工程力学导论论文5000字

工程力学导论论文5000字

土木工程概论论文

对土木工程的发展起关键作用的，首先是作为工程物质基础的土木建筑材料，其次是随之发展起来的设计理论和施工技术。每当出现新的优良的建筑材料时，土木工程就 会有飞跃式的发展。

人们在早期只能依靠泥土、木料及其它天然材料从事营造活动，后来出现了砖和瓦这种人工建筑材料，使人类第一次冲破了天然建筑材料的束缚。中国在公元前十一世纪 的西周初期制造出瓦。最早的砖出现在公元前五世纪至公元前三世纪战国时的墓室中。砖和瓦具有比土更优越的力学性能，可以就地取材，而又易于加工制作。

砖和瓦的出现使人们开始广泛地、大量地修建房屋和城防工程等。由此土木工程技术得到了飞速的发展。直至18～19世纪，在长达两千多年时间里，砖和瓦一直是土木工程的重要建筑材料，为人类文明作出了伟大的贡献，甚至在目前还被广泛采用。

钢材的大量应用是土木工程的第二次飞跃。 十七世纪70年代开始使用生铁、十九世纪初开始使用熟铁建造桥梁和房屋，这是钢结构出现的前奏。

从十九世纪中叶开始，冶金业冶炼并轧制出抗拉和抗压强度都很高、延性好、质量均匀的建筑钢材，随后又生产出高强度钢丝、钢索 。于是适应发展需要的钢结构得到蓬勃发展。除应用原有的粱、拱结构外，新兴的桁架、框架、网架结构、悬索结构逐渐推广，出现了结构形式百花争艳的局面。

建筑物跨径从砖结构、石结构、木结构的几米、几十米发展到钢结构的百米、几百米，直到现代的千米以上。于是在大江、海峡上架起大桥，在地面上建造起摩天大楼和高耸铁塔，甚至在地面下铺设铁路，创造出前所未有的奇迹。

为适应钢结构工程发展的需要，在牛顿力学的基础上，材料力学、结构力学、工程结构设计理论等就应运而生。施工机械、施工技术和施工组织设计的理论也随之发展，土木工程从经验上升成为科学，在工程实践和基础理论方面都面貌一新，从而促成了土木工程更迅速的发展。

十九世纪20年代，波特兰水泥制成后，混凝土问世了。混凝土骨料可以就地取材，混凝土构件易于成型，但混凝土的抗拉强度很小，用途受到限制。 十九世纪中叶以后，钢铁产量激增，随之出现了钢筋混凝土这种新型的复合建筑材料，其中钢筋承担拉力，混凝土承担压力，发挥了各自的优点。 二十世纪初以来，钢筋混凝土广泛应用于土木工程的各个领域。

从三十年代开始，出现了预应力混凝土。预应力混凝土结构的抗裂性能、刚度和承载能力，大大高于钢筋混凝土结构，因而用途更为广阔。土木工程进入了钢筋混凝土和预应力混凝土占统治地位的历史时期。混凝土的出现给建筑物带来了新的经济、美观的工程结构形式，使土木工程产生了新的施工技术和工程结构设计理论。这是土木工程的又一次飞跃发展。
土木工程的特点

建造一项工程设施一般要经过勘察、设计和施工三个阶段，需要运用工程地质勘察、水文地质勘察、工程测量、土力学、工程力学、工程设计、建筑材料、建筑设备、工程机械、建筑经济等学科和施工技术、施工组织等领域的知识 ，以及电子计算机和力学测试等技术。因而土木工程是一门范围广阔的综合性学科。随着科学技术的进步和工程实践的发展，土木工程这个学科也已发展成为内涵广泛、门类众多、结构复杂的综合体系。

土木工程是伴随着人类社会的发展而发展起来的。它所建造的工程设施反映出各个历史时期社会经济、文化、科学、技术发展的面貌，因而土木工程也就成为社会历史发展的见证之一。

远古时代，人们就开始修筑简陋的房舍、道路、桥梁和沟澶，以满足简单的生活和生产需要。后来，人们为了适应战争、生产和生活以及宗教传播的需要，兴建了城池、运河、宫殿、寺庙以及其他各种建筑物。

