013 《土木工程 (Civil Engineering) 理论与实践指南》

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书籍大纲

▮▮ 1. 绪论：土木工程概览 (Introduction: Overview of Civil Engineering)
▮▮▮▮ 1.1 土木工程的定义与范畴 (Definition and Scope of Civil Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 1.1.1 土木工程的定义 (Definition of Civil Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 1.1.2 土木工程的学科范畴 (Scope of Civil Engineering Disciplines)
▮▮▮▮ 1.2 土木工程的历史与发展 (History and Development of Civil Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 1.2.1 古代土木工程的辉煌成就 (Ancient Civil Engineering Achievements)
▮▮▮▮▮▮ 1.2.2 现代土木工程的创新与挑战 (Modern Civil Engineering Innovation and Challenges)
▮▮▮▮ 1.3 土木工程师的社会责任与职业道德 (Social Responsibility and Professional Ethics of Civil Engineers)
▮▮▮▮▮▮ 1.3.1 土木工程师的社会责任 (Social Responsibility of Civil Engineers)
▮▮▮▮▮▮ 1.3.2 土木工程职业道德规范 (Professional Ethics in Civil Engineering)
▮▮ 2. 工程力学基础 (Fundamentals of Engineering Mechanics)
▮▮▮▮ 2.1 静力学 (Statics)
▮▮▮▮▮▮ 2.1.1 力与力系 (Force and Force Systems)
▮▮▮▮▮▮ 2.1.2 平衡条件与平衡方程 (Equilibrium Conditions and Equations)
▮▮▮▮▮▮ 2.1.3 结构静力分析 (Static Analysis of Structures)
▮▮▮▮ 2.2 材料力学 (Mechanics of Materials)
▮▮▮▮▮▮ 2.2.1 应力与应变 (Stress and Strain)
▮▮▮▮▮▮ 2.2.2 材料的力学性能 (Mechanical Properties of Materials)
▮▮▮▮▮▮ 2.2.3 杆件的基本变形与强度 (Basic Deformations and Strength of Bars)
▮▮▮▮ 2.3 流体力学 (Fluid Mechanics) 基础
▮▮▮▮▮▮ 2.3.1 流体的性质 (Properties of Fluids)
▮▮▮▮▮▮ 2.3.2 流体静力学 (Fluid Statics)
▮▮▮▮▮▮ 2.3.3 流体动力学基础 (Fundamentals of Fluid Dynamics)
▮▮ 3. 工程材料 (Engineering Materials)
▮▮▮▮ 3.1 水泥与混凝土 (Cement and Concrete)
▮▮▮▮▮▮ 3.1.1 水泥 (Cement)
▮▮▮▮▮▮ 3.1.2 混凝土 (Concrete)
▮▮▮▮▮▮ 3.1.3 特种混凝土 (Special Concrete)
▮▮▮▮ 3.2 钢材 (Steel)
▮▮▮▮▮▮ 3.2.1 钢材的分类与性能 (Classification and Properties of Steel)
▮▮▮▮▮▮ 3.2.2 常用钢材 (Commonly Used Steel)
▮▮▮▮▮▮ 3.2.3 钢材的防护与连接 (Protection and Connection of Steel)
▮▮▮▮ 3.3 其他工程材料 (Other Engineering Materials)
▮▮▮▮▮▮ 3.3.1 沥青材料 (Asphalt Materials)
▮▮▮▮▮▮ 3.3.2 木材与砌体材料 (Wood and Masonry Materials)
▮▮▮▮▮▮ 3.3.3 新型工程材料 (New Engineering Materials)
▮▮ 4. 岩土工程 (Geotechnical Engineering)
▮▮▮▮ 4.1 土的性质与工程分类 (Soil Properties and Engineering Classification)
▮▮▮▮▮▮ 4.1.1 土的组成与结构 (Composition and Structure of Soil)
▮▮▮▮▮▮ 4.1.2 土的物理性质指标 (Physical Properties of Soil)
▮▮▮▮▮▮ 4.1.3 土的力学性质指标 (Mechanical Properties of Soil)
▮▮▮▮▮▮ 4.1.4 土的工程分类 (Engineering Classification of Soil)
▮▮▮▮ 4.2 地基勘察与土工试验 (Site Investigation and Geotechnical Testing)
▮▮▮▮▮▮ 4.2.1 地基勘察的目的与内容 (Objectives and Contents of Site Investigation)
▮▮▮▮▮▮ 4.2.2 地基勘察方法 (Site Investigation Methods)
▮▮▮▮▮▮ 4.2.3 土工试验 (Geotechnical Testing)
▮▮▮▮ 4.3 地基处理 (Ground Improvement)
▮▮▮▮▮▮ 4.3.1 软弱地基与特殊土 (Soft Ground and Special Soils)
▮▮▮▮▮▮ 4.3.2 常用的地基处理方法 (Common Ground Improvement Methods)
▮▮▮▮ 4.4 边坡工程与支挡结构 (Slope Engineering and Retaining Structures)
▮▮▮▮▮▮ 4.4.1 边坡稳定分析 (Slope Stability Analysis)
▮▮▮▮▮▮ 4.4.2 边坡防护与加固 (Slope Protection and Reinforcement)
▮▮▮▮▮▮ 4.4.3 支挡结构 (Retaining Structures)
▮▮▮▮ 4.5 基础工程 (Foundation Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 4.5.1 浅基础 (Shallow Foundations)
▮▮▮▮▮▮ 4.5.2 深基础 (Deep Foundations)
▮▮▮▮▮▮ 4.5.3 特殊地基上的基础 (Foundations on Special Soils)
▮▮▮▮ 4.6 地下工程 (Underground Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 4.6.1 地下工程概述 (Overview of Underground Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 4.6.2 围岩分级与支护原理 (Rock Mass Classification and Support Principles)
▮▮▮▮▮▮ 4.6.3 隧道工程 (Tunnel Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 4.6.4 地铁与地下空间开发 (Subway and Underground Space Development)
▮▮ 5. 结构工程 (Structural Engineering)
▮▮▮▮ 5.1 结构体系与荷载 (Structural Systems and Loads)
▮▮▮▮▮▮ 5.1.1 结构体系的分类与组成 (Classification and Components of Structural Systems)
▮▮▮▮▮▮ 5.1.2 结构荷载的类型与特点 (Types and Characteristics of Structural Loads)
▮▮▮▮ 5.2 结构分析方法 (Structural Analysis Methods)
▮▮▮▮▮▮ 5.2.1 静定结构与超静定结构 (Statically Determinate and Indeterminate Structures)
▮▮▮▮▮▮ 5.2.2 位移法 (Displacement Method)
▮▮▮▮▮▮ 5.2.3 力法 (Force Method)
▮▮▮▮▮▮ 5.2.4 有限元法 (Finite Element Method)
▮▮▮▮ 5.3 钢结构设计 (Steel Structure Design)
▮▮▮▮▮▮ 5.3.1 钢结构的材料与连接 (Materials and Connections of Steel Structures)
▮▮▮▮▮▮ 5.3.2 钢结构构件设计 (Design of Steel Structure Members)
▮▮▮▮▮▮ 5.3.3 钢结构整体设计 (Overall Design of Steel Structures)
▮▮▮▮▮▮ 5.3.4 钢结构的防火与防腐 (Fire Protection and Corrosion Prevention of Steel Structures)
▮▮▮▮ 5.4 混凝土结构设计 (Concrete Structure Design)
▮▮▮▮▮▮ 5.4.1 混凝土结构的材料 (Materials of Concrete Structures)
▮▮▮▮▮▮ 5.4.2 混凝土结构构件设计 (Design of Concrete Structure Members)
▮▮▮▮▮▮ 5.4.3 混凝土结构整体设计 (Overall Design of Concrete Structures)
▮▮▮▮▮▮ 5.4.4 混凝土结构的裂缝控制与耐久性 (Crack Control and Durability of Concrete Structures)
▮▮▮▮ 5.5 砌体结构与组合结构 (Masonry Structures and Composite Structures)
▮▮▮▮▮▮ 5.5.1 砌体结构 (Masonry Structures)
▮▮▮▮▮▮ 5.5.2 组合结构 (Composite Structures)
▮▮▮▮ 5.6 结构可靠性与耐久性设计 (Structural Reliability and Durability Design)
▮▮▮▮▮▮ 5.6.1 结构可靠性理论 (Structural Reliability Theory)
▮▮▮▮▮▮ 5.6.2 结构耐久性设计 (Structural Durability Design)
▮▮ 6. 交通工程 (Transportation Engineering)
▮▮▮▮ 6.1 交通工程概述与交通规划 (Overview of Transportation Engineering and Traffic Planning)
▮▮▮▮▮▮ 6.1.1 交通工程的定义与研究内容 (Definition and Research Content of Transportation Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 6.1.2 交通规划原理与方法 (Principles and Methods of Traffic Planning)
▮▮▮▮▮▮ 6.1.3 城市综合交通规划 (Urban Integrated Transportation Planning)
▮▮▮▮ 6.2 道路工程 (Highway Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 6.2.1 道路的组成与等级 (Components and Classifications of Highways)
▮▮▮▮▮▮ 6.2.2 道路几何设计 (Geometric Design of Highways)
▮▮▮▮▮▮ 6.2.3 路面结构设计与路面工程 (Pavement Structure Design and Pavement Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 6.2.4 路基工程 (Subgrade Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 6.2.5 道路交通安全设施 (Highway Traffic Safety Facilities)
▮▮▮▮ 6.3 桥梁工程 (Bridge Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 6.3.1 桥梁的分类与结构体系 (Classifications and Structural Systems of Bridges)
▮▮▮▮▮▮ 6.3.2 桥梁设计 (Bridge Design)
▮▮▮▮▮▮ 6.3.3 桥梁施工 (Bridge Construction)
▮▮▮▮▮▮ 6.3.4 桥梁养护与管理 (Bridge Maintenance and Management)
▮▮▮▮ 6.4 隧道工程 (Tunnel Engineering) in Transportation
▮▮▮▮▮▮ 6.4.1 隧道工程在交通运输中的应用 (Application of Tunnel Engineering in Transportation)
▮▮▮▮▮▮ 6.4.2 交通隧道设计 (Design of Transportation Tunnels)
▮▮▮▮▮▮ 6.4.3 交通隧道施工 (Construction of Transportation Tunnels)
▮▮▮▮ 6.5 轨道交通工程 (Rail Transit Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 6.5.1 轨道交通的类型与特点 (Types and Characteristics of Rail Transit)
▮▮▮▮▮▮ 6.5.2 轨道结构与路基轨道工程 (Track Structure and Subgrade Track Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 6.5.3 轨道交通车站建筑 (Rail Transit Station Buildings)
▮▮▮▮▮▮ 6.5.4 轨道交通供电、信号与通信系统 (Power Supply, Signaling and Communication Systems of Rail Transit)
▮▮▮▮ 6.6 智能交通系统 (Intelligent Transportation Systems, ITS)
▮▮▮▮▮▮ 6.6.1 智能交通系统的概念与组成 (Concept and Components of ITS)
▮▮▮▮▮▮ 6.6.2 智能交通系统的关键技术 (Key Technologies of ITS)
▮▮▮▮▮▮ 6.6.3 智能交通系统的应用领域 (Application Areas of ITS)
▮▮ 7. 水利工程 (Hydraulic Engineering)
▮▮▮▮ 7.1 水文与水资源 (Hydrology and Water Resources)
▮▮▮▮▮▮ 7.1.1 水文循环与水文要素 (Hydrologic Cycle and Hydrologic Elements)
▮▮▮▮▮▮ 7.1.2 水文分析与计算 (Hydrological Analysis and Calculation)
▮▮▮▮▮▮ 7.1.3 水资源评价与规划 (Water Resources Assessment and Planning)
▮▮▮▮▮▮ 7.1.4 水资源管理与保护 (Water Resources Management and Protection)
▮▮▮▮ 7.2 水工建筑物 (Hydraulic Structures)
▮▮▮▮▮▮ 7.2.1 水工建筑物的分类与作用 (Classifications and Functions of Hydraulic Structures)
▮▮▮▮▮▮ 7.2.2 坝 (Dams)
▮▮▮▮▮▮ 7.2.3 闸 (Gates)
▮▮▮▮▮▮ 7.2.4 溢洪道与泄水建筑物 (Spillways and Outlet Structures)
▮▮▮▮▮▮ 7.2.5 输水与取水建筑物 (Water Conveyance and Intake Structures)
▮▮▮▮ 7.3 水利枢纽 (Hydraulic Projects)
▮▮▮▮▮▮ 7.3.1 水利枢纽的组成与功能 (Components and Functions of Hydraulic Projects)
▮▮▮▮▮▮ 7.3.2 水利枢纽布置与设计 (Layout and Design of Hydraulic Projects)
▮▮▮▮▮▮ 7.3.3 水库调度与运行管理 (Reservoir Operation and Management)
▮▮▮▮▮▮ 7.3.4 水利枢纽安全监测 (Safety Monitoring of Hydraulic Projects)
▮▮▮▮ 7.4 河流治理与防洪工程 (River Management and Flood Control Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 7.4.1 河流特性与河流治理目标 (River Characteristics and River Management Objectives)
▮▮▮▮▮▮ 7.4.2 河流治理方法 (River Management Methods)
▮▮▮▮▮▮ 7.4.3 堤防工程 (Levee Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 7.4.4 河道整治工程 (River Training Works)
▮▮▮▮▮▮ 7.4.5 蓄滞洪区 (Flood Detention and Storage Areas)
▮▮▮▮ 7.5 水环境工程 (Water Environment Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 7.5.1 水污染与水环境问题 (Water Pollution and Water Environment Problems)
▮▮▮▮▮▮ 7.5.2 水污染防治技术 (Water Pollution Control Technologies)
▮▮▮▮▮▮ 7.5.3 城镇污水处理 (Urban Wastewater Treatment)
▮▮▮▮▮▮ 7.5.4 工业废水处理 (Industrial Wastewater Treatment)
▮▮▮▮▮▮ 7.5.5 水环境保护与生态修复 (Water Environment Protection and Ecological Restoration)
▮▮▮▮ 7.6 灌溉与排水工程 (Irrigation and Drainage Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 7.6.1 灌溉工程 (Irrigation Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 7.6.2 排水工程 (Drainage Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 7.6.3 灌溉与排水工程管理 (Management of Irrigation and Drainage Engineering)
▮▮ 8. 施工工程与管理 (Construction Engineering and Management)
▮▮▮▮ 8.1 施工组织设计 (Construction Organization Design)
▮▮▮▮▮▮ 8.1.1 施工组织设计概述 (Overview of Construction Organization Design)
▮▮▮▮▮▮ 8.1.2 施工方案选择与技术经济分析 (Construction Scheme Selection and Techno-economic Analysis)
▮▮▮▮▮▮ 8.1.3 施工平面布置设计 (Construction Site Layout Design)
▮▮▮▮▮▮ 8.1.4 施工进度计划编制 (Construction Schedule Planning)
▮▮▮▮▮▮ 8.1.5 施工资源配置与管理 (Construction Resource Allocation and Management)
▮▮▮▮ 8.2 施工技术 (Construction Technology)
▮▮▮▮▮▮ 8.2.1 土方工程施工技术 (Earthwork Construction Technology)
▮▮▮▮▮▮ 8.2.2 地基与基础工程施工技术 (Foundation Engineering Construction Technology)
▮▮▮▮▮▮ 8.2.3 混凝土工程施工技术 (Concrete Engineering Construction Technology)
▮▮▮▮▮▮ 8.2.4 钢结构工程施工技术 (Steel Structure Construction Technology)
▮▮▮▮▮▮ 8.2.5 砌体工程与防水工程施工技术 (Masonry and Waterproofing Construction Technology)
▮▮▮▮▮▮ 8.2.6 建筑信息模型 (Building Information Modeling, BIM) 在施工中的应用
▮▮▮▮ 8.3 施工项目管理 (Construction Project Management)
▮▮▮▮▮▮ 8.3.1 施工项目管理概述 (Overview of Construction Project Management)
▮▮▮▮▮▮ 8.3.2 施工项目质量管理 (Construction Project Quality Management)
▮▮▮▮▮▮ 8.3.3 施工项目进度管理 (Construction Project Schedule Management)
▮▮▮▮▮▮ 8.3.4 施工项目成本管理 (Construction Project Cost Management)
▮▮▮▮▮▮ 8.3.5 施工项目安全管理 (Construction Project Safety Management)
▮▮▮▮▮▮ 8.3.6 施工项目合同管理 (Construction Project Contract Management)
▮▮▮▮▮▮ 8.3.7 施工项目信息管理 (Construction Project Information Management)
▮▮▮▮ 8.4 工程经济与合同管理 (Construction Economics and Contract Management)
▮▮▮▮▮▮ 8.4.1 工程经济评价方法 (Construction Economic Evaluation Methods)
▮▮▮▮▮▮ 8.4.2 工程造价管理 (Construction Cost Management)
▮▮▮▮▮▮ 8.4.3 工程合同管理 (Construction Contract Management)
▮▮▮▮▮▮ 8.4.4 工程保险与担保 (Construction Insurance and Guarantee)
▮▮ 9. 可持续和韧性土木基础设施 (Sustainable and Resilient Civil Infrastructure)
▮▮▮▮ 9.1 可持续土木工程 (Sustainable Civil Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 9.1.1 可持续发展与土木工程 (Sustainable Development and Civil Engineering)
▮▮▮▮▮▮ 9.1.2 绿色建筑与绿色基础设施 (Green Building and Green Infrastructure)
▮▮▮▮▮▮ 9.1.3 土木工程材料的循环利用与可持续性 (Recycling and Sustainability of Civil Engineering Materials)
▮▮▮▮▮▮ 9.1.4 生命周期评价 (Life Cycle Assessment, LCA) 在土木工程中的应用
▮▮▮▮ 9.2 韧性土木基础设施 (Resilient Civil Infrastructure)
▮▮▮▮▮▮ 9.2.1 基础设施韧性的概念与内涵 (Concept and Connotation of Infrastructure Resilience)
▮▮▮▮▮▮ 9.2.2 基础设施韧性评估 (Infrastructure Resilience Assessment)
▮▮▮▮▮▮ 9.2.3 提高基础设施韧性的策略与技术 (Strategies and Technologies for Enhancing Infrastructure Resilience)
▮▮▮▮▮▮ 9.2.4 气候变化对土木基础设施的影响与适应 (Impact of Climate Change on Civil Infrastructure and Adaptation)
▮▮▮▮ 9.3 智慧城市与智慧基础设施 (Smart Cities and Smart Infrastructure)
▮▮▮▮▮▮ 9.3.1 智慧城市的概念与内涵 (Concept and Connotation of Smart Cities)
▮▮▮▮▮▮ 9.3.2 智慧城市的关键技术 (Key Technologies of Smart Cities)
▮▮▮▮▮▮ 9.3.3 智慧基础设施在智慧城市中的应用 (Application of Smart Infrastructure in Smart Cities)
▮▮ 附录A: 常用土木工程术语中英文对照表 (Glossary of Common Civil Engineering Terms)
▮▮ 附录B: 土木工程常用单位与符号 (Common Units and Symbols in Civil Engineering)
▮▮ 附录C: 土木工程相关软件介绍与应用 (Introduction and Application of Civil Engineering Software)
▮▮ 附录D: 土木工程领域重要规范与标准 (Important Codes and Standards in Civil Engineering)
▮▮ 附录E: 参考文献 (References)

1. 绪论：土木工程概览 (Introduction: Overview of Civil Engineering)

1.1 土木工程的定义与范畴 (Definition and Scope of Civil Engineering)

土木工程 (Civil Engineering) 是一门古老而又充满活力的学科，它与人类文明的进程紧密相连，是社会发展的重要基石。从宏伟的金字塔到现代化的摩天大楼，从古代的水利工程都江堰到今天纵横交错的交通网络，土木工程始终致力于创造和维护人类赖以生存和发展的基础设施 (Infrastructure)。

1.1.1 土木工程的定义 (Definition of Civil Engineering)

土木工程的定义可以从广义和狭义两个层面来理解：

① 广义的土木工程 (Civil Engineering in a broad sense)： 从广义上讲，土木工程涵盖一切与土地 (Land)、水 (Water) 和人类居住环境 (Human Living Environment) 相关的工程建设活动。它不仅仅局限于房屋、道路、桥梁等实体工程，还包括规划 (Planning)、设计 (Design)、建造 (Construction)、管理 (Management) 和维护 (Maintenance) 等一系列环节。广义的土木工程旨在通过工程技术手段，改造自然环境，创造适宜人类居住、工作和生活的空间，提升生活品质，促进社会可持续发展 (Sustainable Development)。

② 狭义的土木工程 (Civil Engineering in a narrow sense)： 狭义的土木工程则更侧重于基础设施建设 (Infrastructure Construction) 的工程技术领域。它主要关注各类建筑物 (Buildings) 和构筑物 (Structures) 的结构安全 (Structural Safety)、功能实现 (Functional Realization) 和耐久性 (Durability)。狭义的土木工程强调运用工程力学 (Engineering Mechanics)、工程材料 (Engineering Materials)、结构工程 (Structural Engineering)、岩土工程 (Geotechnical Engineering) 等专业知识，解决工程建设中的技术难题，确保工程质量和安全。

总而言之，土木工程的本质是为人类创造和维护基础设施 (Creating and Maintaining Infrastructure for Humanity)。基础设施是社会经济发展的基础支撑，是现代文明的重要标志。土木工程师 (Civil Engineers) 通过其专业技能和知识，为社会提供安全、可靠、高效、可持续的基础设施服务，从而推动社会进步和人类福祉的提升。

1.1.2 土木工程的学科范畴 (Scope of Civil Engineering Disciplines)

土木工程是一个庞大而复杂的学科体系，根据不同的工程对象和研究方向，可以划分为多个分支学科。这些分支学科既有各自的研究重点，又相互交叉、相互支撑，共同构成了完整的土木工程学科体系。以下是土木工程的主要分支学科：

① 结构工程 (Structural Engineering)：结构工程是土木工程的核心分支之一，主要研究各类工程结构 (Engineering Structures) 的力学行为 (Mechanical Behavior)、设计理论 (Design Theory) 和建造技术 (Construction Technology)。结构工程师 (Structural Engineers) 负责确保建筑物、桥梁、隧道、高耸结构等在各种荷载作用下的安全 (Safety)、稳定 (Stability) 和适用性 (Serviceability)。结构工程是土木工程的骨干，为其他分支学科提供重要的理论和技术支撑。

② 岩土工程 (Geotechnical Engineering)：岩土工程是研究岩石 (Rock) 和土 (Soil) 这两种工程地质材料的工程特性 (Engineering Properties) 以及在工程建设中应用的学科。岩土工程师 (Geotechnical Engineers) 负责进行地基勘察 (Site Investigation)、地基处理 (Ground Improvement)、基础设计 (Foundation Design)、边坡稳定分析 (Slope Stability Analysis)、隧道工程 (Tunnel Engineering) 和地下工程 (Underground Engineering) 等工作，确保工程结构的安全和稳定地建立在地基 (Foundation) 上。岩土工程是土木工程的基础，地基问题是所有土木工程项目首先要解决的关键问题。

③ 交通工程 (Transportation Engineering)：交通工程是研究陆地交通运输系统 (Land Transportation Systems) 的规划 (Planning)、设计 (Design)、建设 (Construction)、运营 (Operation) 和管理 (Management) 的学科。交通工程师 (Transportation Engineers) 负责规划和设计道路 (Roads)、桥梁 (Bridges)、隧道 (Tunnels)、铁路 (Railways)、机场 (Airports)、港口 (Ports) 等交通基础设施，以及研究交通流量 (Traffic Flow)、交通安全 (Traffic Safety)、交通控制 (Traffic Control) 和智能交通系统 (Intelligent Transportation Systems, ITS) 等。交通工程是现代社会经济发展的重要支撑，便捷高效的交通运输系统是城市运行和区域发展的必要条件。

④ 水利工程 (Hydraulic Engineering)：水利工程是研究水资源的开发 (Water Resources Development)、利用 (Utilization)、控制 (Control) 和保护 (Protection) 的学科。水利工程师 (Hydraulic Engineers) 负责规划、设计、建造和管理水坝 (Dams)、水库 (Reservoirs)、堤防 (Levees)、灌溉系统 (Irrigation Systems)、排水系统 (Drainage Systems)、水力发电站 (Hydropower Stations)、航运 (Navigation) 等水利工程设施，解决防洪 (Flood Control)、供水 (Water Supply)、灌溉 (Irrigation)、发电 (Hydropower Generation)、水环境改善 (Water Environment Improvement) 等问题。水利工程是关系国计民生的重要领域，对保障水安全、粮食安全和生态安全具有重要意义。

⑤ 环境工程 (Environmental Engineering)：环境工程是运用工程技术手段解决环境污染问题 (Environmental Pollution Problems)，改善环境质量 (Environmental Quality)，实现人与自然和谐共处 (Harmony between Human and Nature) 的学科。环境工程师 (Environmental Engineers) 负责研究和开发水污染控制技术 (Water Pollution Control Technologies)、大气污染控制技术 (Air Pollution Control Technologies)、固体废物处理技术 (Solid Waste Treatment Technologies)、噪声控制技术 (Noise Control Technologies)、环境影响评价 (Environmental Impact Assessment)、生态修复 (Ecological Restoration) 等。虽然环境工程在某些高校可能独立设置为学院，但在土木工程的范畴内，环境工程，特别是与水环境相关的工程内容，如给水排水工程 (Water Supply and Drainage Engineering)，通常被认为是土木工程的重要分支。

⑥ 建筑工程管理 (Construction Engineering Management)：建筑工程管理是运用管理学 (Management Science)、经济学 (Economics) 和工程技术 (Engineering Technology) 的原理和方法，对建筑工程项目 (Construction Projects) 进行组织 (Organization)、计划 (Planning)、协调 (Coordination)、控制 (Control) 和评价 (Evaluation) 的学科。建筑工程管理人员 (Construction Engineering Managers) 负责项目策划 (Project Planning)、施工组织设计 (Construction Organization Design)、进度管理 (Schedule Management)、成本管理 (Cost Management)、质量管理 (Quality Management)、安全管理 (Safety Management)、合同管理 (Contract Management) 和信息管理 (Information Management) 等，确保工程项目能够按时、按质、按量、安全、经济地完成。建筑工程管理是确保工程项目成功实施的关键，是工程技术与管理科学的有机结合。

除了以上主要分支学科外，土木工程还涉及到市政工程 (Municipal Engineering)、港口与航道工程 (Port and Waterway Engineering)、海岸工程 (Coastal Engineering)、灾害防治工程 (Disaster Prevention and Mitigation Engineering)、测绘工程 (Surveying and Mapping Engineering) 等多个领域。这些分支学科相互联系，共同发展，不断拓展土木工程的学科内涵和外延，为人类社会的可持续发展贡献力量。

1.2 土木工程的历史与发展 (History and Development of Civil Engineering)

土木工程的历史几乎与人类文明史同步。从远古时代人类为了生存而建造的简单住所和防御设施，到如今遍布全球的现代化基础设施网络，土木工程伴随着人类文明的进步而不断发展演变。

1.2.1 古代土木工程的辉煌成就 (Ancient Civil Engineering Achievements)

古代文明在土木工程领域取得了举世瞩目的辉煌成就，留下了许多至今仍令人叹为观止的工程奇迹。这些古代土木工程不仅体现了当时先进的工程技术水平，也反映了古代人民的智慧和创造力。

① 中国的万里长城 (The Great Wall of China)：长城 🏯 是中国古代最伟大的军事防御工程，也是世界文化遗产。它始建于春秋战国时期，历经两千多年的修建和完善，绵延数万里，横亘崇山峻岭，气势磅礴。长城采用了夯土 (Rammed Earth)、砖石 (Brick and Stone) 等多种材料，运用了地形利用 (Terrain Utilization)、分段施工 (Sectional Construction) 等工程技术，体现了中国古代高超的工程技术水平和组织能力。长城不仅是一项军事工程，也是中国古代文明的象征，是中华民族勤劳智慧的结晶。

② 埃及的金字塔 (The Pyramids of Egypt)：金字塔 🇪🇬 是古埃及法老的陵墓，是古代世界七大奇迹之一。其中最著名的吉萨大金字塔 (Great Pyramid of Giza) 是古代世界最高的建筑物，其建造年代可追溯到公元前26世纪。金字塔主要由巨石 (Huge Stones) 砌筑而成，石块之间结合紧密，结构稳定。金字塔的建造涉及到石材开采 (Stone Quarrying)、运输 (Transportation)、起重 (Hoisting)、砌筑 (Masonry) 等复杂的技术，展现了古埃及人在数学、几何学和工程技术方面的卓越成就。金字塔不仅是古代建筑的杰作，也是古埃及文明的象征，是人类早期文明的伟大遗存。

③ 古罗马的道路与桥梁 (Roman Roads and Bridges)：古罗马帝国以其发达的道路网和桥梁而闻名于世。罗马道路 (Roman Roads) 总长达数十万公里，连接帝国各地，促进了政治、经济和文化交流。罗马道路采用了多层结构 (Multi-layer Structure)，包括基层、路面层等，使用了砾石 (Gravel)、碎石 (Crushed Stone)、火山灰混凝土 (Pozzolanic Concrete) 等材料，具有良好的耐久性 (Durability) 和承载能力 (Load-bearing Capacity)。罗马桥梁 (Roman Bridges) 同样技术精湛，如加尔桥 (Pont du Gard) 等，采用了拱券结构 (Arch Structure)，跨越河流峡谷，造型优美，结构稳固。古罗马的道路和桥梁工程体现了罗马人在材料科学、结构设计和施工技术方面的先进水平，对后世的道路和桥梁工程发展产生了深远影响。

④ 中国都江堰水利工程 (Dujiangyan Irrigation System)：都江堰 🇨🇳 是中国古代著名的水利工程，位于四川省都江堰市，由秦国蜀郡太守李冰父子于公元前3世纪主持修建。都江堰工程采用了无坝引水 (Dam-free Water Diversion) 的独特设计，利用鱼嘴分水堤 (Fish Mouth Levee)、飞沙堰溢洪道 (Flying Sand Weir) 和宝瓶口引水口 (Bottle Neck Intake) 等巧妙的工程结构，实现了分洪 (Flood Diversion)、排沙 (Sediment Removal)、灌溉 (Irrigation) 和航运 (Navigation) 等多种功能。都江堰工程充分体现了中国古代“天人合一 (Harmony between Man and Nature)”的哲学思想，是人与自然和谐相处的典范，至今仍在发挥重要的水利效益，被誉为“世界水利文化的鼻祖 (The Originator of World Water Conservancy Culture)”。

除了以上列举的工程奇迹外，古代土木工程的辉煌成就还包括古希腊的帕特农神庙 (Parthenon)、玛雅文明的金字塔 (Mayan Pyramids)、印度的阶梯井 (Stepwells of India)、阿拉伯的坎儿井 (Qanats) 等。这些古代土木工程不仅是工程技术的杰作，也是人类文明的宝贵遗产，为后世土木工程的发展奠定了坚实的基础。

1.2.2 现代土木工程的创新与挑战 (Modern Civil Engineering Innovation and Challenges)

工业革命以来，随着科学技术的快速发展，土木工程也进入了现代发展阶段。现代土木工程在材料 (Materials)、结构 (Structures)、技术 (Technology) 和管理 (Management) 等方面都取得了巨大的创新，同时也面临着新的挑战。

① 材料的创新 (Material Innovation)：现代土木工程材料取得了显著的进步。高强度混凝土 (High-Strength Concrete)、高性能混凝土 (High-Performance Concrete)、钢筋混凝土 (Reinforced Concrete)、预应力混凝土 (Prestressed Concrete)、高强度钢 (High-Strength Steel)、特种钢材 (Special Steel)、复合材料 (Composite Materials) 等新型工程材料不断涌现，为建造更大跨度、更高强度、更耐久的工程结构提供了物质基础。例如，碳纤维复合材料 (Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP) 在桥梁加固、结构修复和新型结构中得到应用，自密实混凝土 (Self-Consolidating Concrete) 提高了混凝土工程的施工效率和质量。

② 结构的创新 (Structural Innovation)：现代土木工程结构形式更加多样化和复杂化。高层建筑 (High-Rise Buildings)、超高层建筑 (Super High-Rise Buildings)、大跨度桥梁 (Long-Span Bridges)、空间网格结构 (Space Grid Structures)、膜结构 (Membrane Structures)、智能结构 (Smart Structures) 等新型结构体系不断涌现，挑战着工程技术的极限。例如，斜拉桥 (Cable-Stayed Bridges) 和悬索桥 (Suspension Bridges) 的跨度不断刷新世界纪录，建筑信息模型 (Building Information Modeling, BIM) 技术应用于复杂结构的设计 (Design)、分析 (Analysis) 和建造 (Construction)。

③ 技术的创新 (Technological Innovation)：现代土木工程技术日新月异。隧道盾构技术 (Tunnel Shield Technology)、顶推法施工 (Incremental Launching Method)、悬臂浇筑法 (Cantilever Construction Method)、大型构件吊装技术 (Large Component Lifting Technology)、预制装配式建筑 (Prefabricated Buildings)、3D打印建筑 (3D Printing Buildings) 等先进施工技术得到广泛应用，提高了工程建设的效率、质量和安全性。数值模拟 (Numerical Simulation)、有限元分析 (Finite Element Analysis)、传感器技术 (Sensor Technology)、物联网 (Internet of Things, IoT)、大数据 (Big Data)、人工智能 (Artificial Intelligence, AI) 等信息技术应用于工程设计 (Design)、监测 (Monitoring)、管理 (Management) 和维护 (Maintenance)，推动了土木工程的智能化和信息化发展。

④ 管理的创新 (Management Innovation)：现代土木工程管理更加科学化和精细化。项目管理 (Project Management) 理论和方法得到广泛应用，生命周期管理 (Life Cycle Management, LCM) 理念贯穿于工程建设全过程。绿色建造 (Green Construction) 和可持续建造 (Sustainable Construction) 成为行业共识，精益建造 (Lean Construction) 和数字化建造 (Digital Construction) 提高了工程管理的效率和效益。风险管理 (Risk Management)、合同管理 (Contract Management) 和供应链管理 (Supply Chain Management) 等现代管理方法应用于工程实践，提升了工程项目的整体管理水平。

