性较差。对于土木工程来讲，结构的安全性至关重要，其具体表现在对结构安全系数范围的定位、结构工程的耐久性设计、构件承载力的安全性方面。而当前我国土木工程结构设计中，对于安全等级的设计水平较低，这样很容易留下安全隐患。

最后，结构设计中构造柱和承重柱的区分存在问题。对于砖混结构的土木工程项目来讲，构造柱和圈梁的配合设计能够有效的防止墙体出现开裂现象，进而提升房屋的抗震水平。而从当前的实际情况来看，在结构设计的过程中设计者混淆了构造柱和承重柱的概念，将承重柱的设计方法直接应用在构造柱的设计当中，这样就会影响到建筑物的结构稳定性，影响到抗震性能，墙体裂缝以及沉箱等问题也会随之出现。除此之外，在结构设计时，设计人员为了便于分析承重柱的受力情况，将其截面面积设计的较小，这样在外力的作用下，梁体和柱体就会很容易出现开裂现象。

二、土木工程结构设计措施分析

上文中从三个简要方面分析了当前土木工程结构设计中存在的问题，这些问题的存在将会威胁到土木工程建筑物的稳定性，必须要采取有效的措施加以解决。下面本文就对具体的结构设计措施进行分析论述。

首先，在确保土木工程主体安全的基础上提升设计的安全性。通常情况下，土木工程项目的结构是由板、柱、梁、墙以及基础构件和杆、拱等直线杆或曲面形构件构成的，每个组成结构有自身的性能，在设计的过程中为了确保结构的整体稳定性，一定要科学把握各种构件的设置情况。梁是土木工程结构中的受弯构件，其主要是承受板传来的压力以及梁的自重，因此设计时通常水平放置。柱在土木工程结构中承受的力主要是来自梁传来的压力以及其自重。而墙的长宽两方向的尺寸大于其厚度，荷载的作用方向和墙面平行，这样其作用效应为轴压力，有时可能是弯矩。在设计的过程中必须要充分的了解各不同构件的受力情况以及其在整个结构中的作用，注重土木工程结构设计中的细节，才能够更好地提升设计的安全性。

其次，土木工程结构设计要符合实际需求。在土木工程结构设计的过程中，必须要重点注意以下几个问题。

第一、从结构计算的角度进行分析。计算是设计的重要环节，要想确保土木工程项目结构设计的合理性，一定要进行科学严谨的计算，得出精确的数据。本文以条形基础为例，进行分析。设计时，在确定基础底面宽度的时候，主要依据地基承载力的设计值，即b≥N/（f―rh），其中，在对h取值的时候，内墙和外墙是不同的，这一点要引起注意；r是基础底面以上土的平均重度，r=20kN/m，对于数值的把握要准确，这样才能够确保结构设计中数值计算的精准度。

第二、要注意土木工程结构截面的设计。在进行结构截面的设计过程中，必须要注重场地类别对于抗震等级的影响。通常情况下，土木工程项目中的房屋高度和设防烈度可以从抗震设计规范中直接查出，但是当场地类别为I类的时候，除了6度以外，可以根据表内降低1度所对应的抗震等级采取抗震构造措施，但是不能够降低相应的计算要求。

最后，土木工程结构设计要依靠现代化技术。随着技术的发展，土木工程结构设计逐步朝着信息化的方向发展，即利用计算机、自动控制或通信等技术手段提升结构设计的科学性，有效的促进土木工程结构施工的优化完善，这是其今后设计的趋势。

三、结束语土木工程结构设计的优劣直接关系到项目使用的安全性和运行的可靠性，因此必须要注重关注结构设计问题。本文结合工作实际，以土木工程结构设计工作为中心，对其设计中存在的问题进行简要分析，并指出了几点切实可行的设计措施，希望通过本文的论述，能够对今后土木工程结构设计工作起到一定的帮助作用，更好的提升设计的科学性，促进土木工程项目整体质量的提升。

参考文献：

[1]楼晓雷.关于土木工程结构设计中存在的问题及措施[J].建筑工程技术与设计，2014（09）.

