时间：2022-10-03 16:07:07
上个世纪末我国公路建设高速发展，而在全国进行大范围公路建设中因为桥梁桩承载力好，节省用料和人力的优点得到广泛运用。桥梁的桥体的承载力主要就是靠桥梁桩来承担，因此桥梁桩的基础加固是公路工程建设的基本保障。尤其是在我国这种地形地质条件相对复杂的山区，公路桥梁路段多且承载量要求较高。但是，我国大范围的桥梁桩基本上是钢筋混泥土进行建设的，很容易出现一些问题。1）水分的自然侵蚀。首先是钢筋混凝土中的钢筋极容易被渗透的水分侵蚀，破换钢筋的支撑力。当水分的侵入混凝土中的时候还会因为同碱性的水泥融合产生膨胀力，甚至导致混凝土裂开从而破坏掉整个桥梁桩，这个时候就会影响到整个桥梁的稳固，因此仅仅是自然的长时间的侵蚀就会造成整个桥梁桩的不稳定。2）极端气候的破坏作用。除了水分的渗入会导致桥梁桩被破坏，低温作用到水上会导致混凝土结构桥梁桩小孔中的水分结冰膨胀。而长时间的气温变化作用的不断循环，就会导致混泥土结构的逐渐剥离甚至瓦解，事实上这个过程并不长，尤其是在地质和气候比较复杂的地区，因此要特别注意防范和处理这种情况的发生。
2加固桥梁桩方法
桥梁桩对整个桥梁乃至整个公路的运行的重要作用不言而喻。因此在防范桥梁桩的损害问题上，必须迅速采取积极的应对处理方法，而这些方法必须是科学地针对桥梁桩的特点和问题，能够切实地保障桥梁桩的稳固，主要从以下三个方面坚持：1）做好防范工作。为了保障桥梁的稳固性，除了针对进行桥梁设计之外，桥梁桩的本身质量要进行较为严格的鉴定并且明确后期追加的加固的方案。加固设计方案无外乎三个方面：硬度方面，强度方面和持久度方面。首先在硬度方面就是桥梁桩建造的稳固性；强度方面就是确定保证桥梁桩的整体性的稳固；持久度方面就是在建造的时候采用耐性良好的同时还要方便之后进行损伤部分的修复。从这三个方面着手，可以比较全面的做好桥梁桩的稳固性的防范工作。2）坚持效益最大化。在工程设计和建造中最基本的原则除了安全稳固之外就是经济，以最小的原料和人工投入获得最优的经济效益，这就要求工程建造人员在桥梁和建设的时候做到效益最大化。3）务求实事求是。在公路建设前桥梁桩做好各项加固工作之外还必须实事求是，不能盲目加固浪费工程建设。合理的加固技术必须在原有的公路建设基础上不仅起到实际加固的效果还可以有效控制工程再建的风险，降低工程建设的成本。
3桥梁桩加固设计的基本方案
3.1增加桩基进行加固
为了保证公路桥梁的整体的安全性，增加桥梁桩和扩大整个承台的承载范围和作用力，可以在桥梁桩基的载重能力不足采用。准确来讲就是将原来的桥梁桩的承重进行扩大并且可以增加新的桥梁桩，这样就可以提高桥梁桩的承载能力并且增加整个桥梁工程的稳定性。这项方法不仅能够节省工程工作量，并且有着较为明显的加固效果，但是它的局限性就在于为了达到加固效果会对原有的交通运行情况有所影响，因此也要考虑到它的实际操作性。
3.2桥梁桩基自体加固法
这个方法是在原有的混凝土桩基础上进行加固，尤其是直径偏小的钢筋混凝土桥梁桩。因此这种方法不仅施工工程相对较小还提升了桥体的承载力。很多县城上的小桥都是采用这种结构，工程实例上来说，某县的公路桥桥宽近六米，桥梁桩为钢筋混凝土结构，随着经济的发展还有桥梁的自然消耗，桥梁本身需要进行拓宽处理，而相应的桥梁的稳固性要求增加。
3.3桥梁桩的本身修补加固法
顾名思义，这个方法主要是针对已经出现受损状况的桩基进行修补处理，从而增加桥梁桩的本身的强度，硬度和持久性。从工程实例上面来说，有一驾桥梁在建设初期河流比较充沛，受侵蚀情况相对比较严重。而最近几年河流河床下降，桩基状况比较明显，尤其是桥梁桩的本身混凝土的表面受到较为严重的侵蚀，甚至钢筋也因为桥梁转的而发生锈蚀，桥梁桩的承载力受到非常严重的损害，整个桥身的安全性也得不到有效地保证。经过多重的分析和方案选择，还有实地的调研考察，最终决定采用桥梁桩修补加固法对整个桥身进行修补加固。首先要调查和考评所有桥梁桩的受损情况和修补范围，然后再通过钢筋水凝土的修补和浇筑封装桥梁桩和桩基。这个办法不仅可以修补损害严重的桥梁桩，而且对桥梁桩的本身强度的增加有着较为明显的作用。这个方法对于承载能力要求不高的桥梁有着较为明显的作用，在大范围的同类工程问题中值得借鉴和推广，有助于为我国桥梁工程建设节约资源。
3.4扩大桥梁基加固法
这个方法是从整体的结构方面来进行加固的，桥梁桩的加固和桥梁基紧密联系在一起。这样一来整体上的稳固性能够更加全面的增加桥体的稳固和安全。举例来说，某个交通桥梁在进行年度检测的时候发现桥梁桩桩体破坏比较严重，有比较严重的被侵蚀的损害现象，并且钢筋也因此暴露出来，混凝土的上还出现了空洞现象，这样一来明显降低了桥梁桩的整体承载能力，并且整个桥梁的桩基承受力也随着降低，因此进行加固处理是十分必要的。
4结束语
随着国家经济的发展，对使用时间较长的水库来讲极容易出现下列病害：大坝坝顶高度过低泄洪建筑能力不足，防洪标准达不到规范要求，主要原因是：水文分析不足以至于泄洪建筑设置不足，随着时间推移洪水资料与设计初值产生偏差泄洪能力不足。在汛期高水位的作用下大坝极容易出现渗漏问题，许多土石坝或多或少均会有管涌、流土的现象，混凝土坝和浆砌石还容易发生溶滤破坏。多数大坝按现行规范在结构强度、抗震和滑动稳定性上均达不到要求。大坝输水及泄洪建筑的稳定系数和结构强度也不能满足现行规范要求。机电设备和金属结构使用过度，缺少更换和维修。多数水库缺少足够的水文测报和大坝观测装置，管理设施陈旧落后，防汛道路标准低，有的水库甚至没有防汛道路。
2小河口水库主要存在问题
大坝上游坝坡水位变动区塌陷、破损严重；大坝下游坝坡纵横向排水沟破损；坝右岸下游岸坡坍塌；溢洪道进口段左右侧翼墙空箱漏水严重，左侧翼墙后土体在校核洪水位会发生渗透破坏；泄洪洞泄洪能力不足等。改建方案选取：通过查阅文献对坝坡的加固处理常用的方法有：坝坡拆除重建、对局部破坏区域进行改造、对老化部位进行局部翻新，其中已拆除重建为主。溢洪道加固主要的方法有：局部拆除重建、完全废弃重建，其中已局部重建为主。输水洞加固的方式常用的有：拆除重建水塔或对水塔进行加固、对输水洞洞身进行整体加固、对输水洞出口消能设施进行加固以及对金属结构、启闭系统改建，其中已对水塔、金属结构、启闭系统的改造为主。
3改建工程加固设计
3.1坝坡改建
坝坡采取破损段局部维修加固：对大坝上游坝坡水位变动区塌陷、破损严重的干砌石护坡进行维修；对大坝下游坝坡纵横向排水沟破损段进行维修；对大坝右岸下游岸坡坍塌部位采用浆砌石护坡处理。
3.2溢洪道改造
溢洪道部分整体拆除，部分加固改造：本次设计在空箱内设土工布反滤，上铺植草砖植草固土；本次闸室改建段桩号0+189.6～0+201.6，总长12m，闸室为闸门控制宽顶堰钢筋砼结构，为了不影响上游交通桥的稳定性，本次设计将现状闸室拆除至670.4m，以上部分全部拆除重建，新建底板与闸墩为整体结构，进口底高程671.4m，墩顶高程682.5m，底板厚2.5m，边墩厚1.5～1.2m，中墩厚1.2m，检修闸门为叠梁门，工作门为平面定轮钢闸门，闸门尺寸10×6.8m，启闭平台高程为690.8m，新建闸室段与上游交通桥及下游泄槽段侧墙顺接，缝间设BW型膨胀止水条止水；闸室与大坝间采用土料回填交通道路，路面高程682.5m，路面宽8m，断面为梯形断面，上下游边坡均为1：2，要求土料压实度≥0.95，路面采用200厚C20砼现浇；泄槽底板加固范围为0+310～0+645，即在原底板上现浇砼结构进行加固处理；侧墙0+201.6～0+210段因泄洪时拱桥严重阻水，本次设计拆除重建，侧墙采用钢筋砼扶臂挡土墙结构；侧墙加高段范围为0+210～0+295、0+427～0+645，即在原墙顶现浇砼加高；侧墙改建段范围为右0+310～0+467，即将原侧墙拆除重建，侧墙结构仍采用钢筋砼悬臂挡土墙结构；侧墙加固改建段范围为左0+320～0+427、左0+450～0+480，即在原侧墙后加30cm厚钢筋砼衬砌；泄洪洞出口侧墙延长段范围为0+340.3～0+359.3，采用钢筋砼结构，尾部为流线型。
3.3泄洪洞改造
泄洪洞拆除重建：本次设计拆除原检修平台及上部启闭机房，将检修平台由670.9m加高至678.65m，启闭平台由680.4m加高至686.35m，加高部分均为钢筋砼结构，启闭机房为砖混结构，进水塔与坝顶间新建工作桥及支撑排架，桥面高程682.5m，分为5跨，总长78m；更换闸门及启闭设备；对泄洪洞洞身漏水段0+034～0+104进行洞身反压灌浆，并对伸缩缝进行维修处理。
3.4输水洞改造
输水洞增设水塔，出口增设反滤排水设施等：进口增设进水塔，塔高36.1m，启闭机平台高程682.5m，进水塔为C25钢筋砼结构，进口底高程665.5m，孔口尺寸为1.5×1.5m，塔内设事故检修闸门，上游止水，施工采用钢筋砼沉井围堰，沉井内径8m，沉井高21.5m，壁厚1.2m；进水塔与坝顶间采用钢筋砼梁板式工作桥连接，桥长54.0m，桥面宽2.5m，共分四跨，支撑为钢筋砼排架结构；对输水洞洞身进行砼回填，并在输水洞出口增设反滤排水设施。对输水干渠节制闸及泄水闸的启闭机进行更换。
3.5机电及金属结构
溢洪道增设事故检修门和启闭设备，工作闸门、埋件、启闭设备重新设计；泄洪洞事故检修门、工作闸门、埋件和启闭机拆除更新，重新设计；输水洞进口增设事故检修闸门；输水干渠节制闸及泄水闸增设启闭设备。
3.6水情自动化测报系统
