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.

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[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.

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[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：TU317 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）46-0152-01

一、土木工程结构损伤的危害及损伤诊断内涵

土木工程结构作为使用最普遍的结构，目前也在不断的改革和创新中。这种结构形式在风载和地震作用下极容易发生振动，而这种振动往往是危险的，会造成结构损伤，从而影响土木工程结构的使用寿命，会使工程出现安全问题和质量问题，会造成无法估计的损失。因此，必须要加强对土木工程结构损伤的诊断，避免土木工程结构损伤酿成事故。土木工程结构损伤诊断是建立在结构损伤诊断基础上的，它主要通过结构信息与周围环境信息的采集来作为分析依据，来合理的分析造成结构损伤的因素和结构损伤的程度，从而为采取整修措施奠定基础。

二、土木工程损伤诊断的几种方法

我国对土木工程结构损伤诊断的研究由来已久，在实际的损伤诊断中也总结出了一系列行之有效的方法，例如普通的外观检查，融合了现代技术的无算检测方法等。但是这些方法往往依赖于检查者主观经验判断，往往需要事先知道大致的损伤部位，这些方法比较落后，以下主要介绍了几种先进的损伤诊断方法：

（一）基于结构参数改变的诊断方法

该类型的诊断方法主要分为动力诊断和静力诊断两种，前者利用的土木工程结构的动力响应原理，后者利用的是土木工程结构静力响应原理。

1、动力诊断方法。这种损伤诊断方法的优点在于其不受土木工程结构规模的限制，只需要在结构位置安装一个动力响应传感器，就能够获得动力检测数据，就能够判断损伤程度。它主要通过结构的特征指标俩判断结构损伤，具体包括以下特征指标：

1）固有频率变化指标诊断。这是比较容易获得的一个指标。它通过理论模型对结构可能存在的损伤位置进行假设，根据理论方案计算其所对应的两个频率的改变量之比，之后再通过实验测量来获得两个频率的改变量之比，这两个频率是任意的。并通过将理论比值和实验比值比较，找出最为接近实测量的一个理论值。并根据该值所应对的损伤方案来判断土木工程结构的损伤状态。这种损伤诊断方法的优点在于随机误差小，精度较高，但是也存在明显的缺点，例如其主要是根据频率变化来确定损伤的，这使得其对局部损伤不敏感，而且此方法是对土木工程结构进行大范围检测，无法精准的定位损伤的程度和损伤部位。

2）振型变化指标诊断。这种诊断方法和固有频率相比，对损伤较为敏感，而且能够确定土木工程结构的损伤位置。例如根据MAC来确定损伤位置和状态，可根据MSF来确定损伤位置和状态，还可以根据COMAC来确定损伤位置和状态。这几个参数有其公式，根据公式，当参数值的范围在0-1之间，且接近于0时，说明结构中有损伤，而如果参数值接近于1，则说明结构无损伤。但是这种方法也有缺点，其工作量较大，精度欠佳，不适用于复杂土木工程结构的诊断。

2、静力诊断方法。这是目前比较常用的土木工程结构诊断方法，其包括结构的刚度、位移情况、应变情况等静力参数。该方法的原理即是通过对这些参数的残差分析来对损伤进行识别。这是一种相对比较稳定的测试方法，但是这种方法也存在局限，例如对一些大型的土木工程来说，结构损伤诊断工程量大，采用静力诊断只能对个别结构构件进行检测，无法对整个工程结构的损伤进行诊断，会出现漏检情况，埋下结构安全隐患。

（二）基于人脑模拟的神经网络诊断

这种诊断方法是通过模拟人脑神经来对工程结构进行损伤诊断的方法，这种方法的诊断原理是首先训练网络，采用的是无损伤系统之振动测量数据，然后通过学习来确定适当的网络参数，并将数据输送到网络中，由网络进行对应输出，如果学习过程成功，那么系统与网络的输出就会是吻合的。而如果土木工程结构存在损伤，系统也会出现损伤，这个时候系统和网络的输出会存在差异，检测人员就通过这个差异来判定损伤程度。这种损伤诊断具有很多优点，它可以适用于线性和非线性系统，适应性强，而且诊断不需要激振设备，在实际工程中的应用更普遍，是一种较为可靠的诊断方法。

（三）基于小波理论的小波诊断

相对于以上几种方法可能存在的误差，小波诊断优势更明显。它主要是通过小波的变换分析原理，对土木工程结构损伤前和损伤后的时域及频域进行该分析，并结合小波的动力学特性，对结构的非线性进行检测。时域响应信号在经过小波分析之后会表现出更加明显的缺损特征。小波分析精确度高，适用于土木工程结构的损伤诊断。