[2]刘大江.土木工程结构设计的控制措施[J].城市建设理论研究，2013（02）.

土木工程数值分析篇（8）

0.引言

随着我国土木工程技术的不断创新与发展，土木工程结构的性能检测系统也在不断的完善与提升，更逐渐产生了人工智能、信息处理及传感器处理等新型技术应用模式。土木工程的结构检测评估分析工作是提升工程施工质量的有效手段，通过有效的结构检测分析，工程人员可以更加准确的了解工程结构的安全性与实际质量，为土木工程的施工建设提供确切的安全保障。

1.土木工程结构的性能检测情况

1.1土木工程结构检测工作的内容

（1）强度检测是提高土木工程结构强度及施工质量的有效手段之一，通过对土木工程的材料强度、钢筋配置情况以及构建的承受能力等情况进行检测，有效判定土木工程的施工安全性与有效性，进一步提升建筑物的使用性能。强度检测如果出现纰漏或者疏忽情况，往往就会造成严重的质量事故，因此，需要认真对待[1]。

（2）土木工程的结构检测评估分析工作还包括对工程结构内部的缺陷问题进行检测，例如，在实践工作中对混凝土内部的裂缝与孔洞进行检测，对钢材结构上存在的裂缝及腐蚀情况进行检验与分析等，通过对工程结构内部存在的缺陷问题进行检测，充分发挥了土木工程结构检测的积极效用，有效提高了工程结构的质量。部分结构检测需要对已经破损的工程结构进行分析与调查，因此，在事故现场一般不允许破坏原构件。

（3）土木工程的结构检测工作在实践工作中首先应对工程材料成分进行化学分析与检测，例如，对混凝土、钢材等进行集料分析与成分分析。通过必要的检测手段，准确判定土木工程使用材料的安全性与适用性。

（4）常规的外观检测是土木工程结构检测工作的核心内容，在实施过程中主要对建筑物施工的平整度、尺寸偏差、倾斜度等因素进行检测，通过对土木工程的外观施工情况进行检测，有效提高建筑物的外观特性。常规外观检测大多都自爱现场进行，受施工现场综合环境的影响较大[2]。

1.2土木工程结构检测方法

（1）遗传算法是土木工程结构检测工作中的一项创新计算方法，具体指的是从一组随机初始解当中进行搜索，以检验与搜索的方式准确计算出整体损失的一种应用方法。

（2）神经网络法是利用人体自然神经系统及人脑来进行抽象运算的一种检验方式，主要是通过人体感受器官模拟计算的方式，按照一定的连接方式获取所需信息[3]。

（3）模型修正法是一种利用模型进行运算的检验方法，具体指的是在土木工程结构性能的检测过程中，利用动力试验数据进行条件化的约束与计算，在计算过程中不断修正模型的刚度情况，进一步得到结构刚度发生变化后的信息，以此准确判断出现实结构与预期结构之间的损伤差异。

（4）动力指纹法具体指的是从动力测试当中来获取包含结构特征的信息数据，主要是通过分析结构动力特性相关的指纹变化，以此来判断土木工程结构性能的真实状况。

2.土木工程结构损伤识别工作中存在的问题情况及解决措施

2.1采用人工神经网络评估法来解决常见的土木工程结构评估问题

人工神经网络评估方法具体指的是将工程结构的影响因素作为评判指标，通过对指标信息进行深度优化与选择，将这些信息作为人工神经网络的输入向量，促使不同工程结构当中的输入向量能够组成各不相同的输出量值，以此实现完善化、综合化的土木工程结构分析，充分实现了土木工程结构的系统化评估与分析，为土木工程的施工建设奠定了良好的基础条件。土木工程结构监测评估人员可以采用多层前向BP神经网络技术来对土木工程结构当中的输入向量进行测算与统计，通过将这种先进的评估与测算模式实践应用于施工现场，应用BP神经网络对土木工程结构进行系统化、准确化的评估与测算，在比对函数值与指标信息的过程中进一步确定土木工程结构的实际性能特点。