许多著名的工程设施显示出人类在这个历史时期的创造力。例如，中国的长城、都江堰、大运河、赵州桥、应县木塔，埃及的金字塔，希腊的巴台农神庙，罗马的给水工程、科洛西姆圆形竞技场(罗马大斗兽场)，以及其他许多著名的教堂、宫殿等。

产业革命以后，特别是到了20世纪，一方面社会向土木工程提出了新的需求；另一方面，社会各个领域为土木工程的前进创造了良好的条件。因而这个时期的土木工程得到突飞猛进的发展。在世界各地出现了现代化规模宏大的工业厂房、摩天大厦，核电站、高速公路和铁路、大跨桥梁、大直径运输管道长隧道、大运河、大堤坝、大飞机场、大海港以及海洋工程等等。现代土木工程不断地为人类社会创造崭新的物质环境，成为人类社会现代文明的重要组成部分。

土木工程是具有很强的实践性的学科。在早期，土木工程是通过工程实践，总结成功的经验，尤其是吸取失败的教训发展起来的。从17世纪开始，以伽利略和牛顿为先导的近代力学同土木工程实践结合起来，逐渐形成材料力学、结构力学、流体力学、岩体力学，作为土木工程的基础理论的学科。这样土木工程才逐渐从经验发展成为科学。

在土木工程的发展过程中，工程实践经验常先行于理论，工程事故常显示出未能预见的新因素，触发新理论的研究和发展。至今不少工程问题的处理，在很大程度上仍然依靠实践经验。

土木工程技术的发展之所以主要凭借工程实践而不是凭借科学试验和理论研究，有两个原因：一是有些客观情况过于复杂，难以如实地进行室内实验或现场测试和理论分析。例如，地基基础、隧道及地下工程的受力和变形的状态及其随时间的变化，至今还需要参考工程经验进行分析判断。二是只有进行新的工程实践，才能揭示新的问题。例如，建造了高层建筑、高耸塔桅和大跨桥梁等，工程的抗风和抗震问题突出了，才能发展出这方面的新理论和技术。

在土木工程的长期实践中，人们不仅对房屋建筑艺术给予很大注意，取得了卓越的成就；而且对其他工程设施，也通过选用不同的建筑材料，例如采用石料、钢材和钢筋混凝土，配合自然环境建造了许多在艺术上十分优美、功能上又十分良好的工程。古代中国的万里长城，现代世界上的许多电视塔和斜张桥，都是这方面的例子。

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水泥土搅拌桩加固地基在市政道路的应用
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武汉市武昌市政工程总公司一工程处 430000

摘要
进入新世纪以来，我国的城镇化持续快速推进，市政道路建设开展的如火如荼，成为城市基础建设一道亮丽的风景线。市政道路施工要求比较高，同时施工环境也非常复杂，其中的加固地基是施工中的重点工作，需要运用合理的施工技术来进行处理。水泥搅拌桩是一种高效的新型施工方法，相比传统施工方法有着很多的优势，可以用此技术来进行地基的加固。因此，在本文中，笔者主要讨论的是水泥土搅拌桩加固地基在市政道路的应用，希望这些对于相关从业人员具有一定的参考价值。
关键词：水泥土搅拌桩；市政道路；加固地基；应用
1、引言：
水泥土搅拌桩的主要用途是处理饱和软粘土低地基的，确保处理之后能达到规范的要求，具体的操作是使用专用搅拌设备将混有水泥的软粘土进行充分的搅拌，其中水泥的作用是固化的，它会同软土发生某种反应，地基会逐渐的固化进而变为一种有强度且综合状况趋向于规范要求标准建筑用地。
水泥能够将软土固化，其主要机理在于这种固化的过程是一种物质化学反应，相比于混凝土的硬化而言是有差异的，因为水泥的用量不同而致，硬化所用水泥较少，且在硬化的过程中，水泥要借助某种活性物质并且要包裹于土中才可进行反应，进行中硬化用时久，反应中水泥会相继出现诸如水解和水化等变化，最终会出现不同类别的水化物，对于部分水泥在发生反应中，会出现离子交换或者团粒效应，从而实现硬化的效果，提升土体的强度。
2、工程概况
国盛路南起和平大道，北至临江大道，道路全长724米，红线宽度20米。设计场区靠近长江，位于长江一级阶地，场地地下水主要为赋存于填土层中的上层滞水及下部砂土层中的承压水。
地质勘察显示：根据地层岩性和工程地质特征，在钻探深度范围内地层自上而下可分为4层：①杂填土；②淤泥质粉质粘土夹粉土；③粉土、粉砂夹粉质粘土；④粉细砂；上层滞水水位在地0.9—2.6米，承压水赋存于③层粉土、粉砂夹粉质粘土视为中等透水层，④粉细砂可视为强透水层。