结语

综上所述，加强土木工程结构损伤诊断意义重大，其能够及时发现土木工程结构存在的损伤问题，能够将土木工程结构存在的安全隐患降到最低，对于确保土木工程结构安全有着十分重要的作用。

参考文献

土木工程数值分析篇（3）

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：

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[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（4）

中图分类号：TB482.2 文献标识码：A 文章编号：

若想确保土木工程整体的质量，我们一定要关注土木工程的结构设计，这就要求我们对于荷载组合结构设计所带来的影响性实施多方面分析。要在施工的每一个过程当中对于荷载因素密切的注意，从而确保科学合理的结构设计，这样才能保证后期的施工在科学、顺利的状态下准时竣工，确保土木工程的质量。

1、 有关土木工程结构设计

所谓的土木工程结构设计，就是指支撑建筑时所采用骨架的形式，抵御各种传递作用力和灾害的方法，以及制造建筑材料的方法和选择建筑大小的标准等。土木工程结构设计具有的特征有可靠性、耐久性、适用性和安全性等。在土木工程设计中，要在符合结构预定功能的基础上，确定出科学的结构形式，即就是进行结构方案的设计。除此之外还要计算荷载、荷载效应以及结构的抗力，也就是需要完成对结构的详细设计。

2、由于土木工程荷载

荷载在土木工程领域体现了一种作用，在相关的文献中，对土木工程的荷载有了这样的定义，即就是在结构上施加的一组分布力或者是集中力，或者是导致结构外加变形的原因，都成为作用力，即就是荷载。在土木工程中，建筑结构在施工和使用的整个过程中所承受的各种直接作用都是荷载。

3、分析土木工程结构设计方法

3.1结构可靠度设计方法

概率论的不断完善和成熟为可靠度设计方法提供了可靠的理论依据，随之有人提出了结构可靠度的设计方法，该种设计方法有三个特点，第一，在设计时根据不同的极限状态进行，主要包括耐久性极限状态、承载力极限状态以及正常使用极限状态；第二，通过数据统计的方法来确定荷载标准值，统计相应的调查数据；第三，依据确定的目标概率来标定抗力系数与荷载。

3.2多系数极限状态设计方法

所谓的结构极限状态，是指保证结构能满足设计规定相关要求的临界状况，如果超过这个状态机构就无法满足设计的要求。结构的极限状态可以分为两类，分别是正常使用极限状态和承载能力极限状态。该种设计方法具有的特征有：第一，明确了在设计时根据不同的极限状态，主要包括正常使用极限状态和承载能力极限状态；第二，根据经验对抗力系数与荷载进行设计的；第三，采用统计的方法度来确定部分荷载与材料的强度，度调查数据统计分析较为明确；第四，根据不同荷载和影响抗力的因素采用不同的系数。

3.3破损阶段设计方法

在上世纪三十年代，苏联相关学者提出了破损阶段的设计方法，这种设计方法的特征有：第一，使用同一个系数对所有的不确定因素进行考虑分析；第二，凭经验确定安全系数；第三，在设计中将材料的塑性能力考虑进去了。

3.4容许应力设计方法

该种设计方法是在十九世纪后期，相关学者提出的基于弹性理论的一种结构设计方法，此种设计方法的特点有：第一，使用同一个系数对所有的不确定因素进行考虑分析；第二，对材料的橄限强度没有统一的标准；第三，靠经验来确定安全系数；第四，不能对材料的塑性能力进行考虑。

4、分析一些常见的荷载效应组合方式

4.1频遇荷载效应控制组合方式

该种荷载效应控制组合方式作为新型的效益控制组合方式的一种，用可变荷载的标准值和比组合值系数的频遇值小的系数相乘，结果就是可变荷载的频遇值。该种荷载效应控制组合方式对结构设计基准期之内可变荷载设计超过其值的大小和次数进行了充分的考虑。由于很多的频遇值还没有统计出来，频遇荷载效应控制方式在目前尚未得到广泛的应用，想要使得该种组合得到大范围的推广和应用短时间内是无法实现的。

4.2准永久荷载效应控制组合方式

该种组合方式在很大程度上类似于以前的长期效应组合，用荷载的标准值和准永久系数相乘的结果就是荷载值，该荷载组合对可变荷载对结构产生作用的长期性进行了充分的考虑。该种组合方式在设计基准期之内，应该将可变荷载超过荷载准永久值的概率控制在大约百分之五十。该种组合方式主要适用于对结构正常使用状态受到荷载长期效应影响进行考虑。