为了及时了解工程运行状态以及运行管理对于洪水预报的要求，本设计增设大坝变形观测、大坝坝体渗流、坝肩绕坝渗流等观测设施，并创建水情自动化测报系统。
4本水库改建目标
现状溢洪道仅局部护砌，出口无消能设施;放水卧管、涵管出口消能设施损毁。上坝道路狭窄，难以满足防汛抢险要求。经有关部门鉴定，张家沟水库为三类病险水库。为确保张家沟水库安全运行，必须进行除险加固改造。
2除险加固工程方案设计
2．1大坝
2．1．1增设防浪墙防浪墙顶宽0．5m，高1．0m，墙顶高程1022．8m，M7．5水泥砂浆砌石结构。
2．1．2大坝坝体整修坝体的裂缝，主要是因坝体干缩、施工时坝体填筑不均匀、分段接茬处理不当等，从而造成坝基和坝体的不均匀沉降所致。孔穴、塌坑是坝体裂缝在雨水的冲刷下，土层下陷而成。本次坝坡整修，首先把现有坝坡上的杂草、灌木及腐殖土清除干净，清除厚度0．5m;然后对坝坡按设计断面进行适当补填及削坡。同时，对坝体上的孔穴、塌坑及裂缝，全断面彻底挖除并重新回填黏土夯实，压实度不低于96%。大面积土方回填和夯实采用74kW推土机摊土，8－12t羊脚碾碾压，边角处采用2．8kW蛙式打夯机夯实。小面积土方回填采用人工平土，2．8kW蛙式打夯机夯实。坝体经过整修，将上游坝坡恢复至1∶3．0，下游坝坡恢复至1∶2．5。
2．1．3坝坡护砌根据实际情况和防洪要求，拟对大坝上游坝坡清坡整平后铺设40cm厚的干砌石，下设厚20cm砂砾料垫层及15cm厚的粗砂垫层。护坡坡脚伸入淤积层以下1．0m。大坝下游坝坡采用草皮护坡。
2．1．4贴坡排水坝下游坡脚现无反滤体，本次新增贴坡排水。贴坡顶面高程1014．0m，顶宽2．41m，从外到内依次为干砌块石、碎石、砂砾料和粗砂，砌筑石块要求排砌嵌紧。
2．1．5坝坡排水为了防止暴雨冲刷坝肩和下游坝坡，将水流送至坝脚以外，在下游坝坡与岸坡结合处布设横向排水沟3条，在下游坡脚设一纵向排水沟，并与坝坡横向排水沟相连。排水沟形式为矩形断面，采用现浇C15砼浇筑。横向排水沟断面尺寸为0．3m×0．3m，坡脚纵向排水沟断面尺寸为0．5m×0．3m。
2．1．6坝顶道路原坝顶道路为土路面，宽3．0m。雨天泥泞，影响管理人员巡察。本次改造将坝顶拓宽至4．0m，路面采用0．2m厚泥结碎石结构，以1%横坡向下游倾斜。
2．2溢洪道
本次除险加固改造，将溢洪道分为引渠段、控制段、泄槽段及消力池四部分。由于溢洪道左侧为基岩，岩体几乎垂直，不需衬砌，全段只需对右侧(靠坝体一侧)侧墙和溢洪道底板衬砌。底板为现浇C20砼，各段连接处均设齿墙，齿墙高0．5m，厚0．3m。引渠段全长20．9m，进口底高程1016．79m，纵坡1/100为倒坡，断面为矩形。引渠段右侧侧墙紧贴大坝坝坡，为挡土墙式，顶厚0．6m。侧墙由地面起逐渐加高至4．8m。控制段长度79．5m，始端底高程1017．0m，末端底高程1015．01m，纵坡1/40。泄槽段断面为梯形，底宽3．8m，右侧侧墙坡比1∶0．75。侧墙高度4．8－3．1m，为渐变形式。由于泄槽段右侧土体单薄，且形状不规则，本次对其整修成顶宽3m、外坡比1∶1．25与地面连接。消力池全长10m，池深1．0m，池宽3m。侧墙高4．1m，为挡土墙形式。消力池出口接5m长铅丝笼石护坦。
2．3放水卧管
由于卧管管台砌体老化，剥蚀严重，已不能正常运行，本次重修卧管，增设孔塞。
3主要加固改造工程施工要点
3．1大坝加固施工
坝体整修前，首先清除该段的杂草、腐殖土、砂、石等。坝坡培厚段要将原坝坡开挖成平顺的边坡，坡度不陡于1∶1，以便于新旧土层结合。清基采用74kW推土机施工，清基深度为50cm，清基范围应超出设计边线30－50cm。坝体上的塌坑、孔洞、裂缝按楔形缝开挖，采用机械和人工配合，回填黏土采用蛙式打夯机和人工石硪夯打相结合，使其压实度不小于96%。腐殖土、杂草等清除物由1m3挖掘机或3m3装载机挖装，8t自卸汽车运至下游弃渣场集中堆放。
3．2下游护坡施工
坡面反滤料回填、干砌石(包括拆除)采用人工施工，筛选并利用部分拆除料。干砌石要自下而上砌筑，每块块石重量不小于15kg。护坡应严格按照设计要求铺砌，坡面不允许有游石、孤石、补贴石、小石等现象。砂砾料、碎石、干砌块石应优先利用原有的坝坡石料，不足部分再适当补充。干砌石护坡要逐层填实，用大石排紧小石塞严，无活石，以脚踏不动为准;坝面石选用较大石块排砌，错缝竖砌，结合平稳，不得使用垫石;石面接触严密，坝面坡度平整。下游坝坡草皮护坡的植草时间宜在春季或初夏，坝坡整平后，铺填种植土50－70mm，再铺植被网，用防滑钉固定，播洒草籽于网内，松土覆盖，轻轻压实。
3．3溢洪道施工
施工内容主要为溢洪道衬砌。土方开挖采用1m3挖掘机挖装，8t自卸汽车运输至下游坝坡做培厚用土。浆砌石采用砂浆搅拌机拌制砂浆，人工砌筑。混凝土拌和采用0．4m3搅拌机，0．6m3机动翻斗车运输入仓，仓面内用高频振捣器振捣。砼施工要求为:砼表面光洁、无蜂窝麻面;在常温下，砼浇筑完毕36h后即可拆模;用草袋覆盖洒水养护不少于7d。亦可用砼养生剂养护，但必须喷洒均匀。
4结语
打开中国交通地图，你会发现交通纵横，桥梁林立。从闻名自古的赵州桥到如今各式各样的立交桥，中国桥梁史走过了一段从积淀到创新的辉煌历程，不变的是其对于人们生活的重要性。
在各式“彩虹”桥伫立的背后，饱含着一批专门从事相关研究科学工作者的艰辛汗水，华南理工大学土木与交通学院桥梁教研室单成林教授是其中一员。
30多年前，单成林考取重庆交通交通大学桥梁专业，在此之前他没想过自己有朝一日能够用妙笔绘就“彩虹桥”。然而当他选择沉浸下去，逐渐发现了其中的奥妙和乐趣，这一干就是30余年。
30年披荆斩棘，30年风雨兼程。30年时光里，单成林走过祖国南部的许多地方，先后从事过桥梁施工、设计、监理、科研及教学工作。主持和参与了国家自然基金、省部级等多个项目，多年来共负责和参加过55座大、中桥梁的设计及加固设计工作。
“积跬步至千里，积小流成江海。”通过实践不断磨砺，单成林逐渐从一名普通的科教人员成长为专业领域的知名专家。在时光的雕琢中，他累积了丰富的经验，形成了一套自己“特有”的科研思路和方法，而善于在实践中发现问题，解决问题成为其致力创新“开花结果”的重要“秘诀”之一。
自开展科研以来，单成林将主要的精力放在新结构、新材料在桥梁上的应用及桥梁加固设计理论领域，其专著、论文、专利、评奖及推广应用大多是该领域的内容，其复合材料正交异性桥面板及桥梁加固设计理论研究都走在国内最前沿，有些研究成果国内至今未见他人有类似的成果报道。尤其在桥梁加固设计理论方面，其成果在学术性、实用性及数量上都是国内极少数贡献比较多的学者之一。
8年前，单成林在桥梁加固领域的研究设计中，注意到一个普遍现象：当时国内加固设计无章可依，大多做些加固前的复核性计算，对于真正的加固设计计算，或不做，或仅做承载力计算，且呈现出五花八门的乱象。当时国内对桥梁加固后的设计计算只有一些零散的、局部的研究，有些方面只有概念，更无相关桥梁加固设计方面的规范。
能不能将这些较为散乱的桥梁加固设计研究形成一套系统的、深入的、具有可操作性的依据呢？单成林在工作中强烈感到这一工作的重要性。凭借过去在这方面累积的深厚的研究基础和功底，2004年，开始独自撰写《旧桥加固设计原理及计算示例》专著。全书52.5万字，融入了单成林自己的一些加固设计理念，2007年年初由人民交通出版社出版。值得一提的是，该书不仅成为从事桥梁加固研究人员、设计人员的重要参考用书，还成为后来国内桥梁加固规范编写的重要参考书，他本人还参与了交通运输部的“公路桥梁加固设计规范”评审。至今，该书也是桥梁加固设计方面写得最深入、最全面、最具实用性的著作，已被发表的期刊论文和学位论文引用150次。随后2011年由科学技术文献出版社出版了单成林撰写的另一部16.7万字的《混凝土梁式桥加固设计理论及试验》专著，现今成为参与住建部“城市桥梁结构加固技术规程”编写工作的基础，负责内容最多、最复杂的预应力加固设计一章，目前已形成征求意见稿。
多年来以第一作者发表桥梁加固方面的论文35篇，授权第一作者国家发明专利1项，实用新型专利5项，正进入专利受理实审阶段的第一作者发明专利8项。
一个科学家真正应该留给后人的，不仅仅是学术著作或者科学事实，更重要的是科学研究的方法和科学探索的精神。单成林丰收的硕果背后，饱含着无尽的付出和努力，为时刻保持与时俱进的姿态，他总是习惯经常抽出一段时间来关注专业领域的最新发展，从中搜寻可以借鉴的知识或者从中发现新问题；为使自己的研究结合实践，他经常为此找寻依托工程，在实践中去发现问题，解决问题；他深知一个人的能力有限，为此提倡协作精神，以达到众人拾柴火焰高……
1自由振动问题的求解
考虑四边简支方板的自由振动，外加载荷q为0，设复合材料层合板的长、高分别为a、h，边界条件为:采用满足(6)式边界条件的Navier三角函数解分别来表示u0，v0，w0，φx，φy;分别代入所求得的控制方程中，可以得到:对应的{U}={Umn，Vmn，Wmn}T;而一阶剪切变形理论和高阶剪切变形理论得到5×5的刚度矩阵和质量矩阵，对应的{U}={Umn，Vmn，Wmn，Xmn，Ymn}T;{U}为x，y，z方向的位移向量。
2数值算例