3、软基处理设计
3.1搅拌桩设计
根据地勘报告，本次道路沿线有杂填土层分布，表层杂填土厚度在 1.20～4.80m，杂色，松散，稍湿，由建筑垃圾、生活垃圾及粘性土组成，所含硬质物含量约20～45%，粒径1.0～6.0cm，局部钻孔由中细砂及少量灰褐色黏性土组成，褐灰色，软塑，湿，含少量铁锰氧化物，土质不均匀，刀切面粗糙，局部夹杂薄层粉土、粉砂，不可作为路基持力层。根据道路沿线土层厚度及埋置深度情况，本工程路基采用换填法与水泥土搅拌桩（干法）相结合的路基处理方式。
3.2搅拌桩作用机理
借助这种桩，将软土变得强度符合规范要求，它的具体操作是，借助深层搅拌桩设备，对加入水泥的软土进行充分的搅拌，加快水泥与软土的反应，进而使处理后的土体变为具有一定强度、有良好的变形特征和水稳性的柱形体，这种反应后形成的结构有较好的强度、能提升土体的承载能力和降低地基的沉降。从水泥搅拌桩的特性讲，此种桩属于一种介于刚性与柔性间的混合桩，它所具有的刚度、抗压强度机器抗侧压力是介于两种桩之间的。因为这种桩有差于刚性的强度，当承载一定量的竖向载荷时会出现形变，一经出现会伴随着附近土体相应的承担一定量的荷载，此时便出现了柔性复合地基。水泥土搅拌桩复合地基的承载力标准值可按下式计算：
Fspk=m*Ra/Ap+β（1-m）*Fsk
式中：Fspk—复合地基承载力特征值（KPa）；
m—面积置换率；
Ra—单桩竖向承载力特征值（KN）；
Ap—桩的截面积（㎡）；
β—桩间土承载力折减系数：
当桩端土未经修正的承载力特征值大于桩周土的承载力特征值的平均值时，可取0.1~0.4，差值大时取低值；
当桩端土未经修正的承载力特征值小于桩周土的承载力特征值的平均值时，可取0.5~0.9，差值大时或设置褥垫层时均取高值；
Fsk—桩间土承载力特征值（KPa）。
由此可至，一旦地质资料核实，对于水泥搅拌桩的有关的数据也相应的确定了下来，如桩基承载力标准值、每根桩的垂直方向的承载力和面积置换率等。若桩的强度、面积置换率确定之后，这类地基的承载力经由每根桩的垂直方向的承载力便可得以求得，每根桩的垂直方向的承载力若是非常的小，则在复合地基中的承载力相应的会很低；若桩的强度及其长度确定之后，在符合地基中的承载力经由面积置换率而求得，若面积置换率非常的低，则对应的地基承载能力就很低。
4、施工工艺及施工注意事项
4.1水泥土搅拌桩的施工顺序
（1）工程建设之前要具有的有关施工技术方面的材料有：建设用地的勘察报告、土体实验报告、内配合比实验检验报告、桩位图纸、加固深度和停灰面标高等。
在实验室中进行的内配合比，主要是定出水泥用量，因为它的用量会直接关系到桩的质量及其未处理的地基土的特性，所以，若要开始安装水泥搅拌桩，必须在这之前间隔四周以上，基于室内标准下，按照一定的配合比制出搅拌桩样本，做差异化的龄期强度实验。根据试验结果，确定最佳水泥掺量。