尽管现代土木工程取得了巨大的成就，但也面临着诸多挑战：

① 可持续发展 (Sustainable Development) 的挑战：全球气候变化 (Climate Change)、资源短缺 (Resource Scarcity)、环境污染 (Environmental Pollution) 等问题日益突出，对土木工程的可持续发展提出了更高的要求。如何建造更加节能 (Energy-saving)、环保 (Environmentally Friendly)、低碳 (Low-carbon) 的基础设施，实现资源循环利用 (Resource Recycling)，保护生态环境，是现代土木工程面临的重要挑战。

② 城市化 (Urbanization) 的挑战：全球城市化进程加速，城市人口持续增长，对城市基础设施建设提出了更高的需求。如何建设更加集约 (Intensive)、高效 (Efficient)、韧性 (Resilient) 的城市基础设施，解决交通拥堵 (Traffic Congestion)、住房紧张 (Housing Shortage)、环境污染 (Environmental Pollution) 等城市问题，提升城市生活品质，是现代土木工程面临的又一重要挑战。

③ 自然灾害 (Natural Disasters) 的挑战：地震 (Earthquakes)、洪水 (Floods)、台风 (Typhoons)、滑坡 (Landslides) 等自然灾害频发，对土木基础设施的安全性和抗灾能力 (Disaster Resistance) 提出了更高的要求。如何提高基础设施的韧性 (Resilience)，增强其抗震 (Earthquake Resistance)、防洪 (Flood Prevention)、抗风 (Wind Resistance) 能力，减少灾害损失，保障人民生命财产安全，是现代土木工程必须应对的严峻挑战。

④ 老旧基础设施 (Aging Infrastructure) 的挑战：许多国家和地区的基础设施已进入老旧期，面临老化 (Aging)、损坏 (Damage)、功能退化 (Functional Degradation) 等问题。如何对老旧基础设施进行检测 (Inspection)、评估 (Assessment)、维护 (Maintenance)、加固 (Reinforcement) 和改造 (Reconstruction)，延长其使用寿命，保障其安全运行，是现代土木工程面临的长期任务。

面对这些挑战，现代土木工程需要不断创新，发展更加可持续 (Sustainable)、韧性 (Resilient)、智能 (Intelligent) 的基础设施，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。

1.3 土木工程师的社会责任与职业道德 (Social Responsibility and Professional Ethics of Civil Engineers)

土木工程师是基础设施建设的主力军，承担着重要的社会责任，必须遵守严格的职业道德规范。土木工程师的职业行为不仅关系到工程项目的成败，更关系到公众的安全和福祉。

1.3.1 土木工程师的社会责任 (Social Responsibility of Civil Engineers)

土木工程师的社会责任体现在以下几个方面：

① 保障公众安全 (Ensuring Public Safety)：土木工程师的首要责任是保障公众安全。他们设计和建造的建筑物、桥梁、道路、水坝等基础设施，直接关系到人民的生命财产安全。土木工程师必须以安全第一 (Safety First) 为原则，严格遵守工程规范和标准，进行科学设计 (Scientific Design)、精心施工 (Careful Construction) 和严格质量控制 (Strict Quality Control)，确保工程结构的安全可靠，防止工程事故的发生。

② 促进社会经济发展 (Promoting Social and Economic Development)：基础设施是社会经济发展的基础支撑。土木工程师通过建设交通运输设施 (Transportation Facilities)、能源设施 (Energy Facilities)、水利设施 (Hydraulic Facilities)、市政设施 (Municipal Facilities) 等，为社会经济发展提供必要的物质条件。优质的基础设施可以提高生产效率、降低运输成本、改善生活条件、促进区域发展，从而推动社会经济的繁荣。土木工程师应积极参与基础设施建设，为社会经济发展贡献力量。

③ 保护环境资源 (Protecting Environmental Resources)：土木工程建设活动不可避免地会对环境产生影响。土木工程师有责任在工程建设过程中最大限度地减少对环境的负面影响 (Minimize Negative Environmental Impacts)，保护自然资源 (Natural Resources) 和生态环境 (Ecological Environment)。他们应采用绿色建造技术 (Green Construction Technologies)，推广节能环保材料 (Energy-saving and Environmentally Friendly Materials)，进行环境影响评价 (Environmental Impact Assessment)，实施生态修复措施 (Ecological Restoration Measures)，实现工程建设与环境保护的协调发展。

④ 提升生活品质 (Improving Quality of Life)：土木工程建设的最终目的是为了提升人类的生活品质。土木工程师通过建造舒适的住宅 (Comfortable Residences)、便捷的交通 (Convenient Transportation)、清洁的水源 (Clean Water Sources)、优美的环境 (Beautiful Environment) 等，改善人们的居住条件、出行条件、生活环境和工作环境，提高人民的幸福感和生活质量。土木工程师应以人为本 (People-oriented)，关注人民的需求，努力创造更加美好的生活空间。

⑤ 促进可持续发展 (Promoting Sustainable Development)：可持续发展是当今时代的主题。土木工程师应将可持续发展理念 (Sustainable Development Concept) 融入到工程建设的各个环节，从规划 (Planning)、设计 (Design)、建造 (Construction) 到运营 (Operation) 和维护 (Maintenance)，都要考虑经济效益 (Economic Benefits)、社会效益 (Social Benefits) 和环境效益 (Environmental Benefits) 的统一，实现经济 (Economy)、社会 (Society) 和环境 (Environment) 的协调发展，为子孙后代留下可持续发展的基础设施。

1.3.2 土木工程职业道德规范 (Professional Ethics in Civil Engineering)

为了履行社会责任，土木工程师必须遵守以下职业道德规范：

① 诚信 (Integrity)：诚信是土木工程师职业道德的基石。土木工程师应诚实守信 (Honest and Trustworthy)，言行一致，信守承诺。在工程实践中，要如实报告 (Truthfully Report) 工程情况，不弄虚作假 (No Fraudulent Practices)，不隐瞒真相 (No Concealing the Truth)，不欺骗客户 (No Deceiving Clients) 和公众。

② 公正 (Justice)：公正是土木工程师处理工程事务的基本原则。土木工程师应公平公正 (Fair and Just) 地对待所有利益相关者，包括业主 (Owners)、承包商 (Contractors)、监理单位 (Supervision Units)、政府部门 (Government Departments) 和公众。在工程决策中，要客观 (Objective)、公正 (Impartial)、独立 (Independent) 地进行判断，不偏袒任何一方 (No Favoritism)，维护各方合法权益。

③ 专业胜任能力 (Professional Competence)：专业胜任能力是土木工程师履行职责的前提。土木工程师应不断学习和更新专业知识，提高专业技能 (Professional Skills) 和技术水平 (Technical Level)，确保能够胜任工程工作。要认真负责 (Responsible and Conscientious) 地对待每一项工程任务，精益求精 (Striving for Perfection)，力求做到最好。要勇于承担责任 (Dare to Take Responsibility)，对自己的工程决策和行为负责。

④ 环境保护意识 (Environmental Awareness)：环境保护是土木工程师必须具备的职业素养。土木工程师应树立环境保护意识 (Environmental Protection Awareness)，在工程建设中充分考虑环境影响 (Environmental Impact)，采取环境保护措施 (Environmental Protection Measures)，节约资源 (Resource Conservation)，减少污染 (Pollution Reduction)，保护生态环境，实现绿色发展 (Green Development)。

⑤ 保密 (Confidentiality)：保密是土木工程师应遵守的职业纪律。土木工程师应保守工程秘密 (Keep Engineering Secrets) 和客户商业秘密 (Client Business Secrets)，不泄露 (No Disclosure) 未经授权的工程信息和数据。要尊重知识产权 (Intellectual Property Rights)，不侵犯 (No Infringement) 他人的知识产权。

⑥ 终身学习 (Lifelong Learning)：土木工程技术不断发展进步，土木工程师需要终身学习 (Lifelong Learning)，不断更新知识，掌握新技术，适应新挑战。要积极参加继续教育 (Continuing Education) 和职业培训 (Vocational Training)，跟踪行业发展动态，保持专业竞争力。

⑦ 社会责任感 (Social Responsibility)：社会责任感是土木工程师职业道德的核心。土木工程师应具有强烈的社会责任感 (Sense of Social Responsibility)，服务社会 (Serving Society)，奉献社会 (Contributing to Society)。要积极参与公益事业 (Public Welfare Undertakings)，为社会进步和人类福祉贡献自己的力量。

总之，土木工程师的社会责任和职业道德是土木工程学科的重要组成部分，是土木工程师 профессиональной деятельности 的行为准则。每一位土木工程师都应牢记自己的社会责任，恪守职业道德规范，为社会创造更加安全、可靠、可持续的基础设施，为人类文明的进步做出贡献。

2. 工程力学基础 (Fundamentals of Engineering Mechanics)

本章旨在系统地介绍土木工程领域至关重要的基础学科——工程力学。工程力学是研究物体在力作用下机械行为的学科，是土木工程师分析、设计和维护各种工程结构和系统的理论基石。本章将深入浅出地讲解静力学 (Statics)、材料力学 (Mechanics of Materials) 和 流体力学 (Fluid Mechanics) 的基本原理，为读者后续深入学习土木工程的专业课程，如结构工程、岩土工程、水利工程等，奠定坚实的理论基础。掌握工程力学的基本概念、分析方法和计算技能，对于理解土木工程的内在规律、解决实际工程问题至关重要。

2.1 静力学 (Statics)

静力学 (Statics) 是工程力学的一个重要分支，主要研究处于静止状态或匀速运动状态（可以等效为静止状态）物体在力作用下的平衡条件和规律。在土木工程中，绝大多数结构物，如房屋、桥梁、挡土墙等，在正常使用情况下都处于静止状态。因此，静力学的理论和方法是分析这些结构物受力、变形和稳定性的基础。本节将介绍静力学的基本概念、平衡条件 (equilibrium conditions)、力系简化 (force systems simplification) 和 结构静力分析方法 (static analysis methods of structures)，旨在帮助读者掌握分析静止状态物体受力与平衡的基本方法。

2.1.1 力与力系 (Force and Force Systems)

力 (Force) 是物体之间相互机械作用的量度，是使物体运动状态发生改变或使物体产生变形的原因。力是矢量 (vector)，具有大小 (magnitude)、方向 (direction) 和 作用点 (point of application) 三要素。在国际单位制 (SI) 中，力的单位是 牛顿 (Newton)，简称 牛 (N)。1 牛顿的力定义为使 1 公斤质量的物体产生 1 米每二次方秒加速度的力，即 \( 1N = 1kg \cdot m/s^2 \)。

① 力的单位 (Units of Force)
▮▮▮▮在国际单位制 (SI) 中，力的基本单位是牛顿 (N)。常用的力的单位还有：
▮▮▮▮ⓐ 千牛 (kN): \( 1kN = 10^3 N \)
▮▮▮▮ⓑ 兆牛 (MN): \( 1MN = 10^6 N \)

② 力的矢量性 (Vector Nature of Force)
▮▮▮▮力是矢量，表示力必须同时考虑其大小和方向。力的矢量性在静力学分析中至关重要，力的合成与分解、平衡方程的建立都基于矢量的运算规则。

③ 力系 (Force System)
▮▮▮▮作用在一个物体或结构上的多个力的组合称为 力系 (force system)。根据力的作用线之间的关系，力系可以分为以下几种基本类型：
▮▮▮▮ⓐ 共点力系 (Concurrent Force System)：各个力的作用线交于一点。例如，用绳索悬挂的重物，绳索上的拉力与重力近似为共点力系。
▮▮▮▮ⓑ 平行力系 (Parallel Force System)：各个力的作用线互相平行。例如，作用在梁上的均布荷载可以简化为平行力系。
▮▮▮▮ⓒ 平面力系 (Coplanar Force System)：各个力的作用线位于同一平面内。工程中常见的许多结构，如平面桁架、平面框架，其受力可以简化为平面力系。
▮▮▮▮ⓓ 空间力系 (Spatial Force System)：各个力的作用线不位于同一平面内。空间结构，如空间桁架、壳体结构，其受力为空间力系。

④ 力系的简化 (Simplification of Force Systems)
▮▮▮▮为了便于力学分析，常常需要对力系进行简化，将其等效地简化为一个或几个简单的力。常用的力系简化方法包括：
▮▮▮▮ⓐ 力的合成 (Composition of Forces)：将多个力合成一个力，称为 合力 (resultant force)。对于共点力系，合力可以直接通过矢量加法求得，例如平行四边形法则 (parallelogram law) 和 三角形法则 (triangle law)。对于非共点力系，合力还需要考虑力矩的平衡。
▮▮▮▮ⓑ 力系的合力矩 (Resultant Moment of Force System)：力系对于某一点的 合力矩 (resultant moment) 是力系中各个力对该点力矩的矢量和。合力矩反映了力系使物体绕该点转动的趋势。
▮▮▮▮ⓒ 力系的简化结果 (Resultant of Force System)：任何力系都可以等效地简化为一个 主矢 (principal vector) 和一个 主矩 (principal moment)。主矢是力系中所有力的矢量和，主矩是力系对简化中心（通常取坐标原点）的合力矩。对于不同的力系，简化结果可以进一步简化：
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 共点力系可以简化为一个合力，作用点为各力的交点。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 平面力系可以简化为一个合力，或一个合力偶，或平衡。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 空间力系一般简化为一个主矢和一个主矩。

2.1.2 平衡条件与平衡方程 (Equilibrium Conditions and Equations)

平衡 (Equilibrium) 是指物体在力的作用下，其运动状态不发生改变，即保持静止或匀速直线运动状态。对于静止状态的物体，平衡意味着物体既不发生移动，也不发生转动。平衡条件 (equilibrium conditions) 是物体保持平衡状态所必须满足的力学条件。平衡方程 (equilibrium equations) 是根据平衡条件建立的数学方程，用于求解未知力或判断物体的平衡状态。

① 静力平衡的基本条件 (Basic Conditions for Static Equilibrium)
▮▮▮▮物体要保持静力平衡，必须同时满足以下两个基本条件：
▮▮▮▮ⓐ 力的平衡条件 (Force Equilibrium Condition)：作用在物体上的所有外力的合力必须为零。这意味着物体在任何方向上都没有平动趋势。用矢量表示为：
\[ \sum \mathbf{F} = 0 \]
▮▮▮▮ⓑ 力矩平衡条件 (Moment Equilibrium Condition)：作用在物体上的所有外力对任一点的合力矩必须为零。这意味着物体绕任何轴都没有转动趋势。用矢量表示为，对于空间力系，可以对任意点 O 取力矩：
\[ \sum \mathbf{M}_O = 0 \]
▮▮▮▮▮▮▮▮对于平面力系，力矩平衡条件可以简化为对平面内任一点 O 取力矩：
\[ \sum M_O = 0 \]

② 平面力系的平衡方程 (Equilibrium Equations for Planar Force System)
▮▮▮▮对于平面力系，物体平衡的条件可以转化为代数方程。在直角坐标系 \( Oxy \) 中，平面力系的平衡方程通常有三种形式：
▮▮▮▮ⓐ 二力矩方程 (Two-Moment Equations)：选取平面内不共线的三点 A、B、C，则平衡方程为：
\[ \sum F_x = 0 \]
\[ \sum F_y = 0 \]
\[ \sum M_A = 0 \]
▮▮▮▮ⓑ 三力矩方程 (Three-Moment Equations)：选取平面内任意三点 A、B、C，只要这三点不共线，则平衡方程为：
\[ \sum M_A = 0 \]
\[ \sum M_B = 0 \]
\[ \sum M_C = 0 \]
▮▮▮▮ⓒ 投影方程和力矩方程 (Projection and Moment Equations)：选取平面内任意一点 O，并选取不与 \( x \) 轴垂直的任一轴 \( x' \)，则平衡方程为：
\[ \sum F_x = 0 \]
\[ \sum M_O = 0 \]
\[ \sum F_{x'} = 0 \]
▮▮▮▮其中，\( \sum F_x \) 和 \( \sum F_y \) 分别表示所有力在 \( x \) 轴和 \( y \) 轴上的投影的代数和，\( \sum M_O \) 表示所有力对点 O 的力矩的代数和，\( \sum F_{x'} \) 表示所有力在 \( x' \) 轴上的投影的代数和。

③ 空间力系的平衡方程 (Equilibrium Equations for Spatial Force System)
▮▮▮▮对于空间力系，物体平衡的条件也可以转化为代数方程。在直角坐标系 \( Oxyz \) 中，空间力系的平衡方程一般有六个，分别为：
\[ \sum F_x = 0 \]
\[ \sum F_y = 0 \]
\[ \sum F_z = 0 \]
\[ \sum M_x = 0 \]
\[ \sum M_y = 0 \]
\[ \sum M_z = 0 \]
▮▮▮▮其中，\( \sum F_x \)、\( \sum F_y \)、\( \sum F_z \) 分别表示所有力在 \( x \)、\( y \)、\( z \) 轴上的投影的代数和，\( \sum M_x \)、\( \sum M_y \)、\( \sum M_z \) 分别表示所有力对 \( x \)、\( y \)、\( z \) 轴的力矩的代数和。

④ 应用举例 (Application Examples)
▮▮▮▮平衡方程广泛应用于求解结构物中的未知反力、内力，以及分析物体的平衡状态。例如，求解简支梁的支座反力，分析桁架的杆件内力，判断机构的平衡位置等。在实际工程问题中，需要根据具体的受力情况和几何条件，灵活选择合适的平衡方程形式进行求解。

2.1.3 结构静力分析 (Static Analysis of Structures)

结构静力分析 (Static Analysis of Structures) 是应用静力学原理，研究结构在静力荷载作用下的受力、变形和稳定性的学科。在土木工程中，结构静力分析是结构设计的基础和关键环节。本节将介绍 刚体 (rigid body)、约束与支座 (constraints and supports)、结构类型 (types of structures)，以及 梁 (beam)、桁架 (truss) 等简单结构的静力分析方法。

① 刚体 (Rigid Body)
▮▮▮▮在静力学中，为了简化分析，通常将研究对象理想化为 刚体 (rigid body)。刚体是指在外力作用下，形状和尺寸都不发生改变的物体。实际上，任何物体都会发生变形，但在许多工程问题中，物体的变形很小，可以忽略不计，因此可以近似地看作刚体。

② 约束与支座 (Constraints and Supports)
▮▮▮▮约束 (constraint) 是限制物体运动的条件。在结构分析中，约束通常通过 支座 (support) 来实现。支座是结构与地基或其他构件连接的部分，它限制结构的某些自由度，并提供反力以维持结构的平衡。常见的支座类型包括：
▮▮▮▮ⓐ 铰支座 (Hinge Support)：又称 固定铰支座 (fixed hinge support) 或 销轴支座 (pin support)。铰支座可以限制结构在两个方向上的平动，但不能限制结构的转动。铰支座可以产生两个方向的反力，水平反力 \( R_x \) 和竖直反力 \( R_y \)。
▮▮▮▮ⓑ 滚动支座 (Roller Support)：滚动支座可以限制结构在一个方向上的平动（通常是竖直方向），但不能限制在另一个方向上的平动和转动。滚动支座只能产生一个方向的反力，反力方向垂直于滚动面。
▮▮▮▮ⓒ 固定支座 (Fixed Support)：固定支座可以完全限制结构在所有方向上的平动和转动。固定支座可以产生三个反力：水平反力 \( R_x \)、竖直反力 \( R_y \) 和 固定端力矩 (fixed-end moment) \( M \)。

③ 结构类型 (Types of Structures)
▮▮▮▮根据结构的几何构造和支座约束情况，可以将结构分为不同的类型：
▮▮▮▮ⓐ 静定结构 (Statically Determinate Structure)：静定结构是指可以完全通过静力平衡方程求解出所有支座反力和杆件内力的结构。静定结构的特点是结构的平衡状态和内力分布与材料的性质无关，只取决于结构的几何形状和外荷载。
▮▮▮▮ⓑ 超静定结构 (Statically Indeterminate Structure)：超静定结构是指仅凭静力平衡方程不足以完全求解出所有支座反力和杆件内力的结构。超静定结构的特点是结构的平衡状态和内力分布不仅与结构的几何形状和外荷载有关，还与材料的性质有关。求解超静定结构需要补充变形协调条件或能量原理等其他力学方法。
▮▮▮▮ⓒ 几何可变体系 (Geometrically Unstable System)：几何可变体系又称 机构 (mechanism)，是指在荷载作用下，结构会发生连续变形，无法保持平衡状态的结构。几何可变体系通常不能作为工程结构使用。
▮▮▮▮ⓓ 几何常变体系 (Geometrically Stable System)：几何常变体系是指几何形状确定的结构，可以是静定结构或超静定结构。几何常变体系在荷载作用下能够保持平衡状态。

④ 简单结构的静力分析 (Static Analysis of Simple Structures)
▮▮▮▮土木工程中常见的简单结构包括梁、桁架等。对于这些简单结构，可以应用静力平衡方程进行静力分析，求解支座反力和杆件内力。
▮▮▮▮ⓐ 梁的静力分析 (Static Analysis of Beams)：梁是承受弯曲荷载的杆件。梁的静力分析主要包括求解支座反力、绘制 剪力图 (shear force diagram, SFD) 和 弯矩图 (bending moment diagram, BMD)。剪力图和弯矩图可以直观地反映梁内剪力和弯矩的分布规律，是梁强度和变形计算的基础。
▮▮▮▮ⓑ 桁架的静力分析 (Static Analysis of Trusses)：桁架是由杆件通过铰连接组成的结构，杆件只承受轴向拉力或压力，不承受弯矩和剪力。桁架的静力分析主要目的是求解杆件的内力。常用的桁架分析方法包括 节点法 (method of joints) 和 截面法 (method of sections)。节点法逐个节点地应用平衡方程，求解与该节点相连的杆件内力。截面法通过截取桁架的一部分，应用平衡方程求解被截断杆件的内力。

2.2 材料力学 (Mechanics of Materials)

材料力学 (Mechanics of Materials) 是工程力学的又一重要分支，主要研究杆件在各种外力作用下的应力 (stress)、应变 (strain)、变形 (deformation) 和 强度 (strength) 问题。与静力学主要研究刚体平衡不同，材料力学更加关注物体的变形和强度。在土木工程中，结构构件，如梁、柱、板、墙等，在荷载作用下都会发生变形，并产生应力。材料力学的理论和方法是进行结构强度、刚度和稳定性分析与设计的关键。本节将讲解材料力学的基本理论，包括应力、应变、材料的力学性能 (mechanical properties of materials)、杆件的基本变形与强度计算 (basic deformations and strength calculation of bars)，旨在帮助读者掌握分析杆件在荷载作用下的变形和强度的基本方法。

2.2.1 应力与应变 (Stress and Strain)

应力 (Stress) 是物体内部单位面积上的内力，是描述物体内部相互作用强度的物理量。应力是强度量 (intensity quantity)，反映了材料内部抵抗外力作用的能力。应变 (Strain) 是物体变形程度的度量，是描述物体变形大小的物理量。应变是几何量 (geometric quantity)，反映了物体变形的相对大小。应力-应变关系 (stress-strain relationship) 描述了材料在受力过程中，应力与应变之间的关系，是材料力学的核心内容。

① 应力 (Stress)
▮▮▮▮应力 (stress) 定义为单位面积上的内力。根据内力的方向与作用面的关系，应力可以分为 正应力 (normal stress) 和 剪应力 (shear stress) 两种基本类型。
▮▮▮▮ⓐ 正应力 (Normal Stress)：正应力是指垂直于作用面的内力分量引起的应力。正应力用 \( \sigma \) 表示，其计算公式为：
\[ \sigma = \frac{F_N}{A} \]
▮▮▮▮▮▮▮▮其中，\( F_N \) 是垂直于作用面的内力分量（轴力），\( A \) 是作用面的面积。正应力的单位与压强单位相同，常用 帕斯卡 (Pascal, Pa) 或其倍数 兆帕 (MPa)，\( 1MPa = 10^6 Pa = 1N/mm^2 \)。正应力可以是 拉应力 (tensile stress)（\( \sigma > 0 \)，表示拉伸状态）或 压应力 (compressive stress)（\( \sigma < 0 \)，表示压缩状态）。
▮▮▮▮ⓑ 剪应力 (Shear Stress)：剪应力是指平行于作用面的内力分量引起的应力。剪应力用 \( \tau \) 表示，其计算公式为：
\[ \tau = \frac{F_S}{A} \]
▮▮▮▮▮▮▮▮其中，\( F_S \) 是平行于作用面的内力分量（剪力），\( A \) 是作用面的面积。剪应力的单位也常用帕斯卡 (Pa) 或兆帕 (MPa)。

② 应变 (Strain)
▮▮▮▮应变 (strain) 是描述物体变形程度的量。类似于应力，应变也可以分为 正应变 (normal strain) 和 剪应变 (shear strain) 两种基本类型。
▮▮▮▮ⓐ 正应变 (Normal Strain)：正应变是指杆件轴线方向的线变形与原长度之比，反映了杆件沿轴线方向的伸长或缩短程度。正应变用 \( \varepsilon \) 表示，对于轴向拉伸或压缩杆件，其正应变计算公式为：
\[ \varepsilon = \frac{\Delta L}{L_0} \]
▮▮▮▮▮▮▮▮其中，\( \Delta L \) 是杆件的轴向变形量（伸长为正，缩短为负），\( L_0 \) 是杆件的原长度。正应变是无量纲的量。
▮▮▮▮ⓑ 剪应变 (Shear Strain)：剪应变是指物体内直角初始角度的改变量，反映了物体形状的剪切变形程度。剪应变用 \( \gamma \) 表示，其定义为剪切角 \( \phi \) 的弧度值，即 \( \gamma = \phi \)。剪应变也是无量纲的量，通常用弧度 (rad) 表示。

③ 应力-应变关系 (Stress-Strain Relationship)
▮▮▮▮应力-应变关系 (stress-strain relationship) 描述了材料在受力过程中，应力与应变之间的关系。这种关系是材料的本构关系，反映了材料的力学性能。对于线弹性材料，应力与应变之间存在线性关系，即 胡克定律 (Hooke's Law)。
▮▮▮▮ⓐ 线弹性 Hooke 定律 (Linear Elastic Hooke's Law)：在线弹性范围内，正应力 \( \sigma \) 与正应变 \( \varepsilon \) 成正比，剪应力 \( \tau \) 与剪应变 \( \gamma \) 成正比。其数学表达式分别为：
\[ \sigma = E \varepsilon \]
\[ \tau = G \gamma \]
▮▮▮▮▮▮▮▮其中，\( E \) 是材料的 弹性模量 (Elastic Modulus) 或 杨氏模量 (Young's Modulus)，反映了材料抵抗弹性变形的能力，是材料刚度的指标。\( G \) 是材料的 剪切模量 (Shear Modulus) 或 刚性模量 (Rigidity Modulus)，反映了材料抵抗剪切变形的能力。\( E \) 和 \( G \) 都是材料的固有属性，单位与应力单位相同，常用帕斯卡 (Pa) 或兆帕 (MPa)。对于各向同性线弹性材料，\( E \) 和 \( G \) 之间存在以下关系：
\[ G = \frac{E}{2(1+\nu)} \]
▮▮▮▮▮▮▮▮其中，\( \nu \) 是 泊松比 (Poisson's Ratio)，是材料在单向拉伸或压缩时，横向正应变与轴向正应变绝对值之比，反映了材料横向变形与轴向变形的关联程度。泊松比 \( \nu \) 是无量纲的量，对于大多数工程材料，\( 0 < \nu < 0.5 \)。

2.2.2 材料的力学性能 (Mechanical Properties of Materials)

材料的力学性能 (mechanical properties of materials) 是指材料在力作用下表现出的力学行为特征。这些性能是工程设计中选择材料、评估结构安全性的重要依据。常用的材料力学性能指标包括 弹性 (elasticity)、塑性 (plasticity)、强度 (strength)、刚度 (stiffness)、韧性 (toughness)、硬度 (hardness)、疲劳强度 (fatigue strength) 等。材料的力学性能通常通过 材料试验 (material testing) 来测定。常用的材料试验方法包括 拉伸试验 (tensile test)、压缩试验 (compression test)、剪切试验 (shear test)、硬度试验 (hardness test) 等。

① 弹性 (Elasticity)
▮▮▮▮弹性 (elasticity) 是指材料在外力作用下发生变形，卸载后能够完全恢复原始形状和尺寸的性质。具有弹性的变形称为 弹性变形 (elastic deformation)。弹性是材料的重要力学性能之一，工程结构在正常工作状态下，通常要求材料具有良好的弹性性能。

② 塑性 (Plasticity)
▮▮▮▮塑性 (plasticity) 是指材料在外力作用下发生变形，卸载后不能完全恢复原始形状和尺寸，而留下永久变形的性质。具有塑性的变形称为 塑性变形 (plastic deformation) 或 残余变形 (residual deformation)。塑性对于材料的加工成型是有利的，但对于某些工程结构，过大的塑性变形是不允许的。

③ 强度 (Strength)
▮▮▮▮强度 (strength) 是指材料抵抗破坏的能力。根据破坏形式的不同，强度可以分为 屈服强度 (yield strength)、抗拉强度 (tensile strength)、抗压强度 (compressive strength)、抗剪强度 (shear strength) 等。
▮▮▮▮ⓐ 屈服强度 (Yield Strength)：屈服强度是材料开始发生显著塑性变形的应力值。对于具有明显屈服阶段的材料（如低碳钢），屈服强度对应于 屈服点 (yield point)。对于没有明显屈服阶段的材料（如高强度钢、铝合金），通常采用 规定塑性延伸强度 (proof strength) 作为屈服强度的近似值。
▮▮▮▮ⓑ 抗拉强度 (Tensile Strength)：抗拉强度是指材料在拉伸过程中能够承受的最大应力值，也称 极限抗拉强度 (ultimate tensile strength)。抗拉强度是衡量材料拉伸性能的重要指标。
▮▮▮▮ⓒ 抗压强度 (Compressive Strength)：抗压强度是指材料在压缩过程中能够承受的最大应力值，也称 极限抗压强度 (ultimate compressive strength)。抗压强度是衡量材料压缩性能的重要指标。对于脆性材料（如混凝土、砖石），抗压强度远高于抗拉强度。
▮▮▮▮ⓓ 抗剪强度 (Shear Strength)：抗剪强度是指材料抵抗剪切破坏的能力。抗剪强度通常通过剪切试验或扭转试验测定。

④ 刚度 (Stiffness)
▮▮▮▮刚度 (stiffness) 是指材料抵抗弹性变形的能力。刚度越大，材料在相同荷载作用下产生的弹性变形越小。弹性模量 \( E \) 和剪切模量 \( G \) 是衡量材料刚度的指标。

⑤ 韧性 (Toughness)
▮▮▮▮韧性 (toughness) 是指材料在断裂前吸收能量的能力。韧性反映了材料抵抗冲击荷载和裂纹扩展的能力。韧性好的材料，在受到冲击或过载时，不容易发生脆性断裂。韧性通常用 冲击韧性 (impact toughness) 或 断裂韧性 (fracture toughness) 等指标来衡量。

⑥ 硬度 (Hardness)
▮▮▮▮硬度 (hardness) 是指材料表面抵抗局部塑性变形的能力，特别是抵抗压痕或划痕的能力。硬度是材料表面力学性能的综合指标，与强度、塑性等性能有关。常用的硬度指标有 布氏硬度 (Brinell hardness, HB)、洛氏硬度 (Rockwell hardness, HR)、维氏硬度 (Vickers hardness, HV) 等。

⑦ 疲劳强度 (Fatigue Strength)
▮▮▮▮疲劳强度 (fatigue strength) 是指材料在循环荷载作用下抵抗疲劳破坏的能力。疲劳破坏是指材料在远低于静载强度的情况下，由于长期循环荷载作用而发生的断裂。疲劳强度通常用 疲劳极限 (fatigue limit) 或 疲劳寿命 (fatigue life) 等指标来衡量。

⑧ 常用的材料试验方法 (Common Material Testing Methods)
▮▮▮▮为了测定材料的力学性能指标，需要进行各种材料试验。常用的材料试验方法包括：
▮▮▮▮ⓐ 拉伸试验 (Tensile Test)：拉伸试验是测定材料拉伸性能最常用的方法。通过拉伸试验，可以测定材料的弹性模量 \( E \)、屈服强度 \( \sigma_s \)、抗拉强度 \( \sigma_b \)、延伸率 \( \delta \) 和断面收缩率 \( \psi \) 等指标，并绘制 应力-应变曲线 (stress-strain curve)。
▮▮▮▮ⓑ 压缩试验 (Compression Test)：压缩试验用于测定材料的压缩性能，特别是脆性材料（如混凝土、砖石）的抗压强度 \( \sigma_c \)。
▮▮▮▮ⓒ 剪切试验 (Shear Test)：剪切试验用于测定材料的抗剪强度 \( \tau_s \)。
▮▮▮▮ⓓ 弯曲试验 (Bending Test)：弯曲试验用于测定材料的弯曲强度和弯曲变形性能。
▮▮▮▮ⓔ 硬度试验 (Hardness Test)：硬度试验用于测定材料的硬度，常用的硬度试验方法有布氏硬度试验、洛氏硬度试验和维氏硬度试验。
▮▮▮▮ⓕ 冲击试验 (Impact Test)：冲击试验用于测定材料的冲击韧性，常用的冲击试验方法有 夏比冲击试验 (Charpy impact test) 和 悬臂梁冲击试验 (Izod impact test)。
▮▮▮▮ⓖ 疲劳试验 (Fatigue Test)：疲劳试验用于测定材料的疲劳强度和疲劳寿命。

2.2.3 杆件的基本变形与强度 (Basic Deformations and Strength of Bars)

杆件 (bar) 是指横向尺寸远小于纵向尺寸的构件，如梁、柱、拉杆、轴等。杆件是土木工程结构中最基本的构件类型。杆件在荷载作用下会产生各种基本变形，如 轴向拉伸与压缩 (axial tension and compression)、剪切 (shear)、扭转 (torsion)、弯曲 (bending) 等。强度计算 (strength calculation) 是指根据材料的强度条件，计算杆件的安全承载能力或确定杆件的合理尺寸。本节将分析杆件的基本变形形式，并建立杆件的强度计算方法。