以正交各向异性对称铺设的四边简支方板［0°/90°/90°/0°］为例，方板长度为a，厚度为h，且层合板的每一层都具有相同的材料参数和厚度。表1中文献［9］是复合材料固有频率的有限元解，文献［10］是根据分层理论所求的解，都具有较高的精度。表1为JD、YJJQ和GJJQ同文献［9］及文献［10］的一阶无量纲固有频率结果对比。从表中数据可以看出，当跨厚比a/h=5时，JD的误差很大，YJJQ也有较大误差，而GJJQ相比于文献有较好的结果;当a/h=10时，JD误差减小，但仍有较大误差。此时，YJJQ和GJJQ具有较好的精度;当a/h=100时，JD、YJJQ和GJJQ同文献［9］及文献［10］的解都较为接近。由表中数据可知，GJJQ精度高，可靠性好。通常，弹性模量比(E1/E2)、跨厚比(a/h)的改变对复合材料层合板固有频率有影响。以数值分析中的方板为例，图1～图3分别是基于3种理论，层合板一阶无量纲固有频率与弹性模量比、跨厚比的关系。
3层合板固有频率的优化设计
1)优化模型建立及设计变量。基于高阶剪切变形原理，建立层合板固有频率等效模型，再将层合板固有频率等效为单层正交各向异性材料的材料属性。复合材料层合板的减振降噪性能通常受其固有频率影响，而有很多因素影响固有频率，如铺设角度、跨厚比、弹性模量比、湿热等等。对其进行优化设计，能提高层合板的性能。以上例中的层合方板为例，基于高阶剪切变形理论下，对层合板的固有频率进行优化，选择铺设角度作为设计变量。2)目标函数及约束条件。本文以上例材料参数作为层合板的初始参数，以层合板固有频率最大化作为优化目标，文中得到的(8)式则是固有频率的目标函数。铺设角取值范围∈［0°90°］。3)优化设计方法。文中以改进的适应度函数［11］遗传算法对目标函数进行优化。遗传算法引导搜索的主要依据就是个体的适应度值。也就是说，遗传算法依靠选择操作来引导算法的搜索方向。选择操作是以个体的适应度作为确定性指标，从当前群体中选择适应度值高的个体进行交叉和变异，寻找最优解。如果适应度函数选择不当，它直接影响到遗传算法的收敛速度、稳定性及能否找到最优解。本文选择种群规模(NIND)为20;遗传代数(GEN)为40;交叉概率(px)为0．7;变异概率(pm)为0．01;代沟(GGAP)为0．95，采用进化代数固定的终止策略。从图4看出，优化目标值随着遗传代数增加呈递增趋势，优化到第10代时找到全局最优解。优化结果为x=0．735，y=0．769，z=15．31;即θ1=44．5°，θ2=44．9°，为15．31。由表2可知，优化后的效果较明显，ω～11从12．40提高到了15．31。
4结论
通过对复合材料层合板的动态非线性分析、求解固有频率以及优化层合板固有频率，得出以下结论:1)复合材料层合板的固有频率随着弹性模量比E1/E2、跨厚比a/h的增加而增大，当a/h足够大时，固有频率在增加的趋势上变化很小。2)当跨厚比a/h＜20时，不适合用经典薄板理论;当跨厚比a/h＜10时，不适合用一阶剪切变形理论。结果证明，高阶剪切变形理论比经典薄板理论和一阶剪切变形理论的精度及可靠性都更好。3)本研究用改进的适应度函数遗传算法对层合板固有频率优化效果明显。
作者：杨加明 杨水清 雷园玲 单位：南昌航空大学
关键词：井身结构优化；钻井液、油气层保护；固井及完井；特殊工艺井；设计技术
中图分类号：TD265.1 文献标识码：A
1 井身结构优化设计技术
1.1 套管、钻头系列
1.1.1 套管、钻头系列
针对常规井身结构存在的问题，结合目前的钻井工艺技术水平，对与套管、钻头尺寸的选择密切相关的几个方面问题进行了研究和探讨。在借鉴国内外一些成功经验的基础上，提出以下适应不同钻井条件的套管、钻头尺寸组合方案。表1列出了改进的套管、钻头系列，表2是强化的套管、钻头系列。
1.1.2 改进的钻头、套管系列应用情况
在滨南采油厂、东胜油公司等300余口井实施，钻井施工安全并取得了显著的经济效益。
自2001年已在车西、浅海4000m以深的潜山地层中得到广泛的应用，据渤海钻井公司统计，2001年7月以来在该地区共完成该类井19口，平均井深4336m，平均机械钻速7.11m/h，平均建井周期91天，平均钻井周期78天，钻井施工安全，钻井速度和质量比2000年均有大幅度提高，见表3。
改进的钻头、套管系列经实施，可满足油田部分井的施工要求，同时为强化的套管、钻头尺寸系列及现代井身结构的实施，提供了技术依据。
2 钻井液、油气层保护设计技术
2.1 钻井液设计技术
随着油田勘探、开发的不断深入深井、复杂井、特殊工艺井越来越多，对钻井液的性能提出了新的要求。因此针对不同的地区、不同的地层首先要分清楚存在的主要问题，在设计中有针对性地开展相关钻井液技术的研究，在满足解决主要问题的前提下，再研究制定解决其它问题的措施，只有细致地分析可能存在的各种问题，才能设计出合理的钻井液方案。
对于特殊工艺井的钻井液设计，还应通过水平井偏心环空中钻井液螺旋流流场的研究、水平井钻井液携岩机理和流变参数研究、水平井钻井液完井液配方及性能研究，分析总结水平井钻井液的特殊性和不利因素，确定不同条件下钻井液的密度、钻井液流变参数及排量，解决水平井钻井中的岩屑携带、井眼稳定、性能和油层污染问题。
2.2 油气层保护设计技术
研究发现，在钻井液、完井液中加入纤维状油层保护剂可以形成较浅的污染带，从而有利于反排，形成最大的从油层到井眼的渗流通道。使用海水低固相不分散钻井液的保护油层钻井液完井液方案，在应用中见到了良好的油气显示，测试获得了上百吨的工业油流和数万方气，获得了良好的应用效果。
3 固井及完井设计技术
3.1 完井方式
完井方式可以概括为固井射孔完井、裸眼完井、衬管完井、砾石充填完井、水泥浆充填封隔器衬管完井等五大类。目前国内常用的是固井射孔完井方式，其次是筛管完井和裸眼完井方式。
3.2 固井设计
3.2.1 影响固井质量的因素分析
（1）油、气、水窜：由于部分油层孔渗好，产层连通性强，加之油气层保护工作的加强，使固井时井眼中油气非常活跃，此时固井后因水泥浆凝固产生的失重作用，将使油气极易进入套管环空，造成封固不好。（2）漏失：压力系数低于1.0的异常压力系统，如果地层的渗透性强，则固井时极易发生漏失。（3）异常高压地层：由于泥浆密度高、粘切高、流动性差，水泥浆密度只能接近泥浆密度，造成循环压耗高，注替泵压高，顶替效率低，使固井质量难以保证。（4）井眼质量差：钻井中使用钻井液密度都是尽可能低,钻井时井壁掉块严重，固井时井径非常不规则。在这种井眼条件下固井，顶替效率低，固井质量难以保证。（5）封固段长：为了提高勘探、开发效益，一口探井的勘探目的层近年来是越来越多。这使固井时封固段长越来越长，造成固井难度增加。
3.2.2 技术对策
（1）推广应用双级注水泥固井技术，双级注水泥技术可以减少一次注水泥封固段长，从而有利于提高固井质量。（2）流变学注水泥固井：应用流体水力学理论，进行注水泥顶替机理的研究。利用固井仿真系统软件进行注水泥模拟，优化现场流变学注水泥施工参数，提高注水泥顶替效率，达到提高固井质量的目的。（3）低密度水泥浆固井技术：低密度水泥浆固井的关键技术是实现浆体不分层离析，析水小或无析水，水泥石体积收缩小或不收缩，赋予浆体强的触变性，保证水泥浆不漏失，水泥返高达到设计要求。选择性能优良的外掺料和外加剂，配制出浆体固相颗粒分布合理，水泥石早期强度高，达到材料间的良好匹配，实现工程对水泥浆综合性能的要求。
4 特殊工艺井设计技术
4.1 水平井、侧钻水平井设计技术
主要内容：(1)井身轨迹和井身结构设计。具体作法是：在满足油藏特性和地质条件的前提下，根据工具造斜能力，提高造斜井段造斜率，大幅度缩短靶前位移和造斜井段长度，改善井眼摩阻、扭矩及清洗效果，简化套管程序。依据这一原则，建立了二维、三维、多段增斜轨道的设计方法。(2)钻具组合及钻井参数的设计。根据井身轨迹控制技术和井下专用工具研究取得的最新成果，规范了增斜井段和水平段钻具组合选择的方法，以最大限度减少更换钻具组合的次数、求得最佳钻井参数和水力参数为原则进行设计。(3)采用了井口磁场计算、子午线收敛角校正理论和钻柱摩擦阻力、扭矩、正压力计算理论，从理论上保证了设计精度和合理性，并尽量降低摩阻及扭矩。(4)侧钻水平井除满足一般水平井的设计内容，还应增加开窗方式的设计。
4.2 大位移井设计技术
4.2.1 大位移水平井轨道优化设计的原则及方法
（1）大位移井轨道优化设计的两项基本原则：一，具有工程可操作性，即有利于钻井施工、轨迹控制、井下安全和轨道的实现。二，摩阻和扭矩最小。（2）用计算机模拟技术，进行了多种轨道设计和摩阻、扭矩模拟计算及对比分析。进而优选造斜点、造斜率、稳斜角等轨道参数。
4.2.2 设计技术应用
在位移较大的定向井或水平井设计中，按照优化设计的两项原则对井身结构和井身轨道进行优化设计，采用悬链线轨道和优选的轨道参数有效地减少了摩阻和扭矩。在钻井实践中，不论是钻井施工过程还是下套管过程中，摩阻和扭矩都跟预计的相接近，效果十分明显，证明了工程设计的技术方法和优化设计原则是正确的。
5 结论及建议
随着钻井技术的进步，中原油田的钻井工程设计水平有了一定的提高。钻井工程设计是一项系统工程，需多方面的协同配合，要求决策者及设计人员具有较高的知识水平，因此在今后的工作中要加大理论研究成果的应用，不断完善钻井工程设计手段。钻井工程设计在推广应用成熟的工艺技术的同时，肩负着“超前研究、提前储备，使科技先导作用始终贯穿生产发展全过程”的任务。因此，我们必须加大科技攻关力度，扩大与国内外的技术合作。
参考文献
[1]钻井工程理论与技术[M].石油大学出版社，2000.8.
