土木工程概论

1. 在岩土工程的施工过程中，存在哪些主要矛盾，如何解决？

答：岩土工程，是运用工程地质学、土力学、岩石力学解决各类工程中关于岩石、土的工程技术问题的科学。其主要研究方向是：城市地下空间与地下工程；边坡与基坑工程；地基与基础工程，如秦岭隧道，三峡五级船洞，小浪底水电工程，白云机场，唐山岩溶塌陷治理等等。岩土工程涉及的范围非常广泛，学科的综合性强，与许多专业关系密切，因此在在进行一个方案时需要考虑交通、环境、水电和周边其他建筑等多方面的因素，这使得岩土工程施工过程中，要面临多种多样的矛盾。

最主要的矛盾便是工程的安全性与经济性之间的矛盾。在施工过程中，由于建筑成本预算，建筑周期等多种因素的限制，怎样保证建筑的安全性是一个大难题。1998年，珠海市拱北祖国广场“5.6”基坑坍塌特大事故，直接经济损失达1377.6万元。经查明，造成这次事故的直接原因是基坑东南角部分挡墙底部趋于失稳的塑性区的渐进性发展而导致整体滑动破坏，而该部分的破坏使基坑整体失去平衡而最终形成整个基坑的破坏。主要由于设计方案缺乏科学论证，施工不够严谨，尤其是对基坑东南角和西南角少打8根支托挡墙的桩未加以重视，仅在设计变更通知中采用将砼挡土墙延伸至基坑底，水平位置延至预制桩边的措施，没有采取更为有效的补救措施，最后基坑失稳就是从东南角延伸至西南角开始破坏的。未根据拟定的工况对基坑支护结构及底部土体的内力、变形及稳定性进行详细的计算分析，也未考虑钢筋砼挡墙下沉引起钢支撑偏心受压、承载力下降的不利因素。围护结构入土深度偏小（入土比仅0.338），围护结构刚度和强度不足，基坑支护结构稳定性差。 同时为了节省工时，按工期完成，施工也未按正常程序进行 。建设单位自身技术力量薄弱，不具备组织管理工程的条件，也不委托有资质的单位进行监理，没有起到对设计、施工单位的协调作用，甚至放弃对工程的监督管理。在施工现场建临时商铺，逾期既不拆除，又不续期，影响了东南角支护结构底部少打了6个根支承柱，南侧因民房拆迁回问题未落实少打2根支承柱，加速了事故的发生。此外，2003年，上海轨道交通四号线越江隧道工程发生事故，导致隧道进水，地面沉降，防汛墙发生坍塌。事后分析 是由于在冷设备发生故障，险情征兆出现，工程已经停工的情况下，没有及时采取有效措施排除险情，现场管理人员违

章指挥施工，导致了这起事故的发生。同时，施工单位未按规定程序调整施工方案，且调整后的《冻结法施工方案》存在缺陷，总承包单位现场管理失控，监理单位现场监理失职。从6月28日出现险情征兆到7月1日隧道渗水坍塌的3天里，上海轨道交通4号线有许多次机会可以提前制止险情的发生；以现有的技术力量和国内丰富的隧道施工经验，也完全可以把险情控制在萌芽之中。但是，从施工方、总承包方到工程监理方，本应“守土有责”的三方却没有一方真正做到恪尽职守，相关工作人员责任心严重缺失，挽救损失的机会就这样一个又一个地丧失了。种种事件为我们敲响了警钟。岩土工程多为隐蔽性工程，一旦出现问题，后果极其严重。如何在工程的安全与经济方面取得平衡，考验着一个土木人的责任心与良心。

