土木工程建筑中混凝土結構的施工技術分析課題論文
摘要：基礎工程是土木工程專業建筑方向的一門重要專業課，根據課程的特點，結合自身的教學經驗和工程實踐經歷，對教學過程中出現的重點難點進行了深入分析，
通過剖析工程案例，激發學生的學習興趣和熱情，認識到基礎工程的重要性，通過各種渠道提高教師的專業素養，加強實踐教學環節，旨在培養學生工程意識，為設計單位、施工單位輸送具有扎實基礎知識、較強綜合能力和社會意識的工程人員。
關鍵詞：基礎工程；工程案例；課程教學
中圖分類號：G642；TU753 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2017）04-0056-04
基礎工程是土木工程專業建筑工程方向的一門重要專業課程[1]，在土木工程專業知識體系中有著相當重要的地位。該課程不同于混凝土、鋼結構等課程，涉及的理論和專業知識較多，
與工程實踐聯系緊密，具有綜合性、實踐性強的特點。
目前，蘭州交通大學土木工程專業基礎工程課程有32學時，存在內容多、零散而課時少的矛盾突出。學校土木工程專業實踐教學環節相對較少，在學習該課程之前，進行了生產施工實習，學生對建筑工程有了初步認識，但工程實踐和應用能力嚴重不足，工程意識薄弱。
針對課程的特點及存在的問題，結合多年的教學經驗，對學生在學習中不容易掌握的重要內容和教學中的關鍵問題進行了探討。通過對國內外因地基基礎引發事故案例的討論，激發學生的學習興趣。從提高教師的工程意識和專業素養，加強實踐教學兩個方面，培養學生的工程意識，使學生具有獨立思考工程問題，善于抓住主要矛盾
解決實際工程問題的能力，最終為工程單位輸送更多的、合格的工程技術人才。
一、教學中的幾個關鍵問題
（一）概念設計的重要性
作為建筑物載體的地基土具有三相性、碎散性（非連續介質）和天然變異性（非均勻性、各向異性、結構性、時空變異性）的特征，加之上部結構的多樣性、巖土參數的不確定性，導致地基基礎問題相當復雜且具有不確定性，因此，概念設
計是確保地基基礎安全必不可少的重要途徑。地基基礎的概念設計就是將土力學的概念、結構力學概念、巖土性質的基本概念、地質演化的科學規律、地下水的影響、各種施工工藝的特點、各種結構體系的特點、基礎與地基相互作用、當地經驗、經濟水平等影響因素綜合應用于地基基礎的設計之中。
概念設計貫穿于基礎地基設計的全過程。陜西西安大雁塔的建造體現了古人利用簡單的概念解決復雜問題的智慧。例如：古人采用“堆土”的方式建塔，相對于現在的堆載預壓地基處理方法，堆土的荷載和范圍遠大于塔重，土清除后，經過預壓，地基的承載力和變形一般能滿足要求。塔的基礎采用半圓形式，類似于 “不倒翁”的底座，具有一定自動糾偏的功能，體現了人類的智慧。
雅典六個石柱的設計利用概念完善方案，將柱子的形狀雕成亭亭玉立的少女。柱頂采用少女頭頂花籃的做法，花籃既起到柱帽的作用，也實現了美化功能。柱子在截面小的部位即人體的頸部采用披肩發將荷載傳遞到軀干，既增加了美感又避免了剛度突變。柱下部通過少女著長裙且腿部彎曲使裙外撐，既增大了柱截面面積，又增加了穩定性。正是由于古人利用概念設計，將美學和力學概念巧妙地結合在一起，使該建筑屹立千年而不倒。利用基本概念指導地基基礎的具體計算，了解數學模型的適用條件，了解假設條件與實際工程的符合程度，了解計算方法的局限性和可能產生的偏差。利用基本概念和經驗對計算結果進行分析判斷。計算結果的合理判斷對工程的安全至關重要，比如建筑的沉降計算問題，影響沉降的因素非常多，有些因素如荷載、上部結構剛度可以較準確考慮。有些因素如地基剛度、土的性質考慮不太準確，有些因素如施工周期、施工工藝、施工順序等不易考慮。計算結果的合理性和準確程度依賴于綜合概念和經驗，利用概念判斷沉降分布形態、沉降差的大小是否合理，利用已有的工程經驗判斷計算數值的準確程度等。