关键词：真空预压 有限元 沉降 水平位移
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
0引言
我国东部沿海地区和部分内陆地区分布着大量的软弱土层。软土通常具有含水量较高、渗透性差、承载力不足、分布不均匀等特点，不能满足工程建设的需求。若在此类天然地基上修建建筑物，地基会产生相当大的沉降和沉降差，而且地基的沉降变形历时可能很长，将会持续的影响建筑物的正常使用。因此，这类地基通常需要进行加固处理。目前较流行的软基处理手段有真空预压法、强夯法以及复合地基等。其中真空预压具有低成本、加固效果好、工期短等优点，被广泛运用于软基处理。
本文以某工程实例为依据，利用ABAQUS软件建立合理的有限元模型，对真空预压加固软基的过程进行数值模拟，对软基的处理效果进行研究，并通过加固区外土体的变形对影响范围进行讨论。数值分析中，采用砂井地基砂墙化的等效方法，通过调整渗透系数，根据比奥固结理论，对砂井地基进行平面应变有限元分析。材料的本构模型采用线弹性模型。将数值计算的结果与实测数据进行对比，对模拟的合理性与加固效果进行评价。
1 真空预压加固机理
真空预压的加固机理研究较为成熟，取得了显著的成果[2]。本文只列出目前比较成熟、有代表性的两种理论。
1.1负压固结理论
陈环[[3] 陈环. 真空预压法机理研究十年[ J].港口工程,1991, (4): 17- 25.][3]等人提出的负压固结理论，认为地基的固结是在负压条件下进行，负压产生的同时，排水通道与土孔隙之间形成压力差，使土体中发生向边界的渗流。根据有效应力原理，有
(1)
由于真空预压过程总应力并未有任何变化，所以对(1)式求导并移项可得
(2)
可见渗流过程中土体孔压的降低而有效应力不断得到增长，土体产生排水固结。
1.2真空渗流场理论
龚晓南[[4] 龚晓南, 岑仰润. 真空预压加固软土地基机理探讨[J]. 哈尔滨建筑大学学报, 2002, 5( 2) : 7-10.][4]等人提出了真空渗流场理论，认为真空预压下地基土体中形成真空流体。真空流体只在较大的土体孔道中流动，此时排出的水只是较大孔道中的重力水，重力水的排出并不等效于通常意义上的固结。而当地下水位降低后，使得上覆土层自重应力得到增加，土体中更为细小孔道中的水承受了超静孔压后才逐渐排出，产生固结现象。
在负压固结理论中，认为抽真空产生的负压是通过流体传递的，也是孔隙压水压力。真空渗流场理论中，认为抽真空表面可以作为恒定负压边界条件。根据真空预压的固结理论，在进行数值模拟时，我们通常将抽真空边界当作孔压边界来处理，即在加固区范围内边界节点，令其孔隙水压力为膜下真空度值。
2 平面应变有限元分析
2.1 地基等效方法
采用有限元对砂井地基进行模拟分析时，严格来讲应按三维固结问题来计算。但三维有限元分析过于复杂，考虑的问题较多。平面应变有限元分析则相对简便，应用起来也方便。将三维砂井固结问题转化为平面应变问题主要是依据固结度等主要基本量不变的原理，目前对砂井地基的处理主要有两种方法：一种是将整个砂井地基简化成渗透系数较大的均质地基来进行计算[[5] Harvey J A F. Vacuum drainage to accelerate submarine consolidation at Chek Lap Kok, Hong Kong[J]. Ground Engineering, 1997, (6): 34- 36.][5]；另一种就是砂井地基砂墙化的方法，通过渗透系数和砂井间距的等效调整来达到简化的目的[[6] 赵维炳, 陈永辉, 龚友平. 平面应变有限元分析中砂井的处理方法[J]. 水利学报, 1998, (6): 53- 57.][6]。
文献[6]中以巴隆理论为基础，考虑砂井地基双向应变双向渗流的影响，推导出了砂井地基与砂墙地基的等效方法，只需要调整实际砂井地基的双向渗透系数即可实现砂井地基的平面应变有限元分析。其等效公式如下：
其中、分别为水平向和竖向渗透系数的调整系数；
式中：；，B为砂墙间距的一半，为涂抹区外缘离中心的距离，为砂墙厚度的一半；砂井间距的放大倍数，；，涂抹区渗透系数；；为砂井的井径比，为砂井的有效排水半径，为砂井半径；为涂抹区半径与砂井半径之比，为单井排水有效半径；为泊松比。取为0.35，砂井地基参数调整见表1。
表1砂井参数调整
2.2 工程概况及地质条件
某污水处理厂拟建场地为新近围垦而成，场地类型属于海陆交互相沿海滩涂地貌，场地平缓。地基采用真空预压法处理，竖向排水体为袋装砂井，正方形布置，井深15m，间距1.2m，地表铺设60cm的中粗砂垫层作为水平向排水通道。加固区周边开挖深1m左右的压膜沟，确保密封膜下的真空效果。场地主要土层分布如下：第一层以粘性土为主，局部呈砂土状，灰黄色，松散，部分稍密，厚度0.7～1.8m；第二层为淤泥，灰黑色，流塑，土质不均匀，局部混较多粉细砂，近淤泥质粉质粘土混砂，厚度6.4～9.6m，属高压缩性土，为本次预压加固的主要对象；第三层为粉质粘土，灰～灰黄色，局部呈蓝灰色，饱和，可塑～硬塑，厚度3.0～4.7m；第四层为残积砂质粘性土，以灰黄～灰白色为主，可塑～硬塑。土质不均匀，厚4.0～8.8m。
表2 主要土层物理力学参数
2.3 有限元模拟
利用场地对称性，取整个加固区的一半进行建模，地基计算宽度为100m，其中50m为加固区，50m为影响区。根据土层条件以及真空预压的影响深度，计算深度取30m。模型单元类型采用考虑孔隙流体的CPE4P单元，砂井参数的调整见表1，加固区内共设置9道砂墙。计算模型的网格划分如图1所示，加固区网格划分比影响区稍密。
图1 模型网格划分
边界条件设置：模型左侧为加固区中心，假设没有水平位移，只有竖向沉降，右侧也无水平位移；底部为无位移边界；左右两侧及底部均不透水；模型表面为自由排水边界，但需划分为两部分，一是加固区内的边界结点，根据真空预压的加固机理，令其孔隙水压力等于膜下真空度值，二是影响区设为孔压为零的自由透水边界。
根据现场监测情况显示，膜下真空度3～5天左右即能达到并稳定在设计要求的80kPa，除停电或电路检修外，真空度无异常变化。所以本文在模型里将加固区内孔压值的大小设为80kPa。
3 模拟结果及分析
3.1 地基沉降分析
地基沉降变形云图如图2所示，从图2中可以看出，地基沉降变形呈典型的锅底状。即地基加固区内中心沉降最大，随距离向加固区外沉降逐渐递减。地基最大计算沉降达61.7cm，到加固区边缘处沉降也有10.7cm。从图3实测和模拟计算得到的沉降时程曲线来看，计算结果和实测值有一定偏差，但两者的变化趋势是一致的，实测停抽真空的最终沉降为59.5cm，与计算值也比较接近，说明模型的建立是正确的，模拟是成功的。
图2沉降变形云图
图3 地基实测与计算沉降时程曲线
影响区地表沉降随距离变化曲线如图4所示，可见，随着距离加固区边缘越来越远，地基表面沉降大幅度减小，但在12m处地表沉降仍有3cm左右，可见加固区沉降变形会对影响区地基变形产生一定的附加影响。
图4 影响区地表沉降随距离变化曲线
3.2 水平位移分析
图5为停抽真空前的地基水平向变形云图。实际抽真空时由于加固区产生固结收缩，影响区一定范围内土体会产生向负压源的位移，从图5来看，水平位移在加固区边缘地表处最大，随土体深度的增加逐渐减小，水平方向上影响距离较远，位移为负值，表明土体在水平方向上向加固区收缩，模拟结果与实际情况一致。
图5 水平向变形云图
图6为加固区外测斜管的深层水平位移实测值与计算值的对比曲线。从图6反映的情况也可以看出，水平位移值在地表最大，并沿深度递减。实测数据显示水平位移在深度12m以上的影响较大，占到砂井打设深度的80％，说明此影响深度与砂井打设的深度有一定关系。计算值比实测值偏大，可能是真空预压的模型以及计算参数与实际土层情况存在差异造成的，但整体变形规律是一致的，说明有限元计算是合理的。
图6 实测与计算深层水平位移曲线
影响区地表土体的水平位移随距加固区边缘距离变化曲线如图7所示。从图7中可以看出，地表最大水平位移随着与边缘距离增大而快速衰减，基本呈线性变化减小。对曲线进行线性拟合可得到水平位移与距离的变化关系，该拟合曲线与坐标横轴的交点约为29.8m。由此可以看出，真空预压施工对周围土体影响是较大的，若影响区内有其它重要工程，应对影响区采取必要的防护措施。目前常用的措施有打设围护桩或开挖应力释放沟。
图7 影响区地表水平位移随距离变化曲线
4 结论
（1）采用砂井地基砂墙化的方法，将砂井地基固结问题转化为平面应变问题，计算结果与实测值较为一致，表明建立的真空预压模型是正确的，能够较真实的反映工程实际情况，合理的计算结果可为实际施工或设计提供参考。
（2）分析沉降和深层水平位移的计算结果，其变形规律与实际情况相同，符合真空预压的加固机理，即加固区内沉降最大，周围土体会产生趋向负压源的水平向变形和一定程度上的竖向变形，沉降和水平位移值均在地表处最大，随着距加固区边缘距离增大逐渐衰减；随着土层深度的增加亦逐渐减小。
（3）对影响区的地表沉降和水平位移分析表明，真空预压对周围土体变形有一定影响，必要时应采取有效的措施减小其危害。
参考文献：
[1] 岑仰润. 真空预压加固地基的试验及理论研究[D]. 杭州: 浙江大学建筑工程学院, 2003.
[2] 刘松良. 真空预压加固机理的研究[D]. 天津: 天津大学, 2009.
[3] 陈环. 真空预压法机理研究十年[ J].港口工程,1991, (4): 17- 25.
[4] 龚晓南, 岑仰润. 真空预压加固软土地基机理探讨[J]. 哈尔滨建筑大学学报, 2002, 5( 2) : 7-10.