2.2制定评估等级来准确界定工程结构的检验分析数值

通常意义上来说，土木工程结构的检测方法可以分为两种类型，即动态检测法与静态检测法。动态检测法主要对土木工程结构的实际尺寸、强度因素以及材料弹性模量等数据进行系统性的检测，通过力学性能分析及可靠性分析，准确判定土木工程结构检测的结构，进一步提升土木工程结构的整体质量，降低土木工程出现问题情况的几率。

针对我国现阶段存在的土木工程结构分析问题，相关政府部门及工程管理人员应积极关注这些问题情况，并予以相应的防治和完善措施，通过采用人工神经网络评估法来进行工程结构分析，使人工神经网络评估技术在实践环节发挥出更加显著的应用优势。

工程结构评估分析人员在实践工作中，应制定评估等级来确定工程结构的分析的准确性。为切实保证结构检测评估分析的有效性与安全性，检测人员应将土木工程结构的检测状态具体分为以下五个等级：

一级：土木工程结构的最高安全等级，工程结构能够完全满足住户的使用要求，工程内部结构能够切实有效地发挥自身的效用，次要构件功能性与外观性优良，在检测过程中仅仅允许存在较小的轻度缺损与误差，在日常维护过程中只需要正常的小幅度维护即可。

二级：安全等级、工程结构性能、外观性能等因素基本满足住户的要求，在检测过程中存在局部的缺损情况。

三级：土木工程结构的安全等级、工程结构性能以及外观性能无法满足住户的要求，在检测过程中发现部分功能性的缺损，功能降低、次要部位缺损严重的情况较多，影响住户的正常生活。

四级：土木工程结构的安全等级、工程结构性能以及外观性能无法满足住户的要求，并又继续恶化、拓展的趋势，在检测过程中发现工程结构关键部分存在功能性缺损，次要部位缺损非常严重，土木工程结构应立即停止施工设计，避免酿成严重的安全事故

2.3提升土木工程的结构检测方法与检测手段

土木工程结构监测具体指的是利用结构系统特征的检验技术和现场无损传感技术对土木工程结构进行长期运行情况的监测，具体是从设计、施工、竣工以及投入使用等时期进行精确监测，通过在整个施工阶段进行全方位的系统化监测，有效提高土木工程结构的长期使用质量。近年来，我国部分区域逐步出现了严重的土木工程结构施工问题，这些问题情况多于建筑结构的运行因素有关，严重影响我国土木行业今后的发展与壮大，致使工程建设在具体操作过程中存在严重的健康安全问题。

工程检测人员应积极加强检测方法与检测手段的学习，在安全检测系统的过程中积极完善建筑结构的内部传感器安装方法，避免传感器遭受人为因素及其他因素的干扰与损坏，确保实施无损检测。检测人员通过原位检测某个物理量的过程中，更应积极采用先进的数字化手段，利用先进仪器对振动频率、红外线辐射、回弹值、超声波速等物理量进行检测，提高检测精度，避免人为因素误差的出现。

3.结语

综上所述，现阶段，我国的土木工程结构性能检测和识别技术仍需进一步的完善与提升，相关部门与工程管理人员应注重高精尖监测系统的研究与应用，通过对土木工程结构检测系统进行不断地升级与改进，促进我国土木工程行业在市场领域获得更加长足的发展与进步。

参考文献：

土木工程数值分析篇（9）

地基处理是土木工程得以顺利进行的重要基础，具有极强的现实意义，若是地基处理没有达到相关标准，那么土木工程的后续建设环节便是在错误的前提下进行，既无法保证土木工程的整体质量，还会给相应的施工建设带来比较严重的安全隐患。因此，在地基处理环节中确定好相关的处理原则并对重要方面加以控制就具有重要的现实意义。此外，复合地基技术的应用对于土木工程建设也有较强价值，希望施工人员可以多加关注并合理应用。