教師通過對大雁塔和古希臘石柱典型工程概念設計的詳細講述，引導學生領會基礎工程設計的特點，不盲目相信計算，意識到準確的基本概念和豐富的工程經驗對于基礎工程設計的重要性。
（二）天然地基承載力的特點
地基土為大變形材料，當荷載增加時，隨著地基變形的相應增加，地基土的密實度提高，當變形穩定后，地基土內摩擦角、粘聚力和重度等都有不同程度的提高，地基承載力也逐漸加大，很難界定出一個真正的“極限值”；另一方面，建筑物的使用有功能要求，常常是地基承載力還有潛力可挖，而變形已經達到或超過正常使用的限值，因此，地基設計采用正常使用極限狀態這一原則，即按變形控制設計[2]。
地基承載力是可以提高的。對于混凝土或鋼筋，每一強度等級都有確定的標準值和設計值，而地基土的承載力并非土的工程特性指標，各種指標相同的地基土，承載力可能差異很大。影響地基土承載力的因素很多，不僅與土質、土層埋藏順序有關，而且與基礎底面的形狀、大小、埋深、荷載情況、上部結構對變形的適應程度、地下水位的升降和地區經驗息息相關。地基承載力隨埋深增加而增大，承載力可以進行深度修正。地基承載力隨基底寬度增加，隨土質的不同而不同。飽和軟土，增大基底尺寸不可能提高地基的承載力，而對于砂土，內摩擦角不為零，增大基底寬度提高地基的承載力，此時，承載力可以進行寬度修正。
通過課堂對比分析，使學生對地基承載力的概念有了透徹理解，為地基基礎的設計奠定了基礎。
（三）地基基礎方案的選擇
地基基礎方案對建筑工程的安全、造價和施工有決定性影響，地基基礎方案的確定是一門復雜技術，需要全面分析、綜合判斷。首先，需了解場地周圍的環境和場地的穩定性，因為場地一旦出現問題，對建筑物的破壞是毀滅性的。其次，需了解地基土的分布和工程性質，調研場地周圍既有建筑和設備管線情況，調研當地類似工程資料，考慮地震因素如砂土液化造成的地基土整體失穩、軟土地基的震陷等。最后，分析與基礎工程密切相關的地下水情況、地下水位的變化，以及有地下結構物的建筑工程對地基基礎安全造成的影響。地下水的腐蝕性影響混凝土的耐久性，使地基土的強度受到破壞，形成土洞，致使地表塌陷，影響建筑場地的穩定；地下水中的承壓水沖毀基坑，破壞地基，可能會給工程造成很大損失；在高寒地區，季節性凍土致使地基土出現凍脹和融陷現象，危及建筑物的安全和正常使用。地基基礎是整個上部結構的載體，是為上部結構服務的，地基基礎的方案確定應考慮上部結構的形式、荷載特征和剛度特點等，考慮當地的施工狀況，經過綜合的經濟對比，最終確定地基處理方法、變形關鍵控制點及基礎形式，讓學生懂得地基基礎方案確定的重要性及復雜性，讓學生意識到只有優秀的方案才有可能成為優秀的設計。endprint
二、工程實例剖析
案例一
意大利比薩斜塔建于1173年，當建至約29 m時，因發生明顯傾斜而停工。歷經94年后復工，經6年時間完工，高達48 m。1360年再度復工，歷時10年于1370年竣工，共8層，塔高55 m。目前，北側沉降1 m多，南側下沉近3 m，南北端沉降差1.80 m，塔頂中心偏離中心線5.27 m，傾斜5.50。該工程是典型的地基不均勻沉降引起建筑物傾斜的實例。
案例二
加拿大特朗斯康谷倉，平面尺寸23.5 m×59.4 m，高31 m，容積為36 500 m3，基礎為鋼筋混凝土筏基，厚0.6 m，埋深3.6 m，地基為厚達16 m的軟粘土層，1911年開工，1913年秋完工。當谷倉裝谷子達87.7%額定容積時，發現谷倉下沉，24小時內，西段下沉8.8 m，而東端上抬1.5 m，傾斜近270，上部谷倉保持完整。