一、加强投资体制改革与固定资产投资审计势在必行
2004年7月国务院颁布了《关于投资体制改革的决定》（以下简称《决定》）论文，标志着我国的投资体制改革进一步走向深入。《决定》特别指出：“审计机关要依法全面履行职责，进一步加强对政府投资项目的审计监督，提高政府投资管理水平和投资效益。”为了切实履行《审计法》、《审计法实施条例》所赋予的监督职责，落实《决定》对审计机关提出的新要求，审计机关有必要加强固定资产投资审计，其理由如下：
（一）固定资产投资审计可以为政府完善投资决策提供重要依据。近些年来，国家对于水利、交通、电力、城市基础设施等公共领域的固定资产投资规模日益扩大。
固定资产投资对于国民经济增长有着巨大的拉动作用，但同时也极易造成经济过热，增大经济运行的系统风险，那些盲目投资、低水平重复建设行为更是浪费社会资源、贻害无穷。固定资产投资审计可以加强对于政府投资活动的监控，通过对于项目立项、论证过程的事前监督，阻止不合理投资项目的上马，还可以提供关于投资项目效益的重要信息，促使各级政府在投资活动中慎重行事，经济有效地使用公共资金。
（二）固定资产投资审计可以提高公共资金的使用效益。固定资产投资审计是关于投资项目真实性、合法性和效益性的审计，其中效益性是审计重点。《审计署2003年至2007年审计工作发展规划》提出“固定资产投资审计以效益审计为主，促进提高建设资金的管理水平和投资效益，深化投融资体制改革”。2003年由中国内部审计协会主办的全国投资审计理论研讨会则得出一个重要共识：投资的浪费是最大的浪费，固定资产投资审计是最大的经济效益审计，应成为实施经济效益审计的突破口。固定资产投资审计通过对于投资项目的事前监督、事中控制和事后评价，保证公共资金能够投向最具经济、社会效益的投资项目，并保证投资资金运用过程的经济性、效率性和效果性。
（三）固定资产投资审计可以遏制投资与建设领域的腐败现象。由于固定资产投资活动本身的复杂性所造成的监督困难，以及监督体系建设滞后于固定资产投资规模迅速扩大的现实，使得固定资产投资和建设领域成为腐败滋生的“温床”。一个典型的例子是，河南省的三任交通厅厅长均因为在工程项目审批中受贿而“落马”，可谓“前腐后继”。绝对的权力必然带来绝对的腐败。国家审计机关通过开展固定资产投资审计，可以确定有关单位和个人在投资活动中的经济责任，约束对于政府投资权力的滥用，从而有利于防止经济犯罪、反腐倡廉。近几年，国家审计机关在固定资产投资审计中发现了大量的违法乱纪现象，向司法机关提供了不少经济犯罪大案要案线索管理论文，使一批贪官和“蛀虫”落入法网，为政府廉政建设作出了重要贡献。
二、固定资产投资审计存在的问题及其成因
（一）固定资产投资审计覆盖面不够广、力度不够大。近些年来，国家对于基础设施等公共领域的固定资产规模日益扩大，但审计机关能够进行审计的投资项目占项目总数的比重、经审计的投资金额占投资总金额的比重还相当低。以湖北省为例，湖北省国家审计机关2003年至2004年共审计国家建设项目655个，审计投资总额292.9亿元，仅占全省国家固定资产投资总额的15.8%.造成这一问题的原因可能有以下几条：第一，地方政府未明确审计机关在国家建设项目投资监督体系中的主导地位，监管权力分散在财政、交通、城建及其他行业主管部门手中，审计机关的监督权力受到一定的限制；第二，审计机关受人员和经费的限制，没有足够的审计力量对国家投资建设项目全面加以审计；第三，审计系统内部的资源整合程度不高，一些地方审计机关即使可以安排出审计力量，也往往因为审计管辖权的限制而无法对上级政府在地方上的投资项目进行审计，形成了不少“审计盲角”。
（二）固定资产投资审计人才短缺，现有审计人员队伍知识和能力结构不合理。固定资产投资审计涉及的审计事项复杂、专业性强。例如，为了对工程造价进行审计，需要审计人员具备工程造价方面的专业知识和执业资格；为了对工程合同管理的情况进行评价，审计人员需要具备合同法等法律方面的知识和经验等。然而，审计机关目前懂财务的人员比较多，懂工程、法律的人员比较少，既懂工程又懂财务的人员少之又少。造成这一现象的原因可能有：第一，审计机关平时没有重视相关人才的培养和储备；第二，1999年底，原附属于各级审计机关的审计事务所全面完成“脱钩改制”，带走了不少工程技术方面的专业人才；第三，国家审计人员属国家公务员编制，其报酬相对固定，难以吸引工程造价师等专业人才加入审计人员队伍。
（三）固定资产投资审计的审计质量有待提高，表现在以下几个方面：第一，对于固定资产投资项目的真实、合法性审计比较多，着重于查错防弊，对于效益审计重视不够；第二，对于固定资产投资项目事后审计比较多，事前介入和事中控制不够，特别是对投资项目选择的决策过程难以施加影响；第三，固定资产投资审计科学性不强，审计人员的工作缺乏客观标准，主观判断多，审计风险难以得到有效控制；第四，固定资产投资审计就事论事多，为各级政府宏观决策和管理服务的职能发挥不够等。
造成上述问题的原因可能有：第一，审计人员的观念和意识不到位，没有将固定资产投资审计向效益审计、全过程审计扩展的观念，也没有树立“跳出审计谈经济，围绕经济搞审计”的意识；第二，固定资产投资建设市场秩序较为混乱，违法乱纪现象比较多，这客观上使审计人员不得不侧重于真实、合法性审计，从而无法抽出足够的审计力量开展效益审计；第三，关于固定资产投资审计尚未形成具有操作性的准则和指南，对于固定资产投资效益审计的理论研究和经验总结做得尤其不够。虽然2001年审计署了《审计机关国家建设项目审计准则》，但这份准则的规定比较原则、抽象，对于固定资产投资效益审计也强调不多，审计人员在具体工作中仍然感到缺乏依据和标准。
三、改进固定资产投资审计的对策
固定资产投资审计已成为国家审计机关的工作重点。为了改进审计机关的固定资产投资审计工作，我们提出如下政策建议：
（一）各级政府应重视审计机关在固定资产投资监管体系中的主导地位，通过法规、政策来保证审计机关在固定资产投资审计中享有足够的权威。2004年，深圳市政府和人大专门出台了《深圳经济特区政府投资项目审计监督条例》（以下简称《条例》），这种就政府投资项目审计问题专门制定地区性法规的行为在全国实属首创。
《条例》要求审计机关对于所有政府投资项目实行全面审计监督，即对于投资额大、关系国计民生项目实施各环节的全面审计，对于其他项目则实施项目竣工决算必审制，并按照突出重点的原则有选择地实施项目前期审计和项目预算执行审计；《条例》的另一大特点是对于政府投资项目的绩效审计单独做出规定，为全面推行投资项目绩效审计提供了坚实的法制保障。在加强对于政府投资项目的审计监督、规范投资行为、提高投资效率、促进科学决策、充分发挥政府投资项目的社会效益和经济效益方面，深圳市的经验可资借鉴。
（二）建立政府重点投资项目的审计员派驻制度，实现对于重点投资项目的全过程审计。只有将审计延伸到项目决策、论证、实施、评估、验收的全过程，才能最大限度地发挥审计机关监督公共资金真实、合法、有效使用的职能。然而，实施这种全过程审计面临着诸多困难，很难有效协调审计机关的审计活动和投资项目运作过程中大量相关单位的工作。目前，已有一些审计机关在当地政府的支持下，探索实施政府重点投资项目的审计员派驻制度。其基本做法是：由地方政府出台关于重点建设项目派驻审计员的专门规定，审计机关按照规定派出审计员进驻重点建设项目的工作现场，对建设项目实施从勘察设计到竣工验收的全过程跟踪审计。实践证明，审计员派驻制度有助于加强重点建设项目的审计监督，值得推广。
（三）采取多种途径，加强固定资产投资审计的人才培养和队伍建设。配备充足、合格的审计人员，是审计机关有效开展固定资产投资效益审计的基本条件。为了缓解目前固定资产投资审计人才短缺的不利局面，审计机关可以采取如下途径来加强人才队伍建设：第一，人才的外部引进，即适当增加编制，用于引进审计机关所亟须的工程技术人才，尤其是既懂工程技术又懂财务审计的复合型人才；第二，人才的内部培养，一方面要通过各种培训，使审计人员能够更新观念、知识和技能，尽快适应开展固定资产投资审计工作的需要，另一方面则可以通过一定的奖励措施，鼓励审计人员自学专业知识，获取专业资格证书；第三，系统内部的人才整合，即上级审计机关对于享有审计权限而又人手不够的固定资产投资审计项目，可以委托或者授权下级审计机关来办理；第四，建立外部人才网络，即与会计师事务所以及其他中介、咨询机构中的技术专家建立稳定的合作关系，在必要时可以聘请他们参与对于重点建设项目的审计工作。
（四）加强固定资产投资审计的规范化建设，为实务工作提供客观标准和指南。科学合理的固定资产审计准则、实施细则和其他规范，能够反映理论界的研究成果和实务界的实践经验，帮助审计人员在业务开展过程中保持应有的职业谨慎并恰当合理地开展审计工作，从而提高审计质量，降低审计风险。固定资产投资审计的规范化建设是目前亟待加强的工作，我们的具体建议如下：第一，建议审计署制定《审计机关国家建设项目审计准则》的实施细则，及时总结各地审计机关开展固定资产投资审计的先进经验和优秀案例，为审计人员提供具有操作性的指南；第二，建议审计署和财政部、建设部等部门合作，联合制定有关固定资产投资的绩效评价标准，作为审计人员开展固定资产投资审计、特别是投资效益审计的依据；第三，建议各级审计机关在审计署制定的审计准则及实施细则、财政部的《内部会计控制规范-对外投资（试行）》和《内部会计控制规范-工程项目（试行）》基础上，根据本单位开展固定资产投资审计的实际情况和需要，制定本单位的固定资产投资审计工作规范。
（五）审计机关内部应加强固定资产投资审计的质量控制工作。在相关的准则、规范不够健全的情况下，审计机关尤其需要通过内部的精心组织和安排，强化固定资产投资审计的质量控制工作。具体而言，第一，在制订审计计划时突出重点并把握投资项目的风险高发环节，要把好固定资产投资审计的九个“关口”，即立项决策关、勘察设计关、招投标关、合同控制关、施工过程控制关、质量监理关、竣工验收关、决算关、监督检查关，在各个“关口”均应设计必要而合理的审计程序，配备充足的审计力量；第二，在固定资产投资审计过程中，在实施主审负责制的基础上，加强对于审计小组成员、外部专家工作的督导；第三，对于固定资产投资审计结果严格实施“三级复核制”，做到审计证据充分有力、审计结论科学合理、审计意见恰当可行。
[参考文献]
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[2]中华人民共和国审计署。审计机关国家建设项目审计准则[EB/0L].2001.
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[6]程午生。固定资产投资审计[J].审计研究，1996
关键词：预应力 梁板结构 基座 固有频率 导纳 有限元
中图分类号：U661.44 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）09（a）-0103-04
Analysis of pre-stress influence on base vibration characteristic
LI Ming
（Equipment Department of Naval North Sea Fleet，Qingdao 266000，China）
Abstract：The pre-stress induced by installed machine will affect vibration characteristic of base. The base is mostly composed by beams and plates， the pre-stress influence on natural frequency and admittance of simply supported beam and plate is analyzed by theoretical derivation firstly， then the validity of using FEM to calculating pre-stressed structure vibration characteristic is confirmed， after that the pre-stress influence on stiffened plate is analyzed by FEM. The effect of installed machine on vibration characteristic of fresh water pump base fixed on rigid bench and floating raft base fixed on submarine is analyzed finally. The conclusion is that the effects of pre-stress on beam-plate assembly can’t be neglected， especially when the frequency is low； The pre-stress effect on fresh water pump base is evident in the frequency of peak value， especially for the transmission admittance and pre-stress effect on the floating raft base can be neglected.