（2）平整场地，清除障碍。对地下障碍物进行清除，对低洼处进行平整压实，确保在现场中设备置桩顺利进行，且要基于这种置桩操作的要求而制定有效的策略，避免设备中途停止工作。
（3）建设专用设备进场，且按照使用说明予以组装和试运行。
（4）搅拌桩施工工艺必须要严格按照设计规定的进行，且按照经实验确定的配合比制定搅拌桩，并对此桩的有关指标予以测定。接着，配合路基解决纵断面图纸问题，在进行施工之前，原定的桩位作业点均要做出大于五个的具有工艺性质的样桩，从而得到以下数据，即钻进、提升和搅拌的速度、喷气压力、工作电流以及单位时间喷入量等。
（5）搅拌桩择取是水泥型号是42.5普通硅酸盐水泥，一定要满足设计规程的规定，所用的产品必须带合格证进入施工现场。
4.2水泥土搅拌桩的施工工艺流程
施工工艺流程：桩位放样→钻机就位→检验桩机整平机体→预搅下沉→喷灰搅拌提升→重复搅拌下沉和提升（停灰面为高于设计桩顶标高50cm）→成桩结束→移位进行下一根桩循环施工。
（1）钻机就位：根据设计施工放样，使钻头中心对准设计桩位，并保持桩机机体垂直，以防打斜桩，影响地基承载力。
（2）预搅下沉：启动电机，使搅拌机沿导向架边搅拌、边切土下沉，下沉速度可由电机的电流监测表控制，工作电流不应大于70A。
（3）喷灰搅拌提升：深层搅拌桩机下沉到设计深度后，开启灰泵将水泥干粉压入地基中，并且边喷灰、边旋转搅拌钻头，同时严格按照试桩确定的参数控制喷灰量和搅拌提升速度提升搅拌桩机。
（4）重复搅拌下沉和提升：为使软土和水泥搅拌均匀，可再次将搅拌机边旋转边沉入土中，再重复喷灰搅拌提升，最终停灰面为高于设计桩顶标高50cm，成桩结束。在设计桩顶预加50cm桩长作为破除桩头用。
4.3施工注意事项
在工程建设的过程中，质量是最为重要，基于此要做到如下几点：
（1）一定要掌控好钻机的操作，避免钻的深度超出规定要求，且一定要在规定的深度内铺停灰面，如此定出搅拌桩长。务必要依照样桩的数据掌控好用灰量，杜绝在无自动化的控量设备的搅拌桩用于真实的工程建设中，此外，杜绝使用无合格证的记录装备。另外，设定时间复核成型的搅拌桩桩径及其搅拌状况。及时保养与检修用于复核的钻头，一经发现有叶片残缺或者严重磨损，必须换新。
（2）保障搅拌桩有九十度，必须对起吊装备的平整度及其操作架同地面的角度予以认真核实，核实的次数要超过两次，由对应的不同的工作班组执行，确保其垂直度在一度之内。在具体的施工中，借助吊锤测定钻杆是否竖直成九十度，若存在较大误差，必须及时修正。
5、影响搅拌桩质量问题及质量控制的探讨
（1）搅拌桩属于地下隐蔽工程，易受施工用材料、机械、工艺、施工人员的责任心等多种因素的影响，因而其质量控制要贯穿于施工的全过程，必须坚持全方位的施工控制。
（2）施工过程中必须随时检查自动计量装置、水泥用量、成桩过程、桩长及施工中有无异常情况，并记录其处理方法及措施。
在保障桩的质量的前提下，工程建设的过程中要认真分析清楚导致搅拌桩出现质量问题的因素，且要对制造流程予以把控，避免施工质量出现问题：
（1）原因之一是地基土自身具有的特性
这种桩的质量好与坏能直接的从桩强度数据获取到，而能对这种数据产生影响的除了固化剂用量及其质量和建设中用到的操作手法之外，地基土的自身特性也会产生影响，例如软土内存在大量的有机物。经试验检测后可知：土体内含有过量的有机化合物，其水容量和塑形对应的变大，对应的膨胀性和低渗透性也会很大，最为不利于钢筋的酸环境也会存在，上述的诸多因素会在一定程度上降低水泥的充分反应，若仅仅使用水泥进行固化，收效甚微，针对软土，可将生石膏适量使用进而使软土固化，这样的操作也有助于减少对水泥的消耗。
（2）保障搅拌操作的均匀性