1土木工程中的地基处理

1．1地基处理的主要原则

(1)控制变形值。目前，土木工程中很多施工对象的高度过高，建筑物产生的压力十分巨大，因此，地基所承受的荷载值也在逐步增大，导致地基发生变形。地基的变形，是有相应的允许范围的，在范围之内的变形情况不会给土木工程造成较大威胁，但是若地基变形超出允许范围，就会使土木工程施工的安全性难以得到保证。相关人员应根据不同的实际情况对变形值加以确定，将地基的变形状态与不同类型的土木工程相结合，并将基底构造纳入考量，将地基变形值控制在允许范围之内。(2)重视稳定性。相关人员在确定地基处理原则的时候，应当重视其稳定性，严格考察地基基底部分的抗倾斜能力、抗滑能力等。若是地基的抗倾斜能力与抗滑能力达不到相关标准，对于斜坡位置或受大风影响的土木工程来说，就很容易出现地基塌陷。

1．2土木工程中地基处理的相关要点

(1)分析上部结构。在如上图1所示的土木工程建设工作中，相关人员在地基处理的过程中着重加强了对上部结构的分析。该工程的施工人员在这一环节，主要对地基上部的土木工程建筑物加以严格、细致的考量与分析，确定建筑物的主要功能，进而分析建筑物可能给下层地基带来的具体荷载量，这样就可以为地基处理提供相应的科学依据。(2)重视可行性。土木工程的地基处理工作，需要相关人员重视相应的可行性，只有确保地基处理方案与现有的地基处理技术相匹配，才能确保地基处理的具体效果。相关人员应当在对地基处理加以设计的时候，要将设计方案与地基处理技术严密结合，避免两者出现严重脱节。此外，在可行性分析过程中，相关人员还要了解目前广泛应用的地基处理技术及新型技术，根据土木工程建设的实际情况进行选择。(3)分析基本资料。相关人员若想保证地基处理的具体质量，还需要对土木工程的地质资料加以分析，这样可以确保地基处理的具体效果。相关人员在地基处理之前，需要对土木工程建设的具置进行精细的分析与判断，主要考察土木工程建设位置的水文条件、工程施工环境、地下水情况、土壤环境及土层结构等。相关人员在考察后要对其加以分析，并将相关数据进行记录，据此为地基处理选择合适的技术，保证地基处理的整体质量与安全。

2复合地基技术在土木工程中的应用

2．1复合地基的简要概述

在土木工程的建设过程中，施工人员有时为了加强普通地基的内部强度，就采取某种手段将普通地基与硬土相置换，或者在天然地基内部加入一些施工材料如钢筋、混凝土等，实现地基强度的增强，这种经过改造的天然地基就可以被称作是复合地基。复合地基与天然地基相比，具有较强的质量与稳定性，对于沉降现象有较强的承载能力。此外，复合地基与天然地基相比，还具有较强的渗透性能。传统的复合地基主要有砂桩、碎石、石灰桩等，正是由于复合地基的出现与应用，才衍生出了相应的复合地基技术，下面将对复合地基技术的应用作简要说明。