Key words：pre-stress beam-plate assembly base natural frequency admittance FEM
在进行设备振动传递、振源特性等方面的研究时，设备安装基座的机械导纳（速度导纳或加速度导纳）是重要参数，一般忽略设备安装导致的预应力对基座刚度的影响，以裸基座导纳代替实际条件下的基座导纳[1]，这对计算分析带来多大误差是值得考虑的问题。此外实际测量设备安装条件下的基座导纳时会因设备质量块的存在影响真实激励力的计算，有限元在计算基座中低频导纳时有其优势[2]，该文亦利用有限元方法计算基座导纳。
国内外已有不少学者对预应力作用下梁、板结构的振动和稳定性问题进行了研究。Bokaian为了便于工程应用，给出了各种传统边界条件下轴压和轴拉等截面梁频率随轴向载荷的变化曲线图[3]。吕中荣计算了预应力对预应力梁振动特性的影响，指出预应力主要影响低阶模态，并且对位移响应的影响比对速度和加速度响应的影响大；预应力越大，其对振动响应的影响就越明显[4]。姜劲枫分析了预应力对梁、板弯曲振动固有频率的影响，指出影响大小与预应力、约束方式和计算的模态阶次有关[5]。Matsunaga采用二维高阶剪切理论，研究了含预应力厚板的动力学特性和稳定性问题，并对不同长厚比的弹性厚板在不同阶次的位移近似下得到的结果进行了比较[6]。
基座主要由梁板结构组成，该文在借鉴前人研究成果基础上从理论推导出发分析了预应力对梁、板振动特性（固有频率和机械导纳）的影响，并结合有限元方法计算了预应力作用下加筋板的振动特性，最后分析了安装设备对基座振动特性的影响，相关结论可为基座导纳工程测量提供参考。
1 梁、板结构的基本理论
该文以简支梁和简支板为研究对象，以经典的Bernouli-Euler梁理论、Poisson-Kirchhoff薄板理论作为理论基础，定性分析预应力对梁、板振动的影响[7]。
1.1 Bernouli-Euler梁理论
梁的变形主要是弯曲变形，忽略剪切变形以及截面绕中性轴转动惯量的影响，在预应力作用时（见图1）基本运动方程为：
（1）
分别为变形量、弹性模量、转动惯量，梁密度、横截面面积以及外载荷。
1.2 Poisson-Kirchhoff薄板理论
Poisson-Kirchhoff薄板理论是最为常用的板理论，能满足工程与应用精度要求，在单向预应力作用时（见图2）基本运动方程为：
（2）
，为板厚，为泊松比，拉普拉斯算子。
2 预应力对梁、板固有频率的影响
2.1 预应力对梁弯曲振动固有频率的影响
考虑预应力时梁的振型方程为：
（3）
对简支梁而言，无预应力时的阶自振频率，影响系数，临界压力，为梁的长度。
梁基本参数如下：kg/m3，， Pa，
，为截面宽度，为截面高度，，梁材料损耗因子为0.01。可得不同预加载荷下梁的固有频率，见表1。
2.2 预应力对板弯曲振动固有频率的影响
讨论单向均布压力作用下简支矩形板的自由振动即基本运动方程，则方程（2）变为：
（4）
相应的振型方程为：
（5）
，设满足边界条件的振型解为：，
，代入振型方程，因，可得固有频率解：。其中为无平面力频率，为临界压力，平面力修正系数。
板基本参数如下： kg/m3，Pa，m，长m、宽m，材料损耗因子为0.01。可得不同预应力下板的固有频率，见表2。
由表1和表2的计算结果可知，在预加压力的作用下，梁、板的固有频率降低，压力越大影响越明显，并且低阶模态对预加载荷更为敏感。
3 预应力对梁、板导纳影响
在计算预应力对简支梁和简支板固有频率的影响之后，进一步分析预应力对简支梁、板导纳的影响，可以更为深入的了解预应力作用下梁板结构的振动特性。
3.1 预应力对简支梁导纳特性的影响
由模态叠加法可得简支梁在外载荷作用下加速度导纳：，其中振型。以2.1节简支梁为研究对象，取，计算处的原点导纳，见图3。
3.2 预应力对简支板阻抗特性的影响
由模态叠加法得简支板在外载荷作用下加速度导纳：。以2.2节简支板为研究对象，计算激励点原点导纳，见图4。
由图3、图4可知，梁、板的原点导纳曲线的峰值频率在预加压力的影响下向低频区移动，并且对应的峰值并不相同，导纳值在峰值频率附近差别加大，其余频段影响较小；在预应力影响下板导纳曲线的峰值频率增加，因无预应力导纳曲线的峰值频率与阶模态频率相对应，对方板而言阶模态频率与模态频率相同，但在预应力的影响下二者不再相同，因此会多出一个峰值频率；由预应力下简支板频率公式可知当即方向的半波数少于向的半波数时预应力对模态频率的影响降低，图4中曲线中的205 Hz，410 Hz两个峰值频率对应（1，2）阶和（1.3）阶模态频率，其向低频的偏移量较其它峰值频率点要小很多。
此外，由简支梁、板导纳公式可知，在频域内利用位移导纳和加速度导纳评价预应力对梁板结构振动特性的影响是等价的。
由上述分析得到了简支梁、板在预应力作用下的基本振动特性，为更好的了解预应力对板梁组合结构的影响，下文利用有限元方法分析预应力作用下加筋板的振动特性。
4 有限元方法验证
首先验证有限元方法计算预应力结构振动特性的可行性和准确性，以2.2节中简支板为计算对象，固有频率和原点导纳（激励点为（0.1，0.1）的对比见表3和图5。
由表3和图5可知固有频率的计算值与理论解基本一致；预应力作用下的导纳曲线除在第一个峰值和谷值频率处有5 dB的误差，整个计算频域内吻合较好，从而验证了有限元方法的准确性。
5 预应力对加筋板振动的影响
加筋板尺寸：平板长m、宽 m，厚 m，两根方形梁作为纵向加强筋将平板沿向平均分为3部分，材料损耗因子为0.01，梁截面尺寸为 m2，加筋板四边简支，有限元模型见图6。加筋板临界压力的精确解较难得到，同时为方便与相同尺寸的平板比较，此处取为平板临界压力。预应力沿方向，激励点为，利用有限元方法得到不同预应力下加筋板的固有频率及导纳曲线，分别见表4及图7。
由表4和图7可知，在方向预加压力作用下加筋板固有频率降低，但由于纵肋的加强作用预应力对加筋板的影响较平板减弱；导纳曲线的部分峰值向低频偏移，主要原因为对平板而言当振动在方向的半波数小于方向的半波数时预应力效应降低，同时纵肋主要增强板的第一弹性主向即方向的刚度，因此当时预应力对该阶模态频率的影响很小，导纳曲线上与之对应的峰值频率基本不变。
6 设备安装对基座导纳的影响
为深入分析设备安装引起的预加载荷对舰艇基座振动特性的影响，分别计算了淡水泵基座以及实艇浮筏基座的导纳特性。前者为简单板梁组合结构，通过螺栓固定于刚性平板上，模拟基座的刚性台架试验；后者主要是分析实艇测试条件下设备安装对基座导纳的影响。
6.1 淡水泵基座导纳计算
淡水泵基座的有限元模型见图8，淡水泵与基座的连接简化为点连接，设备重1.6 t，a，b，c，d为水泵与基座的连接点。
首先计算了裸基座和设备安装时基座的固有频率，见表5；然后计算了安装点a的原点导纳和a到c的跨点导纳，见图9。
由表5可知，在淡水泵安装条件下基座的固有频率有所下降，尤其是低阶模态。由图9可知淡水泵基座的原点导纳和跨点导纳曲线在设备安装条件下峰值频率向低频偏移，在峰值频率附近差别较为明显尤其是跨点导纳，其余频率处影响较小。因此当淡水泵基座安装在刚性台架上测量其导纳时，要考虑设备安装引起的预应力对其导纳的影响。
6.2 实艇浮筏基座的导纳计算
以实艇浮筏基座为研究对象，有限元模型见图10。筏架与设备总重7.8 t，筏架通过6个隔振器与基座联结，视为点接触，图10中a-f即为连接点。
首先对裸基座和设备安装条件两种情况进行模态分析，见表6。结果表明基座低阶模态主要表现为壳体的整体振动，垂直作用于基座板平面的预加载荷对模态的影响很小。
进一步计算点b原点导纳和点b到点f的跨点导纳，见图11。
由图11中可知设备安装对实艇基座的导纳特性基本没有影响。在工程实际中基座和舰艇均有不同形式的加强结构，如肘板、环肋等，并且安装与实艇的基座在中低频主要表现为整体模态，预应力对高阶模态的影响又很小，因此在实艇测量基座导纳时可以不考虑设备安装带来的预加载荷对其造成的影响。
7 结语
该文研究表明预应力会影响梁板结构的振动特性，影响程度取决与预应力大小、分析频段；对加筋板结构而言还取决与筋的布置形式及预应力方向。设备安装引起的预应力对刚性台架上的淡水泵基座导纳的影响较为明显，尤其是跨点导纳，影响频段集中在峰值频率附近，其余频段影响很小；设备安装对实艇浮筏基座导纳的影响很小，可以用裸基座导纳代替设备安装条件下的基座导纳。设备安装对基座导纳影响的大小主要取决与基座刚度和预加载荷大小，对加强结构如加强筋、肘板较多的基座预加载荷对其振动特性的影响会降低，因此在工程实际中是否需要考虑设备安装对刚性台架上的基座导纳的影响可以根据实际情况确定，当预应力的数量级与基座的临界压力数量级相同或接近时就要考虑设备安装的影响，否则亦可以用裸基座导纳代替设备安装条件下的基座导纳。
参考文献
[1] 原春晖.机械设备振动源特性测试方法研究[D].武汉：华中科技大学，2006.
[2] 黄惜春，吴崇健，胡刚义，等.用有限元法计算基座阻抗[J].舰船工程研究， 2004（3）：1-6.
[3] Bokaian A.Natural frequencies of beams under tensile axial loads[Jl.Journal of sound and vibration.1990， 142（3）：481-98.
[4] 吕中荣，罗绍湘，刘济科.预应力对预应力梁振动的影响[J].中山大学学报（自然科学版），2006，45（2）：119-120.
[5] 姜劲枫，王柏生.预应力梁、板弯曲振动固有频率的研究[J].工程力学， 1996（A2）：439-443.