其次，便是工程的建筑性与安全性之间的矛盾。1956年，澳洲政府发布了向海外征集悉尼歌剧院设计方案的广告，丹麦建筑师约恩?伍重的方案在历经波折后胜出，但是，现实却给这份方案一个沉重的打击。虽然约恩的方案极具创意，但是以当时的技术却无法保证建筑的安全。例如，起初那些设想巨大的壳片由一系列的混凝土构件组成的排骨支撑起来的抛物线，但经过深入研究发现，无法制作变曲率的模板并保证不变形，最后，所有的“壳”都由同一个球体创建而来，然后一个共同的模具浇注出不同长度的圆拱，然后将若干有着相似长度的圆拱段放在一起形成一个球形的剖面。歌剧院顶的10片贝形尖顶壳由2194块，每块15.3吨重的混凝土预制件拼成。工程预算700万美元，实际达12000万美元，历经15年才终于竣工。另一个则是“鸟巢”。众所周知，鸟巢是一个纯钢结构的建筑，主体钢结构由24榀钢架组成，围绕中央圆孔相互交叉不布置，形成复杂而规律的空间网格体系。单纯从角度来看，将钢架用于如此大的跨度并不十分理想，其梁柱连接部位及跨中部位受力均较大，导致用钢量过大，也使结构永久荷载比例过高，即使中期对方案进行过一次调整，使结构安全性提高，用钢量依然很高。由此，我们可以看出，在进行工程施工时，应该合理兼顾建筑的安全性与建筑性，使两者达到高度和谐。

因此，在岩土工程施工过程中，要注意以下问题。首先，一个岩土工程师永远不会处理两个完全相同的工程，需要对工程特点，要害和关键技术具有预见性的把

握。土木工程分析要注意多种因素，交通，电力，水土，植被绿化和周边建筑的影响，工程前的勘察一定要做到位。。其次，工程进行中一定要加强监察管理，规范施工作业流程，将安全放在工程的首要地位，各级的施工单位应加强沟通。同时，我们应利用先进的计算机等技术，更好的设计，规划，管理工程，减少人力的使用，防止出现事故时造成的人员伤亡。最后，作为一名土木工程师，始终都应有一份责任心，岩土工程不像其他行业，我们身上肩负的是生命，我们的建筑是为人们服务的，无论何时，安全是工程的第一要求。

2. 现代土木工程的发展趋势是什么？这种趋势需要什么技术作为依托？您认为主要难点在哪里？如何解决？

答：随着现代社会工业化日益完善的同时，地球人口趋于饱和，土地资源日

益紧缺，以混凝土、钢铁和玻璃幕墙为代表的现代城市建筑正在无节制地扩张，人类与环境之间难以达到平衡，为了满足人类的需求，同时也为了保护环境，现代土木工程将逐渐朝着智能化和绿色化发展。建筑师们应该有效地利用自然资源和先进的计算机技术，实现真正的可持续发展的智能绿色建筑。

绿色建筑，指在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材） 、保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。预计至2020年底，中国每年将消耗1.2万亿千瓦时电和4.1亿吨标准煤，加上建筑材料的生产耗能，建筑总耗能约占全社会总耗能的46.7%。因此，如何开发先进的生产材料与技术，节约能源，是土木工程要克服的难题之一。现在已知的先进的建筑光伏技术，建筑地源热泵技术，有组织新风系统等技术，是绿色建筑初步的成果之一。智能建筑，指通过将建筑物的结构、系统、服务和管理根据用户的需求进行最优化组合，从而为用户提供一个高效、舒适、便利的人性化建筑环境。智能建筑是集现代科学技术之大成的产物。其技术基础主要由现代建筑技术、现代电脑技术现代通讯技术和现代控制技术所组成。信息时代，计算机是人们必不可少的工具之一，对于土木工程而言，计算机不仅能为我们设计建筑，测量勘探提供各种便利，还能更为精确的监测控制建筑物的正确运行，如西尔斯大厦的消防系统与102部电梯的使用等等。智能建筑

则对计算机技术提出了更高的要求。如何通过计算机技术，自动控制建筑内的各种系统，如供暖、通风和空调系统，防火系统，门禁系统以及光电管理系统等，实现对上述系统资源的调配，监理，也是土木工程发展的障碍之一。