① 轴向拉伸与压缩 (Axial Tension and Compression)
▮▮▮▮轴向拉伸与压缩 (axial tension and compression) 是指杆件在轴向拉力或压力作用下产生的变形。轴向拉伸时，杆件伸长，横截面面积减小；轴向压缩时，杆件缩短，横截面面积增大。
▮▮▮▮ⓐ 应力计算 (Stress Calculation)：轴向拉伸或压缩杆件的横截面上的应力分布是均匀的，为正应力 \( \sigma \)，计算公式为：
\[ \sigma = \frac{F}{A} \]
▮▮▮▮▮▮▮▮其中，\( F \) 是轴力（拉力为正，压力为负），\( A \) 是横截面面积。
▮▮▮▮ⓑ 变形计算 (Deformation Calculation)：在线弹性范围内，轴向拉伸或压缩杆件的轴向变形量 \( \Delta L \) 可以根据 轴向变形公式 (axial deformation formula) 计算：
\[ \Delta L = \frac{FL_0}{EA} \]
▮▮▮▮▮▮▮▮其中，\( L_0 \) 是杆件的原长度，\( E \) 是材料的弹性模量。轴向拉伸时 \( \Delta L > 0 \)，轴向压缩时 \( \Delta L < 0 \)。
▮▮▮▮ⓒ 强度条件 (Strength Condition)：轴向拉伸或压缩杆件的强度条件为：
\[ \sigma = \frac{|F|}{A} \leq [\sigma] \]
▮▮▮▮▮▮▮▮其中，\( [\sigma] \) 是材料的 许用应力 (allowable stress)，是根据材料的强度指标（如屈服强度 \( \sigma_s \) 或抗拉强度 \( \sigma_b \)）和安全系数 \( n \) 确定的。通常，许用应力取为：
\[ [\sigma] = \frac{\sigma_s}{n_s} \] 或 \[ [\sigma] = \frac{\sigma_b}{n_b} \]
▮▮▮▮▮▮▮▮其中，\( n_s \) 和 \( n_b \) 分别是基于屈服强度和抗拉强度的安全系数，通常 \( n_s > n_b > 1 \)。

② 剪切 (Shear)
▮▮▮▮剪切 (shear) 是指物体在相互平行、方向相反的两个力作用下，沿某一截面发生相对滑移的变形。例如，螺栓连接、铆钉连接等受剪连接件，以及梁的横截面上的剪力都会引起剪切变形。
▮▮▮▮ⓐ 应力计算 (Stress Calculation)：在假定剪应力在剪切面上均匀分布的情况下，剪应力 \( \tau \) 的计算公式为：
\[ \tau = \frac{F_S}{A_S} \]
▮▮▮▮▮▮▮▮其中，\( F_S \) 是剪力，\( A_S \) 是剪切面的面积。
▮▮▮▮ⓑ 变形计算 (Deformation Calculation)：剪切变形可以用剪应变 \( \gamma \) 表示，在线弹性范围内，剪应变与剪应力的关系为：
\[ \gamma = \frac{\tau}{G} \]
▮▮▮▮ⓒ 强度条件 (Strength Condition)：剪切的强度条件为：
\[ \tau = \frac{|F_S|}{A_S} \leq [\tau] \]
▮▮▮▮▮▮▮▮其中，\( [\tau] \) 是材料的 许用剪应力 (allowable shear stress)，通常根据材料的抗剪强度 \( \tau_s \) 和安全系数 \( n_\tau \) 确定：
\[ [\tau] = \frac{\tau_s}{n_\tau} \]

③ 扭转 (Torsion)
▮▮▮▮扭转 (torsion) 是指杆件在扭矩作用下绕轴线转动的变形。例如，传动轴、起重机的起重臂等会发生扭转变形。
▮▮▮▮ⓐ 应力计算 (Stress Calculation)：圆轴扭转时，横截面上的剪应力 \( \tau \) 大小与半径 \( \rho \) 成正比，最大剪应力 \( \tau_{max} \) 发生在横截面边缘，计算公式为：
\[ \tau_{max} = \frac{T}{W_t} \]
\[ \tau(\rho) = \frac{T\rho}{I_p} \]
▮▮▮▮▮▮▮▮其中，\( T \) 是扭矩，\( W_t \) 是 抗扭截面系数 (torsional section modulus)，\( I_p \) 是 极惯性矩 (polar moment of inertia)。对于实心圆轴，\( W_t = \frac{\pi d^3}{16} \)，\( I_p = \frac{\pi d^4}{32} \)，\( d \) 是轴的直径。
▮▮▮▮ⓑ 变形计算 (Deformation Calculation)：圆轴扭转的扭转角 \( \varphi \) 可以根据 扭转角公式 (torsional angle formula) 计算：
\[ \varphi = \frac{TL_0}{GI_p} \]
▮▮▮▮▮▮▮▮其中，\( L_0 \) 是轴的长度，\( G \) 是材料的剪切模量。扭转角的单位通常为弧度 (rad) 或度 (°)。
▮▮▮▮ⓒ 强度条件 (Strength Condition)：圆轴扭转的强度条件为：
\[ \tau_{max} = \frac{|T|}{W_t} \leq [\tau] \]

④ 弯曲 (Bending)
▮▮▮▮弯曲 (bending) 是指梁在横向荷载作用下产生的变形。梁的弯曲变形是最常见的杆件变形形式，也是土木工程结构中梁、板等构件的主要变形形式。
▮▮▮▮ⓐ 应力计算 (Stress Calculation)：梁弯曲时，横截面上同时存在正应力 \( \sigma \) 和剪应力 \( \tau \)。正应力 \( \sigma \) 沿截面高度呈线性分布，最大正应力 \( \sigma_{max} \) 发生在距离中性轴最远的上、下边缘，计算公式为：
\[ \sigma_{max} = \frac{M}{W_z} \]
\[ \sigma(y) = \frac{My}{I_z} \]
▮▮▮▮▮▮▮▮其中，\( M \) 是弯矩，\( W_z \) 是 抗弯截面系数 (bending section modulus)，\( I_z \) 是 惯性矩 (moment of inertia)，\( y \) 是点到中性轴的距离。对于矩形截面梁，\( W_z = \frac{bh^2}{6} \)，\( I_z = \frac{bh^3}{12} \)，\( b \) 是截面宽度，\( h \) 是截面高度。剪应力 \( \tau \) 在梁的横截面上分布较为复杂，对于矩形截面梁，最大剪应力 \( \tau_{max} \) 发生在截面中性轴处，近似计算公式为：
\[ \tau_{max} \approx \frac{1.5F_S}{A} \]
▮▮▮▮▮▮▮▮其中，\( F_S \) 是剪力，\( A \) 是横截面面积。
▮▮▮▮ⓑ 变形计算 (Deformation Calculation)：梁弯曲的变形可以用挠度 \( w \) 表示。梁的挠度曲线方程可以通过 挠曲线微分方程 (differential equation of deflection curve) 积分得到。对于简支梁、悬臂梁等简单梁，在集中荷载或均布荷载作用下的最大挠度 \( w_{max} \) 可以查阅相关手册得到。例如，简支梁在跨中集中力 \( P \) 作用下的最大挠度为 \( w_{max} = \frac{PL^3}{48EI_z} \)。
▮▮▮▮ⓒ 强度条件 (Strength Condition)：梁弯曲的强度条件包括 正应力强度条件 (normal stress strength condition) 和 剪应力强度条件 (shear stress strength condition)。通常，正应力强度条件是主要的，即：
\[ \sigma_{max} = \frac{|M|_{max}}{W_z} \leq [\sigma] \]
▮▮▮▮▮▮▮▮对于塑性材料，有时还需要进行 剪应力强度验算 (shear stress strength check)，即：
\[ \tau_{max} \leq [\tau] \]
▮▮▮▮▮▮▮▮在梁的强度设计中，通常先根据正应力强度条件确定梁的截面尺寸，然后进行剪应力强度验算，必要时调整截面尺寸。

2.3 流体力学 (Fluid Mechanics) 基础

流体力学 (Fluid Mechanics) 是工程力学的另一个重要分支，主要研究流体（液体和气体）的力学性质 (mechanical properties)、静力学规律 (static laws) 和 动力学规律 (dynamic laws)。在土木工程中，流体力学广泛应用于水利工程、环境工程、交通工程等领域，例如，水坝设计、河流治理、管道输水、污水处理、通风空调等都离不开流体力学的理论和方法。本节将介绍流体力学的基本概念和原理，包括 流体的性质 (properties of fluids)、流体静力学 (fluid statics)、流体动力学基础 (fundamentals of fluid dynamics)，为水利工程等相关课程的学习奠定基础。

2.3.1 流体的性质 (Properties of Fluids)

流体 (fluid) 是指在外力作用下容易流动，没有一定形状，具有流动性的物质。流体包括 液体 (liquid) 和 气体 (gas)。液体具有一定的体积，但形状随容器而变；气体没有一定的体积和形状，可以充满整个容器。流体与固体的主要区别在于，流体在剪应力作用下会发生连续变形，而固体在剪应力作用下只发生有限变形。流体的基本物理性质包括 密度 (density)、粘度 (viscosity)、表面张力 (surface tension)、压缩性 (compressibility) 和 汽化压力 (vapor pressure) 等。

① 流体的定义与分类 (Definition and Classification of Fluids)
▮▮▮▮流体 (fluid) 的定义：流体是指在外力作用下能够流动，容易改变形状的物质。从微观角度看，流体是由大量分子或原子组成的，分子之间存在相互作用力，但分子间的距离相对较大，分子可以自由移动，宏观上表现出流动性。
▮▮▮▮流体的分类 (classification of fluids)：
▮▮▮▮ⓐ 液体 (Liquid)：液体是流体的一种，具有以下特点：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 不可压缩性 (Incompressibility) (近似)：液体在压力变化时，密度变化很小，通常可以近似看作不可压缩流体。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 自由表面 (Free Surface)：液体具有自由表面，即液体与气体（通常是空气）的界面。自由表面在重力作用下通常是水平的。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 一定的体积 (Definite Volume)：液体具有一定的体积，体积不易改变。
▮▮▮▮ⓔ 气体 (Gas)：气体是流体的另一种，具有以下特点：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 可压缩性 (Compressibility)：气体在压力变化时，密度变化显著，是可压缩流体。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 无自由表面 (No Free Surface)：气体没有自由表面，会充满整个容器。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 可变体积 (Variable Volume)：气体的体积随压力和温度变化而变化。

② 密度 (Density)
▮▮▮▮密度 (density) \( \rho \) 是指单位体积流体的质量，是描述流体质量分布的物理量，定义为：
\[ \rho = \frac{m}{V} \]
▮▮▮▮其中，\( m \) 是流体的质量，\( V \) 是流体的体积。密度的单位在国际单位制 (SI) 中是 千克每立方米 (kg/m³) 。水的密度在常温常压下约为 \( 1000 kg/m^3 \)，空气的密度在常温常压下约为 \( 1.2 kg/m^3 \)。密度是流体的重要物理性质，影响流体的重力、惯性力等。

③ 粘度 (Viscosity)
▮▮▮▮粘度 (viscosity) \( \mu \) 是流体抵抗剪切变形能力的量度，是流体分子之间内摩擦力的宏观表现。粘度反映了流体的流动性，粘度越大，流体越粘稠，流动性越差。
▮▮▮▮牛顿内摩擦定律 (Newton's Law of Viscosity)：对于牛顿流体，剪应力 \( \tau \) 与剪切变形速率 \( \frac{du}{dy} \) 成正比，即：
\[ \tau = \mu \frac{du}{dy} \]
▮▮▮▮其中，\( \frac{du}{dy} \) 是速度梯度（剪切变形速率），\( \mu \) 是 动力粘度 (dynamic viscosity) 或 绝对粘度 (absolute viscosity)，简称 粘度 (viscosity)。动力粘度的单位在国际单位制 (SI) 中是 帕斯卡·秒 (Pa·s) 或 牛顿·秒每平方米 (N·s/m²) 或 千克每米·秒 (kg/(m·s))。常用的粘度单位还有 泊 (Poise, P) 和 厘泊 (centipoise, cP)，\( 1P = 0.1 Pa \cdot s \)，\( 1cP = 0.001 Pa \cdot s \)。水的动力粘度在 \( 20^\circ C \) 时约为 \( 1 cP \)，空气的动力粘度在常温下约为 \( 1.8 \times 10^{-5} Pa \cdot s \)。
▮▮▮▮运动粘度 (kinematic viscosity) \( \nu \) 是动力粘度 \( \mu \) 与密度 \( \rho \) 之比，即：
\[ \nu = \frac{\mu}{\rho} \]
▮▮▮▮运动粘度的单位在国际单位制 (SI) 中是 平方米每秒 (m²/s)。常用的运动粘度单位还有 斯托克斯 (Stokes, St) 和 厘斯托克斯 (centistokes, cSt)，\( 1St = 10^{-4} m^2/s \)，\( 1cSt = 10^{-6} m^2/s \)。

④ 表面张力 (Surface Tension)
▮▮▮▮表面张力 (surface tension) \( \sigma \) 是液体表面分子之间相互吸引力引起的，使液体表面积缩小的力。表面张力使液体表面具有收缩趋势，类似于张紧的弹性膜。表面张力的单位是 牛顿每米 (N/m)。表面张力现象在毛细现象、液滴形成、气泡运动等方面起着重要作用。

⑤ 压缩性 (Compressibility)
▮▮▮▮压缩性 (compressibility) 是流体体积随压力变化的程度。压缩性用 体积弹性模量 (bulk modulus of elasticity) \( K \) 来描述，定义为：
\[ K = -V \frac{dp}{dV} \]
▮▮▮▮其中，\( dp \) 是压力变化量，\( dV \) 是体积变化量，\( V \) 是流体的体积。体积弹性模量的单位与压强单位相同，常用帕斯卡 (Pa) 或兆帕 (MPa)。体积弹性模量越大，流体的压缩性越小。液体的体积弹性模量很大，通常可以近似看作不可压缩流体。气体的体积弹性模量较小，是可压缩流体。压缩性在高速气体流动（如航空航天领域）中非常重要。

⑥ 汽化压力 (Vapor Pressure)
▮▮▮▮汽化压力 (vapor pressure) \( p_v \) 是指在一定温度下，液体及其蒸汽处于相平衡状态时，蒸汽所具有的压力。汽化压力与温度有关，温度越高，汽化压力越大。当液体中的压力降低到汽化压力以下时，液体会开始汽化，产生气泡，这种现象称为 空化 (cavitation)。空化现象在水力机械、管道输水等工程中可能引起噪声、振动、效率降低甚至损坏。

2.3.2 流体静力学 (Fluid Statics)

流体静力学 (Fluid Statics) 是研究静止流体或相对静止流体的力学规律。静止流体内部存在 静压强 (static pressure)，静压强的分布规律和作用规律是流体静力学的核心内容。流体静力学广泛应用于水库大坝、液体容器、浮力计算、液体压力测量等工程问题。

① 流体静压强的概念和特点 (Concept and Characteristics of Fluid Static Pressure)
▮▮▮▮静压强 (static pressure) \( p \) 是指静止流体内部单位面积上所受到的压力。静压强是 标量 (scalar)，只有大小，没有方向。静压强的单位与应力单位相同，常用帕斯卡 (Pa) 或其倍数。
▮▮▮▮静压强的特点 (characteristics of fluid static pressure)：
▮▮▮▮ⓐ 垂直性 (Perpendicularity)：静压强作用在物体表面上，总是垂直于作用面。这是因为如果静压强存在切向分量，流体就会发生流动，与静止的假设矛盾。
▮▮▮▮ⓑ 各向同性 (Isotropy)：在静止流体内部同一点，各个方向的静压强大小相等。这是因为如果同一点不同方向的静压强不相等，就会存在压力差，压力差会驱动流体流动，与静止的假设矛盾。
▮▮▮▮ⓒ 连续性 (Continuity)：在静止流体内部，静压强是空间位置的连续函数，在流体内部没有间断或突变。

② 流体静压强的分布规律 (Distribution Law of Fluid Static Pressure)
▮▮▮▮重力作用下的静压强分布 (static pressure distribution under gravity)：在重力作用下，静止流体内部的压强不仅与位置有关，还与深度有关。考虑密度为 \( \rho \) 的不可压缩静止流体，取 \( z \) 轴竖直向上，建立直角坐标系 \( Oxyz \)。根据 流体静力学基本微分方程 (basic differential equation of fluid statics)，可以推导出静压强沿深度方向的分布规律：
\[ \frac{dp}{dz} = -\rho g \]
▮▮▮▮其中，\( g \) 是重力加速度。对上式积分，可以得到静压强 \( p \) 随深度 \( z \) 的变化关系：
\[ p = p_0 - \rho g (z - z_0) \]
▮▮▮▮如果以液面为基准面（\( z = 0 \)，液面压强为 \( p_0 \))，向下深度为 \( h = -z \)，则上式可以写成：
\[ p = p_0 + \rho g h \]
▮▮▮▮这就是 液体静压强基本公式 (basic formula of liquid static pressure)。它表明，在静止液体内部，压强随深度线性增加。\( \rho g h \) 称为 液体重度 (specific weight of liquid) 的压强，\( p_0 \) 是液面上的压强（通常为大气压强）。
▮▮▮▮等压面 (Isobaric Surface)：在静止流体内部，压强相等的点组成的曲面称为 等压面 (isobaric surface)。根据液体静压强基本公式，等压面是水平面。在同一连通容器内的同种静止液体，液面是水平的，且同一水平面上的压强相等。

③ 液体静力学基本方程及其应用 (Basic Equation of Fluid Statics and its Applications)
▮▮▮▮液体静力学基本方程 (basic equation of fluid statics) 又称 欧拉公式 (Eulerian formula)，它描述了静止流体中任意两点之间的压强关系。对于不可压缩液体，取液面为参考面，则深度为 \( h_1 \) 和 \( h_2 \) 的两点压强 \( p_1 \) 和 \( p_2 \) 分别为：
\[ p_1 = p_0 + \rho g h_1 \]
\[ p_2 = p_0 + \rho g h_2 \]
▮▮▮▮两式相减，得到：
\[ p_1 - p_2 = \rho g (h_1 - h_2) \]
\[ \frac{p_1}{\rho g} + h_1 = \frac{p_2}{\rho g} + h_2 = C \]
▮▮▮▮其中，\( C \) 为常数。\( \frac{p}{\rho g} \) 称为 压强水头 (pressure head)，\( h \) 称为 位置水头 (position head)，\( \frac{p}{\rho g} + h \) 称为 测压管水头 (piezometric head) 或 总水头 (total head)。对于静止的不可压缩液体，沿同一流线（实际上，任何两点之间），测压管水头保持不变。这就是 液体静力学基本方程 (basic equation of fluid statics)。
▮▮▮▮液体静力学基本方程的应用 (applications of basic equation of fluid statics)：
▮▮▮▮ⓐ 压强测量 (Pressure Measurement)：利用 测压管 (piezometer) 或 U 形管压差计 (U-tube manometer) 可以测量液体的压强。测压管直接测量液体的相对压强（表压），U 形管压差计可以测量两点之间的压强差。
▮▮▮▮ⓑ 液体对固体壁面的压力 (Pressure of Liquid on Solid Walls)：可以计算液体对平面壁和曲面壁的总压力和压力中心。例如，水坝坝面的水压力、船闸闸门的水压力等。
▮▮▮▮ⓒ 浮力 (Buoyancy)：浸没在液体中的物体受到液体向上的 浮力 (buoyancy) 作用。浮力的大小等于物体排开液体的重量，方向竖直向上，作用点在物体排开液体的重心，即 阿基米德原理 (Archimedes' principle)。浮力在船舶设计、浮力稳定分析等方面具有重要应用。

2.3.3 流体动力学基础 (Fundamentals of Fluid Dynamics)

流体动力学 (Fluid Dynamics) 是研究运动流体的力学规律。流体运动比静止流体复杂得多，需要考虑流体的惯性力、粘性力、压差力等多种力的作用。流体动力学是水利工程、航空航天工程、化工工程等领域的重要理论基础。本节将介绍 流体运动的描述方法 (methods for describing fluid motion)，以及 连续性方程 (continuity equation)、能量方程 (energy equation)、动量方程 (momentum equation) 等流体动力学基本方程。

① 流体运动的描述方法 (Methods for Describing Fluid Motion)
▮▮▮▮描述流体运动的方法主要有两种：拉格朗日法 (Lagrangian method) 和 欧拉法 (Eulerian method)。
▮▮▮▮ⓐ 拉格朗日法 (Lagrangian Method)：拉格朗日法追踪每一个流体质点的运动轨迹，描述流体质点的运动参数（如位置、速度、加速度）随时间的变化。拉格朗日法类似于质点力学的研究方法，但对于连续介质的流体，质点数目庞大，应用不便。
▮▮▮▮ⓑ 欧拉法 (Eulerian Method)：欧拉法不追踪单个流体质点的运动轨迹，而是关注空间中固定点上流体运动参数随时间的变化。欧拉法将流体看作连续介质，描述流场中各点的速度、压强、密度等物理量随时间和空间的变化。欧拉法是流体力学中常用的描述方法。
▮▮▮▮在欧拉法描述中，流场中各点的速度 \( \mathbf{V} \) 是空间位置 \( (x, y, z) \) 和时间 \( t \) 的函数，即 \( \mathbf{V} = \mathbf{V}(x, y, z, t) \)。如果流场中各点的速度不随时间变化，即 \( \frac{\partial \mathbf{V}}{\partial t} = 0 \)，则称为 定常流 (steady flow) 或 恒定流 (uniform flow)；否则，称为 非定常流 (unsteady flow) 或 非恒定流 (non-uniform flow)。

② 连续性方程 (Continuity Equation)
▮▮▮▮连续性方程 (continuity equation) 是质量守恒定律在流体力学中的体现，描述了流体运动过程中质量守恒的规律。对于不可压缩流体，连续性方程表明，单位时间内流入某一控制体的质量等于单位时间内流出该控制体的质量。
▮▮▮▮微分形式的连续性方程 (differential form of continuity equation)：对于不可压缩流体，在直角坐标系 \( Oxyz \) 中，微分形式的连续性方程为：
\[ \frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial v}{\partial y} + \frac{\partial w}{\partial z} = 0 \]
▮▮▮▮其中，\( u \)、\( v \)、\( w \) 分别是速度 \( \mathbf{V} \) 在 \( x \)、\( y \)、\( z \) 轴上的分量。
▮▮▮▮积分形式的连续性方程 (integral form of continuity equation)：对于不可压缩流体，在管道或渠道中，积分形式的连续性方程为：
\[ Q = A_1 V_1 = A_2 V_2 = \cdots = 常数 \]
\[ \sum Q_{in} = \sum Q_{out} \]
▮▮▮▮其中，\( Q \) 是 体积流量 (volume flow rate) 或 流量 (discharge)，单位为 立方米每秒 (m³/s) 或 升每秒 (L/s)。\( A \) 是过流断面的面积，\( V \) 是过流断面的平均流速。积分形式的连续性方程表明，对于不可压缩流体，在管道或渠道中，流量沿程保持不变。对于有支管或分岔的管道系统，流入节点的总流量等于流出节点的总流量。

③ 能量方程 (Energy Equation)
▮▮▮▮能量方程 (energy equation) 是能量守恒定律在流体力学中的体现，描述了流体运动过程中能量守恒的规律。对于理想流体（无粘性流体），能量方程可以简化为 伯努利方程 (Bernoulli equation)。
▮▮▮▮伯努利方程 (Bernoulli Equation)：对于理想不可压缩流体，沿同一流线，伯努利方程表示为：
\[ \frac{p}{\rho g} + \frac{V^2}{2g} + z = H = 常数 \]
▮▮▮▮其中，\( \frac{p}{\rho g} \) 是 压强水头 (pressure head)，\( \frac{V^2}{2g} \) 是 速度水头 (velocity head)，\( z \) 是 位置水头 (position head)，\( H \) 是 总水头 (total head) 或 伯努利常数 (Bernoulli constant)。伯努利方程表明，对于理想不可压缩流体，沿流线，压强水头、速度水头和位置水头之和保持不变。伯努利方程是流体力学中最重要的方程之一，广泛应用于管道流动、孔口出流、文丘里流量计等问题的分析。
▮▮▮▮实际流体的能量方程 (energy equation for real fluids)：对于实际流体（粘性流体），由于粘性力的作用，流体流动过程中会产生能量损失，称为 水头损失 (head loss) 或 沿程水头损失 (friction head loss)。考虑水头损失的实际流体能量方程为：
\[ \frac{p_1}{\rho g} + \alpha_1 \frac{V_1^2}{2g} + z_1 = \frac{p_2}{\rho g} + \alpha_2 \frac{V_2^2}{2g} + z_2 + h_f \]
▮▮▮▮其中，\( h_f \) 是从 1 点到 2 点的 总水头损失 (total head loss)，包括 沿程水头损失 (major head loss) 和 局部水头损失 (minor head loss)。\( \alpha \) 是 动能修正系数 (kinetic energy correction coefficient)，对于层流 \( \alpha = 2 \)，对于紊流 \( \alpha \approx 1 \)。

④ 动量方程 (Momentum Equation)
▮▮▮▮动量方程 (momentum equation) 是动量定理在流体力学中的体现，描述了流体运动过程中动量守恒的规律。动量方程用于分析流体与固体壁面之间的相互作用力，如水流对弯管、阀门、叶片等的冲击力。
▮▮▮▮动量方程的积分形式 (integral form of momentum equation)：对于定常流动，动量方程的积分形式为：
\[ \sum \mathbf{F} = \sum (\rho Q \mathbf{V})_{out} - \sum (\rho Q \mathbf{V})_{in} \]
▮▮▮▮其中，\( \sum \mathbf{F} \) 是作用在控制体上的外力矢量和，包括压力、重力、粘性力、固体壁面反力等。\( \sum (\rho Q \mathbf{V})_{out} \) 是单位时间内流出控制体的动量矢量和，\( \sum (\rho Q \mathbf{V})_{in} \) 是单位时间内流入控制体的动量矢量和。动量方程表明，作用在控制体上的外力等于单位时间内流出控制体的动量与单位时间内流入控制体的动量之差。动量方程是分析水力冲击力、喷射力、水轮机叶片受力等问题的基本工具。

本章对土木工程中至关重要的工程力学三大分支——静力学、材料力学和流体力学的基础知识进行了系统而深入的介绍。通过本章的学习，读者应能够掌握工程力学的基本概念、基本原理和基本分析方法，为后续深入学习土木工程专业课程打下坚实的理论基础。工程力学是土木工程的灵魂，贯穿于土木工程的各个领域，希望读者能够重视工程力力的学习，不断深入探索，将其应用于解决实际工程问题，为土木工程事业的发展做出贡献。

3. 工程材料 (Engineering Materials)

章节概要

本章系统介绍土木工程中常用的工程材料，包括水泥 (Cement)、混凝土 (Concrete)、钢材 (Steel)、沥青材料 (Asphalt Materials)、木材 (Wood)、砌体材料 (Masonry Materials)、新型材料 (New Engineering Materials) 等，重点讲解其组成、性能、应用及发展趋势。工程材料是土木工程建设的物质基础，其性能优劣直接关系到工程结构的安全性、耐久性和经济性。本章旨在帮助读者全面掌握土木工程常用材料的基本知识，为后续结构设计、工程施工等课程的学习奠定坚实的基础。

3.1 水泥与混凝土 (Cement and Concrete)

3.1.1 水泥 (Cement)

水泥 (Cement) 是最重要的水硬性胶凝材料 (Hydraulic Cementitious Material)，是混凝土 (Concrete) 最关键的组成部分。水泥加水拌合后，通过水化作用 (Hydration)，由浆体变成坚硬的石状体，能将砂、石等松散材料胶结成整体。

① 水泥的种类 (Types of Cement)

水泥的种类繁多，根据不同的分类标准，可以分为以下几类：

▮▮▮▮ⓐ 按水硬性分类:
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 水硬性水泥 (Hydraulic Cement)：指能与水发生水化反应并在空气中和水中都能硬化的水泥。土木工程中常用的水泥均为水硬性水泥，如硅酸盐水泥 (Portland Cement)、普通硅酸盐水泥 (Ordinary Portland Cement)、矿渣硅酸盐水泥 (Portland Blastfurnace Slag Cement)、火山灰硅酸盐水泥 (Portland Pozzolan Cement)、粉煤灰硅酸盐水泥 (Portland Fly Ash Cement)、复合硅酸盐水泥 (Composite Portland Cement) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 非水硬性水泥 (Non-hydraulic Cement)：指只能在空气中硬化，不能在水中硬化的水泥，如石膏水泥 (Gypsum Cement)、石灰水泥 (Lime Cement) 等。非水硬性水泥在土木工程中应用较少。

▮▮▮▮ⓑ 按主要矿物成分和用途分类 (Classification by Main Mineral Composition and Usage)：
▮▮▮▮▮▮▮▮根据中国国家标准 (GB 175-2007)《通用硅酸盐水泥》的规定，通用硅酸盐水泥主要分为六大类：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 硅酸盐水泥 (Portland Cement) (代号 P)：由硅酸盐水泥熟料、0%～5% 石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。是水泥中强度最高、应用最广泛的一种。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 普通硅酸盐水泥 (Ordinary Portland Cement) (代号 PO)：由硅酸盐水泥熟料、5%～15% 石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。性能与硅酸盐水泥接近，但早期强度略低。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 矿渣硅酸盐水泥 (Portland Blastfurnace Slag Cement) (代号 PS)：由硅酸盐水泥熟料、20%～70% 粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。水化热较低，抗裂性较好，耐腐蚀性较好，但早期强度较低，凝结时间较长。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 火山灰硅酸盐水泥 (Portland Pozzolan Cement) (代号 PP)：由硅酸盐水泥熟料、20%～40% 火山灰性材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。水化热较低，耐腐蚀性较好，早期强度较低，后期强度发展较好。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 粉煤灰硅酸盐水泥 (Portland Fly Ash Cement) (代号 PF)：由硅酸盐水泥熟料、20%～40% 粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。性能与火山灰硅酸盐水泥类似，具有较好的后期强度和耐久性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 复合硅酸盐水泥 (Composite Portland Cement) (代号 PC)：由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。混合材种类和掺量较灵活，性能可根据工程需求进行调整。

▮▮▮▮ⓒ 按特殊性能和用途分类 (Classification by Special Performance and Usage)：
▮▮▮▮▮▮▮▮根据工程的特殊需求，水泥还可以分为：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 快硬水泥 (Rapid Hardening Cement) 和早强水泥 (High Early Strength Cement)：凝结硬化快、早期强度发展迅速的水泥，适用于抢修工程、冬季施工等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 低热水泥 (Low Heat Cement)：水化热释放量少的水泥，适用于大体积混凝土工程，以减少温升裂缝。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 耐硫酸盐水泥 (Sulphate Resisting Cement)：具有良好抗硫酸盐腐蚀性能的水泥，适用于海工工程、盐碱地区等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 白色硅酸盐水泥 (White Portland Cement)：白色或浅色的水泥，主要用于装饰工程。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 道路硅酸盐水泥 (Road Portland Cement)：专门用于道路工程的水泥，对水泥的强度、凝结时间、安定性等性能有特殊要求。

② 水泥的生产工艺 (Production Process of Cement)

水泥的主要生产工艺包括生料制备、熟料煅烧和水泥磨制三个阶段。

▮▮▮▮ⓐ 生料制备 (Raw Material Preparation)：
▮▮▮▮▮▮▮▮生料是指水泥熟料煅烧前的原料。主要原料包括钙质原料 (如石灰石 (Limestone)、白垩 (Chalk)) 和黏土质原料 (如黏土 (Clay)、页岩 (Shale))。
▮▮▮▮▮▮▮▮生料制备的任务是将原料进行破碎 (Crushing)、磨细 (Grinding) 和配料 (Batching)，使其达到一定的细度和化学成分要求，为熟料煅烧提供合格的原料。
▮▮▮▮▮▮▮▮生料制备的工艺方法主要有干法 (Dry Process) 和湿法 (Wet Process) 两种。干法是将干燥的原料进行破碎、磨细和配料，湿法是将原料加水磨成料浆进行配料。现代水泥生产多采用干法工艺，具有节能、环保等优点。

▮▮▮▮ⓑ 熟料煅烧 (Clinker Calcination)：
▮▮▮▮▮▮▮▮熟料是水泥生产的核心环节。生料经过预热器 (Preheater) 预热后进入回转窑 (Rotary Kiln) 进行高温煅烧。
▮▮▮▮▮▮▮▮在回转窑内，生料经过脱水、脱碳酸盐和熟料矿物生成等一系列物理化学变化，最终烧结成水泥熟料。
▮▮▮▮▮▮▮▮回转窑是熟料煅烧的关键设备，窑型主要有长窑、短窑和预分解窑 (Precalciner Kiln) 等。现代水泥生产多采用预分解窑，具有热效率高、产量大、能耗低等优点。
▮▮▮▮▮▮▮▮熟料的主要矿物成分包括硅酸三钙 (Tricalcium Silicate, C₃S)、硅酸二钙 (Dicalcium Silicate, C₂S)、铝酸三钙 (Tricalcium Aluminate, C₃A) 和铁铝酸四钙 (Tetracalcium Aluminoferrite, C₄AF)。这些矿物成分的比例决定了水泥的主要性能。

▮▮▮▮ⓒ 水泥磨制 (Cement Grinding)：
▮▮▮▮▮▮▮▮水泥熟料经过冷却后，需要加入适量石膏 (Gypsum) 和其他混合材 (如矿渣、火山灰、粉煤灰等)，进行磨细，制成水泥成品。
▮▮▮▮▮▮▮▮石膏的作用是调节水泥的凝结时间。混合材的作用是改善水泥的性能，如降低水化热、提高后期强度、改善耐久性等，并可以节约熟料、降低水泥生产成本。
▮▮▮▮▮▮▮▮水泥磨制通常采用球磨机 (Ball Mill) 或立磨 (Vertical Roller Mill) 等设备。水泥的细度 (Fineness) 是重要的质量指标，细度越高，水泥的水化速度越快，早期强度越高。

③ 水泥的水化硬化过程 (Hydration and Hardening Process of Cement)