1.1 选题背景及意义
钢筋混凝土结构是目前人类使用最为广泛的结构形式,例如目前在我国混凝土的使用量已达到 500 多亿立方米,并且每年还在以相当大的速度增加。在工业建筑中其运用更为广泛 ,但是由于人为因素,自身老化和地理条件等影响结构在使用 30-50 年之后会出现一定的损伤和安全隐患。在这种情况之下,推倒建筑物重建需要投入大量的资金,一般采取加固措施或进行加层来降低产生安全事故的概率[1]。混凝土加固技术发展至今已经有了几十年,从二战结束到如今混凝土加固技术大致经历了三个发展阶段[2],第一个阶段为房屋的大规模新建阶段,由于二战的进行,大规模的房屋倒塌,在二战结束之后需要新建大量的房屋。第二个阶段为旧房屋加固改造和新房屋大规模建设并行阶段,随着技术的发展和人们生活质量的提高,以前老旧的建筑已经不能满足人们的要求,这就需要对旧建筑进行大规模的改造与加固,同时由于不断增加的人口数量,旧有的房屋数量也不能满足居住要求,需要建设大量的房屋来满足要求。第三阶段为房屋的维修加固和现代化改造阶段,这阶段产生的原因主要是越来越多的结构老化和旧有的结构形式不能满足现代化的生产生活要求。我国也会经历这三种阶段,根据现阶段的国情我国正在处于建设的第二阶段,并且逐渐的在向第三阶段过渡,我国现有的接近 500 亿平方米的房屋中一半房屋有老龄化现象,其中百分之二十到四十的房屋需要进行相应的加固处理才能使其满足正常的生活和工作要求。所以结构鉴定和加固技术的研究在国家的建设发展中逐渐显得越发重要。 结构的加固技术随着房屋的结构学发展而发展,结构加固有多种原因,第一由于混凝土或砌体结构的设计理论是极限状态设计法,这种设计方法需要满足结构的安全性,适用性和耐久性等设计要求,但是由于施工质量和施工中各种限制等,最终的结构并不能够满足各种需求。比如由于施工方案选取不当,或者设计方案选取不当或者是由于在施工过程中结构的设计规范各种指标要求提高,再或者由于在施工过程中偷工减料使得结构中产生缺陷而导致结构耐久性和承载力不足。第二,有些结构在施工过程中由于种种原因需要改变其使用用途,导致结构的荷载分布和荷载大小都与原结构不同,从而使得结构的刚度和承载力不能满足要求,所以需要对现有结构进行相应的加固。第三,我国现阶段有许多混凝土结构使用了 20 -30 年,结构已经产生了老化现象,其承载力和刚度在环境的影响之下都有一定程度的下降,针对这种情况需要对结构采取加固措施以保证其正常的使用。 最后由于人为或者自然灾害等原因比如地震,台风,海啸等对结构造成一定的损害,结构需要进行相应的加固[3-5]。
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1.2 国内外研究现状
我国的混凝土加固处理起始于上个世纪五十年代,随着我国五十年代大批建造的工业厂房,民用建筑等的老化,还有频繁的自然灾害,近些年来加固技术得到了非常大的发展。我国在多年对自身建筑物加固和对外国加固技术的学习当中,已经研究出了一套符合我国国情的加固方法,随之形成了比较配套的,系统的加固技术和工艺,同时还颁布了一系列的结构加固规范,如:《混凝土结构加固规范》等。但是近些年来,我国技术人员习惯于使用固有的加固技术,缺少对理论的进一步理论研究,加固水平提升较慢,总的来说我国的加固技术水平相对于西方国家来说还是较低,结构加固还有以下一些问题需要解决: (1)我国缺少结构加固的相关软件,在国外已经有一些被称为建筑指纹系统的结构智能分析系统用于结构的检测和分析,我国虽也有一些加固软件但是仍有许多的不足需要完善。 (2)从事实际结构加固的人员一般都是从事基础建设的施工队伍,缺少相应的理论知识和工作经验,由于加固的复杂性,在实际的施工过程之中很有可能与设计图纸的要求产生偏差,造成实际结构和设计结构不同,从而达不到规范要求的情况。 (3)我国虽然有了一套加固规范,但是还是没有形成一整套结合了结构检测、鉴定和评估,加固方法,施工和质量评估等各个环节的完整标准体系。 (4)结构在加固之后其存在着二次受力问题,如:由于加固之前结构中已经存在着一定的弯曲和压缩变形,新加的结构部分要在施加了荷载之后才会出现应力,应变,所以新加的结构有一定的应力、应变滞后现象,导致新旧结构不会同时达到应力峰值,这就需要在结构加固前进行力的卸载。新旧结构同时还存在整体问题,其之间的剪力有效传递问题急需解决。
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2.结构的检测与鉴定
2.1 概况
某化工厂精萘框架建于 1993 年。采用混凝土框架结构体系。A~D 轴为单层框架,平台高度为 11.480 米;D~F 为错层框架,平台高度为 8.980 米、14.480米。框架总长 30 米,宽 15 米,横向柱距为 6 米,纵向柱距为 7.5 米。框架柱基础为钢筋混凝土独立基础,框架为露天无围护结构。外貌如图 2.1 所示。框架结构使用至今,出现不同程度的破损,如柱、梁等结构件出现破损现象。出于对该建筑安全生产的重视、关心,需对该框架现有结构进行可靠性鉴定,解决结构可能存在的问题,为该框架的加固处理或决策提供技术依据。
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2.2 鉴定依据
(1)综合鉴定标准 ① 《工业建筑可靠性鉴定标准》(GB 50144-2008) ② 《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023-2009) ③ 《危险房屋鉴定标准》(JGJ125-99,2004 年版) ④ 《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068-2001)
(2)荷载及结构验算 ① 《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012) ② 《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010) ③ 《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)
(3)检测 ① 《建筑结构检测技术标准》(GB 50344-2004) ② 《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010) ③ 《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367-2013) ④ 《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECE03 :2007) ⑤ 《回弹法检测长期混凝土抗压强度》(JGJT 23-2011)
.......
3.结构的加固分析......... 26
3.1 加固方案的选择 ..... 26
/:请记住我站域名/ 3.2 加固后结构承载力的计算 .... 26
3.3 SAP2000 对加固后结构承载力的计算的审核 ......... 29
3.3.1 SAP2000 软件的介绍 .......... 29
3.3.2 SAP2000 静力计算结果 ........ 29
3.3.3 SAP2000 与 PKPM 计算结果的对比小结 ......... 33
3.4 加固前后结构计算结果对比小结 ..... 35
4.结构的静力弹塑性分析.......... 37
4.1 静力弹塑性分析的简介 ...... 37
4.2 静力弹塑性分析的原理 ...... 37
4.3 加固后
结构的弹塑性分析 .... 38 4.4.静力弹塑性分析的结论 ...... 45
5.结论与展望...... 46
5.1 本文的结论 ......... 46
5.2 展望 ........ 46
4.结构的静力弹塑性分析
由于本结构为错层结构,为不规则结构,结构薄弱部位在遭遇强震时可能导致结构发生严重破坏,故需要对其进行多种地震下的弹塑性分析[40]。本章选用SAP2000 软件对结构进行静力弹塑性分析(pushover),以探讨结构在强震下的抗震性能。
4.1 静力弹塑性分析的简介
静力弹塑性分析是指在结构的侧向单调递增的施加水平荷载,直至结构模型的控制点目标位移或结构破坏为止。在每增加一级荷载之后,若结构产生了塑性铰,总体刚度将发生变化,则必须在更改结构的刚度矩阵之后再继续施加下一级荷载;该方法可以根据性能点处的最大位移和层间位移角,以及塑性铰的发展过程来衡量结构的抗震性能[41-44]。该方法相比非线性动力时程分析法来说,分析时间和计算量都大大的减少,而且分析结果更加稳定。荷载位移曲线不能用结构图上的一点的位移来确定代表结构抗震性能的“目标位移”,软件采用基于 FEMA356 的“目标位移法 ”和基于 ATC-40 的“能力 谱法”来将结构等效成单自由度结构体系。本文采用能力谱法,该方法的基本 思路是建立两条相同基准的谱线:一条是荷载-位移曲线转化而成的以谱加速度 为纵坐标以谱位移dS 为横坐标能力谱,另一条为有中国规范加速度反应谱转 化而成aS -dS 反应谱,两条谱线的交点即为反应结构抗震性能的性能点。
......
结论
本文对某化工厂精萘框架结构进行了检测与鉴定,并且对结构进行了相应的加固处理,通过软件 PKPM 和 SAP2000 软件进行相应的验算得出了以下结论:
(1)本文对某化工厂精萘框架进行了以下鉴定过程:技术档案的核实,结构现状的检查,包括结构框架的破损现状的检查,结构材料强度的检测,结构静力分析。经鉴定结构破损严重需要对其进行处理,对于破损较轻的构件进行钢筋除锈,保护层修补处理,对于破损较严重的构件还需进行加固处理。
(2)本文用外包型钢加固法对结构部分构件进行加固,通过结构的静力计算,加固的柱子轴压比明显降低,结构的整体刚度增加而导致周期减小。表明这种加固方式在修复了构件的同时还增加了结构的承载力和刚度。
(3)通过对结构进行静力弹塑性分析中塑性铰的发展过程可知,结构在破坏过程中符合规范中“强柱弱梁”的要求,在不同的地震作用下,结构在达到性能点时的层间位移角也满足规范的要求,说明结构满足抗震规范中“大震不倒”的要求。
【关键词】煤矿顶板；支护技术；应用研究
煤矿顶板支护的质量对于煤矿企业的生产效率与劳动安全有着直接的影响，在顶板支护技术中，支护方式的设计与支护形式的选择是其中的关键性因素，煤矿顶板支护技术不仅需要满足施工流程的要求，也要有着理想的防御能力，下面就针对几种煤矿顶板支护技术进行深入的分析。
1 煤矿顶板支护形式分析
1.1 煤矿顶板的基本支护形式
煤矿顶板基本支护形式包括石材支架、型钢支架与木材支架几种模式。石材支架是与石材与砂浆砌成的一种连续性支架，与其他的支架形式相比而言，石材支架有着取材广泛、强度高的优势，也可以阻止围岩的风化；型钢支架在我国的煤矿中应用范围最为广泛，常用的支架形式包括U型钢与工字钢两种，型钢支架常常应用在巷道断层破碎位置以及围岩变形量较为严重的地区；木材支架与石材支架和型钢支架相比，有着质量轻、架设便利的优势，也可以适应各种各样的作业环境，但是，该种支架模式的防火性能、腐蚀性能相对较差，强度也不及石材支架与型钢支架。
1.2 煤矿顶板的巷道加固形式
煤矿顶板的巷道加固形式包括机械加固与注浆加固两种形式，机械加固的作用就是夯实，该种加固模式即利用人力或者机械将松散部分压实；注浆加固即通过注射浆液的模式将围岩与泵浆形成一个有机整体，达到稳定结构、闭合裂缝的效用。
1.3 锚杆支护巷道加固形式
锚杆支护即将锚头、杆体、托板等杆状结构物固定在巷道围岩之中，该种加固型形式能够有效提升岩体的强度与应力，根据锚固方式的不同，锚杆支护巷道支护形式包括机械式加固形式、粘结式加固形式与摩擦式加固形式；根据材料的不同，锚杆支护巷道支护形式包括木锚杆加固形式、金属锚杆加固形式、竹锚杆加固形式与混凝土锚杆加固形式；根据作用特征的不同，锚杆支护巷道支护形式包括主动式锚杆加固形式与被动式锚杆加固形式两种。
在锚杆支护巷道加固形式之中，锚固剂、金属网、钢带、托板是必不可少的部分，锚固剂可以粘结好岩石壁与锚杆，金属网和钢带可以有效提升围岩稳定性，托板可以提升锚杆工作阻力。
1.4 煤矿顶板强化支护形式