案例三
上海工業展覽館中央大廳為框架結構，采用箱形基礎，基礎埋深7.27 m，兩翼展覽館為條形基礎，地基為高壓縮性淤泥質粘土。展覽館于1954年開工，當年年底實測地基平均沉降量為60 cm。1957年中央大廳四周的沉降量最大處達到146.55 cm。
授課時討論了這三類地基的性質及導致這三種地基事故的原因和相應的處理方法。講到比薩塔傾斜情況時，學生情緒高漲，提出了比薩塔為什么會傾斜，是否會繼續下沉，如何處理等一系列問題。分析傾斜原因，地基持力層為粉砂，下面為粉土和粘土層，地基壓縮層不均勻，造成傾斜。現在每年下沉1 mm。處理措施：1838—1839年挖環形基坑卸載；1933—1935年基坑防水處理，基礎環灌漿加固；1992年7月加固塔身，用壓重法和取土法進行地基處理，對幾種處理方法做了歸納。案例二的事故原因，地基實際承載力小于破壞時的基底壓力，谷倉地基因超載發生強度破壞而滑動。處理方法：在谷倉下面增加70多個支撐基巖的混凝土墩，使用388個50 t千斤頂以及支撐系統，將倉體逐漸糾正。案例三是由于軟土的壓縮性大導致。由于地基變形過大嚴重影響結構物的正常使用。經蘇聯專家及清華大學陳希哲教授、陳梁生教授的觀察分析，認為裂縫修補后可以繼續使用。1979年9月中央大廳的累計平均沉降量達160 cm。1957—1979年22年間僅沉降20 cm左右，說明沉降已趨于穩定。但由于地基嚴重下沉，室外散水倒坡，建筑物內外連接的水、電、暖管道破裂。
此外，從生活中的點滴入手，調動學生對課程的學習興趣。比如講到基礎“架越”作用時，通過沼澤地（淤泥或淤泥質土），直接步行或鋪一層草袋不太容易通過，而放一塊厚木板就可迎刃而解。為什么會出現這樣的結果？提出問題，讓學生討論，再分析總結。
通過上述引導，讓學生體會到基礎工程的重要性，很自然地把地基問題歸結為強度與變形兩大問題。從實際工程出發，提出問題，采用啟發式教學，啟發學生獨立自主地去思考探索，讓學生尋求答案，注重培養學生獨立思考能力，掌握解決基礎工程實際問題的基本方法和思維規律，建立一套適合自己的邏輯思維方法和思考問題的方式，進而變“被動接受”為“主動學習”，提高學習能力、創新能力和分析解決問題的能力。
三、工程意識的培養
（一）提高教師的工程意識和專業素養
基礎工程的理論性與實踐性均很強，教師在課堂上要注重理論聯系實際。一方面，要求教師要有深厚的基礎理論知識和專業知識，另一方面，要求任課教師必須有工程實踐經驗，否則教學過程只能是照本宣科，學生的學習積極性差，教學效果不佳。
為此，學校土木工程學院教師還在以下幾方面展開了嘗試和努力。（1）青年教師參加國家留學基金管理委員會與美國加州大學圣地亞哥分校（UCSD）合作開展的“高校專業課程教師出國研修項目”，通過半年英語語言能力、專業課程教學及課堂活動和專業教學研究等方面的`培訓學習，吸收多元文化，借鑒發達國家的最新科技成果，加強業務能力和語言能力，推進西部地區高教改革進程，提高西部地區教育與世界接軌的能力。（2）要求年輕的在讀博士和剛畢業博士必須到實驗室工作一年，參與實驗室的教學和科研工作，強化青年教師的實踐能力。（3）在暑假期間，輪流選派青年教師到工程局的項目部進行實地訓練，提升教師的工程實踐能力。（4）學院建筑工程系50%的教師通過了全國一級注冊結構工程師考試，通過復習全面熟悉國家、行業乃至地區相關規范