水泥加水拌合后，水泥矿物与水发生一系列复杂的水化反应，生成水化产物，使水泥浆体逐渐凝结硬化，并发展强度。水泥的水化硬化过程是一个复杂的物理化学过程，主要包括以下几个阶段：

▮▮▮▮ⓐ 溶解与水解阶段 (Dissolution and Hydrolysis Stage)：
▮▮▮▮▮▮▮▮水泥矿物与水接触后，表面迅速溶解，释放出钙离子 (Ca²⁺)、硅酸根离子 (SiO₄⁴⁻)、铝酸根离子 (AlO₃³⁻) 和铁离子 (Fe³⁺) 等离子。
▮▮▮▮▮▮▮▮同时，水泥矿物表面发生水解反应，生成少量的水化产物，如水化硅酸钙凝胶 (Calcium Silicate Hydrate Gel, C-S-H Gel)、氢氧化钙晶体 (Calcium Hydroxide Crystal, CH) 和水化铝酸钙 (Calcium Aluminate Hydrate)。

▮▮▮▮ⓑ 诱导期 (Induction Period)：
▮▮▮▮▮▮▮▮溶解与水解阶段之后，水泥水化反应进入相对缓慢的诱导期，也称为休眠期。诱导期的长短与水泥的矿物成分、细度、水灰比和温度等因素有关。
▮▮▮▮▮▮▮▮诱导期是水泥浆体保持塑性的重要时期，为混凝土的拌合、运输和浇筑提供了时间。

▮▮▮▮ⓒ 加速期 (Acceleration Period)：
▮▮▮▮▮▮▮▮诱导期结束后，水泥水化反应进入加速期，水化速度迅速加快，大量水化产物生成。
▮▮▮▮▮▮▮▮主要的水化产物是 C-S-H 凝胶和 CH 晶体。C-S-H 凝胶是水泥石的主要强度来源，呈无定形凝胶状，具有很大的比表面积，能有效地胶结水泥颗粒和骨料。CH 晶体是水化产物之一，但对水泥石强度贡献不大，反而会降低水泥石的耐久性。

▮▮▮▮ⓓ 减速期 (Deceleration Period)：
▮▮▮▮▮▮▮▮随着水化反应的进行，水泥矿物表面逐渐被水化产物包裹，水化反应受到扩散控制，水化速度减慢，进入减速期。
▮▮▮▮▮▮▮▮减速期水化反应持续进行，水泥石强度缓慢增长，耐久性逐渐提高。

▮▮▮▮ⓔ 稳定期 (Stable Period)：
▮▮▮▮▮▮▮▮经过长时间的水化反应，水泥水化程度趋于稳定，水化速度非常缓慢，强度增长也趋于停止，进入稳定期。
▮▮▮▮▮▮▮▮在稳定期，水泥石的性能主要取决于其内部的微观结构和水化产物的性质。

④ 水泥的主要性能指标及质量检验 (Main Performance Indicators and Quality Inspection of Cement)

水泥的质量直接影响混凝土的性能，因此必须对水泥进行严格的质量检验。水泥的主要性能指标包括：

▮▮▮▮ⓐ 强度 (Strength)：
▮▮▮▮▮▮▮▮强度是水泥最重要的力学性能指标，反映水泥石抵抗外力破坏的能力。水泥的强度等级是按标准方法测定的水泥胶砂试块的抗压强度和抗折强度来划分的。
▮▮▮▮▮▮▮▮中国水泥强度等级采用兆帕 (MPa) 表示，如 PO 42.5、P·O 52.5R 等。数字表示水泥胶砂试块 28 天龄期的最低抗压强度值，字母表示水泥的类型和特性，如 P 表示硅酸盐水泥，O 表示普通硅酸盐水泥，R 表示早强水泥。
▮▮▮▮▮▮▮▮水泥的强度等级越高，表示水泥的强度越高。工程中应根据结构类型、受力情况和设计要求，选用合适强度等级的水泥。

▮▮▮▮ⓑ 凝结时间 (Setting Time)：
▮▮▮▮▮▮▮▮凝结时间是指水泥浆体从加水拌合到失去塑性、开始硬化所需的时间。凝结时间包括初凝时间 (Initial Setting Time) 和终凝时间 (Final Setting Time)。
▮▮▮▮▮▮▮▮初凝时间是指水泥浆体开始失去塑性的时间，终凝时间是指水泥浆体完全失去塑性、开始硬化的时间。
▮▮▮▮▮▮▮▮水泥的凝结时间过快或过慢都会影响混凝土的施工质量。国家标准对不同类型水泥的凝结时间都有明确规定。

▮▮▮▮ⓒ 安定性 (Soundness)：
▮▮▮▮▮▮▮▮安定性是指水泥在硬化过程中体积变形均匀性的指标，反映水泥石在硬化后体积膨胀是否均匀、是否会产生开裂破坏。
▮▮▮▮▮▮▮▮水泥的安定性不良，会导致混凝土结构产生裂缝，降低结构的耐久性。
▮▮▮▮▮▮▮▮水泥的安定性检验方法主要有沸煮法 (Boiling Method) 和雷氏夹法 (Le Chatelier Method)。国家标准规定水泥必须是合格安定性材料。

▮▮▮▮ⓓ 细度 (Fineness)：
▮▮▮▮▮▮▮▮细度是指水泥颗粒的粗细程度，通常用比表面积 (Specific Surface Area) 或筛余量 (Residue on Sieve) 来表示。
▮▮▮▮▮▮▮▮水泥的细度越大，比表面积越大，水化速度越快，早期强度越高，但需水量也会增加，容易引起混凝土的收缩开裂。
▮▮▮▮▮▮▮▮国家标准对不同类型水泥的细度都有一定的要求。

▮▮▮▮ⓔ 需水量 (Water Requirement)：
▮▮▮▮▮▮▮▮需水量是指使水泥浆体或混凝土拌合物达到标准稠度或工作性所需要的水量。
▮▮▮▮▮▮▮▮水泥的需水量越大，混凝土的用水量也越大，容易导致混凝土的收缩开裂，并降低混凝土的强度和耐久性。
▮▮▮▮▮▮▮▮水泥的需水量与水泥的矿物成分、细度、混合材种类和掺量等因素有关。

水泥的质量检验通常包括出厂检验和进场检验。出厂检验是由水泥生产厂家进行的质量检验，合格后才能出厂销售。进场检验是由工程施工单位进行的质量检验，确保水泥质量符合工程要求。水泥进场检验主要包括强度、凝结时间、安定性、细度等项目的检验。

3.1.2 混凝土 (Concrete)

混凝土 (Concrete) 是土木工程中使用量最大、应用最广泛的工程材料，是由水泥 (Cement)、骨料 (Aggregate)、水 (Water) 和外加剂 (Admixture) 等按一定比例配合，经拌合、浇筑、振捣、养护硬化而成的人工石材。混凝土具有强度高、耐久性好、可模性强、成本较低等优点，广泛应用于房屋建筑、桥梁、道路、水利工程等各种土木工程结构。

① 混凝土的组成材料 (Constituent Materials of Concrete)

混凝土是由多种材料复合而成的非均质材料，其性能受到各组成材料的性质和配合比例的共同影响。混凝土的主要组成材料包括：

▮▮▮▮ⓐ 水泥 (Cement)：
▮▮▮▮▮▮▮▮水泥是混凝土最关键的胶凝材料，对混凝土的强度、耐久性、工作性等性能起决定性作用。混凝土中水泥的用量一般为 10%～15%。
▮▮▮▮▮▮▮▮混凝土用水泥的类型应根据工程的结构类型、使用环境和设计要求选择。常用的水泥类型包括普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、低热水泥、耐硫酸盐水泥等。

▮▮▮▮ⓑ 骨料 (Aggregate)：
▮▮▮▮▮▮▮▮骨料是混凝土中用量最多的组成材料，约占混凝土体积的 70%～80%。骨料在混凝土中起骨架作用，可以减少水泥用量，降低混凝土的收缩，并提高混凝土的强度和耐久性。
▮▮▮▮▮▮▮▮骨料按粒径大小分为粗骨料 (Coarse Aggregate) 和细骨料 (Fine Aggregate) 两种。粗骨料俗称石子 (Gravel or Crushed Stone)，粒径大于 5mm；细骨料俗称砂子 (Sand)，粒径小于 5mm。
▮▮▮▮▮▮▮▮骨料的种类、级配、强度、耐久性、洁净度等性能都会影响混凝土的性能。常用的粗骨料有碎石 (Crushed Stone) 和卵石 (Gravel)，常用的细骨料有天然砂 (Natural Sand) 和人工砂 (Manufactured Sand)。

▮▮▮▮ⓒ 水 (Water)：
▮▮▮▮▮▮▮▮水是混凝土拌合和水泥水化反应所必需的组成材料。水的质量直接影响混凝土的性能。混凝土拌合用水应采用洁净的饮用水，不得使用含有油污、酸碱盐等有害物质的水。
▮▮▮▮▮▮▮▮混凝土的用水量对混凝土的工作性、强度、耐久性等性能有重要影响。水灰比 (Water-Cement Ratio) 是混凝土配合比设计的重要参数，水灰比越大，混凝土的工作性越好，但强度和耐久性越低。

▮▮▮▮ⓓ 外加剂 (Admixture)：
▮▮▮▮▮▮▮▮外加剂是为了改善混凝土的某些性能而掺入混凝土拌合物中的少量化学物质。外加剂的掺量一般不超过水泥用量的 5%。
▮▮▮▮▮▮▮▮外加剂的种类繁多，按主要功能可分为：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 改善混凝土拌合物工作性的外加剂 (Workability-Improving Admixtures)：如减水剂 (Water Reducer)、缓凝剂 (Retarder)、引气剂 (Air-Entraining Agent)、泵送剂 (Pumping Agent) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 调节混凝土凝结硬化性能的外加剂 (Setting and Hardening Control Admixtures)：如早强剂 (Accelerator)、速凝剂 (Quick Setting Agent)、缓凝剂 (Retarder) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 改善混凝土耐久性的外加剂 (Durability-Improving Admixtures)：如防水剂 (Waterproofing Admixture)、阻锈剂 (Corrosion Inhibitor)、防冻剂 (Antifreeze Admixture) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 改善混凝土其他性能的外加剂 (Other Performance-Improving Admixtures)：如膨胀剂 (Expansive Admixture)、着色剂 (Coloring Agent) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮外加剂的应用可以显著改善混凝土的性能，满足工程的特殊需求，如提高混凝土的强度、耐久性、工作性，改善混凝土的施工性能，节约水泥等。

▮▮▮▮ⓔ 掺合料 (Supplementary Cementitious Materials, SCMs)：
▮▮▮▮▮▮▮▮掺合料是指为了改善混凝土性能、节约水泥、降低成本而掺入混凝土中的非水泥活性或潜在活性矿物材料。掺合料的掺量一般较大，可替代部分水泥。
▮▮▮▮▮▮▮▮常用的掺合料包括矿物掺合料 (Mineral Admixtures) 和工业废渣掺合料 (Industrial Byproduct Admixtures)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 矿物掺合料: 如火山灰 (Pozzolan)、沸石 (Zeolite)、硅灰 (Silica Fume) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 工业废渣掺合料: 如粉煤灰 (Fly Ash)、磨细矿渣 (Ground Granulated Blastfurnace Slag, GGBS)、硅粉 (Silica Powder) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮掺合料的应用可以改善混凝土的工作性、耐久性、后期强度，降低水化热，减少水泥用量，节约资源，保护环境。

② 混凝土配合比设计方法 (Concrete Mix Design Methods)

混凝土配合比设计 (Concrete Mix Design) 是指根据工程的设计要求和施工条件，确定混凝土中水泥、骨料、水和外加剂等各种组成材料的用量比例，以配制出满足性能要求的混凝土。混凝土配合比设计是混凝土工程的关键环节，直接影响混凝土的质量和工程的经济性。

混凝土配合比设计的基本原则是：在满足混凝土工作性、强度和耐久性等性能要求的前提下，尽量节约水泥，降低成本。混凝土配合比设计的主要步骤包括：

▮▮▮▮ⓐ 确定混凝土的设计强度等级 (Determine the Design Strength Grade of Concrete)：
▮▮▮▮▮▮▮▮混凝土的强度等级是配合比设计的基础。混凝土的强度等级应根据工程结构的安全等级、受力情况和设计要求确定。中国混凝土强度等级采用立方体抗压强度标准值表示，如 C20、C30、C40 等。

▮▮▮▮ⓑ 选择水泥品种和强度等级 (Select Cement Type and Strength Grade)：
▮▮▮▮▮▮▮▮水泥品种的选择应根据工程的结构类型、使用环境和设计要求确定。水泥强度等级应高于混凝土的设计强度等级，以保证混凝土的强度。

▮▮▮▮ⓒ 选择骨料品种和级配 (Select Aggregate Type and Grading)：
▮▮▮▮▮▮▮▮骨料应选用质量合格、性能良好的骨料。粗骨料和细骨料的品种、粒径级配、最大粒径等应根据混凝土的强度等级、工作性要求和施工条件选择。

▮▮▮▮ⓓ 确定水灰比 (Determine Water-Cement Ratio)：
▮▮▮▮▮▮▮▮水灰比是影响混凝土强度和耐久性的重要因素。水灰比应根据混凝土的强度等级、耐久性要求、水泥品种和掺合料种类等因素确定。水灰比越小，混凝土的强度和耐久性越高，但工作性越差。

▮▮▮▮ⓔ 确定用水量 (Determine Water Content)：
▮▮▮▮▮▮▮▮用水量应根据混凝土的工作性要求、骨料的吸水率、水泥的需水量和外加剂的减水效果等因素确定。在保证混凝土工作性的前提下，应尽量减少用水量。

▮▮▮▮ⓕ 计算水泥用量 (Calculate Cement Content)：
▮▮▮▮▮▮▮▮水泥用量根据混凝土的设计强度等级、水灰比和用水量计算确定。

▮▮▮▮ⓖ 计算骨料用量 (Calculate Aggregate Content)：
▮▮▮▮▮▮▮▮骨料用量根据混凝土的容重 (Density) 或体积法计算确定。

▮▮▮▮ⓗ 确定外加剂和掺合料用量 (Determine Admixture and SCM Content)：
▮▮▮▮▮▮▮▮外加剂和掺合料的用量根据混凝土的性能要求、外加剂和掺合料的性能特点和掺量范围确定。

▮▮▮▮ⓘ 试配、调整和优化配合比 (Trial Mixing, Adjustment and Optimization of Mix Proportion)：
▮▮▮▮▮▮▮▮根据计算的配合比进行试配，检验混凝土的工作性、强度和耐久性是否满足设计要求。如不满足要求，应调整配合比，重新试配，直至满足要求为止。

常用的混凝土配合比设计方法包括：绝对体积法 (Absolute Volume Method)、假定容重法 (Assumed Density Method)、经验法 (Empirical Method) 等。现代混凝土配合比设计多采用计算机辅助设计，可以提高配合比设计的效率和精度。

③ 混凝土拌合物性能 (Properties of Fresh Concrete)

混凝土拌合物 (Fresh Concrete) 是指混凝土从拌合到凝结硬化前的状态，也称为塑性混凝土 (Plastic Concrete) 或新拌混凝土 (Newly Mixed Concrete)。混凝土拌合物的性能直接影响混凝土的浇筑和成型质量，以及硬化后混凝土的性能。混凝土拌合物的主要性能包括：

▮▮▮▮ⓐ 工作性 (Workability)：
▮▮▮▮▮▮▮▮工作性是指混凝土拌合物在一定条件下易于拌合、运输、浇筑、振捣成型，并能获得均匀密实混凝土的性能，也称和易性 (Consistency)。工作性是混凝土拌合物最重要的性能指标，直接影响混凝土的施工质量和工程进度。
▮▮▮▮▮▮▮▮工作性主要包括流动性 (Flowability)、粘聚性 (Cohesiveness) 和保水性 (Water Retention)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 流动性: 指混凝土拌合物在自重或外力作用下流动的能力，反映混凝土的稀稠程度。流动性越大，混凝土越稀，越容易浇筑。流动性常用坍落度 (Slump) 或扩展度 (Flow Spread) 指标来评定。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 粘聚性: 指混凝土拌合物内部颗粒之间相互粘聚成整体的能力，反映混凝土的均匀性和整体性。粘聚性好的混凝土拌合物不易分层离析 (Segregation and Bleeding)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 保水性: 指混凝土拌合物保持水分的能力，反映混凝土拌合物抵抗泌水 (Bleeding) 和离析的能力。保水性好的混凝土拌合物不易泌水离析，有利于提高混凝土的均匀性和耐久性。
▮▮▮▮▮▮▮▮混凝土的工作性应根据工程的结构类型、构件尺寸、钢筋密度、浇筑方法和施工条件等因素确定。一般情况下，泵送混凝土 (Pumped Concrete) 要求具有良好的工作性，普通混凝土可适当降低工作性要求。

▮▮▮▮ⓑ 凝结时间 (Setting Time)：
▮▮▮▮▮▮▮▮混凝土的凝结时间与水泥的凝结时间基本相同，是指混凝土拌合物从拌合到失去塑性、开始硬化所需的时间。混凝土的凝结时间应与工程的施工进度相协调，保证混凝土在浇筑和振捣完成前保持良好的工作性。

▮▮▮▮ⓒ 泌水和离析 (Bleeding and Segregation)：
▮▮▮▮▮▮▮▮泌水是指混凝土拌合物中自由水从内部析出到表面的现象。泌水过大会导致混凝土表面强度降低、产生水纹和气孔，影响混凝土的质量和耐久性。
▮▮▮▮▮▮▮▮离析是指混凝土拌合物中粗骨料、细骨料和水泥浆体相互分离的现象，导致混凝土的组成不均匀，强度和耐久性降低。
▮▮▮▮▮▮▮▮泌水和离析是混凝土拌合物的不良现象，应采取措施尽量避免。如控制水灰比、改善骨料级配、掺加外加剂、加强振捣等。

▮▮▮▮ⓓ 表观密度 (Apparent Density)：
▮▮▮▮▮▮▮▮表观密度是指单位体积混凝土拌合物的质量，反映混凝土拌合物的密实程度。表观密度越大，混凝土拌合物越密实，硬化后混凝土的强度和耐久性也越高。

④ 硬化混凝土性能及耐久性 (Properties and Durability of Hardened Concrete)

硬化混凝土 (Hardened Concrete) 是指混凝土拌合物经过凝结硬化后形成的石状体。硬化混凝土的性能是评价混凝土质量的重要指标，直接关系到工程结构的安全性和耐久性。硬化混凝土的主要性能包括：

▮▮▮▮ⓐ 强度 (Strength)：
▮▮▮▮▮▮▮▮强度是硬化混凝土最重要的力学性能指标，反映混凝土抵抗外力破坏的能力。混凝土的强度等级是按标准方法测定的混凝土立方体试块的抗压强度来划分的。
▮▮▮▮▮▮▮▮中国混凝土强度等级采用 C 表示，后面数字表示混凝土立方体试块 28 天龄期的抗压强度标准值，如 C20、C30、C40 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮混凝土的强度主要取决于水泥的强度、水灰比、骨料的强度、配合比、养护条件等因素。水灰比是影响混凝土强度的最主要因素，水灰比越小，混凝土强度越高。

▮▮▮▮ⓑ 变形性能 (Deformation Properties)：
▮▮▮▮▮▮▮▮变形性能是指硬化混凝土在外力、温度、湿度等作用下产生变形的能力。混凝土的变形性能主要包括弹性变形 (Elastic Deformation)、塑性变形 (Plastic Deformation)、收缩变形 (Shrinkage Deformation) 和徐变变形 (Creep Deformation)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 弹性变形: 指混凝土在外力作用下产生的可恢复变形，与混凝土的弹性模量 (Elastic Modulus) 有关。弹性模量是衡量混凝土刚度的指标，弹性模量越大，混凝土刚度越大，变形越小。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 塑性变形: 指混凝土在外力作用下产生的不可恢复变形，与混凝土的强度和应力水平有关。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 收缩变形: 指混凝土在硬化过程中因水分蒸发和水泥水化作用引起的体积减小现象。收缩变形会导致混凝土产生裂缝，影响混凝土的耐久性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 徐变变形: 指混凝土在长期荷载作用下，应力不变而应变随时间缓慢增加的现象。徐变变形会引起结构构件的挠度增大、预应力损失等问题。
▮▮▮▮▮▮▮▮混凝土的变形性能对结构的受力性能和耐久性有重要影响。在结构设计中，应考虑混凝土的变形性能，采取相应的措施，如控制混凝土的收缩和徐变，提高混凝土的抗裂能力。

▮▮▮▮ⓒ 耐久性 (Durability)：
▮▮▮▮▮▮▮▮耐久性是指硬化混凝土在预期的使用年限内，抵抗各种环境因素 (如冻融、化学侵蚀、磨损等) 作用，保持其结构功能和使用性能的能力。耐久性是评价混凝土质量的重要指标，直接关系到工程结构的使用寿命和经济效益。
▮▮▮▮▮▮▮▮混凝土的耐久性主要取决于混凝土的密实性、抗渗性、抗冻性、抗化学侵蚀性等性能。
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 抗渗性 (Permeability): 指混凝土抵抗水或其他介质渗透的能力。抗渗性好的混凝土，内部孔隙率低，外界有害介质不易侵入，耐久性好。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 抗冻性 (Frost Resistance): 指混凝土在寒冷地区反复冻融循环作用下，保持其强度和外观完整性的能力。抗冻性好的混凝土，不易发生冻融破坏，耐久性好。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 抗化学侵蚀性 (Chemical Resistance): 指混凝土抵抗酸、碱、盐等化学物质侵蚀的能力。抗化学侵蚀性好的混凝土，在腐蚀性环境中不易发生破坏，耐久性好。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 抗碳化性 (Carbonation Resistance): 指混凝土抵抗二氧化碳侵入碳化的能力。碳化会导致混凝土内部钢筋锈蚀，降低结构的耐久性。
▮▮▮▮▮▮▮▮提高混凝土耐久性的主要措施包括：采用低水灰比、掺加掺合料和外加剂、提高混凝土的密实性、加强混凝土的养护、采取必要的防护措施等。

3.1.3 特种混凝土 (Special Concrete)

特种混凝土 (Special Concrete) 是指为了满足特殊工程的需要，采用特殊原材料、特殊配合比或特殊施工工艺配制而成的具有特殊性能的混凝土。特种混凝土与普通混凝土 (Ordinary Concrete) 相比，具有某些独特的性能优势，如高强度、高耐久性、特殊功能等，广泛应用于特殊工程领域。常用的特种混凝土包括：

① 高性能混凝土 (High Performance Concrete, HPC)：
▮▮▮▮高性能混凝土是指在强度、耐久性、工作性等方面比普通混凝土具有更高性能的混凝土。高性能混凝土并非单一指标的高性能，而是多项性能的综合优化。
▮▮▮▮高性能混凝土的主要特点包括：
▮▮▮▮ⓐ 高强度 (High Strength)：抗压强度等级可达 C60 以上，甚至 C100 以上。
▮▮▮▮ⓑ 高耐久性 (High Durability)：具有优异的抗渗性、抗冻性、抗化学侵蚀性等耐久性。
▮▮▮▮ⓒ 高工作性 (High Workability)：具有良好的流动性、粘聚性和保水性，易于泵送和浇筑。
▮▮▮▮高性能混凝土的应用可以提高工程结构的承载能力、延长使用寿命、降低维护费用，广泛应用于高层建筑、大跨桥梁、海洋工程等重要工程。

② 自密实混凝土 (Self-Consolidating Concrete, SCC)：
▮▮▮▮自密实混凝土是指在自身重力作用下，无需振捣就能流动并填充模板的各个角落，同时保持均匀密实的混凝土。自密实混凝土具有优异的工作性，可以显著提高混凝土的施工效率和质量。
▮▮▮▮自密实混凝土的主要特点包括：
▮▮▮▮ⓐ 高流动性 (High Flowability)：具有极高的流动性，坍落扩展度可达 600mm 以上。
▮▮▮▮ⓑ 高粘聚性 (High Cohesiveness)：具有良好的粘聚性和抗离析能力，不易发生离析和泌水。
▮▮▮▮ⓒ 高通过性 (High Passing Ability)：能够顺利通过钢筋密集的区域，填充模板的各个角落。
▮▮▮▮自密实混凝土的应用可以减少施工噪音、提高施工速度、改善施工环境，广泛应用于钢筋密集的复杂结构、薄壁结构、清水混凝土结构等。

③ 纤维混凝土 (Fiber Reinforced Concrete, FRC)：
▮▮▮▮纤维混凝土是指在普通混凝土中掺入适量纤维材料 (如钢纤维 (Steel Fiber)、聚丙烯纤维 (Polypropylene Fiber)、碳纤维 (Carbon Fiber) 等) 制成的复合材料。纤维在混凝土中起到增强增韧的作用，可以显著改善混凝土的抗裂性能、抗冲击性能和耐久性。
▮▮▮▮纤维混凝土的主要特点包括：
▮▮▮▮ⓐ 抗裂性提高 (Improved Crack Resistance)：纤维可以分散混凝土内部的应力，抑制裂缝的产生和扩展，提高混凝土的抗裂性能。
▮▮▮▮ⓑ 抗冲击性能提高 (Improved Impact Resistance)：纤维可以吸收冲击能量，提高混凝土的抗冲击和抗震性能。
▮▮▮▮ⓒ 耐久性提高 (Improved Durability)：纤维可以减少混凝土的裂缝，降低有害介质的侵入，提高混凝土的耐久性。
▮▮▮▮纤维混凝土的应用广泛，可用于路面、隧道衬砌、桥梁桥面板、抗震结构、耐火结构等。

④ 轻骨料混凝土 (Lightweight Aggregate Concrete, LWAC)：
▮▮▮▮轻骨料混凝土是指采用轻骨料 (如陶粒 (Ceramsite)、浮石 (Pumice)、膨胀珍珠岩 (Expanded Perlite) 等) 配制而成的密度较低的混凝土。轻骨料混凝土的密度比普通混凝土低 25%～50%，可以减轻结构自重，降低地震作用，节约工程造价。
▮▮▮▮轻骨料混凝土的主要特点包括：
▮▮▮▮ⓐ 密度低 (Low Density)：密度一般为 1400～2000 kg/m³，远低于普通混凝土的密度 (2400 kg/m³)。
▮▮▮▮ⓑ 保温隔热性能好 (Good Thermal Insulation Performance)：轻骨料混凝土的导热系数较低，具有良好的保温隔热性能，可用于节能建筑。
▮▮▮▮ⓒ 抗震性能好 (Good Seismic Performance)：由于自重轻，地震作用小，抗震性能较好。
▮▮▮▮轻骨料混凝土的应用主要集中在轻型墙体、屋面板、高层建筑、桥梁工程等领域。

⑤ 其他特种混凝土：
▮▮▮▮除了上述几种常用的特种混凝土外，还有许多其他类型的特种混凝土，如：
▮▮▮▮ⓐ 喷射混凝土 (Shotcrete)：通过喷射机将混凝土拌合物喷射到受喷面上形成的混凝土，具有施工速度快、适应性强等特点，常用于隧道、边坡、地下工程等支护和衬砌。
▮▮▮▮ⓑ 防水混凝土 (Waterproof Concrete)：具有良好抗渗性能的混凝土，常用于地下工程、水利工程、屋面工程等防水结构。
▮▮▮▮ⓒ 耐火混凝土 (Fire-Resistant Concrete)：具有良好耐高温性能的混凝土，常用于防火结构。
▮▮▮▮ⓓ 抗辐射混凝土 (Radiation-Shielding Concrete)：具有良好抗辐射性能的混凝土，常用于核电站、医院等辐射防护工程。
▮▮▮▮ⓔ 彩色混凝土 (Colored Concrete)：通过掺加颜料或彩色水泥制成的具有装饰效果的混凝土，常用于建筑外墙、地面铺装、景观工程等。

3.2 钢材 (Steel)

3.2.1 钢材的分类与性能 (Classification and Properties of Steel)

钢材 (Steel) 是土木工程中最重要的金属结构材料，以其高强度、高韧性、良好的可焊性和加工性能而广泛应用于各种工程结构，如高层建筑、大跨度桥梁、工业厂房、海洋平台等。钢材的种类繁多，性能各异，正确选择和应用钢材是保证工程结构安全可靠的关键。

① 钢材的分类 (Classification of Steel)

钢材的分类方法多样，可根据化学成分、用途、力学性能、冶炼方法、轧制方法等进行分类。

▮▮▮▮ⓐ 按化学成分分类 (Classification by Chemical Composition)：
▮▮▮▮▮▮▮▮根据钢材中碳 (Carbon) 的含量，可将钢材分为：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 低碳钢 (Low Carbon Steel)：碳含量小于 0.25%。强度较低，塑性、韧性、可焊性好，易于加工，应用广泛。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 中碳钢 (Medium Carbon Steel)：碳含量为 0.25%～0.60%。强度、硬度、韧性较好，但可焊性稍差，常用于制造机械零件、结构件等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 高碳钢 (High Carbon Steel)：碳含量大于 0.60%。强度、硬度很高，但塑性、韧性、可焊性差，主要用于制造工具、模具、弹簧等。
▮▮▮▮▮▮▮▮土木工程结构中常用的钢材多为低碳钢和中低碳钢。

▮▮▮▮ⓑ 按用途分类 (Classification by Usage)：
▮▮▮▮▮▮▮▮根据钢材的用途，可将钢材分为：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 结构钢 (Structural Steel)：主要用于制造工程结构的钢材，要求具有较高的强度、韧性、可焊性等综合力学性能。结构钢又可分为普通结构钢 (如 Q235、Q345) 和优质结构钢 (如 Q390、Q420、Q460 等)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 工具钢 (Tool Steel)：主要用于制造各种工具、模具的钢材，要求具有高硬度、耐磨性、耐热性等性能。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 特殊钢 (Special Steel)：具有特殊化学成分、特殊性能或特殊用途的钢材，如不锈钢 (Stainless Steel)、耐热钢 (Heat-Resisting Steel)、耐磨钢 (Wear-Resisting Steel)、合金钢 (Alloy Steel) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮土木工程结构中常用的钢材主要是结构钢。

▮▮▮▮ⓒ 按力学性能分类 (Classification by Mechanical Properties)：
▮▮▮▮▮▮▮▮根据钢材的保证力学性能指标，可将钢材分为：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 强度钢 (Strength Steel)：主要保证屈服强度 (Yield Strength) 和抗拉强度 (Tensile Strength) 指标的钢材。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 塑性钢 (Plastic Steel)：主要保证伸长率 (Elongation) 和断面收缩率 (Reduction of Area) 指标的钢材。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 韧性钢 (Toughness Steel)：主要保证冲击韧性 (Impact Toughness) 指标的钢材。
▮▮▮▮▮▮▮▮工程结构用钢材通常要求具有一定的强度、塑性和韧性，以保证结构的安全性。

▮▮▮▮ⓓ 按冶炼方法分类 (Classification by Smelting Method)：
▮▮▮▮▮▮▮▮根据钢材的冶炼方法，可将钢材分为：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 转炉钢 (Converter Steel)：采用转炉冶炼的钢材，产量大，成本低，但杂质含量稍高。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 电炉钢 (Electric Furnace Steel)：采用电炉冶炼的钢材，冶炼温度高，易于控制成分，杂质含量低，质量较高，但成本较高。
▮▮▮▮▮▮▮▮工程结构用钢材多采用转炉钢和电炉钢。

▮▮▮▮ⓔ 按轧制方法分类 (Classification by Rolling Method)：
▮▮▮▮▮▮▮▮根据钢材的轧制方法，可将钢材分为：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 热轧钢 (Hot-Rolled Steel)：在高温下轧制成型的钢材，表面粗糙，尺寸精度较低，但成本较低，应用广泛。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 冷轧钢 (Cold-Rolled Steel)：在常温下轧制成型的钢材，表面光滑，尺寸精度高，力学性能较好，但成本较高，主要用于制造薄板、型钢等。
▮▮▮▮▮▮▮▮工程结构用钢材多采用热轧钢。

② 钢材的性能指标 (Performance Indicators of Steel)

钢材的性能指标是评价钢材质量的重要依据，也是工程结构设计选材的重要参考。钢材的主要性能指标包括：

▮▮▮▮ⓐ 力学性能 (Mechanical Properties)：
▮▮▮▮▮▮▮▮力学性能是指钢材在各种外力作用下表现出的性能，是钢材最重要的性能指标。钢材的主要力学性能指标包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 强度指标 (Strength Indicators)：
▮▮▮▮▮▮▮▮ * 屈服强度 \(f_y\) (Yield Strength)：钢材在拉伸或压缩过程中，发生显著塑性变形而应力基本保持不变的最低应力值。屈服强度是钢材强度性能的重要指标，是结构设计中钢材强度取值的依据。
▮▮▮▮▮▮▮▮ * 抗拉强度 \(f_u\) (Tensile Strength)：钢材在拉伸过程中所能承受的最大应力值。抗拉强度反映钢材抵抗拉断的能力。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 塑性指标 (Plasticity Indicators)：
▮▮▮▮▮▮▮▮ * 伸长率 \(\delta\) (Elongation)：钢材在拉伸断裂后，标距长度的增加量与原标距长度的比值，表示钢材的塑性变形能力。伸长率越大，钢材的塑性越好。
▮▮▮▮▮▮▮▮ * 断面收缩率 \(\psi\) (Reduction of Area)：钢材在拉伸断裂后，断面面积的减小量与原断面面积的比值，也表示钢材的塑性变形能力。断面收缩率越大，钢材的塑性越好。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 韧性指标 (Toughness Indicators)：
▮▮▮▮▮▮▮▮ * 冲击韧性 \(a_k\) (Impact Toughness)：钢材抵抗冲击荷载作用的能力，通常用冲击吸收功或冲击韧性值表示。冲击韧性越高，钢材抵抗脆性断裂的能力越强。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 硬度 (Hardness)：钢材表面抵抗局部塑性变形的能力，常用布氏硬度 (HB)、洛氏硬度 (HR)、维氏硬度 (HV) 等表示。硬度越高，钢材的耐磨性越好。