2．2复合地基技术在土木工程中的主要应用

在土木工程的具体建设过程中，地基若出现严重的不稳定性，就会影响建筑物的整体质量。目前，很多土木工程的建筑物地基都存在强度不够、渗透性较差等问题，进而导致沉降、失稳等现象频繁出现。因此，施工人员就需要在土木工程建设过程中将复合地基技术与地基处理相结合，并且应用新的材料与新的技术。加固类型的复合地基技术主要包括了置换技术、振密技术、排水固结技术、冷处理技术、热处理技术、固化物灌注技术等。相关人员可以利用相关的技术对地基内部的物理属性进行合理改良，这样既不会影响地基的自身承载系数，也能避免改变地基原有的荷载力。与此同时，施工人员还可以对土木工程建设中的地基进行整体替换或部分替换，利用坚实度更高的物质来代替原有地基，以此增强地基的自身强度。复合地基的相关技术主要有以下几种:喷射注浆、石桩置换、挤密砂石桩、振冲置换等。需要注意的是，这些技术方法有不同的特点，利弊也都不尽相同，施工人员可以根据土木工程建设的实际情况加以选择，争取在应用效果较好的同时实现成本最优控制。在选用相关的技术方法之前，施工人员应对天然地基的承载能力进行严格的分析与考量，若是天然地基可以很好地承载土木工程中的较大压力，那么施工人员就无需选择复合地基技术，仅需对天然地基进行人工加强。若是天然地基无法满足土木工程建设的相关要求，施工人员就可以选用相应的复合地基技术。基础类型的地基主要可以分为桩基础、浅基础与复合地基，施工人员可以根据这几种不同类型的基础地基，选用较为合适的技术。其中，桩基础主要指的就是外部压力及荷载力等会先传递给土木工程中所使用的桩，再经由桩传递给地基;浅基础则是外部的荷载力等无需经过其它介质，可以直接传到地基位置;复合地基，主要是将桩基础与浅基础的传力方式加以结合，将一部分外部作用力直接传递给地基，而另一部分作用力则会通过土木工程中的桩继续向地基以下部分传递。需要注意的是，复合地基技术目前还处于不断的发展与更新中，相关人员应当时刻把握其具体的变化情况，实现该技术的合理应用。

3结语

土木工程建设一定要重视地基处理环节，以此保证工程的整体质量。在地基处理环节，施工人员需要确定好处理原则，还要分析相应的环境资料、上部结构、地基处理的可行性等，这样才能确保地基处理的具体效果。目前，复合地基技术的重要性得到了广泛的关注，施工人员可以根据具体情况选择应用复合地基技术，以此保证土木工程建设的整体质量。

参考文献

［1］唐连军，王艳丽，王应峰，赵小飞．复合地基工程理论研究回顾与展望［J］．中国西部科技，2010(09)．

土木工程数值分析篇（10）

中图分类号：TU311 文献标识码：A

一、引入土木工程系统辨识理论的必要性及系统辨识的概念

（一）引入土木工程系统辨识理论的必要性

当前虽然机械、航空以及航天领域面向健康监测和损伤检测的系统辨识方法，为土木领域提供了良好的借鉴基础，不过土木工程具备自身的特点，在引入其他领域的辨识方法的过程中，存在诸多限制。

1、海量数据有效信息的提取

现有大型桥梁的监测过程中，已采用上千个各类型的传感器，此过程中产生了海量数据，即使现有数据处理的计算硬件能满足要求，也难以从中即时提取出有效信息，用于系统辨识。

2、结构及荷载不确定性

一般来说，由于材料属性的离散性、强度退化等原因，结构参数含有多重不确定性；同时，土木工程的荷载因为环境等因素的影响，也含有一定的不确定性。

3、基准数据的不完备

对于大型工程结构，可能存在的千万级别以上的自由度，因此即使使用上千个传感器，获取海量的数据，也可能存在基准数据不完备的情况。

4、模型误差的不可避免

因为土木工程内在的材料特性，外在的环境干扰的影响，使通常用于监测或检测的模型存在误差，已有的模型修正暂不能很好解决此类问题。

（二）系统辨识的概念

结构系统辨识是动力学研究的逆问题，它利用系统在试验或运行中测得的输入和输出数据，建立反映系统本质动态特性的数学模型，并确定模型中的待定参数。结构动力学系统遵循牛顿力学基本定律，所以系统的理论模型(动力学方程组)往往是已知的，需要辨识的只是模型中某些待定的物理参数或系统的动力学特性参数(模态参数等)。