4.3标准荷载效应控制组合方式

该种组合方式在很大程度上类似于以前的短期效应组合，通过此种组合方式可以对普通情况下结构的裂缝和扰度等使用的极限状态问题进行测算。在标准荷载效应控制组合方式中，用标准数据值作为可变荷载，将荷载的分项系数定为1.0，对于可变荷载的组合值系数，根据相关规范中的具体规定进行取值。

5、结构设计受到荷载效应组合设计的影响

5.1系统结构体系受到荷载设计的影响

5.1.1串联结构体系受到荷载设计的影响

根据相关的测算公式可以看出，荷载变化对串联结构体系的可靠性指标所产生的影响比较明显，串联结构体系的可靠性会随着荷载参数的减小而降低。如果荷载参数是负值时，这时串联结构体系的可靠性指标也会成为负值。由此可以看出，对串联结构体系来说，如果结构设计的荷载值较大时，对提高串联结构体系的可靠性的影响不大，但是如果结构设计荷载值过小时，荷载荷载取值发生错误概率变大，串联结构体系的可靠性会呈现出大幅度的降低。而且系统的可靠性会受到串联结构体系中各个元件与荷载可靠性的相关指标的影响，如果两者的相关性越大，系统就会越安全。

5.1.2并联机构体系受到荷载设计的影响

根据相关的测算公式可以看出，相对应串联结构体现来说，荷载参数的变化对并联结构体系的可靠性指标所产生的影响不是很大，如果荷载参数没有出现明显的变化，就可以保证并联结构体系稳定的可靠性。如果并联结构体系中结构设计荷载值过大时，在提高并联结构体系的可靠性方面起不到多大的作用，如果取值过小，并联结构体系的可靠性会不断升高。但是所受到的影响不是很明显，可以将二者的相关性对系统安全所产生的影响忽略掉。

5.2结构件受到荷载设计的影响

荷载的取值就会决定构件的可靠性，如果在设计中荷载取值不正确，根据错误的荷载设计的结构其抗力应该和错误的荷载相一致，这时构件将会受到严重的影响，从相关的计算公式中可以看出，如果结构设计荷载的取值过大时，对提高构件的可靠性所产生的影响不大，但如果结构设计荷载取值过小时，随着发生错误的几率变大构件的可靠性会呈现出大幅度的降低。

结束语

总而言之，在土木工程结构设计中，一定要多方面的对于荷载加以充分的考虑，这是因为荷载设计在非常大的范围上对整个土木工程结构设计有着巨大的影响。为此，要针对在不同的现实状况下对荷载量加以浅析，为不同结构共同施加荷载，通过严谨的科学预算分析，对所有的数据综合解析，对建筑结构所受到荷载作用的影响进行综合评判界定。只有这样才能够减少或是很好的避免因荷载和结构设计不科学而导致的不良状况的出现，从而确保整个工程的质量。

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土木工程数值分析篇（5）

中图分类号：Q948

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）12014905

1引言

植被建设是生态恢复与重建最为重要的环节之一[1]。多年的生产实践证明，以退耕还林、种树种草和恢复植被为代表的生物工程治理是控制水土流失、改善生态环境的根本措施[2]通过人工植被恢复，可以极大的改善土壤质量；作为植被生存基础的土壤，可以给植被提供生长所需的养分和水分[3]，植被的恢复与土壤质量的演变相互制s，互为动力。随着植被逐渐恢复，植被覆盖度增加，植物生长产生的枯枝落叶和根系腐解物在土壤中积累、矿化，一方面把大部分无机营养元素归还土壤，另一方面改善了土壤的物理性质，土壤质地和通气状况变好。植物残体腐解过程中所产生的酸类物质又促进土壤中难溶性物质向有效性方向转化，供植物吸收利用。植被恢复使土壤中有机质、氮、磷、钾的含量都有不同程度的增加，反过来又促进了植物的生长。因此，退化生态系统的恢复，首先要恢复生态系统的植被，通过植物与土壤相互作用，土壤肥力得到提高，土壤结构也得到改善。

土壤容重是土壤的一个基本物理性状，土壤容重与孔隙状况等土壤物理指标决定了土壤的通气性、透水性和植物根系的穿透性，是土体构造的重要指标。土壤容重的大小和土壤质地、结构、腐殖质含量等有关，受质地、结构性和松紧度等的影响而变化[4]，加之受到生物作用以及耕作等的影响，土壤容重是一个高度变异的土壤性质。土壤容重反映土壤的松紧度，容重小，表明土壤疏松多孔，结构性良好；反之，则表明土壤紧实板结而缺少团粒结构。