，以便于在教學中融會貫通。取得資格證書的教師，一般為企業的技術顧問，在合作的同時也培養和提升了自身的實踐能力。此外，年輕教師積極參與工程的勘察、設計和施工，進一步提高了教師的工程素養，逐漸形成了教育理念先進、專業知識扎實、工程經驗豐富的教師隊伍，確保了在教學的各個環節中培養學生的工程意識。
在教學過程中，適當引入國家關于“巖土工程師”“結構工程師”等從業人員試題庫中有關實踐的部分內容，通過課堂分析和講解，使枯燥的課程學起來不至于乏味，可起到事半功倍的效果。
（二）加強實踐教學環節，培養學生的工程意識
相對穩定的實習基地是落實實習內容和確保實習效果的基礎，目前學校土木工程學院已經與全國部分鐵路局、鐵道第一勘測設計院、中鐵集團部分工程局、甘肅省建筑工程總公司下屬各公司、蘭州中和房地產開發有限責任公司、中鐵一院集團甘肅勘察院和學校設計院、監理公司等一大批企事業單位聯合建立了校內外實習基地。此外，還鼓勵學生在確保安全與完成實習任務的前提下，自行聯系將要就業的單位進行生產實習。配合卓越工程師培養計劃的實施，與中鐵二十一局、中鐵西北研究院、蘭州鐵道設計院等單位簽訂共建國家級工程實踐教育中心的合作協議，
進一步擴充實踐基地。通過與教學實習基地密切配合，帶領學生參觀蘭州各種有代表性的工程，如：市區高層住宅的基坑開挖和基坑支護，設置數米長的支護樁、預應力錨桿和土釘墻等；濕陷性黃土地基中采用土和灰土擠密樁消除地基土濕陷性的地基處理方法，讓工地的項目經理在施工現場形成進行現場教學，介紹工程施工過程、施工中出現的問題和采取的應對措施，使學生對基坑工程endprint
形成感性認識。在實地參觀各種淺基礎形式后，搞清基礎鋼筋與上部結構的搭接方法，使學生對各種基礎的適用條件、基本構造與配筋要求了然于胸。在樁基礎教學中，通過參觀打樁現場，了解樁的類型及特點、樁距、樁徑、適用范圍、打樁工序及樁身質量檢測等。通過現場觀摩，增加了學生對課程的學習興趣，培養了學生的工程意識，加深了學生對土木工程專業的理解。
自2012年以來，學校每年設立開放性實驗項目，學生參與踴躍，每組學生由一位教師帶隊指導，通過選題、查資料、制定試驗方案、試驗和計算分析等環節的實訓，培養了學生的實踐能力和創新能力。
在基礎工程教學過程中，根據講課進度分別以“為墻下鋼筋混凝土條形基礎設計”“柱下鋼筋混凝土獨立基礎的設計”和“樁基礎的設計”為題，給出設計框圖，根據給定的地質條件，要求學生完成三種基礎的設計。此外，對掌握情況比較好的學生可進一步要求
學習PKPM、JCCAD等軟件，對手算結果進行對比分析。通過大作業的綜合訓練，加強學生對書本知識的理解，熟練掌握典型的淺基礎和深基礎整個設計過程和相應的構造要求，使學生在設計過程中再次溫故而知新。
在多年的基礎工程教學中，通過對概念設計、地基承載力和地基基礎方案選擇幾個關鍵問題的論述，讓學生理清思路，掌握設計原則。通過工程案例的剖析，讓學生深切體會到基礎工程的重要性，掌握分析和解決基礎工程實際問題的基本方法和思維規律。通過促使
教師提高工程素養，確保在課內外、校內外各個環節，培養學生的現代工程意識。通過體驗、實訓和綜合訓練等實踐教學環節，培養了學生的工程意識和實踐能力，用人單位滿意率顯著提高。
參考文獻：
[1]王月香，顧歡達.建筑工程方向基礎工程課程教學初探[J].高等建筑教育，2010，19（5）：90-93
[2]GB5007—2011建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社， 2011.
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