二、土木工程系统辨识统计方法的现状

（一）Bayes模型修正

Bayes模型修正方法利用了统计推断中著名的Bayes原理，将确定性的结构模型嵌入一组可能的概率模型中，使结构模型能够预测模型和观测的不确定性。这种方法由于涉及模型不确定性，而模型不确定性并不是可重复事件，将概率解释为相对发生频率的传统说法在这里不再适用。

（三）随机有限元

随机有限元从控制方程的获得来分，一般可以分为 Taylor 展开法随机有限元(TSFEM)、摄动法随机有限元(PSFEM)以及 Nuemann 展开 Mento Carlo 法随机有限元(NSFEM)。若以摄动法随机有限元为例:

Collins 将有限元与摄动法结合，用统计的观点来分析特征值的问题，可以认为是将随机变量理论引用到动力学的开端;而 Ricles 和 Kosmatka 首次基于 Col-lins 的敏感性分析理论，通过质量与刚度的不确定性来对潜在的损伤区域进行定位，并对损伤大小进行评估。

有关随机有限元损伤辨识的工作可以认为始于Papadopoulos 的论文及其后续工作:假设结构的质量、刚度、频率与振型服从正态分布，通过 Mento Carlo 模拟，计算出结构单元的概率密度函数，用于对单元的损伤概率进行计算。Papadopoulos 认为，结构损伤引起特征值的摄动，继而影响结构的总体刚度矩阵与单元刚度矩阵，并通过一个 3 自由度的质量 － 弹簧系统与一个悬臂梁结构，验证了算法的有效性。

（三）统计模式辨识

美国 Alamos 国家实验室，以 Doebling、Farrar、Sohn为代表的研究者，10 余年来，对统计方法在系统辨识中的研究进行了探索性的工作，这部分工作大致可以分为三个阶段。

第一阶段:Doebling将统计方法用于环境激励下结构的模态测试及引入结构的柔度矩阵。

第二阶段:Farrar开始提出统计模式辨识的概念，并引入无导师学习理论。在此基础上，Farrar 及其团队引入模式识别中相关理论，正式提出了统计模式辨识(Statistical Pattern Recognition)的理论框架，具体包括 4 个步骤:

1、运营状态评估(Operational evaluation):对结构系统状态进行辨识前的分析。

2、数据采集、标准化以及整理(Data acquisition，normalization and cleansing):包括测试方案的确定，因环境因素产生的数据差异性，误差数据的排除。

3、特征提取及信息凝聚(Feature extraction and information condensation):提取数据中的特征并用来对系统的状态进行辨识，信息凝聚主要指结构在服役周期内数据的压缩。

4、基于特征描述的统计模式(statistical model development for feature discrimination）:根据有无训练数据可以分为有导师学习方法与无导师学习方法，前者又可以分为分类分析与回归分析，后者可以分为对变异点或特征点的辨识。

（四）基于无模型的损伤识别方法

无模型损伤识别方法主要是不使用结构有限元模型，直接通过分析、比较振动响应的时程数据对结构损伤进行识别，其中多数方法都是基于时间序列分析模型提出的。无模型识别方法可分为时域识别方法、频域识别方法以及时频分析方法。

1、时域方法

时域方法有利用自回归滑动平均(AutoRegressiveMoving Average，缩写为ARMA) 、自相关函数和扩展的卡尔曼滤波算法等一系列方法。比如，Garcia和

Osegueda提取了一个基于AR-MA模型的系数的损伤指标，采用Bayes分类技术进行损伤定位。Wei和Yam等利用结构损伤前后NAR-MAX模型系数的变化来识别多层复合材料的损伤位置和程度。NairKiremidjian 等由响应的AR或ARX

模型系数提取损伤敏感特征，采用模式分类的方法进行损伤识别。

2、频域分析方法

频域分析方法常用的有傅里叶谱分析、多谱分析(信号高次矩的傅里叶变换)、倒阶次谱分析等。Samman提出了用于桥梁的基于频响函数波形的三个损伤识别指标:WCC (Waveform Chain Code)、Iatm (Adaptive Template Methods)、IsAC (Signature Assurance Criteria)。