通过人工植被恢复可以改变土壤容重，合理的植被恢复方式能够对土壤产生正面影响，使得土壤表层土壤容重减小，从而使土壤稳定入渗速率得到很大提高。然而由于人工植被种类不同、植被建设区域以及林龄等因素的影响，不同地区人工植被恢复对土壤容重会产生不同的影响，甚至会使得土壤容重增加，降低土壤质量。为了综合衡量我国北方干旱半干旱地区人工植被建设对于土壤容重的影响后果，本文基于Meta分析的方法，通过对前人发表的相关独立研究结果进行定量合并分析，量化植被建设对土壤容重所产生的平均响应程度，并通过深度的亚组分析，讨论不同降水区域人工植被建设中，植被类型、建植年限等因子对土壤容重的影响特征，揭示中国北方干旱半干旱地区植被建设对土壤容重影响的普遍性规律，为该地区人工植被建设及生态恢复提供理论依据，并为土壤质量性状的调查及其改良利用的研究提供数据支撑。

2材料与方法

2.1文献来源

在搜集文献的过程中发现，有关中国北方植被建设对土壤容重影响的文献主要是以中文形式发表；部分以英文形式发表的，也可以在一些中文文献中查到相关结果。因此，本文的主要文献来源是中国CNKI学术总库、维普中文科技期刊数据库。通过建立严格的文献筛选标准（表1），本项研究共搜集到33篇涉及干旱半干旱地区植被建设对土壤容重影响的文献作为再分析和研究的对象（表2）[5～36]。

表1文献检索标准

序号 文献筛选标准

1文献的数据资料里至少包含一种植被建设（乔木建设、灌木建设）对土壤容重的影响

2文献的数据资料里必须具有实验组和对照组

3文献资料的数据应是具体的数值（包括图表），数据包含平均值和标准差或者标准误

4具有重复报道的数据值选用其中一种

2.2数据处理

用于Meta分析的数据变量包括人工植被恢复前后土壤容重的平均值和标准差。数据处理原理参考文章基于Meta分析的中国北方植被建设对土壤水分的影响[37]。通过计算，获得ES（通过合并单个研究的效应值所获得的结合效应值），SE（结合效应值的标准误）。当结合效应值ES>0时，说明植被建设对土壤容重含量有增加效应；当结合效应值ES0.05）；置信区间不包括0（均大于0或者均小于0），即说明P

2.3数据检验

一般地，所发表的文章都存在发表偏见[39-41]，即几乎所有的作者及编辑部都有更愿意报导统计检验显著结果的趋向。一般只对已发表文献进行综述的Meta-analysis常常会带有系统性的正偏差[42-45]。因此，在进行Meta 分析之前，采用线性回归分析判断所选用的33个文献是否存在发表偏倚。分析结果表明，人工植被恢复后，不同植被建设后土壤容重的Meta分析无发表偏倚，表明Meta分析结果可靠。

3结果与分析

3.1人工植被恢复后土壤容重变化

如图1、2、3所示，中国北方干旱半干旱地区植被恢复后土壤容重变化均呈正态分布。植被建设后容重变化速率为0.0053 g/cm3・yr（95%CI=0.017），乔木和灌木栽植后土壤容重的变化速率分别为0.0023 g/cm3・yr（95%CI=0.017）和0.0079 g/cm3・yr（95%CI=0.017）。说明人工栽植灌木以后，土壤容重变化速率最快。

3.2不同类型人工植被恢复后土壤容重变化的Meta分析

由表3可知，干旱半干旱地区植被恢复对土壤容重变化的影响显著。所有植被恢复后土壤容重变化的效应值为-0.209；乔木栽植后土壤容重变化的效应值为-0.199；灌木栽植后土壤容重变化的效应值为-0.222，说明在我国干旱半干旱地区，人工植被恢复都会降低土壤容重，并且灌木对土壤容重的影响效应大于乔木。

3.3不同降雨区域人工植被恢复后土壤容重变化的Meta分析

由表4可知，不同降雨地区人工植被恢复对土壤容重均具有降低作用。人工乔木栽植后，在0～400 mm以及大于400 mm降雨区容重的变化效应分别为-1.205和-0.155；人工灌木恢复后，在0～400 mm以及大于400 mm降雨区容重的变化效应分别为-0.931和-0.213。说明在我国干旱半干旱地区，随着降雨量的增加，该地区植被恢复对土壤容重的降低作用越大。其中降雨量超过400 mm地区，人工灌木栽植之后其土壤容重的降低效应大于该地区乔木栽植对土壤容重的影响效应。