在中国，最耳熟能详的例子便是“水立方”了。水立方使用了先进的环保ETFE膜（乙烯-四氟乙烯共聚物）。ETFE膜（乙烯-四氟乙烯共聚物）是一种轻质新型材料，具有有效的热学性能和透光性，抗压性，可以调节室内环境，冬季保温、夏季散热，而且还会避免建筑结构受到游泳中心内部环境的侵蚀。“水立方”整体建筑由3000多个气枕组成，气枕大小不一、形状各异，覆盖面积达到10万平方米，堪称世界之最。除了地面之外，外表都采用了膜结构。安装成功的气枕将通过事先安装在钢架上的充气管线充气变成“气泡”，整个充气过程由电脑智能监控，并根据当时的气压、光照等条件使“气泡”保持最佳状态。这种像“泡泡装”一样的膜材料有自洁功能，使膜的表面基本上不沾灰尘。即使沾上灰尘，自然降水也足以使之清洁如新。更神奇的是，如果ETFE膜有一个破洞，不必更换，只需打上一块补丁，它便会自行愈合，过一段时间就会恢复原貌！“水立方”是典型的外柔内刚。外部只看到充气薄膜，好像弱不禁风，而支撑这些薄膜的钢结构则极为坚实。“水立方”的墙壁和天花板由1.2万个承重节点连接起来的网状钢管组成，这些节点均匀地分担着建筑物的重量，使其坚固得足以经受住北京最强的地震。水立方的墙体分为内外两层，刚架和气枕构成的两层之间有两米左右的距离，在内外墙的气枕全部安装完成之后，中间的夹层就形成了封闭的空间，新鲜的空气在里面流动就可以调节气温。而每个座位下面的通风口，也可以随时保持室内的空气流通。在设计中还充分考虑了环保的需要。为了减少二氧化碳的产生，在设计中利用太阳能电池提供电力。大幅度的新型材料的使用，使空调和照明负荷降低了20%-30%。另外，在“水立方”总共8万平方米的建筑面积中，3万平方米屋顶将使雨水的收集率达到100%，而这些雨水量相当于100户居民一年的用水，这样可以减弱对于供水的依赖和减少排放到下水道中的污水。系统对废热进行回收，热回收冷冻机的应用一年将节省60万度电。 热泵的选用、太阳能的利用、水资源综合利用、先进的采暖空调系统，控制系统和其他节能环保技术，如采用内外墙保温可以减少能量的损失，采用高效

节能光源与照明控制技术等。这些新标准、新技术、新材料的采用，使水立方成为了我国绿色智能建筑的标杆。

大型土木工程的健康监测也是土木工程的发展趋势之一。结构健康监测，是指利用现场的无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的。香港青马大桥是世界上第一个采用GPS技术用于大桥监测的项目。由于香港位于台风多发地区而且悬索桥对风荷载比较敏感，为保证桥梁运营阶段的安全并获取桥梁运营期科研数据，香港路政署在这些桥上安装了检测系统，以便对桥梁的结构健康进行监测。青马大桥擦用的是LFC-WASHMS监测系统。该系统在青马大桥上装有283个传感器，是当时世界上规模最大、最复杂的大型桥梁健康监测系统。该系统中的传感器包括加速度传感器、应变计、温度传感器、位移传感器。GPS系统等，监测内容主要包括荷载输入、结构特性、结构响应等。这套监测系统是现代测量技术，数据通信技术，计算机图形与数据分析技术以及桥梁设计与养护技术最高水平的集中体现，为大桥的安全提供了保障。自然灾害，人为灾害对大型建筑物的伤害已经越来越得到人们的重视，如何对可能出现的灾害提前预警，评估其安全性已经成为了未来工程的必然要求。

土木工程是国家的最基本的行业，它永远不会过时，永远不会被淘汰，但如何在国家社会不断发展的今天，找到土木工程未来的发展方向，积极进步，需要每一个土木人的不断努力。

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