3、时频分析方法

时频分析方法则有Wigner-Ville分布人、小波分析以及近年来发展起来的

HHT(Hilbert-Huang Transform)法人等。

三、对土木工程系统辨识统计方法的展望

结合系统辨识基本问题，土木工程结构系统辨识统计方法的下一步可能切入点有:

（一）随机输入与未知输入条件下的统计方法

进一步，对于土木工程，未知输入条件下的系统辨识，在传统方法上局限于通过迭代计算，使目标函数值小于设定阈值的方法，对于土木工程的大型、复杂结构，计算量可能过大。

（二）数据传输手段与传感器状态的统计方法

响应数据的无线传输对于土木工程意义重大，而现有无线传输的方法，费用高，系统易受干扰，相对稳定性较差，有待于结合其他学科研究，引入统计方法，来降低无线传输成本。

（三）系统辨识基准模型的统计方法

通常新建成工程结构需要将基准模型进行备份，以作为面向健康监测以及损伤检测的系统辨识的基准。

参考文献

土木工程数值分析篇（11）

土木工程是人类历史上年代最久远的“技术科学”，作为一种系统的产业活动，土木工程的实质是生产的过程，是一种技术过程。土木工程也是建造各类工程设施的科学技术的统称，它既指工程建设的对象，即建在地上、地下、水中的各种工程设施，也指所应用的材料、设备和所进行的勘测设计、施工、保养、维修等技术。

一、现代土木工程的特点

适应各类工程建设高速发展的要求，人们需要建造大规模、大跨度、高耸、轻型、大型、精密设备现代化的建筑物，既要求高质量和快速施工，又要求高经济效益。这就向土木工程提出新的课题，并推动土木工程这门学科前进。它的发展趋向具体地表现在下述几个方面。

1.建筑材料方面。高强轻质的新材料不断出现。比钢轻的铝合金、镁合金和玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）已开始应用。但是这些材料有些弹性模量偏低，有些价格过高，应用范围受到限制，因而尚待作新的探索。另外，对提高钢材和混凝土的强度和耐久性，虽已取得显著成果，仍继续进展。

2.工程地质和地基方面。建设地区的工程地质和地基的构造及其在天然状态下的应力情况和力学性能，不仅直接决定基础的设计和施工，还常常关系到工程设施的选址、结构体系和建筑材料的选择，对于地下工程影响就更大了。工程地质和地基的勘察技术，目前主要仍然是现场钻探取样，室内分析试验，这是有一定局限性的。为适应现代化大型建筑的需要，急待利用现代科学技术来创造新的勘察方法。

3.工程规划方面。以往的总体规划常是凭借工程经验提出若干方案，从中选优。由于土木工程设施的规模日益扩大，现在已有必要也有可能运用系统工程的理论和方法以提高规划水平。特大的土木工程，例如高大水坝，会引起自然环境的改变，影响生态平衡和农业生产等，这类工程的社会效果是有利也有弊。在规划中，对于趋利避害要作全面的考虑。

4.工程设计方面。人们努力使设计尽可能符合实际情况，达到适用、经济、安全、美观的目的。为此，已开始采用概率统计来分析确定荷载值和材料强度值，研究自然界的风力、地震波、海浪等作用在时间、空间上的分布与统计规律，积极发展反映材料非弹性、结构大变形、结构动态以及结构与岩同作用的分析，进一步研究和完善结构可靠度极限状态设计法和结构优化设计等理论；同时发展运用电子计算机的高效能的计算和设计方法等。

5.工程施工方面。随着土木工程规模的扩大和由此产生的施工工具、设备、机械向多品种、自动化、大型化发展，施工日益走向机械化和自动化。同时组织管理开始应用系统工程的理论和方法，日益走向科学化；有些工程设施的建设继续趋向结构和构件标准化和生产工业化。这样，不仅可以降低造价、缩短工期、提高劳动生产率，而且可以解决特殊条件下的施工作业问题，以建造过去难以施工的工程。