▮▮▮▮ⓑ 工艺性能 (Process Properties)：
▮▮▮▮▮▮▮▮工艺性能是指钢材在加工制造过程中表现出的性能，直接影响钢材的加工成型和焊接质量。钢材的主要工艺性能指标包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 可焊性 (Weldability)：钢材适应焊接加工的性能，包括焊接过程中不产生裂纹、气孔等缺陷，焊接接头具有良好的力学性能等。可焊性好的钢材易于焊接，焊接质量高。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 冷弯性能 (Cold Bending Property)：钢材在常温下进行弯曲加工时，不产生裂纹或断裂的性能。冷弯性能好的钢材易于冷弯成型。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 冲压性能 (Stamping Property)：钢材在冲压加工过程中，不产生裂纹或破裂的性能。冲压性能好的钢材易于冲压成型。

▮▮▮▮ⓒ 化学性能 (Chemical Properties)：
▮▮▮▮▮▮▮▮化学性能是指钢材的化学成分，主要包括碳含量、合金元素含量、杂质元素含量等。化学成分对钢材的力学性能、工艺性能和耐腐蚀性能有重要影响。
▮▮▮▮▮▮▮▮钢材的化学成分应符合国家标准或行业标准的规定。

3.2.2 常用钢材 (Commonly Used Steel)

土木工程中常用的钢材主要有结构钢 (Structural Steel)、钢筋 (Reinforcing Steel)、型钢 (Section Steel) 等。

① 结构钢 (Structural Steel)：
▮▮▮▮结构钢是指用于制造工程结构承重构件的钢材，是土木工程中最常用的钢材。结构钢的主要牌号和特性如下：

▮▮▮▮ⓐ Q235 钢 (Q235 Steel)：
▮▮▮▮▮▮▮▮Q235 是一种常用的碳素结构钢，其中 Q 代表屈服强度 (屈服点的“屈”字汉语拼音首字母)，235 代表屈服强度值为 235 MPa。
▮▮▮▮▮▮▮▮Q235 钢强度较低，但塑性、韧性、可焊性好，价格低廉，应用广泛，适用于一般承重结构、非重要构件等。

▮▮▮▮ⓑ Q345 钢 (Q345 Steel)：
▮▮▮▮▮▮▮▮Q345 是一种常用的低合金高强度结构钢，屈服强度值为 345 MPa。
▮▮▮▮▮▮▮▮Q345 钢强度较高，塑性、韧性、可焊性良好，综合力学性能优良，是目前土木工程中最常用的结构钢，适用于重要承重结构、大跨度结构、高层建筑等。

▮▮▮▮ⓒ Q390、Q420、Q460 钢 (Q390, Q420, Q460 Steel)：
▮▮▮▮▮▮▮▮Q390、Q420、Q460 均为高强度结构钢，屈服强度值分别为 390 MPa、420 MPa、460 MPa。
▮▮▮▮▮▮▮▮这些高强度钢强度更高，可以进一步减轻结构自重，节约钢材，降低工程造价，适用于超高层建筑、大跨度桥梁、重型机械等。但高强度钢的塑性、韧性、可焊性相对较差，焊接工艺要求较高。

② 钢筋 (Reinforcing Steel)：
▮▮▮▮钢筋是指用于钢筋混凝土结构中增强混凝土抗拉强度的钢材，主要承受拉力，有时也承受压力。钢筋的种类繁多，按外形可分为光圆钢筋 (Plain Round Bar) 和带肋钢筋 (Deformed Bar) 两种。

▮▮▮▮ⓐ 光圆钢筋 (Plain Round Bar)：
▮▮▮▮▮▮▮▮表面光滑，没有肋，与混凝土的握裹力较差，已逐渐被淘汰。目前仅少量应用于箍筋、构造钢筋等。

▮▮▮▮ⓑ 带肋钢筋 (Deformed Bar)：
▮▮▮▮▮▮▮▮表面带有纵肋和横肋，与混凝土的握裹力大大提高，是目前钢筋混凝土结构中最常用的钢筋。带肋钢筋按肋的形状又可分为：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 月牙肋钢筋 (Crescent Ribbed Bar)：横肋呈月牙形。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 人字肋钢筋 (Herringbone Ribbed Bar)：横肋呈人字形。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 螺旋肋钢筋 (Spiral Ribbed Bar)：横肋呈螺旋形。
▮▮▮▮▮▮▮▮带肋钢筋的牌号和强度等级根据国家标准 (GB 1499.2-2018)《钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》的规定，主要有 HRB400、HRB500、HRBF400、HRBF500 等。其中 HRB 代表热轧带肋钢筋 (Hot Rolled Ribbed Bar)，数字代表强度等级，F 代表细晶粒钢筋 (Fine Grain Steel Bar)。

③ 型钢 (Section Steel)：
▮▮▮▮型钢是指具有一定断面形状和尺寸的条形钢材，也称型材。型钢的种类繁多，按断面形状可分为：

▮▮▮▮ⓐ 简单断面型钢 (Simple Section Steel)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 圆钢 (Round Steel)：断面为圆形，主要用于拉杆、轴类零件、钢筋等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 方钢 (Square Steel)：断面为正方形，主要用于构件连接、垫板等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 扁钢 (Flat Steel)：断面为矩形，宽度远大于厚度，主要用于构件连接、吊杆、扁钢箍等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 角钢 (Angle Steel)：断面为 L 形，主要用于桁架、梁柱连接、屋架等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 槽钢 (Channel Steel)：断面为槽形，主要用于梁、柱、檩条、梯梁等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 工字钢 (I-Beam)：断面为工字形，主要用于梁、柱、吊车梁、桥梁等。

▮▮▮▮ⓑ 复杂断面型钢 (Complex Section Steel)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ H 型钢 (H-Beam)：断面为 H 形，翼缘宽而薄，腹板厚而高，具有良好的抗弯性能和经济性，广泛应用于工业厂房、高层建筑、桥梁等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ T 型钢 (T-Beam)：断面为 T 形，主要用于屋架、檩条、吊车梁等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ Z 型钢 (Z-Section Steel)：断面为 Z 形，主要用于檩条、墙梁等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 钢轨 (Steel Rail)：断面为工字形，头部加厚，专门用于铁路、起重机轨道等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 钢板桩 (Steel Sheet Pile)：断面为槽形或 Z 形，边缘带有锁口，可相互连接，主要用于挡土墙、码头、基坑支护等。

3.2.3 钢材的防护与连接 (Protection and Connection of Steel)

钢材虽然具有优良的力学性能，但也存在一些缺点，如易锈蚀、耐火性差等。为了保证钢结构的安全可靠和耐久性，必须采取必要的防护措施，并选择合理的连接方式。

① 钢材的防护 (Protection of Steel)

钢材的主要防护措施包括防腐蚀和防火。

▮▮▮▮ⓐ 防腐蚀 (Corrosion Prevention)：
▮▮▮▮▮▮▮▮钢材在潮湿、腐蚀性介质环境中易发生锈蚀 (Corrosion)，导致钢材截面减小、力学性能降低，影响结构的安全和耐久性。钢结构的防腐蚀方法主要有：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 涂层防护 (Coating Protection)：在钢材表面涂覆防腐蚀涂层，隔离钢材与腐蚀性介质的接触。常用的涂层有油漆涂层、环氧树脂涂层、富锌涂层、氟碳涂层等。涂层防护施工简便、成本较低，是钢结构最常用的防腐蚀方法。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 镀层防护 (Plating Protection)：在钢材表面镀覆一层耐腐蚀金属，如镀锌 (Galvanizing)、镀镉 (Cadmium Plating)、镀铬 (Chrome Plating) 等。镀锌是钢结构最常用的镀层防护方法，镀锌层具有良好的耐腐蚀性和耐久性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 阴极保护 (Cathodic Protection)：利用电化学原理，使钢材表面处于阴极状态，抑制钢材的阳极溶解，从而达到防腐蚀的目的。阴极保护主要有外加电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护两种方法，适用于海洋工程、地下管道等重要钢结构。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 耐候钢 (Weathering Steel)：采用特殊合金成分的钢材，在表面形成致密的锈层，阻止锈蚀向内部扩展，具有良好的耐腐蚀性，可减少或免除涂层防护，适用于露天钢结构。

▮▮▮▮ⓑ 防火 (Fire Protection)：
▮▮▮▮▮▮▮▮钢材的耐火性较差，在高温下强度和刚度迅速降低，容易发生火灾破坏。钢结构的防火措施主要有：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 耐火涂料 (Fire-ResResistant Coating)：在钢材表面涂覆耐火涂料，形成隔热保护层，延缓钢材温度升高，提高钢结构的耐火极限。耐火涂料按涂层厚度可分为薄涂型、厚涂型和超薄型耐火涂料。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 外包覆层 (Fireproof Cladding)：在钢结构外表面包裹耐火材料，如混凝土、石膏板、矿棉板、珍珠岩板等，形成隔热保护层，提高钢结构的耐火极限。外包覆层防火效果好，但施工较为复杂，成本较高。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 水喷淋和水幕系统 (Water Sprinkler and Water Curtain System)：在火灾发生时，通过水喷淋或水幕系统对钢结构进行冷却降温，延缓钢材温度升高，提高钢结构的耐火极限。水喷淋和水幕系统适用于大型空间钢结构。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 提高钢结构自身耐火性 (Improving Intrinsic Fire Resistance of Steel Structures)：采用耐火钢、空心夹层钢结构、充水钢结构等方法，提高钢结构自身的耐火性。

② 钢结构的连接方式 (Connection Methods of Steel Structures)

钢结构的连接方式主要有焊接连接 (Welded Connection)、螺栓连接 (Bolted Connection) 和铆钉连接 (Riveted Connection) 三种。

▮▮▮▮ⓐ 焊接连接 (Welded Connection)：
▮▮▮▮▮▮▮▮焊接连接是将焊条或焊丝通过电弧或其他热源熔化，使连接件熔合在一起的连接方式。焊接连接具有连接强度高、刚度大、节省钢材、构造简单、密封性好等优点，是钢结构最常用的连接方式。
▮▮▮▮▮▮▮▮焊接连接的主要类型有：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 对接焊缝 (Butt Weld)：用于连接两构件端部，焊缝轴线与构件轴线垂直。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 角焊缝 (Fillet Weld)：用于连接两构件侧面或端面，焊缝断面呈三角形。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 塞焊缝和槽焊缝 (Plug Weld and Slot Weld)：用于连接叠合构件，焊缝填充在孔或槽内。
▮▮▮▮▮▮▮▮焊接连接的质量直接影响钢结构的安全，焊接施工应严格按照规范要求进行，并进行必要的质量检验。

▮▮▮▮ⓑ 螺栓连接 (Bolted Connection)：
▮▮▮▮▮▮▮▮螺栓连接是用螺栓将连接件连接在一起的连接方式。螺栓连接具有安装方便、拆卸容易、可重复使用等优点，适用于装配式钢结构、可拆卸结构、受动力荷载结构等。
▮▮▮▮▮▮▮▮螺栓连接的主要类型有：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 普通螺栓连接 (Ordinary Bolted Connection)：采用普通螺栓连接，依靠螺栓杆的抗剪和孔壁的承压传递荷载。普通螺栓连接承载力较低，主要用于次要构件或连接。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 高强度螺栓摩擦型连接 (High-Strength Bolted Friction-Type Connection)：采用高强度螺栓连接，依靠连接件接触面间的摩擦力传递荷载。高强度螺栓摩擦型连接承载力高、抗滑移性能好，是钢结构最常用的螺栓连接方式，适用于重要承重结构、受动力荷载结构等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 高强度螺栓承压型连接 (High-Strength Bolted Bearing-Type Connection)：采用高强度螺栓连接，依靠螺栓杆的抗剪和孔壁的承压共同传递荷载。高强度螺栓承压型连接承载力较高，但抗滑移性能较差，适用于受静力荷载为主的结构。

▮▮▮▮ⓒ 铆钉连接 (Riveted Connection)：
▮▮▮▮▮▮▮▮铆钉连接是用铆钉将连接件铆接在一起的连接方式。铆钉连接具有连接可靠、抗震性能好等优点，但施工较为复杂、成本较高，已逐渐被螺栓连接和焊接连接取代。目前仅在少量旧钢结构加固和特殊结构中应用。
▮▮▮▮▮▮▮▮铆钉连接的主要类型有：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 普通铆钉连接 (Ordinary Riveted Connection)：采用普通铆钉连接。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 高强度铆钉连接 (High-Strength Riveted Connection)：采用高强度铆钉连接。

3.3 其他工程材料 (Other Engineering Materials)

3.3.1 沥青材料 (Asphalt Materials)

沥青材料 (Asphalt Materials) 是土木工程中重要的道路建筑材料，主要用于路面铺筑、防水工程等。沥青材料具有良好的粘结性、塑性、防水性和耐久性，但耐高温性和抗老化性较差。

① 沥青的分类 (Classification of Asphalt)

沥青 (Asphalt) 是一种复杂的碳氢化合物混合物，主要来源于石油 (Petroleum)、煤炭 (Coal) 和天然沥青湖 (Natural Asphalt Lake)。沥青的分类方法多样，按来源可分为：

▮▮▮▮ⓐ 石油沥青 (Petroleum Asphalt)：
▮▮▮▮▮▮▮▮石油沥青是从石油炼制过程中提取出来的沥青，是土木工程中最常用的沥青。石油沥青按用途可分为：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 道路沥青 (Paving Asphalt)：主要用于道路路面铺筑，要求具有良好的粘结性、塑性、耐久性和耐磨性。道路沥青按针入度 (Penetration) 大小分为不同标号，如 60 号、70 号、90 号沥青等，标号越小，沥青越硬。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 建筑沥青 (Building Asphalt)：主要用于建筑防水、防潮等，要求具有良好的防水性、粘结性和耐久性。建筑沥青按软化点 (Softening Point) 高低分为不同等级。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 改性沥青 (Modified Asphalt)：为了改善普通石油沥青的性能缺陷，通过掺加改性剂 (如聚合物 (Polymer)、橡胶 (Rubber)、矿物材料等) 对石油沥青进行改性处理制成的沥青。改性沥青具有更高的耐高温性、抗低温性、抗老化性、抗车辙性等性能，适用于高等级路面、重交通路面、特殊气候地区路面等。常用的改性沥青有 SBS 改性沥青 (Styrene-Butadiene-Styrene Modified Asphalt)、SMA 改性沥青 (Stone Matrix Asphalt Modified Asphalt)、橡胶沥青 (Rubber Asphalt) 等。

▮▮▮▮ⓑ 煤沥青 (Coal Tar Pitch)：
▮▮▮▮▮▮▮▮煤沥青是从煤炭干馏过程中提取出来的沥青，与石油沥青相比，煤沥青的耐高温性和耐化学腐蚀性较好，但粘结性、塑性、耐久性较差，且含有多环芳烃等有害物质，应用逐渐减少。煤沥青主要用于工业防水、防腐蚀等。

▮▮▮▮ⓒ 天然沥青 (Natural Asphalt)：
▮▮▮▮▮▮▮▮天然沥青是自然界中天然形成的沥青矿藏，如沥青湖、沥青砂岩等。天然沥青储量有限，成分复杂，性能不稳定，应用较少。

② 沥青的性质 (Properties of Asphalt)

沥青的主要性质包括物理性质、流变性质和化学性质。

▮▮▮▮ⓐ 物理性质 (Physical Properties)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 密度 (Density)：沥青的密度一般为 1.0～1.1 g/cm³，略大于水。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 颜色和光泽 (Color and Luster)：沥青常温下呈黑色或棕黑色，具有光泽。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 溶解性 (Solubility)：沥青可溶于苯 (Benzene)、甲苯 (Toluene)、二硫化碳 (Carbon Disulfide) 等有机溶剂，部分溶于汽油 (Gasoline)、煤油 (Kerosene)、柴油 (Diesel Oil) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 粘结性 (Adhesiveness)：沥青具有良好的粘结性，能将矿物材料粘结成整体。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 塑性 (Plasticity)：沥青具有一定的塑性，在外力作用下能发生塑性变形而不易断裂。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 防水性 (Waterproofness)：沥青具有良好的防水性，不易透水。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 耐久性 (Durability)：沥青具有一定的耐久性，能抵抗自然环境和车辆荷载的长期作用。

▮▮▮▮ⓑ 流变性质 (Rheological Properties)：
▮▮▮▮▮▮▮▮沥青是一种粘弹性材料，其流变性质复杂，受温度、荷载作用时间等因素影响显著。沥青的流变性质主要包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 粘度 (Viscosity)：沥青抵抗流动变形的能力，粘度越大，沥青越稠。沥青的粘度随温度升高而降低，随剪切速率增大而降低 (剪切稀化现象)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 弹性 (Elasticity)：沥青在外力作用下发生变形，卸载后能部分恢复原状的性质。沥青的弹性随温度降低而增大，随荷载作用时间缩短而增大。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 塑性 (Plasticity)：沥青在外力作用下发生变形，卸载后不能完全恢复原状的性质。沥青的塑性随温度升高而增大，随荷载作用时间延长而增大。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 蠕变 (Creep)：沥青在恒定荷载作用下，应变随时间缓慢增加的现象。蠕变会导致路面产生车辙等病害。

▮▮▮▮ⓒ 化学性质 (Chemical Properties)：
▮▮▮▮▮▮▮▮沥青的主要化学成分是碳氢化合物，还含有少量的硫 (Sulfur)、氮 (Nitrogen)、氧 (Oxygen) 等元素。沥青的化学性质主要包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 老化 (Aging)：沥青在自然环境和车辆荷载的长期作用下，会发生老化现象，导致沥青变硬变脆，粘结性、塑性、耐久性降低。沥青老化的主要原因是光氧化作用 (Photo-oxidation)、热氧化作用 (Thermal Oxidation) 和挥发作用 (Volatilization)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 水敏感性 (Water Sensitivity)：沥青与水接触时，粘结力会降低，容易发生水损害 (Water Damage)，导致路面松散、坑槽等病害。

③ 沥青混合料 (Asphalt Mixture)

沥青混合料 (Asphalt Mixture) 是指将沥青 (Asphalt)、矿物集料 (Mineral Aggregate) 和填料 (Filler) 按一定比例配合，经拌合、摊铺、压实而成的路面铺筑材料。沥青混合料的性能直接影响路面的使用性能和耐久性。沥青混合料的组成和性能主要取决于沥青的类型、矿物集料的级配和性质、配合比设计、拌合工艺、摊铺压实工艺等因素。

沥青混合料按矿物集料的级配类型可分为：

▮▮▮▮ⓐ 密级配沥青混合料 (Dense-Graded Asphalt Mixture)：
▮▮▮▮▮▮▮▮矿物集料的级配范围较宽，各种粒径的集料含量比例适当，混合料的空隙率 (Void Ratio) 较低，具有良好的稳定性、水稳性和耐久性，是道路工程中最常用的沥青混合料类型。

▮▮▮▮ⓑ 半开级配沥青混合料 (Semi-Open-Graded Asphalt Mixture)：
▮▮▮▮▮▮▮▮矿物集料的级配范围较窄，缺少中间粒径的集料，混合料的空隙率较高，具有良好的抗滑性能和排水性能，适用于高等级路面表层。

▮▮▮▮ⓒ 开级配沥青混合料 (Open-Graded Asphalt Mixture)：
▮▮▮▮▮▮▮▮矿物集料的级配范围更窄，缺少细集料，混合料的空隙率很高，具有优异的抗滑性能和排水性能，但稳定性较差，耐久性较低，适用于低交通量路面表层或排水路面基层。

沥青混合料按施工温度可分为：

▮▮▮▮ⓐ 热拌沥青混合料 (Hot Mix Asphalt, HMA)：
▮▮▮▮▮▮▮▮矿物集料和沥青加热到一定温度后进行拌合的沥青混合料，是目前道路工程中最常用的沥青混合料类型。热拌沥青混合料的拌合温度一般为 150～180℃，摊铺温度一般为 130～160℃。

▮▮▮▮ⓑ 温拌沥青混合料 (Warm Mix Asphalt, WMA)：
▮▮▮▮▮▮▮▮在较低温度下拌合的沥青混合料，拌合温度比热拌沥青混合料降低 20～40℃。温拌沥青混合料具有节能减排、改善施工环境、提高路面性能等优点，是沥青路面技术的发展方向。温拌沥青混合料的实现途径主要有：掺加温拌剂 (Warm Mix Asphalt Additive)、泡沫沥青技术 (Foamed Asphalt Technology)、乳化沥青技术 (Emulsified Asphalt Technology) 等。

▮▮▮▮ⓒ 冷拌沥青混合料 (Cold Mix Asphalt, CMA)：
▮▮▮▮▮▮▮▮在常温下拌合的沥青混合料，主要采用乳化沥青或液体沥青作为结合料。冷拌沥青混合料施工简便、适应性强，适用于低等级路面、养护维修工程等。

④ 沥青材料在道路工程中的应用 (Application of Asphalt Materials in Road Engineering)

沥青材料在道路工程中应用广泛，主要用于：

▮▮▮▮ⓐ 路面面层 (Pavement Surface Course)：
▮▮▮▮▮▮▮▮沥青混合料是路面面层最常用的材料，提供平整、抗滑、耐磨、防水的路面表面，承受车辆荷载和自然环境的长期作用。路面面层沥青混合料的类型和性能应根据道路等级、交通量、气候条件等因素选择。

▮▮▮▮ⓑ 路面基层和底基层 (Pavement Base Course and Subbase Course)：
▮▮▮▮▮▮▮▮沥青稳定碎石 (Asphalt Stabilized Crushed Stone) 等沥青材料也常用于路面基层和底基层，提高路面结构的承载能力和耐久性。

▮▮▮▮ⓒ 路面养护与维修 (Pavement Maintenance and Rehabilitation)：
▮▮▮▮▮▮▮▮沥青材料广泛应用于路面养护与维修工程，如沥青罩面 (Asphalt Overlay)、沥青灌缝 (Asphalt Crack Sealing)、沥青坑槽修补 (Asphalt Pothole Repair) 等，恢复路面性能，延长路面使用寿命。

▮▮▮▮ⓓ 防水工程 (Waterproofing Engineering)：
▮▮▮▮▮▮▮▮沥青材料的良好防水性使其广泛应用于桥梁桥面防水层、隧道防水层、地下工程防水层等。

3.3.2 木材与砌体材料 (Wood and Masonry Materials)

① 木材 (Wood)

木材 (Wood) 是一种天然的生物质材料，具有轻质高强、易于加工、纹理美观、可再生等优点，在土木工程中主要用于木结构建筑、装饰装修、景观工程等。

▮▮▮▮ⓐ 木材的特性 (Properties of Wood)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 天然性 (Naturalness)：木材是一种天然材料，具有天然的纹理和色泽，给人以自然、亲切的感觉。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 轻质高强 (Lightweight and High Strength)：木材的密度较低，但强度较高，比强度 (强度与密度之比) 较高，是一种轻质高强材料。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 易于加工 (Easy to Process)：木材易于锯、刨、钉、钻等加工，可制成各种形状的构件和制品。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 保温隔热性好 (Good Thermal Insulation Performance)：木材的导热系数较低，具有良好的保温隔热性能，可用于节能建筑。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 声学性能好 (Good Acoustic Performance)：木材具有良好的吸声和隔声性能，可用于音乐厅、剧院等对声学要求较高的建筑。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 可再生性 (Renewability)：木材是一种可再生资源，合理利用和管理森林资源，可以实现木材的可持续利用。

▮▮▮▮ⓑ 木材的分类 (Classification of Wood)：
▮▮▮▮▮▮▮▮木材按树种可分为针叶树材 (Coniferous Wood) 和阔叶树材 (Broadleaf Wood) 两种。
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 针叶树材: 如松木 (Pine)、杉木 (Fir)、柏木 (Cypress) 等，材质较软，纹理通直，易于加工，用途广泛。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 阔叶树材: 如硬木 (Hardwood) (如橡木 (Oak)、榉木 (Beech)、榆木 (Elm)) 和软阔叶木 (Soft Broadleaf Wood) (如杨木 (Poplar)、桦木 (Birch)、柳木 (Willow)) 等，硬木材质坚硬，强度高，纹理美观，适用于高档家具、地板、装饰装修等；软阔叶木材质较软，易于加工，适用于胶合板、纸浆、包装箱等。
▮▮▮▮▮▮▮▮木材按用途可分为：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 结构用材 (Structural Timber)：用于承重结构的木材，要求具有较高的强度和耐久性，如梁、柱、屋架等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 装饰用材 (Decorative Timber)：用于装饰装修的木材，要求具有美观的纹理和色泽，如地板、墙板、家具等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 工程用材 (Engineering Timber)：用于工程建设的木材，如模板、桩木、电杆等。

▮▮▮▮ⓒ 木材的防腐处理 (Preservative Treatment of Wood)：
▮▮▮▮▮▮▮▮木材是一种生物质材料，易受腐朽菌、虫害等侵蚀，影响其耐久性。为了提高木材的耐久性，延长使用寿命，必须对木材进行防腐处理。常用的木材防腐处理方法包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 化学防腐处理 (Chemical Preservative Treatment)：将木材浸泡或加压注入化学防腐剂，杀死木材中的腐朽菌和虫害，提高木材的防腐性能。常用的化学防腐剂有 CCA (铬化砷酸铜)、ACQ (烷基季铵铜化合物)、硼酸盐 (Borate) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 物理防腐处理 (Physical Preservative Treatment)：采用物理方法对木材进行处理，提高木材的防腐性能。常用的物理防腐处理方法有：高温处理 (Heat Treatment)、炭化处理 (Carbonization Treatment)、真空干燥 (Vacuum Drying) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 天然防腐木 (Naturally Durable Wood)：选用天然耐腐朽性较好的木材树种，如红雪松 (Red Cedar)、柚木 (Teak)、菠萝格 (Merbau) 等，这些木材树种自身含有天然防腐成分，具有较好的防腐性能，可减少或免除人工防腐处理。

② 砌体材料 (Masonry Materials)

砌体材料 (Masonry Materials) 是指用于砌筑砌体结构的材料，主要包括砖 (Brick)、砌块 (Block) 和石材 (Stone)。砌体材料具有耐久性好、耐火性好、取材方便、成本较低等优点，在土木工程中广泛应用于墙体、基础、柱、拱、烟囱、挡土墙等结构。

▮▮▮▮ⓐ 砖 (Brick)：
▮▮▮▮▮▮▮▮砖是以黏土 (Clay)、页岩 (Shale)、煤矸石 (Coal Gangue) 等为主要原料，经焙烧或蒸压硬化而成的砌体材料。砖的种类繁多，按材质可分为黏土砖 (Clay Brick)、页岩砖 (Shale Brick)、煤矸石砖 (Coal Gangue Brick)、混凝土砖 (Concrete Brick) 等；按烧结与否可分为烧结砖 (Burnt Brick) 和非烧结砖 (Unburnt Brick) (如蒸压砖 (Autoclaved Brick))；按孔洞率可分为实心砖 (Solid Brick) 和多孔砖 (Perforated Brick)、空心砖 (Hollow Brick)。
▮▮▮▮▮▮▮▮砖的强度等级按抗压强度划分为 MU (Masonry Unit) 等级，如 MU10、MU15、MU20 等，数字越大，强度越高。砌体结构常用的砖强度等级为 MU10～MU20。

▮▮▮▮ⓑ 砌块 (Block)：
▮▮▮▮▮▮▮▮砌块是以水泥 (Cement)、矿渣 (Slag)、粉煤灰 (Fly Ash)、砂 (Sand)、石 (Stone) 等为主要原料，经成型、养护而成的砌体材料。砌块的体积比砖大，砌筑效率高，可减轻结构自重，节约材料。砌块按材质可分为混凝土砌块 (Concrete Block)、轻集料混凝土砌块 (Lightweight Aggregate Concrete Block)、石膏砌块 (Gypsum Block) 等；按孔洞率可分为实心砌块 (Solid Block)、空心砌块 (Hollow Block) 和多孔砌块 (Perforated Block)。
▮▮▮▮▮▮▮▮砌块的强度等级按抗压强度划分为强度等级，如 MU3.5、MU5.0、MU7.5、MU10.0 等，数字越大，强度越高。砌体结构常用的砌块强度等级为 MU5.0～MU10.0。

▮▮▮▮ⓒ 石材 (Stone)：
▮▮▮▮▮▮▮▮石材是天然岩石 (Natural Rock) 经开采、加工而成的砌体材料。石材具有强度高、耐久性好、耐火性好、装饰性好等优点，但加工难度大、成本较高。石材按岩石种类可分为花岗岩 (Granite)、大理石 (Marble)、砂岩 (Sandstone)、石灰岩 (Limestone)、板岩 (Slate) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮石材按加工形状可分为毛石 (Rubble Stone)、料石 (Dimension Stone)、条石 (Ashlar)、板石 (Flagstone) 等。石材的强度等级按抗压强度划分为强度等级，如 M20、M30、M40、M50 等，数字越大，强度越高。砌体结构常用的石材强度等级为 M20～M40。

▮▮▮▮ⓓ 砌筑砂浆 (Masonry Mortar)：
▮▮▮▮▮▮▮▮砌筑砂浆 (Masonry Mortar) 是砌体结构的粘结材料，将砖、砌块、石材等砌体单元粘结成整体，传递荷载，提高砌体的整体性和稳定性。砌筑砂浆的主要组成材料包括水泥 (Cement)、砂 (Sand)、石灰 (Lime) (或黏土 (Clay)) 和水 (Water)。砌筑砂浆按胶凝材料可分为水泥砂浆 (Cement Mortar)、水泥石灰砂浆 (Cement-Lime Mortar)、石灰砂浆 (Lime Mortar)、黏土砂浆 (Clay Mortar) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮砌筑砂浆的强度等级按抗压强度划分为强度等级，如 M2.5、M5.0、M7.5、M10.0 等，数字越大，强度越高。砌体结构常用的砌筑砂浆强度等级为 M2.5～M10.0，砂浆强度等级应低于砌体单元强度等级。

3.3.3 新型工程材料 (New Engineering Materials)

随着科技的进步和工程建设的需求，新型工程材料 (New Engineering Materials) 不断涌现，并在土木工程领域得到越来越广泛的应用。新型工程材料主要包括高性能纤维复合材料 (High Performance Fiber Reinforced Polymer Composites)、智能材料 (Smart Materials)、生态环保材料 (Eco-Friendly and Sustainable Materials) 等。

① 高性能纤维复合材料 (High Performance Fiber Reinforced Polymer Composites)：
▮▮▮▮高性能纤维复合材料 (FRP Composites) 是以高性能纤维 (如碳纤维 (Carbon Fiber, CF)、芳纶纤维 (Aramid Fiber, AF)、玻璃纤维 (Glass Fiber, GF) 等) 为增强材料，以树脂 (Resin) (如环氧树脂 (Epoxy Resin)、乙烯基树脂 (Vinyl Ester Resin)、不饱和聚酯树脂 (Unsaturated Polyester Resin) 等) 为基体材料，通过复合工艺制成的复合材料。FRP 复合材料具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳、可设计性强等优点，在土木工程领域具有广阔的应用前景。

▮▮▮▮ⓐ FRP 复合材料的特点 (Characteristics of FRP Composites)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 轻质高强 (Lightweight and High Strength)：FRP 复合材料的密度远低于钢材，但强度可与高强度钢材媲美，比强度和比刚度 (刚度与密度之比) 远高于钢材和混凝土。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 耐腐蚀 (Corrosion Resistance)：FRP 复合材料具有优异的耐腐蚀性能，能抵抗酸、碱、盐等化学物质的侵蚀，适用于腐蚀性环境。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 抗疲劳 (Fatigue Resistance)：FRP 复合材料具有良好的抗疲劳性能，不易发生疲劳破坏。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 可设计性强 (Designable)：FRP 复合材料的性能可以通过纤维类型、纤维含量、纤维排列方式、基体材料等进行设计和调整，满足工程的特殊需求。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 施工方便 (Easy to Construct)：FRP 复合材料易于加工成型，施工简便快捷，可现场缠绕、粘贴、预制拼装等。

▮▮▮▮ⓑ FRP 复合材料在土木工程中的应用 (Applications of FRP Composites in Civil Engineering)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ FRP 筋材 (FRP Reinforcing Bar)：用 FRP 复合材料制成的筋材，替代钢筋用于钢筋混凝土结构中，可解决钢筋锈蚀问题，提高结构的耐久性，适用于海洋工程、沿海工程、化工工程等腐蚀性环境。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ FRP 型材 (FRP Profile)：用 FRP 复合材料制成的各种型材，如 FRP 梁、FRP 柱、FRP 板等，可用于桥梁、建筑、海洋平台等结构，减轻结构自重，提高结构的耐腐蚀性和耐久性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ FRP 加固补强 (FRP Strengthening and Rehabilitation)：用 FRP 复合材料对既有混凝土结构、钢结构、砌体结构进行加固补强，提高结构的承载能力、抗震性能和耐久性。常用的 FRP 加固方法有碳纤维布加固 (Carbon Fiber Fabric Strengthening)、芳纶纤维布加固 (Aramid Fiber Fabric Strengthening)、玻璃纤维布加固 (Glass Fiber Fabric Strengthening) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ FRP 桥梁 (FRP Bridge)：用 FRP 复合材料建造的桥梁，具有轻质高强、耐腐蚀、耐久性好等优点，适用于跨海大桥、人行天桥、景观桥梁等。

② 智能材料 (Smart Materials)：
▮▮▮▮智能材料 (Smart Materials) 又称功能材料 (Functional Materials) 或活性材料 (Active Materials)，是指能够感知外部环境变化 (如温度、应力、电场、磁场、光照、化学物质等) 并做出响应 (如变形、变色、发光、发热、改变物理性质等) 的材料。智能材料在土木工程领域具有潜在的应用价值，可用于智能结构、传感器、自修复材料等。