对一定量的施工案例进行研究与总结可知，均匀的搅拌操作能提升工程质量。若确保有均匀的搅拌，就意味着水泥同软土有很好的混合，这样就有助于两者间发生充分的反应，软土经水泥的固化作用而产生较好的桩。若要使工程中有较好的均匀搅拌，一定要确保搅拌设备将要下沉的土体被较好的混合，所以施工前，使用反铲将施工场地翻整一次，避免地下遇到障碍物，影响土体搅拌均匀性。
6、质量检测
6.1质量检测方法
对搅拌桩的检测，总的来讲有如下几种方法：
（1）浅部开挖：这种检测法归属于自检。对于项目部而言，要不定期的多次对成型的桩进行复检，一经检查出问题，第一时间予以解决。针对开挖的检查，重点是检查浅部桩头，注意深度的把控要大于停灰面以下五十米，若要粗略了解成型桩的状况，可采用目测的形式对如下的参数予以估测，如桩径、搅拌均匀程度等。进行检查时，数量控制在桩的总量的5%。
（2）轻型动力触探法：这种检测法所用到的设备为轻型动力初探（N10），它主要适用的是对桩身均匀状况的测定，因为这种设备锤击程度小，不间断的初探通常状况下均小于四米，所以，对于深度的搅拌桩质量的测定是不适用的。这种检测法规定检测数为桩的总量的1%，且要大于三根。
（3）钻孔取芯法：这种检测法是借助地质钻机针对已经养护四周及其以上的成型的桩予以钻孔获取样本芯桩，这种方法是迄今为止最为普遍使用的一种测质量的方法，它所获取到的结果可靠度高，不足之处在于检测耗时久、钻孔成本高、样本芯桩要在四周以后才能得到，无法做到即时的检测施工中的桩的质量状况。这种检测法规定检测数为桩的总量的0.5%，且要大于三根。
（4）静载试验法：这种检测法所依据的是桩的承载力值的定性得出桩的质量。然而，因检测成本高，工程取样少。这种检测法规定检测数为桩的总量的0.5%~1%，且要大于三点。
（5）动测法：它主指低应变动测法，这种检测法所依据的是以一维波动理论为基础，借助弹性波传播规律检测桩的完整性。优点在于检测高效、便捷操作，然而在中国的多数文献中有指出，搅拌桩的强度同波速的关系并非连续的，在桩的端部出现的阻抗、桩的底部反射等均呈现无变化和模糊的现象，所以，这种检测法不能确保有准确的测定桩身质量。
6.2本工程项目搅拌桩质量检测方法
（1）成桩3d内，浅部开挖桩头，深度超过停灰面下50cm，目测检查搅拌的均匀性，量测成桩直径，检测量为总桩数的5%。一般应按比例随机抽取，且分部基本均匀。
（2）N10检测：成桩龄期7d内，用轻型动力触探器进行N10检测，检查每米桩长的均匀性，检测频率为总桩数的1%。
（3）单桩荷载试验：在成桩龄期28d后进行，在试验准确阶段，确保桩顶干净，进行试验时针对每个桩的荷载取样数量要大于总量的0.1%，且要大于三根。通常状况下要依照原定比例任意取样，并且保证均匀取样。经检测本工程单桩竖向静载荷极限承载力为220KN，满足设计要求的不得低于110KN。
6、结语
借助水泥搅拌桩实现对市政道路中有软土层的地基予以固化，由于建设装备的单一和便捷的转移，能够做到数个位置施工，高效率的使地基固化，从而提升施工速度、削减工期。在真实的工程建设中，采用的施工手法较为单一，工程质量便于把控，这是现阶段市政道路加固地基非常适用的施工方法。
国盛路靠近长江，土质情况差，地下1.8米均为淤泥质粘土、粉质粘土夹粉砂，局部地段流砂情况严重，在水泥土搅拌桩加固地基后，土体质量得到很大提高，沟槽开挖成型较好，土路床弯沉一次性合格，完成了工期目标。这表明使用水泥搅拌桩对市政道路中有软土层的地基予以固化是可行的，它可以极大的降低成本，也在一定程度上有工程质量保障，完全能够实现设计所要获取到的效果。
参考文献：
[1]JG10202-2002《建筑地基处理技术规范》。
[2]JBJ225-91.软土地基深层搅拌技术规程[S]
[3]陈向阳，粉喷桩加固软土地基的质量控制[J].岩土力学.2002
[4]纪南昌，水泥粉喷桩施工质量控制初探[J].北方交通,2009