3.4不同林龄人工植被恢复后土壤容重变化的Meta分析

由表5可知，不同林龄阶段的人工乔木、灌木对土壤容重具有不同的影响效应。除建植10～20yr的人工乔木外，0～10yr、>20yr的人工乔木以及各林龄阶段的人工灌木对土壤容重均具有降低效应。其中人工乔木栽植后，各林龄阶段的乔木（0～10yr、10～20yr和>20yr）对土壤容重影响的效应值分别为：-0.160、0.215以及-0.320；人工灌木栽植后，各林龄阶段的灌木（0～10yr、10～20yr和>20yr）对土壤容重影响的效应值分别是-0.368、-0.388和-0.363。各林龄段人工灌木栽植对土壤容重的影响效应均大于相对应的人工乔木恢复。

4讨论

目前植被恢复对土壤质量物理指标的影响研究主要集中在对土壤水稳性团聚体含量及其稳定性、容重、孔隙度、土壤水分、土壤渗透性等指标的研究上， 其中水稳性团聚体含量及其稳定性以及土壤容重是用于评价的重要指标[46]。

Meta分析定量研究结果表明，干旱半干旱区不同人工植被恢复对土壤容重影响显著，所有植被恢复后土壤容重变化的效应值为-0.209（95%CI为：-0.415 ～ -0.004）。说明人工植被栽植后能显著地降低土壤容重。不同区域大量的研究表明，植被恢复可以降低土壤容重，与本文研究结果一致。主要原因有：a.植被恢复通过增加地表凋落物和地下有机物（ 细根及根系分泌物） 输入，从而显著降低土壤容重[47，48]。b.土壤容重的大小和土壤质地、结构、腐殖质含量等有关，受质地、结构性和松紧度等的影响而变化[4]。一方面，土壤容重对植被根系穿插产生影响，反过来，植物根系穿插也会对土壤容重产生一定的影响作用；另一方面，由于植物生长对于土壤结构、腐殖质含量等的影响，植物间接的影响土壤容重。容重小，表明土壤疏松多孔，结构性良好；反之，则表明土壤紧实板结，并且缺少团粒结构。c.在植被恢复过程中，植被能够使土壤形成多级空隙的团粒，而根系的穿插也使得土壤孔隙度显著增加，从而对土壤容重产生影响。d.良好的植被恢复能对土壤产生正面影响，使表层土壤容重减小、孔隙度增加，从而使土壤稳定入渗速率得到很大提高[49]。姜培坤等人的研究也表明了植被恢复后土壤物理性质得到极大改善。主要表现在土壤容量明显降低，土壤总孔度、通气孔度增加和大于大团聚体与大于水稳性团聚体总量的增加[50]。

其中，人工乔木栽植后土壤容重变化的效应值为-0.199（95%CI为：-0.488 ～ 0.090）；灌木栽植后土壤容重变化的效应值为-0.222（95%CI为：-0.514 ～ -0.070）。表明人工乔木、灌木均能在一定程度上降低土壤容重，改善土壤结构。但人工乔木栽植后土壤容重变化的效应值的95%置信区间与0重叠，说明其影响不显著。之所以出现这种情况，主要是因为干旱半干旱地区，乔木生长对水分的需求量远大于灌木[51]，即乔木类植物易导致土壤干旱，灌木次之。虽然二者在一定程度上均能够降低土壤容重，改善土壤结构，但由于不同需水量的原因，栽植灌木后的土壤改良效果会更佳。此外，由于乔木根系较深，灌木根系较浅，二者根系对于土壤容重的影响表现在不同的土层，一般情况下，灌木对于表层土壤容重的影大于乔木对于土壤容重的影响。

通过对不同降雨区域人工植被恢复后土壤容重变化的Meta分析发现，人工乔木栽植后，在0～400 mm以及大于400 mm降雨区容重的变化效应分别为-1.205（95%CI为：-1.934～ -0.476）和-0.155（95%CI为：-0.511～ 0.201）；人工灌木恢复后，在0～400 mm以及大于400 mm降雨区容重的变化效应分别为-0.931（95%CI为：-1.422～ -0.441）和-0.213（95%CI为：-0.659～ 0.234）。研究结果表明，不同降雨地区人工植被恢复都能导致土壤容重降低，其中在降雨量0～400 mm地区的乔木、灌木栽植都能够显著地降低土壤容重，而超过400mm降雨量地区，人工植被恢复后，土壤容重有一定程度的降低，但效果不显著。

不同林龄人工植被建设对土壤容重有一定的影响，其中0～10yr、大于20yr的人工乔木以及各林龄阶段的人工灌木对土壤容重均具有降低效应；而介于10～20yr的乔木栽植导致土壤容重增加。其中建植≥20yr的人工乔木以及建植≥10yr人工的灌木均对土壤容重产生显著的降低作用。一方面说明了，随着建植年限的增加，人工植被恢复对土壤容重的影响越显著，主要原因在于随着时间的累积，人工植被根系生长越旺盛，加之逐年累积的枯枝落叶层的作用，对于土壤容重的降低起到了十分重要的作用。另一方面，通过研究侧面应证了可人工灌木林地对土壤容重的降低效应是优于人工乔木林的，这与樊华等[52]的研究结果是一致的。