▮▮▮▮ⓐ 常用的智能材料类型 (Common Types of Smart Materials)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 形状记忆合金 (Shape Memory Alloy, SMA)：具有形状记忆效应的合金，在外力作用下发生变形，加热后能恢复到原始形状。SMA 可用于智能减振器、智能连接器、智能传感器等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 压电材料 (Piezoelectric Material)：在外力作用下能产生电荷 (正压电效应)，反之，在电场作用下能发生变形 (逆压电效应)。压电材料可用于压电传感器、压电驱动器、能量收集器等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 磁致伸缩材料 (Magnetostrictive Material)：在磁场作用下能发生变形的材料。磁致伸缩材料可用于磁致伸缩传感器、磁致伸缩驱动器、磁致伸缩振动器等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 电流变液和磁流变液 (Electrorheological Fluid and Magnetorheological Fluid)：在外电场或磁场作用下，粘度发生可逆变化的液体。电流变液和磁流变液可用于智能减振器、智能阻尼器、智能离合器等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 光纤传感器 (Fiber Optic Sensor)：利用光纤作为传感元件，感知光纤周围环境变化 (如应变、温度、压力、位移等) 的传感器。光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可分布式测量等优点，可用于结构健康监测 (Structural Health Monitoring, SHM)。

▮▮▮▮ⓑ 智能材料在土木工程中的潜在应用 (Potential Applications of Smart Materials in Civil Engineering)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 智能结构 (Smart Structure)：将智能材料集成到土木工程结构中，使结构具有感知、响应、自适应、自修复等功能，提高结构的安全性、可靠性和耐久性。如智能减震结构、智能自适应结构、智能自修复结构等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 结构健康监测 (Structural Health Monitoring, SHM)：利用智能传感器 (如压电传感器、光纤传感器、SMA 传感器等) 实时监测结构的应变、位移、振动、温度等状态参数，评估结构的健康状况，及时发现结构损伤，保障结构安全。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 自修复材料 (Self-Healing Materials)：具有自复能力的材料，能够自动修复自身损伤，延长结构的使用寿命，降低维护成本。自修复材料可分为自修复混凝土 (Self-Healing Concrete) 和自修复沥青 (Self-Healing Asphalt) 等。

③ 生态环保材料 (Eco-Friendly and Sustainable Materials)：
▮▮▮▮生态环保材料 (Eco-Friendly and Sustainable Materials) 是指在材料的生产、使用和废弃过程中，对环境影响小，资源消耗低，符合可持续发展理念的材料。生态环保材料在土木工程领域越来越受到重视，成为绿色建筑和可持续基础设施建设的重要组成部分。

▮▮▮▮ⓐ 常用的生态环保材料类型 (Common Types of Eco-Friendly and Sustainable Materials)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 再生骨料混凝土 (Recycled Aggregate Concrete)：利用建筑废弃物 (如废混凝土、废砖瓦等) 经破碎、筛分等处理后作为骨料配制而成的混凝土。再生骨料混凝土可以减少建筑废弃物对环境的污染，节约天然骨料资源，实现资源循环利用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 矿渣水泥混凝土 (Slag Cement Concrete)：采用矿渣硅酸盐水泥或掺加大量矿渣粉的混凝土。矿渣水泥混凝土可以减少水泥熟料的用量，降低水泥生产过程中的碳排放，节约能源，保护环境。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 粉煤灰混凝土 (Fly Ash Concrete)：掺加粉煤灰的混凝土。粉煤灰混凝土可以利用工业废渣粉煤灰，减少粉煤灰对环境的污染，改善混凝土的性能，提高混凝土的耐久性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 生物基材料 (Bio-Based Materials)：利用生物质资源 (如木材、竹材、秸秆、植物纤维等) 制备的工程材料。生物基材料具有可再生、可降解、低碳环保等优点，如竹结构 (Bamboo Structure)、木结构 (Timber Structure)、植物纤维混凝土 (Plant Fiber Concrete) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 透水混凝土 (Pervious Concrete)：一种高孔隙率的混凝土，雨水可以直接渗透到地下，补充地下水，缓解城市内涝，改善城市生态环境。透水混凝土主要用于人行道、自行车道、停车场、广场等地面铺装。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 生态砖和生态砌块 (Eco-Brick and Eco-Block)：利用建筑废弃物、工业废渣、污泥等制备的生态砖和生态砌块。生态砖和生态砌块可以减少废弃物对环境的污染，节约资源，改善建筑环境。

▮▮▮▮ⓑ 生态环保材料在土木工程中的应用 (Applications of Eco-Friendly and Sustainable Materials in Civil Engineering)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 绿色建筑 (Green Building)：在建筑设计、建造和运行过程中，最大限度地节约资源 (节能、节地、节水、节材)、保护环境、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。生态环保材料是绿色建筑的重要组成部分。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 可持续基础设施 (Sustainable Infrastructure)：在基础设施建设中，注重资源节约、环境保护、生态保护、社会公平，实现经济、社会和环境的协调发展。生态环保材料在可持续基础设施建设中发挥重要作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 生态修复工程 (Ecological Restoration Engineering)：利用生态环保材料进行生态环境的修复和治理，如植被混凝土 (Vegetation Concrete)、生态护坡 (Ecological Slope Protection)、人工湿地 (Constructed Wetland) 等，改善生态环境，恢复生态功能。

本章对土木工程中常用的工程材料进行了系统介绍，包括水泥与混凝土、钢材、沥青材料、木材与砌体材料以及新型工程材料。通过本章的学习，读者应掌握各种工程材料的组成、性能、应用及发展趋势，为后续的土木工程专业课程学习和工程实践打下坚实的基础。

4. 岩土工程 (Geotechnical Engineering)

本章系统阐述岩土工程的基本理论与工程实践，包括土的性质、地基勘察、地基处理、边坡工程、地下工程等核心内容。

4.1 土的性质与工程分类 (Soil Properties and Engineering Classification)

介绍土的组成、结构、物理性质、力学性质，以及土的工程分类方法，为地基分析与设计提供基础。

4.1.1 土的组成与结构 (Composition and Structure of Soil)

讲解土的三相组成、矿物成分、颗粒级配、土的结构类型及其对土性质的影响。

① 土的三相组成 (Three-Phase Composition of Soil)

土是由固相 (solid phase)、液相 (liquid phase) 和气相 (gas phase) 组成的多相复合体。
⚝ 固相 (Solid Phase): 指的是土颗粒，主要由各种矿物和少量有机质组成。矿物成分是决定土的基本性质的关键因素。
⚝ 液相 (Liquid Phase): 通常指土中的水，包括自由水和结合水。水在土的性质中起着非常重要的作用，影响土的强度、变形和渗透性。
⚝ 气相 (Gas Phase): 指的是土孔隙中的气体，通常为空气或水蒸气。气体的存在会影响土的渗透性和压缩性。

土的三相可以用体积和质量关系来描述，常用的指标包括：
⚝ 孔隙比 (Void Ratio, \(e\)): 孔隙体积 \(V_v\) 与土粒体积 \(V_s\) 之比，\(e = \frac{V_v}{V_s}\)。
⚝ 孔隙率 (Porosity, \(n\)): 孔隙体积 \(V_v\) 与土的总体积 \(V\) 之比，\(n = \frac{V_v}{V} = \frac{e}{1+e}\)。
⚝ 饱和度 (Degree of Saturation, \(S_r\)): 水的体积 \(V_w\) 与孔隙体积 \(V_v\) 之比，\(S_r = \frac{V_w}{V_v}\)。
⚝ 含水量 (Water Content, \(w\)): 水的质量 \(M_w\) 与土粒质量 \(M_s\) 之比，\(w = \frac{M_w}{M_s}\)。
⚝ 密度 (Density, \(\rho\)): 土的质量 \(M\) 与总体积 \(V\) 之比，\(\rho = \frac{M}{V}\)。
⚝ 干密度 (Dry Density, \(\rho_d\)): 土粒质量 \(M_s\) 与总体积 \(V\) 之比，\(\rho_d = \frac{M_s}{V} = \frac{\rho}{1+w}\)。
⚝ 饱和密度 (Saturated Density, \(\rho_{sat}\)): 土在饱和状态下的密度。
⚝ 有效密度 (Buoyant Density, \(\rho'\)): 饱和土在水中的有效密度，\(\rho' = \rho_{sat} - \rho_w\)，其中 \(\rho_w\) 为水的密度。
⚝ 相对密度 (Relative Density, \(D_r\)): 主要用于描述砂土的密实程度。

② 矿物成分 (Mineral Composition)

土颗粒的矿物成分主要来源于岩石的风化产物。常见的矿物成分包括：
⚝ 石英 (Quartz): 化学成分为 \(SiO_2\)，是砂土的主要成分，硬度高，化学稳定性好。
⚝ 长石 (Feldspar): 是一类常见的造岩矿物，化学成分复杂，易风化分解成黏土矿物。
⚝ 云母 (Mica): 呈片状结构，易劈理，对土的强度和压缩性有一定影响。
⚝ 黏土矿物 (Clay Minerals): 是黏性土的主要成分，具有层状晶体结构和较大的比表面积，对水的吸附能力强，是影响黏性土性质的关键。常见的黏土矿物包括：
▮▮▮▮⚝ 高岭石 (Kaolinite): 结构稳定，膨胀性小。
▮▮▮▮⚝ 伊利石 (Illite): 结构介于高岭石和蒙脱石之间，有一定的膨胀性。
▮▮▮▮⚝ 蒙脱石 (Montmorillonite): 结构层间结合力弱，易吸水膨胀，膨胀性大，对土的工程性质影响显著。

③ 颗粒级配 (Particle Gradation)

颗粒级配是指土中不同粒径颗粒的分布情况，通常用颗粒级配曲线来表示。根据粒径大小，土颗粒可分为：
⚝ 砾石 (Gravel): 粒径大于 2mm。
⚝ 砂 (Sand): 粒径介于 0.075mm ~ 2mm。
▮▮▮▮⚝ 粗砂 (Coarse Sand): 0.25mm ~ 2mm
▮▮▮▮⚝ 中砂 (Medium Sand): 0.075mm ~ 0.25mm
▮▮▮▮⚝ 细砂 (Fine Sand): 0.075mm ~ 0.25mm (重复，应为0.075mm ~ 0.25mm，此处疑似笔误，应为0.075mm ~ 0.25mm)
⚝ 粉粒 (Silt): 粒径介于 0.005mm ~ 0.075mm。
⚝ 黏粒 (Clay): 粒径小于 0.005mm。

颗粒级配曲线可以反映土的均匀程度和级配良好程度。常用的指标包括：
⚝ 不均匀系数 (Coefficient of Uniformity, \(C_u\)): \(C_u = \frac{d_{60}}{d_{10}}\)，其中 \(d_{60}\) 和 \(d_{10}\) 分别为累计百分含量为 60% 和 10% 的粒径。\(C_u \ge 5\) 表示级配良好，\(C_u < 5\) 表示级配不良。
⚝ 曲率系数 (Coefficient of Curvature, \(C_c\)): \(C_c = \frac{d_{30}^2}{d_{10} \cdot d_{60}}\)，其中 \(d_{30}\) 为累计百分含量为 30% 的粒径。级配良好的砂土，\(C_c\) 通常在 1~3 之间。

④ 土的结构类型 (Soil Structure Types)

土的结构是指土颗粒的排列方式、颗粒间的联结方式以及孔隙的分布特征。土的结构类型主要有：
⚝ 单粒结构 (Single-grained Structure): 主要见于砂土和砾石，颗粒之间以点接触为主，没有或很少黏结力。
⚝ 蜂窝结构 (Honeycomb Structure): 主要见于粉土，颗粒呈蜂窝状排列，孔隙较大，结构不稳定，易受扰动破坏。
⚝ 絮凝结构 (Flocculent Structure): 主要见于黏性土，黏粒在电化学力的作用下聚集成团，形成絮状结构，孔隙较大，但结构强度较低。
⚝ 团粒结构 (Aggregated Structure): 主要见于黏性土，由许多小的土团聚集而成，土团内部结构紧密，土团之间孔隙较大，结构相对稳定。
⚝ 层状结构 (Layered Structure): 由于地质沉积或人为压实等原因形成的层理构造，不同土层性质差异较大，影响土的整体工程性质。

土的结构类型对土的强度、变形、渗透性等工程性质有重要影响。例如，结构松散的土，强度较低，压缩性较高；结构密实的土，强度较高，压缩性较低。

4.1.2 土的物理性质指标 (Physical Properties of Soil)

介绍土的密度、孔隙比、含水量、液塑限、渗透性等物理性质指标及其测定方法。

① 密度指标 (Density Indices)

⚝ 密度 (\(\rho\)) (Density): 单位体积土的质量，包括土粒和孔隙中的水和气体。常用单位为 \(g/cm^3\) 或 \(Mg/m^3\)。
▮▮▮▮⚝ 测定方法: 环刀法、灌砂法、蜡封法等。
⚝ 干密度 (\(\rho_d\)) (Dry Density): 单位体积土中土粒的质量，反映土的密实程度，是评价填土压实效果的重要指标。
▮▮▮▮⚝ 测定方法: 烘干法结合环刀法、灌砂法等。
⚝ 饱和密度 (\(\rho_{sat}\)) (Saturated Density): 土在饱和状态下的密度。
▮▮▮▮⚝ 测定方法: 饱和试样环刀法。
⚝ 有效密度 (\(\rho'\)) (Buoyant Density): 饱和土浸没在水中时，受浮力影响的有效密度。
▮▮▮▮⚝ 计算方法: \(\rho' = \rho_{sat} - \rho_w\)，其中 \(\rho_w\) 为水的密度，通常取 \(1.0 g/cm^3\)。
⚝ 土粒相对密度 (\(G_s\)) (Specific Gravity of Soil Solids): 土粒密度 \(\rho_s\) 与水的密度 \(\rho_w\) 之比，\(G_s = \frac{\rho_s}{\rho_w}\)。
▮▮▮▮⚝ 测定方法: 比重瓶法。

② 孔隙指标 (Void Indices)

⚝ 孔隙比 (\(e\)) (Void Ratio): 孔隙体积与土粒体积之比，反映土的松密程度。
▮▮▮▮⚝ 计算方法: 由密度指标计算得到，\(e = \frac{G_s \cdot \rho_w}{\rho_d} - 1\)。
⚝ 孔隙率 (\(n\)) (Porosity): 孔隙体积与土的总体积之比，也反映土的松密程度。
▮▮▮▮⚝ 计算方法: \(n = \frac{e}{1+e}\) 或由密度指标计算得到，\(n = 1 - \frac{\rho_d}{G_s \cdot \rho_w}\)。

③ 水分指标 (Moisture Indices)

⚝ 含水量 (\(w\)) (Water Content): 土中水的质量与土粒质量之比，反映土的湿润程度。
▮▮▮▮⚝ 测定方法: 烘干法。
⚝ 饱和度 (\(S_r\)) (Degree of Saturation): 孔隙中水体积占孔隙体积的百分比，反映土孔隙被水填充的程度。
▮▮▮▮⚝ 计算方法: \(S_r = \frac{w \cdot G_s}{e}\)。

④ 液塑限 (Atterberg Limits)

液塑限是描述黏性土在不同含水量状态下强度和变形特性的指标，包括：
⚝ 液限 (\(w_L\)) (Liquid Limit, LL): 土由塑性状态转变为流动状态的界限含水量。
▮▮▮▮⚝ 测定方法: 液限仪法（圆锥仪法、 ударный 液限仪法）。
⚝ 塑限 (\(w_P\)) (Plastic Limit, PL): 土由半固态转变为塑性状态的界限含水量。
▮▮▮▮⚝ 测定方法: 搓条法。
⚝ 塑性指数 (\(I_P\)) (Plasticity Index, PI): 液限与塑限之差，\(I_P = w_L - w_P\)，反映土的塑性范围大小。
⚝ 液性指数 (\(I_L\)) (Liquidity Index, LI): \(I_L = \frac{w - w_P}{I_P}\)，反映土的天然状态与塑性状态的接近程度。
⚝ 收缩限 (\(w_S\)) (Shrinkage Limit, SL): 土由半固态转变为固态，体积不再收缩的界限含水量。
▮▮▮▮⚝ 测定方法: 收缩仪法。

⑤ 渗透性 (Permeability)

渗透性是指土体允许水流通过的能力，用渗透系数 (\(k\)) (coefficient of permeability) 表示，单位为 \(cm/s\) 或 \(m/s\)。
⚝ 渗透系数 (\(k\)) (Coefficient of Permeability): 在单位水力梯度下，单位时间内通过单位截面积土体的流量。
▮▮▮▮⚝ 测定方法: 常水头渗透试验 (constant-head permeameter test)、变水头渗透试验 (falling-head permeameter test)、现场抽水试验 (pumping test)。
⚝ 影响因素: 土的颗粒级配、孔隙比、土的结构、水的粘滞性等。砂土的渗透系数远大于黏性土。

4.1.3 土的力学性质指标 (Mechanical Properties of Soil)

讲解土的强度、压缩性、固结性、渗透变形等力学性质指标及其试验方法。

① 强度 (Strength)

土的强度是指土抵抗破坏的能力，通常用抗剪强度 (shear strength) 指标表示。抗剪强度是土力学中最重要的力学性质指标之一，是地基承载力、边坡稳定性等计算的基础。
⚝ 抗剪强度指标: 根据莫尔-库仑强度理论 (Mohr-Coulomb failure criterion)，土的抗剪强度 \(\tau_f\) 可表示为：
\[ \tau_f = c + \sigma_n \tan \phi \]
▮▮▮▮⚝ \(c\) (cohesion): 黏聚力，是土颗粒之间黏结和分子引力的体现。
▮▮▮▮⚝ \(\phi\) (friction angle): 内摩擦角，是土颗粒之间摩擦阻力的体现。
▮▮▮▮⚝ \(\sigma_n\) (normal stress): 正应力，作用在剪切面上的正压力。
⚝ 抗剪强度试验方法:
▮▮▮▮⚝ 直剪试验 (Direct Shear Test): 快速、简便，适用于砂土和硬黏土的强度测定，但应力分布不均匀。
▮▮▮▮⚝ 三轴试验 (Triaxial Test): 可以控制排水条件，应力状态明确，适用于各种土的强度测定，试验过程较复杂。根据排水条件和加载方式，三轴试验又分为：
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 不固结不排水试验 (Unconsolidated-Undrained Test, UU): 又称快剪试验，适用于饱和黏性土的短期稳定性分析。得到总应力强度指标 \(c_{uu}\)、\(\phi_{uu} = 0\)。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 固结不排水试验 (Consolidated-Undrained Test, CU): 又称固结快剪试验，适用于饱和黏性土的长期稳定性分析。得到总应力强度指标 \(c_{cu}\)、\(\phi_{cu}\) 或有效应力强度指标 \(c'\)、\(\phi'\)。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 固结排水试验 (Consolidated-Drained Test, CD): 又称慢剪试验，适用于砂土和正常固结黏土的长期稳定性分析。得到有效应力强度指标 \(c'\)、\(\phi'\)。
▮▮▮▮⚝ 无侧限抗压强度试验 (Unconfined Compression Test, UCS): 适用于饱和黏性土的快速强度测定，是UU试验的一种特殊情况，围压 \(\sigma_3 = 0\)。得到无侧限抗压强度 \(q_u\)，无侧限抗剪强度 \(c_u = q_u / 2\)。
▮▮▮▮⚝ 十字板剪切试验 (Vane Shear Test, VST): 原位试验，适用于软黏土的快速强度测定。

② 压缩性 (Compressibility)

土的压缩性是指土在压力作用下体积缩小的性质。土的压缩性直接影响地基的沉降变形。
⚝ 压缩性指标:
▮▮▮▮⚝ 压缩系数 (\(a_v\)) (Coefficient of Compressibility): 应力每增加单位压力时，孔隙比的减少量，\(a_v = -\frac{de}{d\sigma'}\)。
▮▮▮▮⚝ 压缩模量 (\(E_s\)) (Compression Modulus): 应力应变关系曲线的切线模量或割线模量，反映土的压缩性大小，\(E_s = \frac{1}{a_v}(1+e_0)\)，\(e_0\) 为初始孔隙比。
▮▮▮▮⚝ 压缩指数 (\(C_c\)) (Compression Index): 在e-log p曲线上直线段的斜率，反映正常固结土的压缩性，\(C_c = -\frac{\Delta e}{\Delta \log \sigma'}\)。
▮▮▮▮⚝ 回弹指数 (\(C_s\)) (Swelling Index): 在e-log p曲线上回弹段的斜率，反映超固结土的回弹特性。
⚝ 压缩性试验方法:
▮▮▮▮⚝ 固结试验 (Consolidation Test): 也称压缩试验，在室内模拟土的一维压缩过程，测定土的压缩性指标和固结参数。常用的固结试验仪器包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 单环固结仪 (Oedometer Test): 最常用的固结试验仪器，试样受到轴向压力，侧向变形受到约束。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 三轴固结仪 (Triaxial Consolidation Test): 可以施加各向同等围压，模拟更真实的地应力状态。

③ 固结性 (Consolidation)

固结性是指饱和黏性土在荷载作用下，孔隙水压力消散，有效应力增加，体积逐渐压缩的过程。固结性是黏性土区别于砂土的重要力学特性。
⚝ 固结参数:
▮▮▮▮⚝ 固结系数 (\(c_v\)) (Coefficient of Consolidation): 反映土的固结速率，\(c_v = \frac{k}{m_v \gamma_w}\)，其中 \(m_v\) 为体积压缩系数，\(\gamma_w\) 为水的重度。
▮▮▮▮⚝ 体积压缩系数 (\(m_v\)) (Coefficient of Volume Compressibility): 单位有效应力增量引起的体积应变，\(m_v = \frac{a_v}{1+e_0}\)。
⚝ 固结试验 (Consolidation Test): 通过固结试验可以确定土的固结参数，并预测地基的固结沉降量和固结时间。

④ 渗透变形 (Permeation Deformation)

渗透变形是指在渗流作用下，土体发生变形和破坏的现象。常见的渗透变形破坏形式包括：
⚝ 流土 (Quicksand): 发生在砂土中，当渗流力等于或大于土的有效重力时，土颗粒悬浮，失去强度和稳定性。
⚝ 管涌 (Piping): 发生在黏性土和粉土中，渗流在土体内部形成通道，细颗粒土被水流带走，形成空洞，导致工程失稳。
⚝ 渗透破坏 (Seepage Failure): 由于渗流作用导致土体强度降低，稳定性降低，最终发生破坏。

4.1.4 土的工程分类 (Engineering Classification of Soil)

介绍土的工程地质分类、工程性质分类，以及常用的土分类系统（如中国土分类标准、USCS）。

① 工程地质分类 (Engineering Geological Classification)

工程地质分类主要从地质成因和地质年代的角度对土进行分类，反映土的宏观地质特征和工程地质条件。常见的工程地质分类包括：
⚝ 按成因类型:
▮▮▮▮⚝ 残积土 (Residual Soil): 原地风化产物，未经过明显搬运。
▮▮▮▮⚝ 坡积土 (Colluvial Soil): 在重力作用下，沿斜坡向下移动堆积的土。
▮▮▮▮⚝ 洪积土 (Alluvial Soil): 河流冲积形成的土，颗粒分选性好，常呈层状结构。
▮▮▮▮⚝ 冲积土 (Fluvial Soil): 河流沉积形成的土，与洪积土类似，但沉积环境和特征略有不同。
▮▮▮▮⚝ 湖积土 (Lacustrine Soil): 湖泊沉积形成的土，颗粒细，含水量高，常为软土。
▮▮▮▮⚝ 海积土 (Marine Soil): 海洋沉积形成的土，常含有盐分，工程性质复杂。
▮▮▮▮⚝ 冰积土 (Glacial Soil): 冰川作用形成的土，成分复杂，级配不良，密实度高。
▮▮▮▮⚝ 风积土 (Aeolian Soil): 风力作用形成的土，颗粒细，结构松散，如黄土、沙漠砂。
▮▮▮▮⚝ 人工填土 (Fill): 人为堆积的土，成分复杂，性质差异大，工程性质较差。
⚝ 按地质年代: 根据土的形成年代进行分类，如全新统土、上更新统土、下更新统土等。

② 工程性质分类 (Engineering Property Classification)

工程性质分类主要从土的工程特性和工程用途的角度对土进行分类，反映土的工程力学性质和适用性。常见的工程性质分类包括：
⚝ 粗粒土 (Coarse-grained Soil): 主要由砾石和砂组成，颗粒粒径较大，黏粒含量较少或不含黏粒，如砂土、砾石土。工程性质特点：
▮▮▮▮⚝ 渗透性好，排水性好。
▮▮▮▮⚝ 强度高，变形小，压缩性低。
▮▮▮▮⚝ 力学性质主要取决于颗粒间的摩擦。
⚝ 细粒土 (Fine-grained Soil): 主要由粉粒和黏粒组成，颗粒粒径较小，黏粒含量较高，如粉土、黏性土。工程性质特点：
▮▮▮▮⚝ 渗透性差，排水性差。
▮▮▮▮⚝ 强度较低，变形较大，压缩性高。
▮▮▮▮⚝ 力学性质受黏粒矿物成分和孔隙水压力影响显著。
⚝ 特殊土 (Special Soil): 具有特殊工程性质的土，如软土、黄土、膨胀土、冻土、盐渍土等。工程性质特点：
▮▮▮▮⚝ 工程性质复杂，工程问题突出。
▮▮▮▮⚝ 需要特殊的工程处理措施。

③ 常用的土分类系统 (Common Soil Classification Systems)

⚝ 中国土分类标准 (Chinese Soil Classification Standard, GB/T 50145): 根据土的颗粒成分、液塑限指标、有机质含量等，将土分为砾石、砂、粉土、黏性土和人工填土五大类，每大类又细分为若干亚类和组。
⚝ 美国统一土分类系统 (Unified Soil Classification System, USCS, ASTM D2487): 根据土的颗粒级配和塑性指标，将土分为三大类：粗粒土 (砾石 G、砂 S)、细粒土 (粉土 M、黏土 C)、高有机质土 (Pt)。粗粒土和细粒土又根据级配和塑性指标进一步细分。USCS是国际上应用最广泛的土分类系统之一。
⚝ AASHTO 土分类系统 (American Association of State Highway and Transportation Officials Soil Classification System, AASHTO M145): 主要用于道路工程的土分类，根据土的颗粒级配和塑性指数，将土分为七个主要土类 (A-1 ~ A-7)，并根据土的承载能力进行分组。

不同的土分类系统各有特点和适用范围，工程实践中应根据工程类型、设计要求和规范标准，选择合适的土分类系统。

4.2 地基勘察与土工试验 (Site Investigation and Geotechnical Testing)

阐述地基勘察的目的、内容、方法，以及常用的土工试验类型与应用，为工程设计提供可靠的地质资料和参数。

4.2.1 地基勘察的目的与内容 (Objectives and Contents of Site Investigation)

明确地基勘察的目的，介绍勘察阶段划分、勘察内容（地形地貌、地层结构、地下水、不良地质现象等）。

① 地基勘察的目的 (Objectives of Site Investigation)

地基勘察是土木工程建设的重要环节，其主要目的是查明拟建场地的地质条件，为工程设计、施工和运营提供可靠的地质依据。具体目的包括：
⚝ 查明场地地层结构 (Stratigraphy): 确定场地土层的分布、厚度、埋藏深度、岩性特征等，建立地层剖面。
⚝ 查明土的工程性质 (Engineering Properties of Soil): 通过土工试验，确定各土层的物理力学性质指标，如强度、压缩性、渗透性等，为地基承载力、沉降变形计算提供参数。
⚝ 查明地下水条件 (Groundwater Conditions): 确定地下水的类型、埋深、水位变化、水质特征、渗透系数等，评价地下水对工程的影响。
⚝ 评价地基稳定性 (Foundation Stability Evaluation): 分析场地地基的稳定性，评价是否存在滑坡、崩塌、地裂缝、液化等不良地质现象。
⚝ 评价场地适宜性 (Site Suitability Evaluation): 综合评价场地地质条件对工程建设的适宜性，为工程选址、方案比选提供依据。
⚝ 为地基处理和基础设计提供依据 (Basis for Ground Improvement and Foundation Design): 根据勘察结果，提出地基处理方案和基础类型选择建议，为工程设计提供参数和依据。
⚝ 为施工和运营提供地质资料 (Geological Data for Construction and Operation): 为施工方案制定、安全施工、工程监测和后期运营维护提供地质资料。

② 地基勘察阶段划分 (Phases of Site Investigation)

地基勘察通常根据工程建设的不同阶段，分为以下几个阶段：
⚝ 可行性研究阶段勘察 (Feasibility Study Stage Investigation): 也称初步勘察，主要在工程可行性研究阶段进行，目的是初步了解场地地质条件，为工程选址和方案论证提供依据。勘察工作量较小，精度要求较低。
⚝ 初步勘察阶段 (Preliminary Investigation): 在初步设计阶段进行，目的是详细了解场地地质条件，为初步设计提供地质参数。勘察工作量较大，精度要求较高。
⚝ 详细勘察阶段 (Detailed Investigation): 在施工图设计阶段进行，目的是为施工图设计和施工提供精确的地质参数和详细的地质资料。勘察工作量最大，精度要求最高。
⚝ 施工勘察阶段 (Construction Stage Investigation): 在施工阶段进行，目的是验证设计阶段的勘察结论，及时处理施工中遇到的地质问题，确保工程安全。
⚝ 运营期勘察 (Operation Stage Investigation): 在工程运营期间进行，目的是监测地基变形、稳定性变化，为工程安全运营和维护提供保障。

不同阶段的勘察工作量和精度要求不同，应根据工程具体情况合理确定勘察阶段和勘察内容。

③ 地基勘察内容 (Contents of Site Investigation)

地基勘察的内容主要包括以下几个方面：
⚝ 地形地貌 (Topography and Geomorphology): 调查场地地形地貌特征，包括地势起伏、坡度坡向、地貌单元类型等，分析地形地貌对工程建设的影响。
⚝ 地层结构 (Stratigraphy): 查明场地土层的分布、厚度、埋藏深度、岩性特征、地层接触关系等，绘制地质剖面图和柱状图。
⚝ 土的物理力学性质 (Physical and Mechanical Properties of Soil): 通过土工试验，确定各土层的物理性质指标（如密度、含水量、液塑限、渗透性等）和力学性质指标（如强度、压缩性、固结性等），为工程设计提供参数。
⚝ 地下水 (Groundwater): 查明地下水的类型（潜水、承压水）、埋深、水位变化规律、水质特征、渗透系数、补给和排泄条件等，评价地下水对工程的影响，提出降水或排水措施建议。
⚝ 不良地质现象 (Adverse Geological Phenomena): 调查场地是否存在不良地质现象，如断层、褶皱、滑坡、崩塌、泥石流、地裂缝、地震液化、溶洞、膨胀土、湿陷性黄土、冻土等，评价其对工程的危害程度，提出防治措施建议。
⚝ 特殊土 (Special Soils): 查明场地是否存在特殊土，如软土、黄土、膨胀土、冻土、盐渍土等，详细研究其工程性质，为地基处理和基础设计提供依据。
⚝ 工程地质条件评价 (Engineering Geological Condition Evaluation): 综合分析场地地质条件，评价场地地基的稳定性、均匀性、承载力、变形特性等，进行工程地质条件等级划分，为工程建设提供综合评价。
⚝ 场地地震效应评价 (Site Seismic Effect Evaluation): 根据场地地震地质条件，评价场地地震效应，包括场地类别划分、场地地震动参数确定、地震液化判别等，为抗震设计提供依据。
⚝ 岩土工程参数建议值 (Recommended Values of Geotechnical Parameters): 根据勘察和试验结果，给出工程设计所需的岩土工程参数建议值，如地基承载力特征值、变形模量、抗剪强度指标、渗透系数等。
⚝ 地基处理和基础选型建议 (Recommendations for Ground Improvement and Foundation Type Selection): 根据场地地质条件和工程特点，提出地基处理方案建议和基础类型选择建议，为工程设计提供参考。

4.2.2 地基勘察方法 (Site Investigation Methods)

介绍常用的地基勘察方法，如钻探、探槽、物探、原位测试（标贯、静力触探、十字板剪切试验等）。

① 钻探 (Drilling)

钻探是地基勘察中最基本、最常用的方法，通过钻孔深入地下，获取土层岩芯、土样和地下水资料，直接了解地层结构和土的性质。
⚝ 钻探方法:
▮▮▮▮⚝ 回转钻探 (Rotary Drilling): 利用钻杆带动钻头回转切削土层，适用于各种土层和岩层。
▮▮▮▮⚝ 冲击钻探 (Percussion Drilling): 利用冲击作用破碎土层或岩层，适用于卵石层、碎石土层和岩层。
▮▮▮▮⚝ 螺旋钻探 (Auger Drilling): 利用螺旋钻头钻进土层，适用于黏性土、粉土和砂土，取土质量较差。
⚝ 钻孔布置: 钻孔布置应根据工程性质、场地地质条件和勘察阶段确定，一般原则是：
▮▮▮▮⚝ 平面布置: 在建筑物或构筑物主要受力部位、地质条件复杂地段、不良地质现象发育地段布置钻孔。
▮▮▮▮⚝ 剖面布置: 沿建筑物或构筑物轴线方向、地质剖面变化方向布置钻孔，形成勘探线。
▮▮▮▮⚝ 深度布置: 钻孔深度应满足工程勘察深度要求，一般情况下，钻孔深度应超过基础底面以下一定深度，并穿透软弱土层和不良地质现象影响深度。
⚝ 取样方法:
▮▮▮▮⚝ 扰动土样 (Disturbed Soil Sample): 在取样过程中，土的结构受到破坏，只能用于物理性质试验和定性分析。
▮▮▮▮⚝ 非扰动土样 (Undisturbed Soil Sample): 在取样过程中，尽量保持土的天然结构和含水量，用于力学性质试验和定量分析。常用的非扰动取样器有薄壁取土器、活塞取土器等。
⚝ 钻孔记录 (Drilling Log): 详细记录钻孔过程中遇到的地层岩性、土层厚度、地下水位、取样情况、特殊地质现象等，绘制钻孔柱状图。

② 探槽 (Trenching)

探槽是人工或机械开挖的浅 excavation，可以直接观察地表浅层土的地层结构、岩性特征和地质构造，适用于浅层地基勘察和不良地质现象调查。
⚝ 探槽类型: 直槽、斜槽、环形槽等。
⚝ 探槽深度: 一般为 2~5m，根据勘察目的和土层埋深确定。
⚝ 探槽布置: 在拟建建筑物或构筑物基础范围、不良地质现象发育地段、地质条件变化复杂地段布置探槽。
⚝ 探槽编录: 详细记录探槽揭露的地层岩性、土层厚度、地质构造、地下水情况、不良地质现象等，绘制探槽剖面图。