二、未来土木工程的发展

1.指导理论的继续发展。在可以预见的将来，土木工程工程技术理论的核心部分仍然是力学，新的分析方法和新的数值处理方法将是土木工程中力学的突破方向。在对复杂结构、流体介质等情况下的受力分析和近似上，现有的方法仍然具有很大的局限性。更加专门化的数学在将来也应该有很大的发展，用以处理土木工程技术中复杂的数值问题。更先进的电子计算机的应用，使得对复杂的情况的模拟更有把握，更接近于现实。力学也会突破宏观框架，向微观发展，控制论，虚拟现实等技术也在力学中加深影响。

2.工程实现的变化。土木建筑的最终目的是建设出合乎设计要求的工程构造物，从设计到成果中间需要一个很长的工程实现的过程。这也是土木工程一个重要的组成部分。甚至可以说是土木工程最重要的方面，有了好的理论和设计，没有好的工程实践，一样不会产生一个优秀的作品。

信息时代正在迎面走来，其他学科和其他方面的新观点新技术，必然的也会影响到土木工程。并且为这一传统学科注入新的活力。包括控制理论，施工技术，新材料，环境工程，经济理论等等。

2.1全过程信息化。信息化的特点将更深的渗透到未来的土木工程中，重点不仅仅限于CAD方面，也包含对工程进度的管理、运行中数据资料的收集，分析，整理；对建筑物结构，强度，可靠性的分析和相应对策的决策等。这些也是主动控制和智能化实现的基础。

全过程信息化对今后的土木建筑构造物的维护有很大的意义。比如可以使用植入的传感器配合电子计算机实现对建筑全方位的实时的监控，及时掌握整个建筑物的状态。我国现在正是基本建设的高潮，20～30年后，现在这些建筑物逐渐进入维护期。如果能在现在建造过程中就做好各种信息化准备工作，对今后维护也大有帮助。

信息化也成为专家系统技术的基础。程序的解题能力不仅取决于它所采用的形式化体系和推理模式，而且取决于它所拥有的知识。要使一个程序具有智能，必须向它提供大量有关问题领域的高质量的信息输入。

2.2可持续发展和人性化。这两个要求是与社会经济的发展相适应的，社会的发展要求更加充分合理的利用资源，社会生活水平的提高也提高了对土木建筑设施人性化的要求。

整个土木工程过程是建立在对资源和能源的不断消耗上的，在可持续发展成为整个社会的主题的时候，土木工程也必然的要面对这个问题。对资源和能源的节约，包括在建设中的和使用过程中的，成为土木工程以后的一个方向，这要求有良好的设计和有效的运作管理机制，土木工程构筑物在它的整个寿命周期，从规划，设计，建造到建成后的使用，维护，拆除都要尽量的将对环境的影响降到最小，同时尽可能大发挥它的社会经济效应。这对土木工程提出了新的要求。具体的要求包括，资源的保护，资源再利用，污染控制和全方位的质量。我国正在施工中的青藏铁路较好的体现了可持续发展的特性，从设计环节开始就注意了对青藏高原脆弱生态环境的保护，全路设计为封闭构造，杜绝了固体废弃物的污染，也严格的控制了噪音污染。施工过程中也相当注重对周围环境的影响。

3.主动控制技术。迄今，绝大部分的土木工程建筑都是被当作一个静态的，被动的物体。对周围环境的影响，如风动，温度变化，突发事件等只能依靠自身的结构进行被动的抵御。显得缺少灵活性和应变能力。今后土木建筑设施的一个发展方向之一就是主动控制技术在建筑构造物中的应用。运用计算机技术和模糊控制技术，以及一些预设的控制结构。使得建筑物能够对各种环境因素做出适当的反应。

土木工程当今的发展是人类智慧的成果，土木工程是为了人类存在而存在.坚持可持续发展道路，努力创新，土木工程定会走向新的高峰！

参考文献：