本文将整个中国北方不同降雨量地区以及不同林龄的人工乔木、灌木栽植对土壤容重的影响量化、客观化，通过综合分析，在干旱半干旱地区灌木栽植对土壤容重的降低效应更为显著。随着林龄的增加，灌木对土壤容重的降低效益也好于乔木。因此在干旱半干旱地区广泛的开展灌木植被恢复能够有效的改善土壤环境质量。

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土木工程数值分析篇（6）

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（7）

申明:本网站内容仅用于学术交流，如有侵犯您的权益，请及时告知我们，本站将立即删除有关内容。 摘要：土木工程结构方面的设计是施工质量的保证，也是工程安全的基础，所以土木工程的结构设计在工程中是非常重要的，它贯穿于整个建筑环节，不仅关系着建筑水平的高低，还关系着人们生命财产的安全和国家基础事业的发展。本文主要分析了我国的土木工程结构设计在建筑中存在的问题，并提出相关的措施建议，为我国的建筑业能够更好的发展，出谋划策。

关键词：土木工程；结构设计；问题 中图分类号： TU8 文献标识码： A

引言

近年来，随着社会的发展，人们生活质量的提高，各类建筑拔地而起，推动了我国建筑业的蓬勃发展。但是，有些土木工程的结构设计存在着重大问题，导致建筑工程存在着重大安全隐患。一旦发生重大事故，必然会给国家带来严重的经济损失，也会给人们的生命财产造成严重的损失。因此，土木工程的结构设计中首先要考虑的就是土木工程的安全问题，在结构设计阶段，既要考虑土木工程的耐久性和经济实用性，更要考虑建筑的安全性。

一、土木工程结构设计存在的问题

1、结构设计牢固性差

工程的安全性水平的高低与土木工程的结构是否牢固有着直接关系。目前，在土木工程结构设计中，牢固性问差已成为工程结构质量的通病。尽管整体结构安全并不取决于局部结构的好坏，但是如果遇到地震、火灾或者爆炸事故，这些薄弱环节必将产生致命的影响，将是对结构的延性设计、冗余度设计的极大考验。例如在地基结构设计中，对于地质承载能力等情况没有考虑到位，在外力破坏下工程结构很难安然无恙。

2、承重柱和构造柱的区分问题

实际上，设计人员往往混淆了构造柱和承重柱的概念，将承重柱的设计方法直接套用到构造柱设计当中，这样错误使得建筑本身难以抵抗地震的震动强度，从而导致结构裂缝、沉降等，甚至引起建筑物倒塌。另外。为了方便分析承重柱受力，将其截面面积设计得太小。这样在外力的作用下，柱体和梁体就会出现开裂问题。

3、忽略环境影响因素

土木工程设计除了需要考虑安全性和耐久性问题，还需要综合温度、湿度、水土酸碱度、化学腐蚀等环境因素，但在实际的设计工作中，环境是经常被忽略的因素，而这些因素对混凝土和钢筋又具有很大的负面影响。既不利于工程结构的耐久性和安全性的保持，也存在很大的安全隐患。

二、加强土木工程结构设计的控制措施

1、增加结构的耐久性

我国土木工程的设计往往把重视不同荷载作用下工程的安全性和耐久性，而忽略了环境因素对土木工程的耐久性和安全性的影响，比如：湿度、温度、土和水的酸碱度、化学腐蚀等等因素。而这些因素恰恰是影响混凝土和钢筋使用寿命的主要因素。忽略了这些环境因素，对土木工程的耐久性和安全性造成影响，存在重大安全隐患。土木工程的结构设计完稿后，经过审核等没有问题之后，并不代表从此不再修改设计稿。在后续的施工过程中，设计人员和施工人员还要保持密切的联系，当施工中遇到问题、难题，应及时通知设计人员来核对图纸、解决问题、修改设计，否则，易造成重大事故的发生。

2、结构设计方案的确定

以某市的楼房土木工程的结构设计为例，结构设计方案的内容包括框架结构选择、基础布置、结构措施等，具体方案内容如下：框架结构由梁、柱构件组成，构件之间由节点进行连接，以承受竖向荷载和水平荷载的能力。如果是多层建筑，还要考虑水平风荷载的因素。另外，框架结构要选择由钢筋混凝土梁、柱等杆件刚接的体系，以满足抗震、承载等要求。基础布置需要考虑工程现场的地质条件、水文条件、施工条件等。如果层数比较少，意味着上部结构荷载力不大，可选择独立基础的基础形式。如果层数比较多，则要采用综合基础的基础形式。结构措施要根据土木工程的抗震设计规范要求，通过地震作用的计算，采取必要的抗震措施。譬如在同一个标高位置上，埋设同一结构单元的基础。或梁柱采用整体浇筑的方式，选择尺寸合适的配筋等构件。