③ 物探 (Geophysical Exploration)

物探是利用地球物理学的原理和方法，从地面或钻孔中观测和研究地球物理场的变化，推断地下地质构造、岩土性质和地下水分布情况的间接勘察方法。物探方法具有快速、经济、探测范围广等优点，但精度较低，需要结合钻探等直接勘察方法进行验证。
⚝ 常用物探方法:
▮▮▮▮⚝ 地震勘探 (Seismic Exploration): 利用地震波在不同介质中传播速度和反射、折射特性的差异，探测地层结构和岩性变化。
▮▮▮▮⚝ 电法勘探 (Electrical Exploration): 利用岩土体的电性差异，探测地层结构、地下水和不良地质现象。常用的电法勘探方法有电测深法、电阻率层析成像法等。
▮▮▮▮⚝ 磁法勘探 (Magnetic Exploration): 利用岩土体的磁性差异，探测地质构造和金属矿藏。
▮▮▮▮⚝ 重力勘探 (Gravity Exploration): 利用岩土体的密度差异，探测地质构造和岩浆岩侵入体。
▮▮▮▮⚝ 地质雷达 (Ground Penetrating Radar, GPR): 利用高频电磁波探测浅层地层结构、地下管道和空洞等。
⚝ 物探方法选择: 应根据勘察目的、场地地质条件和工程要求，选择合适的物探方法或多种物探方法组合使用。

④ 原位测试 (In-situ Testing)

原位测试是在现场直接对土体进行测试，获取土的工程性质指标的方法。原位测试方法可以避免取样扰动，反映土的天然状态和工程特性，结果可靠性高，效率高。
⚝ 常用原位测试方法:
▮▮▮▮⚝ 标准贯入试验 (Standard Penetration Test, SPT): 利用标准击数 (N值) 评价砂土和粉土的密实度和相对强度，是应用最广泛的原位测试方法之一。
▮▮▮▮⚝ 静力触探试验 (Cone Penetration Test, CPT): 利用探头贯入阻力 (锥尖阻力 \(q_c\)、侧壁摩阻力 \(f_s\)) 评价土的类型、强度和压缩性，CPT测试速度快、连续性好、分辨率高。
▮▮▮▮⚝ 十字板剪切试验 (Vane Shear Test, VST): 利用十字板剪切强度评价软黏土的不排水抗剪强度 \(c_u\)，适用于软黏土的快速强度测定。
▮▮▮▮⚝ 旁压试验 (Pressuremeter Test, PMT): 利用旁压仪对钻孔壁施加压力，测定土的变形模量 \(E_0\)、侧压力系数 \(K_0\) 和极限压力 \(p_L\)。
▮▮▮▮⚝ 扁铲侧胀试验 (Dilatometer Test, DMT): 利用扁铲贯入土中，测定土的侧胀指数 \(I_D\)、材料指数 \(E_D\) 和水平应力指数 \(K_D\)，评价土的压缩性和侧向应力状态。
▮▮▮▮⚝ 载荷试验 (Loading Test): 直接在现场对地基施加荷载，测定地基的承载力和变形特性，是最直接、最可靠的地基承载力评价方法。载荷试验又分为平板载荷试验 (Plate Loading Test, PLT) 和桩基载荷试验 (Pile Loading Test, PLT)。

4.2.3 土工试验 (Geotechnical Testing)

介绍室内土工试验（颗粒分析、液塑限、固结试验、直剪试验、三轴试验等）和原位测试的原理、方法与应用。

① 室内土工试验 (Laboratory Geotechnical Testing)

室内土工试验是在实验室对土样进行的一系列试验，目的是测定土的物理力学性质指标，为工程设计提供参数。室内土工试验可以精确控制试验条件，进行定量分析，但土样可能受到取样扰动，不能完全反映土的天然状态。
⚝ 基本物理性质试验:
▮▮▮▮⚝ 颗粒分析试验 (Particle Size Analysis): 测定土的颗粒级配曲线，确定土的颗粒成分和级配特征。包括筛分法 (sieve analysis) (适用于粒径大于 0.075mm 的颗粒) 和水析法 (hydrometer analysis) (适用于粒径小于 0.075mm 的颗粒)。
▮▮▮▮⚝ 液塑限试验 (Atterberg Limits Tests): 测定黏性土的液限 \(w_L\) 和塑限 \(w_P\)，确定土的塑性指数 \(I_P\) 和液性指数 \(I_L\)，评价土的塑性特征和状态。
▮▮▮▮⚝ 密度试验 (Density Tests): 测定土的密度 \(\rho\)、干密度 \(\rho_d\)、饱和密度 \(\rho_{sat}\) 和土粒相对密度 \(G_s\)，为计算孔隙比、孔隙率、饱和度等指标提供基础。
▮▮▮▮⚝ 含水量试验 (Water Content Test): 测定土的含水量 \(w\)，评价土的湿润程度。
▮▮▮▮⚝ 渗透试验 (Permeability Tests): 测定土的渗透系数 \(k\)，评价土的渗透性。包括常水头渗透试验 (适用于砂土) 和变水头渗透试验 (适用于黏性土)。
⚝ 力学性质试验:
▮▮▮▮⚝ 固结试验 (Consolidation Test): 测定黏性土的压缩系数 \(a_v\)、压缩模量 \(E_s\)、压缩指数 \(C_c\)、回弹指数 \(C_s\) 和固结系数 \(c_v\)，评价土的压缩性和固结特性，预测地基沉降量和固结时间。
▮▮▮▮⚝ 直剪试验 (Direct Shear Test): 测定土的抗剪强度指标 \(c\) 和 \(\phi\)，评价土的抗剪强度。
▮▮▮▮⚝ 三轴试验 (Triaxial Test): 测定土的抗剪强度指标 \(c\) 和 \(\phi\)，可以控制排水条件，进行UU、CU、CD试验，适用于各种土的强度测定。
▮▮▮▮⚝ 无侧限抗压强度试验 (Unconfined Compression Test): 测定黏性土的无侧限抗压强度 \(q_u\) 和无侧限抗剪强度 \(c_u\)，适用于饱和黏性土的快速强度测定。
▮▮▮▮⚝ CBR试验 (California Bearing Ratio Test): 加州承载比试验，评价路基土的承载能力，主要用于道路工程。

② 原位测试 (In-situ Testing)

原位测试是在现场直接对土体进行测试，获取土的工程性质指标的方法。原位测试方法可以避免取样扰动，反映土的天然状态和工程特性，结果可靠性高，效率高。原位测试方法在 4.2.2 节已经介绍，此处不再赘述。

土工试验的应用:

土工试验是土木工程设计和施工的基础，土工试验结果广泛应用于：
⚝ 地基承载力计算: 根据土的抗剪强度指标，计算地基承载力，确定基础尺寸和埋深。
⚝ 地基沉降计算: 根据土的压缩性指标和固结参数，计算地基沉降量和沉降时间，评价地基变形是否满足要求。
⚝ 边坡稳定性分析: 根据土的抗剪强度指标，进行边坡稳定性分析，评价边坡安全系数，设计边坡支护和加固措施。
⚝ 土压力计算: 根据土的强度指标和侧压力系数，计算挡土墙土压力，设计挡土墙结构。
⚝ 地基处理方案选择: 根据土的工程性质和地基条件，选择合适的地基处理方法，改善地基工程性能。
⚝ 工程材料质量控制: 对工程用土进行土工试验，控制填土压实质量，保证工程质量。

4.3 地基处理 (Ground Improvement)

介绍软弱地基、特殊土的工程特性，以及常用的地基处理方法，提高地基承载力、减少沉降、改善地基工程性能。

4.3.1 软弱地基与特殊土 (Soft Ground and Special Soils)

介绍软黏土、淤泥、粉土、黄土、膨胀土等软弱地基和特殊土的工程特性与工程问题。

① 软弱地基 (Soft Ground)

软弱地基是指天然含水量高、孔隙比大、强度低、压缩性高、渗透性差的土层，主要包括软黏土和淤泥。软弱地基具有以下工程特性：
⚝ 低强度 (Low Strength): 抗剪强度低，承载力低，地基稳定性差。
⚝ 高压缩性 (High Compressibility): 在荷载作用下，容易产生较大的压缩变形，沉降量大且持续时间长。
⚝ 高含水量 (High Water Content): 天然含水量接近或超过液限，土体处于流动或软塑状态。
⚝ 高灵敏度 (High Sensitivity): 土的结构易受扰动破坏，强度显著降低。
⚝ 渗透性差 (Low Permeability): 排水固结缓慢，固结时间长。

软弱地基常见的工程问题包括：
⚝ 地基承载力不足 (Insufficient Bearing Capacity): 无法满足建筑物或构筑物对地基承载力的要求，容易发生地基失稳破坏。
⚝ 沉降量大且不均匀 (Large and Uneven Settlement): 容易产生过大的沉降和不均匀沉降，影响建筑物的正常使用和耐久性。
⚝ 边坡稳定性差 (Poor Slope Stability): 在开挖或堆载条件下，容易发生边坡失稳滑坡。
⚝ 流变性 (Creep): 在长期荷载作用下，土体持续变形，可能导致工程结构破坏。

② 特殊土 (Special Soils)

特殊土是指具有特殊工程性质，工程问题突出的土，主要包括：
⚝ 黄土 (Loess): 风积成因的粉土状土，具有大孔隙、湿陷性、垂直节理发育等特点。
▮▮▮▮⚝ 湿陷性 (Collapsibility): 在水的作用下，土的结构迅速破坏，产生显著的附加沉降。湿陷性是黄土最主要的工程特性。
▮▮▮▮⚝ 垂直节理发育 (Developed Vertical Joints): 易受水流侵蚀，产生冲刷和崩塌。
▮▮▮▮⚝ 强度低 (Low Strength): 天然状态下强度较低，遇水后强度显著降低。
⚝ 膨胀土 (Expansive Soil): 含有蒙脱石等膨胀性黏土矿物的黏性土，具有遇水膨胀、失水收缩的特性。
▮▮▮▮⚝ 胀缩性 (Swelling and Shrinkage): 含水量变化引起土体体积显著变化，导致地基变形和结构破坏。
▮▮▮▮⚝ 裂缝发育 (Developed Cracks): 干缩时土体表面产生裂缝，降低土的强度和渗透性。
▮▮▮▮⚝ 强度低 (Low Strength): 强度较低，遇水后强度进一步降低。
⚝ 冻土 (Frozen Soil): 温度低于 0℃，含有冰的土。冻土的工程性质受温度和冰的影响显著。
▮▮▮▮⚝ 冻胀 (Frost Heaving): 温度降低，土中水分结冰，体积膨胀，引起地基隆起。
▮▮▮▮⚝ 融沉 (Thawing Settlement): 温度升高，土中冰融化，土体体积收缩，引起地基沉降。
▮▮▮▮⚝ 强度高 (High Strength): 冻结状态下强度较高，融化后强度显著降低。
⚝ 盐渍土 (Saline Soil): 含有大量可溶盐的土。盐渍土的工程性质受盐分影响显著。
▮▮▮▮⚝ 腐蚀性 (Corrosivity): 盐分对混凝土和金属具有腐蚀性，影响工程耐久性。
▮▮▮▮⚝ 强度低 (Low Strength): 盐分影响土颗粒间的联结力，降低土的强度。
▮▮▮▮⚝ 冻胀性 (Frost Heaving): 盐分降低土的冰点，加剧冻胀危害。
⚝ 红黏土 (Lateritic Soil): 热带、亚热带地区特有的残积土，富含铁铝氧化物，具有特殊的物理力学性质。
▮▮▮▮⚝ 强度高 (High Strength): 天然状态下强度较高，但易脆裂。
▮▮▮▮⚝ 水稳性差 (Poor Water Stability): 遇水后易崩解，强度降低。
▮▮▮▮⚝ 膨胀性 (Expansivity): 部分红黏土具有一定的膨胀性。

4.3.2 常用的地基处理方法 (Common Ground Improvement Methods)

讲解换填垫层法、预压法、排水固结法、振冲法、强夯法、注浆法、土工合成材料加筋法等地基处理技术的原理、适用条件与工程应用。

① 换填垫层法 (Replacement Method)

换填垫层法是将软弱土层或不良土层挖除，用强度较高、压缩性较低的砂、砾石、碎石、矿渣等材料分层回填夯实，形成垫层，以提高地基承载力、减少沉降、改善地基均匀性的地基处理方法。
⚝ 原理: 利用强度较高的垫层材料代替软弱土层，将荷载分散到更深、更广的地基范围内，降低软弱下卧层的应力，减小沉降。
⚝ 适用条件:
▮▮▮▮⚝ 软弱土层厚度较小 (一般小于 3~5m)。
▮▮▮▮⚝ 地基承载力要求较高。
▮▮▮▮⚝ 地基均匀性要求较高。
⚝ 工程应用: 适用于处理软黏土、淤泥、杂填土等地基，常用于建筑地基、道路路基、机场跑道等地基处理。
⚝ 设计要点:
▮▮▮▮⚝ 垫层材料选择：应选用强度高、压缩性低、水稳性好的材料，如砂、砾石、碎石、矿渣等。
▮▮▮▮⚝ 垫层厚度确定：应根据地基条件、荷载大小、沉降要求等因素综合确定，一般垫层厚度不小于 0.5m。
▮▮▮▮⚝ 垫层压实：应分层压实，控制压实度和含水量，确保垫层密实均匀。
▮▮▮▮⚝ 排水措施：在垫层底部设置排水层，排除地下水和垫层中的积水，防止垫层软化。

② 预压法 (Preloading Method)

预压法是在工程建设前，先在软弱地基上施加预压荷载，加速软弱土层的固结排水，预先消除一部分沉降，提高地基承载力，减小工程运营期间的沉降的地基处理方法。预压法分为堆载预压和真空预压两种。
⚝ 堆载预压 (Surcharge Preloading): 在软弱地基上堆放土、砂、石等材料作为预压荷载，利用土的自重或外加荷载进行预压。
▮▮▮▮⚝ 原理: 通过施加预压荷载，提高软弱土层的有效应力，加速孔隙水压力消散，促进土的固结，提高地基承载力，减小沉降。
▮▮▮▮⚝ 适用条件: 适用于处理饱和软黏土、淤泥等地基，对地基承载力要求较高，沉降控制要求严格的工程。
▮▮▮▮⚝ 工程应用: 广泛应用于建筑地基、道路路基、港口码头、机场跑道等地基处理。
▮▮▮▮⚝ 设计要点:
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 预压荷载确定：应根据地基条件、沉降要求、固结速率等因素综合确定，预压荷载应大于或等于工程荷载。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 预压时间确定：应根据地基土的固结系数、排水条件、沉降观测等因素确定，预压时间一般为数月至数年。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 排水措施：应结合竖向排水体 (如塑料排水板、砂井) 和水平排水层 (如砂垫层)，加速地基排水固结。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 沉降观测：在预压期间进行沉降观测，监测地基沉降量和固结速率，指导预压过程。
⚝ 真空预压 (Vacuum Preloading): 利用真空泵抽取封闭膜覆盖下的地基土体孔隙中的气体和水，形成负压，增加土体有效应力，加速地基固结排水。
▮▮▮▮⚝ 原理: 通过施加真空负压，增加土体有效应力，加速孔隙水压力消散，促进土的固结，提高地基承载力，减小沉降。
▮▮▮▮⚝ 适用条件: 适用于处理饱和软黏土、淤泥等地基，尤其适用于浅层软弱地基、大面积均匀沉降控制要求高的工程。
▮▮▮▮⚝ 工程应用: 在沿海软土地区、机场跑道、大面积堆场等地基处理中应用较多。
▮▮▮▮⚝ 设计要点:
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 真空度控制：应根据地基土的渗透性、排水条件、固结速率等因素确定，真空度一般为 60~80kPa。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 封闭膜选择：应选用气密性好、强度高、耐久性好的材料，如高密度聚乙烯膜 (HDPE)。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 排水系统设计：应设计完善的水平和竖向排水系统，保证真空压力有效传递和排水畅通。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 监测与控制：在预压期间进行真空度、沉降、孔隙水压力等监测，及时调整真空度，控制预压过程。

③ 排水固结法 (Drainage Consolidation Method)

排水固结法是利用竖向排水体 (如塑料排水板、砂井、袋装砂井等) 缩短排水距离，加速软弱土层的孔隙水压力消散，促进土的固结，提高地基承载力，减小沉降的地基处理方法。排水固结法常与预压法联合使用，称为排水预压法。
⚝ 原理: 通过设置竖向排水体，缩短软弱土层中孔隙水的排水路径，加速孔隙水压力消散，促进土的固结，提高地基承载力，减小沉降。
⚝ 适用条件: 适用于处理饱和软黏土、淤泥等地基，尤其适用于厚度较大、渗透性较差的软弱地基。
⚝ 工程应用: 广泛应用于建筑地基、道路路基、港口码头、机场跑道等地基处理。
⚝ 排水体类型:
▮▮▮▮⚝ 塑料排水板 (Plastic Drainage Board, PVD): 由塑料芯板和滤膜组成，具有排水能力强、施工速度快、成本低等优点，是目前应用最广泛的竖向排水体。
▮▮▮▮⚝ 砂井 (Sand Well): 用砂回填形成的竖向排水通道，排水能力较弱，施工速度较慢，但适用于处理较厚的软弱土层。
▮▮▮▮⚝ 袋装砂井 (Prefabricated Vertical Drains, PVD): 用土工布或塑料编织袋包裹砂料制成的竖向排水体，兼具排水和加筋作用。
⚝ 设计要点:
▮▮▮▮⚝ 排水体间距确定：应根据地基土的固结系数、排水体类型、沉降要求等因素综合确定，排水体间距越小，固结速率越快，但工程量越大。
▮▮▮▮⚝ 排水体深度确定：排水体深度应穿透软弱土层，达到排水层或硬土层。
▮▮▮▮⚝ 排水体材料选择：应选用排水能力强、强度高、耐久性好的材料。
▮▮▮▮⚝ 排水层设置：在排水体顶部设置水平排水层 (如砂垫层)，收集竖向排水体排出的水，并排出场地。

④ 振冲法 (Vibro Compaction)

振冲法是利用振冲器 (vibroflot) 产生的水平和竖向振动，使砂土和砾石土液化密实，提高地基承载力，减小沉降的地基处理方法。振冲法分为振冲密实法和振冲置换法两种。
⚝ 振冲密实法 (Vibro Compaction): 适用于处理砂土、砾石土、粉土等地基，通过振冲器振动，使土颗粒重新排列，孔隙减小，土体密实。
▮▮▮▮⚝ 原理: 利用振冲器产生的强烈振动，使砂土和砾石土液化，颗粒重新排列，孔隙减小，土体密实，提高地基承载力，减小沉降。
▮▮▮▮⚝ 适用条件: 适用于处理砂土、砾石土、粉土等地基，尤其适用于处理松散砂土地基。
▮▮▮▮⚝ 工程应用: 广泛应用于建筑地基、道路路基、港口码头、机场跑道等地基处理。
▮▮▮▮⚝ 设计要点:
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 振冲点距确定：应根据地基土的类型、密实度要求、振冲器性能等因素综合确定，振冲点距越小，密实效果越好，但工程量越大。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 振冲深度确定：振冲深度应达到地基处理深度要求，一般振冲深度为数米至数十米。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 振冲参数控制：应控制振冲器的振动频率、振幅、提升速度等参数，确保密实效果。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 加水或填料：在振冲过程中，可加水或填料 (如砂、砾石) 辅助密实，提高密实效果。
⚝ 振冲置换法 (Vibro Replacement): 适用于处理黏性土、淤泥等地基，先用振冲器在软弱土层中成孔，然后用砂、砾石、碎石等材料回填振密，形成桩体，与周围土体共同承担荷载。
▮▮▮▮⚝ 原理: 利用振冲器在软弱土层中成孔，然后用强度较高的桩体材料置换软弱土体，形成复合地基，提高地基承载力，减小沉降。
▮▮▮▮⚝ 适用条件: 适用于处理黏性土、淤泥、杂填土等地基，尤其适用于处理厚度较大、承载力要求较高的软弱地基。
▮▮▮▮⚝ 工程应用: 在建筑地基、道路路基、港口码头等地基处理中应用较多。
▮▮▮▮⚝ 设计要点:
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 桩体材料选择：应选用强度高、耐久性好的材料，如砂、砾石、碎石、混凝土等。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 桩体直径和间距确定：应根据地基条件、荷载大小、承载力要求等因素综合确定，桩体直径和间距越小，承载力提高效果越好，但工程量越大。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 桩体深度确定：桩体深度应穿透软弱土层，达到硬土层或设计深度。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 桩体振密：在桩体回填过程中，应进行振密，确保桩体密实均匀。

⑤ 强夯法 (Dynamic Compaction)

强夯法是将重锤 (通常为 10~40t) 从高处 (通常为 6~40m) 自由落下，对地基土进行冲击压实，提高地基承载力，减小沉降的地基处理方法。强夯法分为单点强夯和满堂强夯两种。
⚝ 原理: 利用重锤冲击产生的冲击波和动应力，使土颗粒重新排列，孔隙减小，土体密实，提高地基承载力，减小沉降。
⚝ 适用条件: 适用于处理砂土、砾石土、粉土、黏性土、杂填土、黄土等地基，尤其适用于处理大面积、厚度较大的杂填土、砂土、黄土地基。
⚝ 工程应用: 广泛应用于工业厂房、仓库、机场、港口、道路、堆场等地基处理。
⚝ 设计要点:
▮▮▮▮⚝ 夯锤重量和落距确定：应根据地基土的类型、密实度要求、处理深度等因素综合确定，夯锤重量和落距越大，夯实效果越好，但对周围环境影响也越大。
▮▮▮▮⚝ 夯击遍数和夯击能确定：应根据地基土的类型、密实度要求、夯击能量传递效率等因素综合确定，夯击遍数和夯击能越大，夯实效果越好，但工程量也越大。
▮▮▮▮⚝ 夯点布置：夯点布置应根据地基条件、荷载分布、处理范围等因素确定，一般采用正方形或梅花形布置。
▮▮▮▮⚝ 排水措施：对于饱和黏性土和粉土，应结合排水措施 (如砂井、排水沟)，加速孔隙水压力消散，提高强夯效果。
▮▮▮▮⚝ 施工控制：应严格控制夯锤重量、落距、夯击遍数、夯点位置等施工参数，确保强夯质量。
▮▮▮▮⚝ 安全防护：强夯施工振动和噪声较大，应采取安全防护措施，防止对周围建筑物和环境造成影响。

⑥ 注浆法 (Grouting Method)

注浆法是将浆液 (如水泥浆、水泥-水玻璃双液浆、化学浆液等) 注入地基土体裂缝或孔隙中，填充空隙，胶结土颗粒，提高地基强度，减小渗透性的地基处理方法。注浆法分为渗透注浆、劈裂注浆、压密注浆、喷射注浆等。
⚝ 原理: 浆液注入土体后，通过渗透、扩散、填充、胶结等作用，填充土体裂缝和孔隙，提高土的强度、刚度、抗渗性和稳定性。
⚝ 适用条件: 适用于处理砂土、砾石土、粉土、黏性土、破碎岩体等地基，尤其适用于处理地基裂缝、空洞、渗漏、沉降等地质问题。
⚝ 工程应用: 广泛应用于建筑地基加固、隧道和地下工程止水堵漏、边坡稳定、坝基防渗、路基加固等地基处理。
⚝ 浆液类型:
▮▮▮▮⚝ 水泥浆 (Cement Grout): 成本低、强度高、耐久性好，适用于处理砂土、砾石土等地基，但渗透性差，易沉淀。
▮▮▮▮⚝ 水泥-水玻璃双液浆 (Cement-Sodium Silicate Grout): 凝结速度快、止水效果好，适用于处理渗漏地基，但成本较高。
▮▮▮▮⚝ 化学浆液 (Chemical Grout): 渗透性好、凝结速度可调、强度可控，适用于处理细砂、粉土等地基，但成本高、耐久性较差、部分化学浆液有毒。常用的化学浆液有聚氨酯浆液、丙凝浆液、环氧树脂浆液等。
⚝ 注浆方法:
▮▮▮▮⚝ 渗透注浆 (Permeation Grouting): 浆液在压力作用下，沿土颗粒孔隙渗透，填充孔隙，适用于处理砂土、砾石土等地基。
▮▮▮▮⚝ 劈裂注浆 (Fracture Grouting): 浆液在压力作用下，克服土的抗拉强度，在土体中形成劈裂缝，浆液沿劈裂缝扩散，适用于处理黏性土、粉土等地基。
▮▮▮▮⚝ 压密注浆 (Compaction Grouting): 注入稠浆，挤密周围土体，提高土的密实度和强度，适用于处理松散砂土、杂填土等地基。
▮▮▮▮⚝ 喷射注浆 (Jet Grouting): 利用高压射流切割土体，同时注入浆液，形成桩状或墙状加固体，适用于处理各种土层地基。
⚝ 设计要点:
▮▮▮▮⚝ 浆液类型选择：应根据地基土的类型、工程目的、经济性等因素综合选择合适的浆液类型。
▮▮▮▮⚝ 注浆参数确定：应根据地基土的渗透性、注浆压力、注浆量、注浆孔布置等参数，通过试验确定最佳注浆参数。
▮▮▮▮⚝ 注浆质量控制：应严格控制浆液配比、注浆压力、注浆量、注浆孔距等施工参数，确保注浆质量。
▮▮▮▮⚝ 环境保护：部分化学浆液有毒，应采取环境保护措施，防止污染地下水和土壤。

⑦ 土工合成材料加筋法 (Geosynthetic Reinforcement Method)

土工合成材料加筋法是在地基土体中铺设土工合成材料 (如土工格栅、土工布、土工膜等)，利用土工合成材料的抗拉强度，提高地基承载力，减小沉降，改善地基稳定性的地基处理方法。
⚝ 原理: 土工合成材料具有较高的抗拉强度，铺设在土体中，可以与土体产生摩擦作用，限制土体的侧向变形，提高地基的整体强度和稳定性。
⚝ 适用条件: 适用于处理各种土层地基，尤其适用于处理软弱地基、边坡工程、挡土墙工程等地基。
⚝ 工程应用: 广泛应用于道路路基、铁路路基、边坡支护、挡土墙、地基加固、软基处理等工程。
⚝ 土工合成材料类型:
▮▮▮▮⚝ 土工格栅 (Geogrid): 网状或栅状土工合成材料，具有较高的抗拉强度和模量，主要用于地基加筋、边坡支护、挡土墙等工程。
▮▮▮▮⚝ 土工布 (Geotextile): 片状土工合成材料，具有过滤、排水、隔离、防护、加筋等多种功能，广泛应用于土木工程各个领域。
▮▮▮▮⚝ 土工膜 (Geomembrane): 不透水土工合成材料，主要用于防渗、隔离、防护等工程，如水库防渗、垃圾填埋场防渗等。
⚝ 加筋方式:
▮▮▮▮⚝ 水平加筋 (Horizontal Reinforcement): 土工合成材料水平铺设在土体中，提高地基承载力，减小沉降。
▮▮▮▮⚝ 竖直加筋 (Vertical Reinforcement): 土工合成材料竖直插入土体中，提高边坡稳定性，加固挡土墙。
▮▮▮▮⚝ 复合加筋 (Composite Reinforcement): 水平和竖直加筋组合使用，综合提高地基性能。
⚝ 设计要点:
▮▮▮▮⚝ 土工合成材料类型选择：应根据工程目的、地基条件、荷载大小等因素选择合适的土工合成材料类型和规格。
▮▮▮▮⚝ 加筋层数和间距确定：应根据地基条件、荷载大小、加筋效果要求等因素综合确定加筋层数和间距。
▮▮▮▮⚝ 加筋材料铺设：应按设计要求铺设土工合成材料，保证铺设质量和加筋效果。
▮▮▮▮⚝ 填土压实：在土工合成材料铺设后，应分层回填土并压实，保证土体与加筋材料的有效结合。

4.4 边坡工程与支挡结构 (Slope Engineering and Retaining Structures)

介绍边坡稳定分析、边坡防护与加固技术，以及挡土墙、土钉墙、锚杆挡墙等支挡结构的类型、设计与施工。

4.4.1 边坡稳定分析 (Slope Stability Analysis)

讲解边坡失稳模式、影响边坡稳定性的因素，以及常用的边坡稳定分析方法（极限平衡法、数值分析法）。

① 边坡失稳模式 (Slope Failure Modes)

边坡失稳是指边坡土体或岩体沿某一滑动面发生整体或局部滑动破坏的现象。常见的边坡失稳模式包括：
⚝ 滑动 (Sliding): 边坡土体沿某一滑动面整体滑动，是最常见的边坡失稳模式。滑动面可以是圆形、弧形、直线形或折线形。根据滑动面形状，滑动又可分为：
▮▮▮▮⚝ 圆弧滑动 (Circular Slide): 滑动面呈圆弧形，多发生在均质黏性土边坡和均质砂土边坡中。
▮▮▮▮⚝ 非圆弧滑动 (Non-circular Slide): 滑动面呈非圆弧形，如折线形、直线形等，多发生在非均质土坡、岩质边坡和存在软弱夹层的边坡中。
⚝ 崩塌 (Toppling): 主要发生在陡峭的岩质边坡中，岩体沿裂缝或结构面发生倾倒破坏。
⚝ 滑移 (Slumping): 边坡土体或岩体沿多个滑动面发生局部滑动，形成阶梯状或波浪状变形。
⚝ 流动 (Flow): 主要发生在饱和松散砂土和黄土中，土体液化后沿坡面流动，形成泥流或流土。
⚝ 蠕变 (Creep): 边坡土体或岩体在长期荷载作用下，缓慢变形，逐渐积累，最终可能导致失稳破坏。

② 影响边坡稳定性的因素 (Factors Affecting Slope Stability)

影响边坡稳定性的因素是多方面的，主要包括：
⚝ 地质条件 (Geological Conditions):
▮▮▮▮⚝ 土的类型和性质: 土的强度、渗透性、压缩性等力学性质直接影响边坡稳定性。黏性土边坡稳定性较差，砂土边坡稳定性相对较好，但易发生流土。
▮▮▮▮⚝ 地层结构: 地层结构复杂、存在软弱夹层、断层、褶皱等构造的边坡，稳定性较差。
▮▮▮▮⚝ 地下水: 地下水渗流会降低土的有效应力，减小土的抗剪强度，增加边坡滑动力，降低边坡稳定性。
▮▮▮▮⚝ 岩体结构: 岩体结构面 (裂缝、节理、层面、断层等) 发育、岩体强度低的边坡，稳定性较差。
⚝ 地形地貌 (Topography and Geomorphology):
▮▮▮▮⚝ 坡度坡高: 坡度越大、坡高越高，边坡滑动力越大，稳定性越差。
▮▮▮▮⚝ 坡形: 凹形坡坡脚易积水，稳定性较差；凸形坡坡顶易失稳。
▮▮▮▮⚝ 坡向: 坡向影响边坡的日照、降雨、风化等条件，进而影响边坡稳定性。
⚝ 水文气象条件 (Hydrological and Meteorological Conditions):
▮▮▮▮⚝ 降雨: 降雨入渗会增加土的含水量，降低土的强度，增加边坡滑动力，诱发边坡失稳。
▮▮▮▮⚝ 融雪: 融雪入渗与降雨类似，也会降低边坡稳定性。
▮▮▮▮⚝ 冻融循环: 冻融循环会破坏土的结构，降低土的强度，影响边坡稳定性。
▮▮▮▮⚝ 地震: 地震会产生附加动荷载，降低土的强度，诱发边坡失稳。
⚝ 人为活动 (Human Activities):
▮▮▮▮⚝ 开挖坡脚: 开挖坡脚会减小边坡抗滑力，增加滑动力，降低边坡稳定性。
▮▮▮▮⚝ 坡顶堆载: 坡顶堆载会增加边坡滑动力，降低边坡稳定性。
▮▮▮▮⚝ 爆破振动: 爆破振动会降低土的强度，诱发边坡失稳。
▮▮▮▮⚝ 不合理的排水和支护: 排水不畅或支护不当，都会降低边坡稳定性。

③ 边坡稳定分析方法 (Slope Stability Analysis Methods)

边坡稳定分析方法主要分为极限平衡法和数值分析法两大类。
⚝ 极限平衡法 (Limit Equilibrium Method): 基于极限平衡理论，假定滑动面形状，将滑动体划分为条分，根据力或力矩平衡条件，计算边坡稳定安全系数 \(F_s\)。极限平衡法计算简便，应用广泛，但假定条件较多，精度较低。常用的极限平衡法包括：
▮▮▮▮⚝ 瑞典条分法 (Swedish Slice Method): 假定滑动面为圆弧形，将滑动体划分为竖条，考虑条间力，根据力矩平衡条件计算安全系数。瑞典条分法计算简便，但忽略了条间力的水平分量。
▮▮▮▮⚝ Bishop 简化条分法 (Bishop's Simplified Slice Method): 改进的条分法，假定条间力水平，考虑条间力的竖向分量，计算精度较瑞典条分法高。
▮▮▮▮⚝ Janbu 通用条分法 (Janbu's Generalized Slice Method): 适用于非圆弧滑动面，将滑动体划分为竖条，根据力平衡条件计算安全系数。 Janbu 法可以考虑各种滑动面形状，适用性广，但计算较复杂。
▮▮▮▮⚝ Morgenstern-Price 法 (Morgenstern-Price Method): 严格条分法，同时满足力平衡和力矩平衡条件，计算精度高，但计算复杂。
▮▮▮▮⚝ Spencer 法 (Spencer Method): 严格条分法，假定条间力方向不变，同时满足力平衡和力矩平衡条件，计算精度高，但计算复杂。
⚝ 数值分析法 (Numerical Analysis Method): 基于数值计算方法 (如有限元法、有限差分法)，建立边坡土体的力学模型，模拟边坡变形和破坏过程，计算边坡稳定安全系数。数值分析法可以考虑复杂的边坡几何形状、土层分布、地下水渗流、应力应变关系等因素，精度高，适用性广，但计算复杂，需要专业软件和计算经验。常用的数值分析软件有：
▮▮▮▮⚝ GeoStudio (SLOPE/W): 基于极限平衡法和有限元法的边坡稳定分析软件，功能强大，操作方便。
▮▮▮▮⚝ Abaqus: 通用的有限元分析软件，可以进行复杂的边坡稳定分析和变形分析。
▮▮▮▮⚝ Plaxis: 专门用于岩土工程有限元分析的软件，可以进行边坡稳定分析、渗流分析、固结分析等。
▮▮▮▮⚝ FLAC/Slope: 基于有限差分法的边坡稳定分析软件，适用于大型边坡和复杂边坡的稳定分析。