煤矿顶板强化支护形式包括临时性支护与永久性支护两种形式，临时性支护即在巷道内某一点设置容易拆移与安装的支撑柱，其中最为常用的就是液压支柱；永久性支护即在巷道支护中增加构件来提升巷道稳定性，其中最为常用的包括中心柱、立柱与偏心柱。
2 煤矿顶板支护技术理论
2.1 悬吊理论
悬吊理论适宜用在规模大，顶板上部岩层稳定的煤矿之中，若煤矿顶板发生松动，即可在上部做好平衡拱，在设计的过程中只要明确岩层重量，即可根据岩层重量来分析出锚杆的锚固力、长度、直径以及间排距。
2.2 组合梁理论
组合梁理论适宜用于采深较浅，且顶板岩层结果多，软岩构造应力偏低的煤矿之中，在具体的应用过程中需要锁紧薄岩层，这样即可有效提升岩层之间的抗剪刚度与摩擦力。在组合梁理论中，锚杆能够提供出轴向与切向约束，在设计时主要计算出锚杆承载能力即可确定好锚杆支护的其他参数。
2.3 组合拱理论
组合拱理论适宜用在拱性巷道围岩破裂的煤矿中，如果巷道周边间距较小，即可利用锚杆圆锥形压力形成均匀压缩袋，考虑到该种支护模式难以进行定量计算，因此，只要分析出加固拱厚度即计算出相应的参数。
3 煤矿顶板锚杆支护设计方式
煤矿顶板锚杆支护设计内容较多，包括巷道围岩地质力学评估、井下情况监测、初始设计、相关信息的反馈以及修正设计：
3.1 围岩地质力学评估的方式
在煤矿顶板支护设计中，对围岩地质力学进行评估的根本目的就是为围岩类型的设计提供科学合理的数据支持，为了提升设计准确性，在评估的过程中必须要考虑到地应力、黏结强度、采动影响、围岩结构、地质构造、围岩强度、围岩岩性、环境等因素。
3.2 井下监测方式
进行井下检测的根本目的就是获取到巷道围岩与锚杆的变形与受力信息，只要获取到这些信息，就能够分析出巷道的安全参数，为了提升监测的准确性，需要根据锚杆受力情况、分布情况进行选择。就现阶段来看，井下监测指标包括锚杆受力、锚索受力、顶板离层值、两帮移近量几个指标。
3.3 初始设计方式
在完成评估与井下监测工作之后，即可确定围岩分类表的类型，并以此为基础确定巷道顶板锚杆参数与支护形式。
3.4 信息反馈方式
信息反馈就是间以上监测的参数与设计参数进行分对比，分析出支护材料的成本，并总结出影响巷道整体性能的因素，从中筛选出最优的参数。
3.5 设计修正
在以上的流程完成后，就需要对实测值与设计值进行对比，若有指标难以满足初设设计要求，就需要进行相应的修正，在修正时，应该优先修改预紧力，若顶板发生锚杆位置移动、顶板弯曲变形或者两帮移近量增大的情况，就需要增加锚杆与锚索预紧力。就现阶段来看，我国锚杆预紧力应该控制在材料屈服强度的50%之内。
4 结语
总而言之，煤矿顶板支护工作对于煤矿生产安全有着重要的影响，要想提升煤矿生产的安全性，必须要做好顶板支护设计工作，但是就现阶段来看，我国煤矿顶板支护工作还存在一些问题，详细通过相关学界专家学者的努力，我国煤矿顶板支护技术定可以达到新的台阶。
【参考文献】
[关键词]排水固结法 地基处理新技术 水利工程 教学模式改革
[中图分类号] TU41;G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）06-0132-03
地基处理（foundation treatment）一般是指用于改善支承建筑物的地基（土或岩石）的承载能力，改善其变形性能或抗渗能力所采取的工程技术措施。[1]随着我国各类建筑与高等级公路的高速发展，软弱地基处理成为工程界亟待解决的重大问题。[2]目前，重庆交通大学地基处理新技术课程是针对水利工程专业研究生开设的，也有很多高校的土木、交通、水利、铁路等专业都开设了本课程或教学内容相近的课程，旨在扩大土木工程及相关专业的学生的知识面，熟悉常用的较新的地基处理方法，提高解决工程实际问题的能力。[3]排水固结法作为地基处理技术中一种最基本的方法，主要用于解决地基的沉降和稳定问题，是本课程的重要内容之一。
课堂是教育教学的主阵地，它直接关系到培养什么样的人的问题。[4]课堂教学是教育教学中普遍使用的一种手段，它是教师给学生传授知识和技能的全过程，课堂教学模式直接影响教学效果。本文从排水固结法的教学特点及教学中存在的问题两方面出发提出课堂教学模式改革方法，以期达到诸多教育者和研究者所关心的如何提高该方法教学质量的问题。
一、排水固结法的教学特点
（一）授课对象
为了提高硕士研究生地基处理专业知识与专业技能，我校早在2007年就为水利工程专业研究生开设了地基处理新技术作为专业基础课，并作为其他专业的专业任选课供全校研究生选择学习。我校是重庆乃至中国西南地区较早开设地基处理相关研究生课程的高校之一，并且把作为基础本方法的排水固结法选为本门课程的教学重点和必须掌握的知识点。因此该方法的主要授课对象为研究生，且主要为水利工程专业硕士研究生。
（二）授课教学内容
排水固结法又称为预压法，适用于饱和软黏土、可压缩粉土、有机质黏土和泥炭土等，特别适用于在持续荷载作用下的地基土。它是一种在建筑物建造以前，在天然地基或者设置有竖向排水体的地基上进行加载预压，使地基中的自由水随着竖向排水体排出而使得固结沉降提前完成，地基土强度得到提高的方法。[5]排水固结法的教学内容安排如表1所示：
表1 排水固结法的教学内容安排
从教学内容上看，排水固结法的授课主要存在以下两个方面的特点：
1.涉及知识面广：排水固结法包括堆载预压法、真空预压法、真空堆载联合预压法、电渗法几种基本方法，包含加固机理、设计计算、施工工艺等方面的教学内容，体系庞大，涉及土力学、水力学、工程地质学等基础专业知识，涉及知识面广，要求学生有一定的专业基础;
2.工程实践性强：学习排水固结法的目的是使学生掌握其基本理论，了解本方法或技术最新的发展动态，分析存在问题的原因，掌握方案的选择和评价，培养学生应用本方法加固适用地基的实践能力。教学内容与工程设计规范密切相连，学习的最终是服务于工程设计，因此具有较强的工程实践性。
二、课堂教学模式存在的问题
目前针对教学内容主要存在的问题有：
（一）“灌输式”授课
研究生教育是我国教育结构中最高层次的教育，肩负着为国家现代化培养高质量创造性人才的重任。[6]研究生的硕士阶段教育，是本科毕业之后继续进行深造和学习的一种教育形式，在学生掌握专业所需基本技能后，在专业修养素质上有更大的提高，其目标是培养有一定理论基础的专业设计工作者即设计师。研究生毕业生在国家各项事业中发挥着重要的作用，他们中间有相当一批人将成为教学、科研和部门的主要骨干力量以及学术带头人，有的将获得国家发明奖和重大科技成果奖。排水固结法的授课对象为硕士研究生，他们有别于本科生，处于接近成熟的成长时期，求知欲望强，对未来有很高的期许，且有强烈的拓宽知识面及接触新鲜事物的要求，采用本科传统的“灌输式”授课方式是不能满足硕士培养的要求，这是针对授课对象存在的主要问题。
（二）底子薄
排水固结法的教学内容涉及知识面广，需要学生对土力学、水力学、工程地质学等基础专业知识有全面的了解，而我校的水利工程研究生招生来源于不同高校或相近专业，他们本科开设的课程有所不同，对专业基础知识的认知面单一，想要“消化”排水固结法中的相关知识点，有一定的难度。
（三）见闻少
排水固结法学习的目的是服务于工程实际，而绝大部分学生是本科毕业后直接攻读硕士研究生学位，毫无工程背景，听到见到的工程都比较少，学生仅靠书面教育，想象力的发挥存在很大的局限性，见闻少也使学生对该方法的掌握多了一道障碍。
（四）条理不佳
从表1可以看出，在教学中先对排水固结法进行了概述，后进行了加固机理、设计计算、施工方法等方面的介绍，其中分别讲述了几种基本方法，教学的侧重点在于基本原理，理论性很强也比较全面，但是这样的表述方式让学生难于对某一个方法形成系统性的认知。研究生毕业以后，大多就职于设计院、研究院以及高校，从毕业生毕业工作以后的反馈信息可知，多数毕业生对复合地基排水固结法的理解不透彻，概念模糊，缺乏具体排水固结法分类方法的认识，当遇到工程设计分析的时候，一片茫然，不知如何下手。
（五）缺乏支撑
理论来源于实际，又服务于实际。排水固结法学习的最终目的是解决实际问题，但在本教学内容的设计上，极少提及实际工程，有一定的缺陷性，单纯的理论教学容易让学生感觉疲惫，且不易理解。
三、课堂教学模式改革
（一）教学内容的改革
由于排水固结法教学内容条理性不佳，并且缺少工程实例，让学生对该部分的内容含糊不清，设计方法不明确，因此，对该部分教学内容进行了改革，改革后的教学内容如表2所示。
表2 排水固结法改革后的教学内容安排
从表2可以看出，改革后的教学内容与原教学内容相比，存在几点不同：
1.先简述排水固结法的原理，对几种方法中一致性的内容作了统一讲解后，按照小节的方式分别讲解每一种方法的原理、设计、施工，各个击破，也有利于学生进行对比分析理解，对每一种方法形成系统性的认识;
2.增加了工程案例小节，形成系统认识后，列举了我国几种应用排水固结法进行地基加固的工程实例，进一步加深了学生对排水固结法各种方法的认识;
3.针对研究生的培养目标，根据本行业目前的研究动态和国内的工程应用情况，增加了发展趋势一小节，让学生更好的分析了解排水固结法的发展动态，为他们的科研之路做好铺垫工作;
4.通过本章思考题，让学生巩固所学排水固结法知识点，便于日后应用。
（二）“图片+视频”式教学模式
排水固结法的教学内容决定了排水固结法教学工程实践性强的特点，规范规定的条例仅靠文字表述，会让课堂了无生气，学生的学习热情大幅度降低。图片是一种直观的简化的表述方式，在课堂教学中使用简单的文字配以形象的图片制作课件，让课堂教学五彩斑斓起来，能够合理规避学生的视觉疲劳，提高课堂学习效率。而随着电子科学技术的飞速发展以及信息化进程的加快，越来越多的工程制作宣传片，还有按照原理制作的一些教学短片，工程现场拍摄的视频等都可用作教学，使课堂更加活泼生动。因此，这种“图片+视频”式教学模式可以很好的提高学生的学习兴趣，传输大量的学习信息，加深学生对教学内容的记忆，加强对知识点的理解，能够有效的提高课堂教学质量。
（三）网络化学习方式
20世纪80年代以来，教育改革的总趋势是教育多元化、社会化、信息化和国际化。[7]对硕士研究生的培养，应采用课程学习和科学研究相结合的方式，因此既要注意知识的传授，更要加强能力的锻炼。硕士研究生毕业要在坚实的掌握本学科基础理论和系统的专门知识的基础上，具有从事科学研究工作或独立担负专门技术工作的能力。要达到这一要求，硕士研究生必须具备查找和阅读科技文献的能力，正确掌握学科的发展动态及发展趋势。在本课程中，针对教学对象为硕士研究生这一特殊授课对象和几乎每位学生都有电脑的特点，增加了排水固结法的发展趋势一节，这一节的增加也旨在培养学生查阅相关科技文献数据库或其他相关网络文章的能力，通过阅读文献，了解排水固结法的发展动向，总结其发展趋势，凝练其科学难题，学习解决这些科学难题的科学研究的方法。
三、结论
课堂教学是教育教学中使用最多最为普遍的一种教学方法，其教学模式的正确与否很大程度上决定了教育质量的高低。文章结合排水固结法的特点及教学中存在的问题，广泛吸取国内外其他高校同行的教学经验，参考毕业学生和用人单位反馈的信息，依据现代化的教育教学理念，在多年的教学经历中总结教学经验，重点探讨了通过调整课题教学内容、综合运用其他教学手段的课堂教学改革模式。与原来的教学模式相比，新模式能够结合课程内容自身特点，以学生为中心，采取多种手段，激发学生学习的兴趣，加深学生对工程概念的理解，充分调动学生学习的主观能动性，因此使教学真正达到培养工程师的目的，取得了较好的教学效果，并且为进一步的科学研究打下基础。
[ 注 释 ]
[1] 郑俊杰.地基处理技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2004.
[2] 李彰明，冯遗兴.动力排水固结法参数设计研究[J].武汉华工学院学报，1997（19）：41-44.
[3] 郑俊杰，龚文慧，刘尚蔚.《地基处理技术》课程教学方法探讨[C].土力学教育与教学――第一节全国土力学教学研讨会论文集，2006.
[4] 张晓华.当前课堂改革的困惑与对策[J].教育情报参考，2005（6）：37-38.
[5] 王俊杰，唐彤芝，彭.地基处理新技术[M].北京：中国水利水电出版社，2013.
[6] 赵军，唐祖爱.水文水资源学科联合培养研究生模式的探索与实践[J].河海大学学报（哲学社会科学版），2005（1）：75-77.
[7] 梁世宁.新课标下中学地理情境教学的理论与实践研究[D].福州：福建师范大学教育硕士学位论文.
[收稿时间]2014-12-18