3、内力组合的设计

内力组合是土木工程结构承载力抗震设计的要点，它要求在调整承载力抗震系数的基础上，组合框架梁的内力。

（1） 承载力抗震系数的调整

工程结构抗震设计要求材料强度的设计值应大于没有考虑抗震要求时的材料强度设计值。如果采用非抗震设计的材料强度设计值进行计算，则抗震设计需要对承载力抗震的系数进行调整。通过综合受弯梁、偏压柱、受剪等的系数调整，提高结构的承载能力。

（2）框架梁的内力组合

梁承载力的设计控制截面，通常采用梁端和跨中的方式。当地震作用组合的时候，除了要利用梁端的抗负弯矩和剪力设计进行界面的控制，还需要组合梁端的正弯矩。譬如土木工程结构在使用期间，很有可能同时遇到两种类型以上的可变荷载。为了减少结构的不利效应，可以控制可变荷载效应组合和永久荷载效应组合，分别取值1.2 和1.35 ； 而如果效用有利于结构设计，则效应取值为1.0 ，倾覆、漂移、滑移等取值为0.9。

（3）跨间弯矩计算

结构在恒载和活载作用下，可将近似取值跨间弯矩。并根据支座弯矩的调幅和平衡条件，计算得出相应荷载。其中，需要涉及到的计算因素有梁端左右的弯矩、竖向荷载、地震力组合等。

4、土木工程结构安全性设计

（1）规范行业标准

我国的建筑业随着世贸组织的进程取得快速的发展。土木工程的安全性受到高度的重视。我国也制定了很多相关的条文条例，强制性的执行这些规范。从设计人员入手，设计人员要高度重视结构的安全问题，严格依照建筑设计的规定进行设计工作。从结构设计上杜绝建筑工程的安全问题，切实保障建筑总体的稳固性和安全性。施工单位在施工过程中，对于设计图纸中不满足规范要求的，要停止施工，把图纸交予开发商，进行解决。对于多次违反相关规定并且不予以改正的情况，要对该设计师和开发商给予一定的法律制裁，以免出现更为严重的安全问题。

（2）加强设计工作人员安全意识的培养

土木工程是一个关乎民生的工程，而设计工作人员是这个工程的设计者和创造者。设计工作人员必须明确工程结构设计的复杂性和高精确性。对于设计工作人员的要求很高，不单是具备深厚的建筑结构设计的理论和技能，还应具备严谨的工作思路，依据理论和经验相结合，进行完美的安全设计。在结构的设计过程中，设计师要严于律己，做到设计的每一步都准确无误，确定土质和地基情况。设计师要进行总结、反思，积累经验，设计师对建筑物抗震性能的重要性认识是必要的，保证质量第一，安全至上。

（3）钢材结构的设计策略

随着城市化进程的推进，人们对住房的刚需量增大。房产开发对地皮的需求与原有的地皮量造成了房产发展的矛盾。解决住房的刚需求只能向高空建筑设计发展，这也是一个有效的方法之一。高层建筑对结构的刚度要求较高。对于建筑结构的刚度的确定是由每层间的位移状况来监控的。就是对组成构件的刚度大小和界面大小增加刚度指标。

（4）地基结构设计策略

地基是整个建筑的基石，是每一个设计工作者最重视的工程结构设计，地基设计承担着后期设计工作的任务，也承担着整个建筑结构安全的责任，处于决定定位。在对地基的设计中，要对地基所处地块的地质情况、水位、温度、土层、施工条件以及建筑的功能等进行综合的考虑。一般设计师都是对本项目相邻建筑物的地下设施标高、位置要进行详细了解，保证地基的安全和施工质量水平。

结束语

土木工程结构的牢固性，将会直接影响到工程的安全性水平。当前我国诸多的土木工程结构设计还不够完善，在工程结构的耐久性以及安全性上的保持还存在一定的问题，这就有着较大的安全隐患。所以，我们应该依据国家的规范技术的要求，不断的使用较为先进的技术，并且不断提高安全设置的水准，制定土木工程结构设计的措施。

参考文献

土木工程数值分析篇（8）

中图分类号：X833 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.03.007

磁化率是环境磁学研究中的一个重要的磁参数[1]，土壤磁化率是土壤在外磁场中受感应产生的磁化强度和外加磁场强度的比值，土壤的磁化率反应土壤中磁性矿物的数量[2]。频率磁化率是用于区分土壤中存在超顺磁性颗粒（d

随着城市化进程的日益加快，人们亦不断提高对城市土壤和城市环境质量对人类身体健康影响的关注度。通过分析城市土壤的磁性特征，可以揭示城市环境问题的内涵以及人类活动对环境的影响[3]。Thompson等[4]发现城镇和工业区附近的土壤与未受到污染的土壤相比有较高的磁化率。同时，有研究表明[5-8]，冶金等工业排放的飞灰中含有磁性矿物，可引起表层土壤磁化率升高，且磁化率值随着离源区距离的增加而减小。

本研究通过对乌鲁木齐市土壤磁化率的分布特征分析，探讨乌鲁木齐城市土壤污染的影响机制。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

位于自治区中北部，天山中段北麓、准噶尔盆地南缘。由于位处高纬度地带，所以冬季严寒漫长，需燃煤取暖，由此乌鲁木齐城市周边分布着多个煤矿企业，另外作为全疆的经济中心，乌鲁木齐工矿企业也是相当的多，如水泥厂、铝厂、化纤厂、污水处理厂、生物制药厂等污染型企业多分布在城市周边。这些污染型企业的存在和发展对城市环境造成了一定的破坏并日益影响到乌鲁木齐城市居民的身体健康。近年来，乌鲁木齐逐步进行煤改气工程，以改善冬季乌鲁木齐的环境状况，虽然取得了初步的成效，但是在彻底改善城市环境，实现“绿色计划”，创建全国园林城市方面还存在很大的挑战。

1.2 样品采集

1.3 样品的处理

所测定的土壤低频磁化率就是土壤磁化率，它表示土壤中磁性颗粒物的含量以及土壤能够被磁化的性质，高频磁化率是用于进行频率磁化率测定计算过程的一个辅数据。

2 结果与分析

2.1 土壤磁化率值

土壤磁化率仪器测定出的45个土壤样品的低频以及高频数据，以及经过频率磁化率计算公式计算出的45个样本的频率磁化率，如表1所示。可以看出，乌鲁木齐城市土壤磁化率测定中，大部分土样测定的磁化率数据都处在中间值和低值的区间内，但也有个别土样出现高值和极高值。

2.2 土壤磁化率的统计分析

（2）乌鲁木齐城市土壤的低频磁化率与频率磁化率之间具有负相关关系。即低频磁化率高的样本，其频率磁化率低，低频磁化率低的样本，其频率磁化率高。而且低频磁化率和频率磁化率的极值之间的差距悬殊。这反映了乌鲁木齐不同的土地利用类型下土壤污染的差异较大。

（3）乌鲁木齐城市表层土壤的磁化性质的不同是由两方面原因造成的：一是由于形成土壤的母质基岩的主要成分不同，导致了土壤的磁化率不同，二是由于现在城市的工业化发展过程中产生的污染物质在土壤表层的积聚，致使土壤的磁化性质发生改变。但在两种因素中，人类活动是造成乌鲁木齐城市表层土壤的磁化率显著差异的主要原因。

参考文献：

[1]余涛，杨忠芳.磁化率对城市重金属污染的指示性研究——以沈阳新城子区为例[J].现代地质，2008，22（6）：1 034-1 040.

[2] 卢绬，龚子同.城市土壤磁化率特征及其环境意义[J].广州：华南农业大学学报，2001，22（4）：26-29.

[3] 曲赞.用于环境研究的磁性参数介绍[J].地质科技情报，1994，13（2）：98-104.

[4] Thompson R， Oldfield F. Environment magnetism[M].London：Allen & Unwin，1986.

[5] 王雪松，秦勇.城市环境中磁学响应的研究进展[J].中国环境监测，2009，19（6）：62-64.

[6] 张普纲，樊行昭.磁性参数的环境指示意义[J].大连理工大学学报，2003，34（4）：201-205.

[7] 刘振东，杨凌.城市道路尘埃的磁性特征与环境意义[J].地球科技情报，2005，24（3）：93-98.

[8] 闫海涛，胡守云.磁学方法在环境污染研究中的应用[J].地球科学进展，2004，19（2）：222-236.

土木工程数值分析篇（9）

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（10）

中图分类号：S969.1 文献标识码：A

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。

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。

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。

土木工程发展趋势具体地表现在以下几个方面。

一是建筑材料。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。

二是地质地基。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。

三是工程规划。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。

四是工程设计。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。

五是工程施工。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。

未来土木工程的发展是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。

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：