选择边坡稳定分析方法时，应根据边坡工程的重要性、地质条件复杂程度、精度要求等因素综合考虑。对于重要的、复杂的边坡工程，宜采用数值分析法进行验算。

4.4.2 边坡防护与加固 (Slope Protection and Reinforcement)

介绍植被防护、工程防护（护坡、挡墙、锚杆、抗滑桩等）等边坡防护与加固技术的原理与应用。

① 植被防护 (Vegetation Protection)

植被防护是利用植物的根系固土、茎叶覆盖坡面、减缓雨水冲刷等作用，提高边坡表面稳定性和抗侵蚀能力，达到防护边坡的目的。植被防护是一种生态环保、经济有效的边坡防护方法，适用于缓坡、土质边坡和生态环境要求较高的边坡。
⚝ 原理:
▮▮▮▮⚝ 根系固土: 植物根系深入土层，与土颗粒交织，形成网状结构，提高土的抗剪强度和抗侵蚀能力。
▮▮▮▮⚝ 茎叶覆盖: 植物茎叶覆盖坡面，可以拦截雨水，减缓雨水冲刷，减少地表径流，防止水土流失。
▮▮▮▮⚝ 改善土壤性质: 植物生长可以改善土壤结构，增加土壤有机质，提高土壤保水能力，有利于边坡植被的生长和长期稳定。
⚝ 植被类型选择: 应根据边坡坡度、土质条件、气候条件、生态环境要求等因素选择合适的植物类型。常用的植被类型包括：
▮▮▮▮⚝ 草本植物: 根系浅而密，生长快，覆盖率高，适用于缓坡和土质边坡，如紫羊茅、狗牙根、三叶草等。
▮▮▮▮⚝ 灌木植物: 根系较深，枝叶茂密，具有较好的固土保水能力，适用于中等坡度的边坡，如沙棘、荆条、紫穗槐等。
▮▮▮▮⚝ 乔木植物: 根系深而发达，树冠高大，具有较强的固土能力和生态功能，适用于坡度较缓、面积较大的边坡，如侧柏、油松、刺槐等。
▮▮▮▮⚝ 藤本植物: 攀援生长，覆盖率高，可以快速覆盖坡面，适用于岩质边坡和陡峭边坡，如爬山虎、紫藤、凌霄等。
⚝ 植被防护方法:
▮▮▮▮⚝ 播种植草: 直接在坡面播种草籽，适用于缓坡和土质边坡，施工简便，成本低廉。
▮▮▮▮⚝ 植树种灌: 在坡面种植乔木、灌木，适用于中等坡度和生态环境要求较高的边坡，防护效果好，生态功能强，但施工周期长。
▮▮▮▮⚝ 喷播植草: 将草籽、肥料、保水剂、粘结剂等混合后，喷射到坡面，适用于坡度较陡、土质较差的边坡，施工效率高，覆盖率高。
▮▮▮▮⚝ 液力喷播植草: 在喷播植草的基础上，加入纤维材料 (如木纤维、纸浆纤维)，形成纤维植被层，增强坡面防护效果。
▮▮▮▮⚝ 植生带 (Geovegetation Mat): 工厂预制好的植被带，直接铺设在坡面，适用于缓坡和土质边坡，施工快捷，成活率高。
▮▮▮▮⚝ 三维植被网 (Three-dimensional Vegetation Net): 三维网状土工合成材料，铺设在坡面后，在其网格内播种植草，增强植被根系的固土作用，适用于坡度较陡、冲刷较严重的边坡。

② 工程防护 (Engineering Protection)

工程防护是采用工程结构物对边坡进行防护和加固，提高边坡稳定性和抗侵蚀能力。工程防护方法种类繁多，应根据边坡类型、失稳模式、防护目的、工程条件等因素选择合适的防护结构形式。常用的工程防护结构包括：
⚝ 护坡 (Slope Protection): 铺设在坡面表层的防护结构，主要作用是防止坡面水土流失和浅层滑动，提高边坡表面稳定性。常见的护坡形式包括：
▮▮▮▮⚝ 浆砌片石护坡 (Mortar Rubble Masonry Slope Protection): 用浆砌片石砌筑的护坡，强度高、耐久性好，适用于中等坡度和冲刷较严重的边坡。
▮▮▮▮⚝ 干砌片石护坡 (Dry Rubble Masonry Slope Protection): 用干砌片石砌筑的护坡，透水性好、生态性好，适用于缓坡和生态环境要求较高的边坡。
▮▮▮▮⚝ 混凝土预制块护坡 (Precast Concrete Block Slope Protection): 用混凝土预制块铺砌的护坡，施工速度快、质量易控制，适用于各种坡度边坡。
▮▮▮▮⚝ 格构梁护坡 (Grid Beam Slope Protection): 用混凝土或钢筋混凝土格构梁框架填充植被或片石的护坡，具有较好的稳定性和生态性，适用于中等坡度和生态环境要求较高的边坡。
▮▮▮▮⚝ 锚杆框架梁护坡 (Anchor Frame Beam Slope Protection): 在格构梁护坡的基础上，增加锚杆加固，提高边坡深层稳定性，适用于高陡边坡和不稳定边坡。
▮▮▮▮⚝ 土工格栅护坡 (Geogrid Slope Protection): 在坡面铺设土工格栅，表面覆盖植被或喷射混凝土的护坡，具有较好的柔性和适应性，适用于不稳定边坡和变形较大的边坡。
▮▮▮▮⚝ 喷射混凝土护坡 (Shotcrete Slope Protection): 用喷射混凝土覆盖坡面，形成坚硬的防护层，适用于岩质边坡和陡峭边坡。
⚝ 挡墙 (Retaining Wall): 设置在坡脚或坡体中部的支挡结构，主要作用是承受土压力，防止边坡滑动，提高边坡整体稳定性。挡墙类型在 4.4.3 节详细介绍。
⚝ 锚杆 (Anchor): 深入稳定地层或岩体的受拉杆件，通过锚固力提高边坡抗滑力，增强边坡稳定性。锚杆类型在 4.4.3 节详细介绍。
⚝ 抗滑桩 (Anti-slide Pile): 设置在边坡滑动面后缘的抗滑结构，主要作用是抵抗边坡滑动力，提高边坡稳定性。抗滑桩通常采用钢筋混凝土桩或钢桩，深入稳定地层，具有较大的抗弯和抗剪强度。抗滑桩适用于处理深层滑动、滑动量较大的边坡，防护效果好，但工程量大，成本高。
⚝ 抗滑挡墙 (Anti-slide Retaining Wall): 将挡墙和抗滑桩结合使用，形成抗滑挡墙，兼具挡土和抗滑作用，适用于处理高陡边坡和复杂地质条件边坡。

4.4.3 支挡结构 (Retaining Structures)

介绍重力式挡土墙、悬臂式挡土墙、锚杆挡墙、土钉墙等支挡结构的类型、受力分析、设计方法与施工要点。

① 重力式挡土墙 (Gravity Retaining Wall)

重力式挡土墙是依靠墙体自身重力抵抗土压力的挡土墙。墙体断面较大，结构简单，施工方便，适用于高度较低 (一般小于 6m) 的挡土墙。
⚝ 类型: 浆砌石重力式挡土墙、混凝土重力式挡土墙、钢筋混凝土重力式挡土墙。
⚝ 受力特点: 主要依靠墙体自重抵抗土压力，墙体受弯矩和剪力较小，主要承受轴向压力。
⚝ 设计方法:
▮▮▮▮⚝ 土压力计算: 根据朗肯土压力理论 (Rankine earth pressure theory) 或库仑土压力理论 (Coulomb earth pressure theory) 计算主动土压力和被动土压力。
▮▮▮▮⚝ 稳定性验算: 进行抗滑稳定性、抗倾覆稳定性、地基承载力稳定性和墙身强度验算。
▮▮▮▮⚝ 墙身结构设计: 根据墙体材料强度和稳定性验算结果，确定墙体断面尺寸和构造。
⚝ 施工要点:
▮▮▮▮⚝ 地基处理：地基应平整、夯实，必要时进行地基处理。
▮▮▮▮⚝ 墙身砌筑：浆砌石挡土墙应分层砌筑，灰缝饱满；混凝土挡土墙应分层浇筑，振捣密实。
▮▮▮▮⚝ 排水措施：在墙后设置排水层和泄水孔，排除墙后积水，减小水压力。
▮▮▮▮⚝ 沉降缝和伸缩缝：根据墙体长度和地基条件，设置沉降缝和伸缩缝，防止墙体开裂。

② 悬臂式挡土墙 (Cantilever Retaining Wall)

悬臂式挡土墙是由立墙、底板和趾板组成的钢筋混凝土挡土墙，依靠底板上的土重和墙身自重共同抵抗土压力。悬臂式挡土墙墙体断面较小，节省材料，适用于高度中等 (一般为 6~10m) 的挡土墙。
⚝ 类型: 钢筋混凝土悬臂式挡土墙。
⚝ 受力特点: 立墙受弯矩和剪力较大，底板受弯矩和剪力也较大，墙体主要依靠钢筋承受拉应力。
⚝ 设计方法:
▮▮▮▮⚝ 土压力计算: 同重力式挡土墙。
▮▮▮▮⚝ 稳定性验算: 同重力式挡土墙。
▮▮▮▮⚝ 结构内力分析: 计算立墙和底板的弯矩、剪力。
▮▮▮▮⚝ 配筋计算: 根据弯矩和剪力，计算立墙和底板的钢筋配筋量。
⚝ 施工要点:
▮▮▮▮⚝ 地基处理：同重力式挡土墙。
▮▮▮▮⚝ 钢筋绑扎：钢筋绑扎应符合设计要求，保证钢筋位置和保护层厚度。
▮▮▮▮⚝ 混凝土浇筑：混凝土应分层浇筑，振捣密实，保证混凝土强度。
▮▮▮▮⚝ 养护：混凝土浇筑完成后，应及时养护，保证混凝土强度增长。
▮▮▮▮⚝ 排水措施、沉降缝和伸缩缝：同重力式挡土墙。

③ 锚杆挡墙 (Anchored Retaining Wall)

锚杆挡墙是由立墙和锚杆组成的挡土墙，依靠锚杆提供的锚固力抵抗土压力。锚杆挡墙墙体断面较小，节省材料，适用于高度较高 (一般为 10~20m) 的挡土墙和开挖边坡支护。
⚝ 类型: 钢筋混凝土锚杆挡墙、喷射混凝土锚杆挡墙。
⚝ 受力特点: 立墙受弯矩和剪力较小，主要承受锚杆提供的锚固力。锚杆承受拉力。
⚝ 设计方法:
▮▮▮▮⚝ 土压力计算: 同重力式挡土墙。
▮▮▮▮⚝ 稳定性验算: 进行抗滑稳定性、抗倾覆稳定性、地基承载力稳定性和锚杆强度验算。
▮▮▮▮⚝ 锚杆设计: 确定锚杆的锚固力、锚固长度、锚杆间距和锚杆倾角。
▮▮▮▮⚝ 立墙结构设计: 根据立墙材料强度和稳定性验算结果，确定立墙断面尺寸和构造。
⚝ 施工要点:
▮▮▮▮⚝ 地基处理：同重力式挡土墙。
▮▮▮▮⚝ 锚杆施工：钻孔、清孔、注浆、张拉锁定，锚杆施工质量直接影响挡墙稳定性。
▮▮▮▮⚝ 立墙施工：钢筋绑扎、模板支设、混凝土浇筑或喷射混凝土。
▮▮▮▮⚝ 排水措施、沉降缝和伸缩缝：同重力式挡土墙。

④ 土钉墙 (Soil Nailing Wall)

土钉墙是在原位土体中钻孔插入土钉 (钢筋或钢管)，并用喷射混凝土或预制混凝土面板覆盖坡面，形成加筋土挡土墙。土钉墙具有施工快速、适应性强、经济适用等优点，适用于边坡支护和基坑支护。
⚝ 类型: 喷射混凝土面板土钉墙、预制混凝土面板土钉墙。
⚝ 受力特点: 土钉与土体之间产生摩擦力，提高土体的抗剪强度和整体稳定性。面板主要作用是防止坡面土体风化和水土流失。
⚝ 设计方法:
▮▮▮▮⚝ 土压力计算: 可采用朗肯土压力理论或库仑土压力理论简化计算。
▮▮▮▮⚝ 稳定性验算: 进行整体稳定性、局部稳定性、面板强度验算和土钉强度验算。
▮▮▮▮⚝ 土钉设计: 确定土钉的长度、直径、间距、倾角和锚固形式。
▮▮▮▮⚝ 面板结构设计: 根据面板材料强度和稳定性验算结果，确定面板厚度和配筋。
⚝ 施工要点:
▮▮▮▮⚝ 坡面修整：坡面应修整平顺，清除浮土和杂物。
▮▮▮▮⚝ 土钉钻孔：钻孔位置、角度和深度应符合设计要求。
▮▮▮▮⚝ 土钉插入：土钉插入孔内，并进行注浆锚固。
▮▮▮▮⚝ 面板施工：喷射混凝土面板应分层喷射，控制喷射厚度和强度；预制混凝土面板应安装牢固，连接可靠。
▮▮▮▮⚝ 排水措施：在面板后设置排水层和泄水孔，排除墙后积水。
▮▮▮▮⚝ 植被绿化：在面板表面或孔隙中进行植被绿化，改善生态环境。

4.5 基础工程 (Foundation Engineering)

介绍浅基础和深基础的类型、设计原理、承载力计算、沉降计算及地基处理方法，为建筑物和构筑物提供安全可靠的基础支撑。

4.5.1 浅基础 (Shallow Foundations)

介绍条形基础、独立基础、筏板基础等浅基础的类型、适用条件、承载力计算、沉降计算与设计方法。

① 浅基础的定义与类型 (Definition and Types of Shallow Foundations)

浅基础是指基础埋置深度较浅，基础底面埋深 \(d\) 与基础宽度 \(b\) 之比 \(d/b \le 4 \sim 6\) 的基础。浅基础的类型主要包括：
⚝ 条形基础 (Strip Footing): 沿建筑物纵轴线方向延伸的带状基础，适用于墙下基础或柱列基础。
⚝ 独立基础 (Isolated Footing): 单独设置在柱子或墙垛下的基础，适用于框架结构、排架结构等柱下基础。独立基础又分为：
▮▮▮▮⚝ 阶梯形独立基础 (Stepped Isolated Footing): 基础高度呈阶梯状变化，适用于荷载较小、地基承载力较好的情况。
▮▮▮▮⚝ 坡形独立基础 (Sloped Isolated Footing): 基础高度呈坡形变化，适用于荷载较大、地基承载力较差的情况。
▮▮▮▮⚝ 杯口式独立基础 (Pedestal Isolated Footing): 基础顶部做成杯口状，用于连接预制柱，适用于装配式建筑。
⚝ 筏板基础 (Raft Foundation): 将整个建筑物底面做成一块整体钢筋混凝土板，适用于地基承载力较低、沉降要求严格、荷载分布不均匀或地下水位较高的地基。筏板基础又分为：
▮▮▮▮⚝ 平板式筏板基础 (Flat Plate Raft Foundation): 板厚均匀的筏板基础，适用于荷载较小、地基承载力较好的情况。
▮▮▮▮⚝ 梁板式筏板基础 (Beam and Slab Raft Foundation): 由梁和板组成的筏板基础，适用于荷载较大、地基承载力较差的情况。
▮▮▮▮⚝ 箱型筏板基础 (Box Raft Foundation): 由箱形结构组成的筏板基础，刚度大、整体性好，适用于高层建筑、重型设备基础等地基。

② 浅基础的适用条件 (Applicable Conditions of Shallow Foundations)

浅基础的适用条件主要取决于地基条件和上部结构荷载。一般情况下，浅基础适用于：
⚝ 地基土层分布均匀，地基承载力较高，压缩性较低。 如砂土、砾石土、密实粉土、硬塑黏土等地基。
⚝ 上部结构荷载较小，对沉降和差异沉降要求不高。 如多层民用建筑、轻型工业厂房、低层仓库等。
⚝ 地下水位较低，对基础施工和运营影响较小。 地下水位较高时，应采取降水或排水措施。
⚝ 场地平整，地形坡度较缓。 坡度较大时，应进行边坡处理或选择其他基础形式。
⚝ 地基土无特殊不良地质现象。 如无液化、膨胀、湿陷、冻胀等地质问题。

当不满足浅基础适用条件时，应进行地基处理或选择深基础。

③ 浅基础的承载力计算 (Bearing Capacity Calculation of Shallow Foundations)

浅基础的承载力是指地基土体能够承受的最大荷载强度，是浅基础设计的重要依据。浅基础的承载力计算主要包括：
⚝ 地基承载力特征值 \(f_{ak}\) (Characteristic Value of Bearing Capacity): 根据地基土的强度指标 (黏聚力 \(c\)、内摩擦角 \(\phi\)) 和地基条件 (土的重度 \(\gamma\)、基础埋深 \(d\)、基础宽度 \(b\))，采用地基承载力公式计算得到。常用的地基承载力公式有：
▮▮▮▮⚝ 太沙基公式 (Terzaghi Bearing Capacity Equation): 适用于条形基础和正方形基础，公式形式如下：
\[ f_{ak} = cN_c s_c d_c + \gamma b N_\gamma s_\gamma d_\gamma + \gamma d N_q s_q d_q \]
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ \(N_c\)、\(N_\gamma\)、\(N_q\): 承载力系数，与内摩擦角 \(\phi\) 有关。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ \(s_c\)、\(s_\gamma\)、\(s_q\): 基础形状系数，与基础形状有关。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ \(d_c\)、\(d_\gamma\)、\(d_q\): 基础深度系数，与基础埋深 \(d\) 和基础宽度 \(b\) 有关。
▮▮▮▮⚝ 规范公式 (Code Formula): 我国《建筑地基基础设计规范》 (GB 50007) 采用的地基承载力公式，形式与太沙基公式类似，但承载力系数和形状系数取值有所不同。
⚝ 容许承载力 (Allowable Bearing Capacity): 地基承载力特征值除以安全系数 \(K\) 得到，\(f_a = f_{ak} / K\)。安全系数 \(K\) 一般取 2~3。
⚝ 修正地基承载力特征值 (Corrected Characteristic Value of Bearing Capacity): 考虑地下水、荷载偏心、地基土分层等因素对地基承载力的影响，对地基承载力特征值进行修正。

④ 浅基础的沉降计算 (Settlement Calculation of Shallow Foundations)

浅基础的沉降是指地基土体在荷载作用下产生的竖向变形。沉降量过大会影响建筑物的正常使用和耐久性，因此需要进行沉降计算，控制沉降量在容许范围内。浅基础的沉降计算主要包括：
⚝ 弹性沉降 (Elastic Settlement): 也称瞬时沉降，是由于地基土的弹性压缩引起的沉降，主要发生在砂土和砾石土地基。弹性沉降计算公式如下：
\[ s_e = p b \frac{1-\mu^2}{E_s} m_s \]
▮▮▮▮⚝ \(p\): 基础底面附加应力。
▮▮▮▮⚝ \(b\): 基础宽度。
▮▮▮▮⚝ \(\mu\): 土的泊松比。
▮▮▮▮⚝ \(E_s\): 土的变形模量。
▮▮▮▮⚝ \(m_s\): 沉降计算系数，与基础形状和长宽比有关。
⚝ 固结沉降 (Consolidation Settlement): 是由于饱和黏性土的固结排水引起的沉降，主要发生在黏性土和粉土地基。固结沉降计算公式如下：
\[ s_c = \sum_{i=1}^{n} \frac{e_{0i} - e_{1i}}{1+e_{0i}} H_i \]
▮▮▮▮⚝ \(e_{0i}\): 第 \(i\) 层土的初始孔隙比。
▮▮▮▮⚝ \(e_{1i}\): 第 \(i\) 层土在附加应力作用下的孔隙比。
▮▮▮▮⚝ \(H_i\): 第 \(i\) 层土的厚度。
⚝ 总沉降量 (Total Settlement): 弹性沉降和固结沉降之和，\(s = s_e + s_c\)。
⚝ 差异沉降 (Differential Settlement): 建筑物不同部位沉降量之差。差异沉降过大会引起结构裂缝和功能障碍，应严格控制。

⑤ 浅基础的设计方法 (Design Methods of Shallow Foundations)

浅基础的设计步骤主要包括：
⚝ 地质勘察: 进行详细的地质勘察，查明地基土层分布、工程性质和地下水条件。
⚝ 基础选型: 根据上部结构类型、荷载大小、地基条件和施工条件，选择合适的基础类型 (条形基础、独立基础、筏板基础)。
⚝ 基础埋深确定: 根据冻结深度、地下水位、土的容许承载力、相邻建筑物基础埋深等因素，确定基础埋深。
⚝ 基础尺寸确定: 根据地基承载力特征值和上部结构荷载，计算基础底面积，确定基础平面尺寸。
⚝ 承载力验算: 验算地基承载力是否满足要求，安全系数是否符合规范规定。
⚝ 沉降计算: 计算地基沉降量，验算沉降量和差异沉降是否满足容许值要求。
⚝ 结构设计: 进行基础结构设计，确定基础的断面尺寸、配筋和构造措施，满足强度、刚度和耐久性要求。
⚝ 地基处理: 当地基条件不满足浅基础要求时，应进行地基处理，改善地基工程性能。

4.5.2 深基础 (Deep Foundations)

介绍桩基础、沉井基础、地下连续墙等深基础的类型、适用条件、承载力计算、沉降计算与设计方法。

① 深基础的定义与类型 (Definition and Types of Deep Foundations)

深基础是指基础埋置深度较深，基础底面埋深 \(d\) 与基础宽度 \(b\) 之比 \(d/b > 4 \sim 6\) 的基础。深基础主要用于地基承载力较低、浅基础无法满足承载力和沉降要求的工程。深基础的类型主要包括：
⚝ 桩基础 (Pile Foundation): 由桩和承台组成的深基础，桩将上部结构的荷载传递到深层坚硬土层或岩层。桩基础是应用最广泛的深基础形式。桩基础又分为：
▮▮▮▮⚝ 摩擦桩 (Friction Pile): 桩的承载力主要由桩侧土的摩阻力提供，适用于桩端未达到坚硬土层或岩层的地基。
▮▮▮▮⚝ 端承桩 (End-bearing Pile): 桩的承载力主要由桩端土的端承力提供，适用于桩端达到坚硬土层或岩层的地基。
▮▮▮▮⚝ 复合桩 (Combined Bearing Pile): 桩的承载力由桩侧摩阻力和桩端端承力共同提供，适用于桩端接近坚硬土层或岩层的地基。
▮▮▮▮⚝ 按材料分: 混凝土桩、钢桩、木桩、组合桩。
▮▮▮▮⚝ 按成桩工艺分: 预制桩 (打入桩、静压桩)、灌注桩 (钻孔灌注桩、沉管灌注桩、夯扩灌注桩)。
⚝ 沉井基础 (Caisson Foundation): 利用沉井下沉到设计深度，然后填充混凝土或其他材料形成的基础。沉井基础适用于承受高荷载、地下水位高、地基土层复杂的工程，如桥梁桥墩、高层建筑地下室等。沉井基础又分为：
▮▮▮▮⚝ 开口沉井 (Open Caisson): 底部开口的沉井，下沉过程中不断挖土，适用于软土、砂土、卵石层等地基。
▮▮▮▮⚝ 气压沉井 (Pneumatic Caisson): 底部封闭的沉井，下沉过程中利用气压排水，适用于地下水位高、土层渗透性较差的地基。
▮▮▮▮⚝ 箱型沉井 (Box Caisson): 底部封闭的箱形沉井，整体性好、刚度大，适用于高层建筑地下室等地基。
⚝ 地下连续墙 (Diaphragm Wall): 在地面沿基础轮廓线开挖深槽，然后在槽内浇筑混凝土或插入预制混凝土板形成连续的墙体。地下连续墙主要用于基坑支护、地下结构围护、防渗截水等工程。地下连续墙也常作为建筑物的永久基础。

② 深基础的适用条件 (Applicable Conditions of Deep Foundations)

深基础的适用条件主要取决于地基条件和上部结构荷载。一般情况下，深基础适用于：
⚝ 地基土层分布不均匀，地基浅层土承载力较低，压缩性较高。 如软黏土、淤泥、杂填土、液化土、膨胀土、湿陷性黄土等地基。
⚝ 上部结构荷载较大，对沉降和差异沉降要求严格。 如高层建筑、重型工业厂房、桥梁桥墩、大型设备基础等。
⚝ 地下水位较高，浅基础施工困难或影响工程安全。 地下水位很高或土层渗透性很强时，浅基础降水排水困难，宜采用沉井基础或地下连续墙。
⚝ 场地地形复杂，坡度较大，浅基础难以布置。 在陡峭边坡或山坡地段，宜采用桩基础或锚杆挡墙。
⚝ 需要抵抗水平荷载或地震作用。 深基础具有较好的抗倾覆和抗水平位移能力，适用于承受风荷载、地震作用或水流冲击的工程。

③ 深基础的承载力计算 (Bearing Capacity Calculation of Deep Foundations)

深基础的承载力计算主要包括单桩承载力计算和群桩承载力计算。
⚝ 单桩承载力计算 (Single Pile Bearing Capacity Calculation):
▮▮▮▮⚝ 理论公式法: 根据土的强度指标和桩土相互作用理论，计算单桩的承载力。常用的理论公式有：
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 摩擦桩承载力公式: 根据桩侧摩阻力计算单桩承载力。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 端承桩承载力公式: 根据桩端土的端承力计算单桩承载力。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 复合桩承载力公式: 综合考虑桩侧摩阻力和桩端端承力计算单桩承载力。
▮▮▮▮⚝ 经验公式法: 根据工程经验和统计资料，建立的经验公式，计算单桩承载力。
▮▮▮▮⚝ 试验方法: 通过单桩静载试验 (Pile Static Load Test, PLT) 直接测定单桩的承载力。静载试验是最可靠的单桩承载力确定方法。
⚝ 群桩承载力计算 (Pile Group Bearing Capacity Calculation): 群桩基础的承载力不是单桩承载力的简单叠加，由于桩群效应，群桩承载力通常小于单桩承载力乘以桩数。群桩承载力计算需要考虑桩群效应的影响。常用的群桩承载力计算方法有：
▮▮▮▮⚝ 折减系数法: 用折减系数考虑桩群效应，将单桩承载力乘以折减系数和桩数得到群桩承载力。
▮▮▮▮⚝ 等效筏板法: 将群桩基础等效为筏板基础，按照筏板基础的承载力计算方法计算群桩承载力。
▮▮▮▮⚝ 数值分析法: 利用有限元法或边界元法等数值方法，模拟群桩-土体相互作用，计算群桩承载力。

④ 深基础的沉降计算 (Settlement Calculation of Deep Foundations)

深基础的沉降计算主要包括单桩沉降计算和群桩沉降计算。
⚝ 单桩沉降计算 (Single Pile Settlement Calculation): 单桩沉降主要由桩身弹性压缩沉降、桩周土的弹性沉降和桩周土的固结沉降组成。单桩沉降计算方法较复杂，常用的计算方法有：
▮▮▮▮⚝ 弹性理论法: 基于弹性理论，将桩和土体都视为弹性体，计算单桩沉降。
▮▮▮▮⚝ 传递矩阵法: 将桩划分为若干段，建立传递矩阵，计算单桩沉降。
▮▮▮▮⚝ 有限元法: 利用有限元法模拟单桩-土体相互作用，计算单桩沉降。
⚝ 群桩沉降计算 (Pile Group Settlement Calculation): 群桩沉降受桩群效应影响，群桩沉降通常大于单桩沉降。群桩沉降计算方法更复杂，常用的计算方法有：
▮▮▮▮⚝ 等效筏板法: 将群桩基础等效为筏板基础，按照筏板基础的沉降计算方法计算群桩沉降。
▮▮▮▮⚝ 叠加法: 将群桩沉降视为单桩沉降的叠加，考虑桩群效应的影响。
▮▮▮▮⚝ 有限元法: 利用有限元法模拟群桩-土体相互作用，计算群桩沉降。

⑤ 深基础的设计方法 (Design Methods of Deep Foundations)

深基础的设计步骤主要包括：
⚝ 地质勘察: 进行详细的地质勘察，查明地基土层分布、工程性质和地下水条件，特别要查明深层土层的性质。
⚝ 基础选型: 根据上部结构类型、荷载大小、地基条件和施工条件，选择合适的基础类型 (桩基础、沉井基础、地下连续墙)。
⚝ 桩型和桩长选择: 对于桩基础，应根据地基条件、荷载大小、承载力要求和施工条件，选择合适的桩型 (摩擦桩、端承桩、复合桩) 和桩长。
⚝ 承载力计算: 计算单桩承载力和群桩承载力，验算地基承载力是否满足要求，安全系数是否符合规范规定。
⚝ 沉降计算: 计算单桩沉降量和群桩沉降量，验算沉降量和差异沉降是否满足容许值要求。
⚝ 结构设计: 进行基础结构设计，确定桩的断面尺寸、配筋、承台尺寸和构造措施，满足强度、刚度和耐久性要求。
⚝ 桩基布置: 确定桩的平面布置 (桩距、桩排数、桩群形状)，满足承载力、沉降和结构要求。
⚝ 地基处理: 当地基条件不满足深基础要求时，应进行地基处理，改善地基工程性能。

4.5.3 特殊地基上的基础 (Foundations on Special Soils)

介绍软弱地基、液化地基、膨胀土地基等特殊地基上的基础设计与处理方法。

① 软弱地基上的基础 (Foundations on Soft Ground)

软弱地基主要指软黏土和淤泥地基，其工程特性在 4.3.1 节已介绍。软弱地基上的基础设计与处理方法主要有：
⚝ 换填垫层法: 适用于软弱土层厚度较小的情况，将软弱土层挖除，用砂、砾石等材料换填。
⚝ 预压法 (堆载预压、真空预压): 适用于饱和软黏土和淤泥地基，通过预压加速地基固结，提高地基承载力，减小沉降。
⚝ 排水固结法 (塑料排水板、砂井): 常与预压法联合使用，加速地基排水固结。
⚝ 桩基础: 适用于软弱土层厚度较大、承载力要求较高的情况，将桩穿过软弱土层，将荷载传递到深层坚硬土层或岩层。
⚝ 复合地基: 将桩和土结合使用，形成复合地基，提高地基承载力，减小沉降。常用的复合地基形式有：水泥土搅拌桩复合地基、CFG桩复合地基、碎石桩复合地基等。
⚝ 轻型结构: 采用轻型结构，减小地基荷载，降低地基沉降。

② 液化地基上的基础 (Foundations on Liquefiable Ground)

液化地基是指饱和松散砂土在地震作用下，强度迅速降低，丧失承载力，呈现液态特性的地基。液化地基上的基础设计与处理方法主要有：
⚝ 地基处理:
▮▮▮▮⚝ 振冲法、强夯法: 适用于砂土地基，提高砂土的密实度，消除液化可能性。
▮▮▮▮⚝ 换填法: 将液化土层挖除，用非液化土换填。
▮▮▮▮⚝ 排水固结法: 降低地下水位，减小孔隙水压力，提高抗液化能力。
⚝ 桩基础: 将桩穿过液化土层，将荷载传递到非液化土层或岩层。桩基础抗液化设计需要考虑地震动荷载和液化土的侧向位移。
⚝ 筏板基础: 采用刚度较大的筏板基础，提高基础的整体性和抗液化能力。筏板基础抗液化设计需要考虑地震动荷载和液化土的侧向位移。
⚝ 抗液化措施:
▮▮▮▮⚝ 加密桩: 在建筑物周围设置加密桩，形成围护结构，限制液化土的侧向位移。
▮▮▮▮⚝ 设置地下连续墙: 在建筑物周围设置地下连续墙，形成围护结构，阻止液化土的流动。
▮▮▮▮⚝ 设置排水系统: 设置完善的地下排水系统，降低地下水位，减小液化可能性。

③ 膨胀土地基上的基础 (Foundations on Expansive Soil Ground)

膨胀土地基是指含有膨胀性黏土矿物，具有遇水膨胀、失水收缩特性的地基。膨胀土地基上的基础设计与处理方法主要有：
⚝ 换填垫层法: 将膨胀土挖除，用非膨胀土换填。
⚝ 隔离层法: 在基础和膨胀土之间设置隔离层 (如砂砾垫层、土工膜)，阻止水分进入膨胀土。
⚝ 改良土法: 对膨胀土进行改良处理，降低其膨胀性。常用的改良方法有：换土掺灰法、石灰桩法、水泥土桩法等。
⚝ 桩基础: 将桩穿过膨胀土层，将荷载传递到非膨胀土层或岩层。桩基础抗膨胀土设计需要考虑膨胀土的胀缩变形和上拔力。
⚝ 筏板基础: 采用刚度较大的筏板基础，提高基础的整体性和抗变形能力。筏板基础抗膨胀土设计需要考虑膨胀土的胀缩变形。
⚝ 柔性基础: 采用柔性基础 (如条形基础、独立基础)，允许基础发生一定的变形，适应膨胀土的胀缩特性。
⚝ 控制含水量: 采取排水、防渗等措施，控制膨胀土的含水量变化，减小胀缩变形。

4.6 地下工程 (Underground Engineering)

介绍地下工程的类型、特点、围岩分级、支护原理与方法，以及隧道、地铁、地下空间等地下工程的设计与施工技术。

4.6.1 地下工程概述 (Overview of Underground Engineering)

介绍地下工程的定义、分类、特点、发展趋势及其在城市建设中的作用。

① 地下工程的定义 (Definition of Underground Engineering)

地下工程是指在地面以下空间进行的工程建设活动，包括隧道、地铁、地下空间开发、地下管线、地下储库、地下电站、地下军事工程等。地下工程是土木工程的重要分支，是城市建设和基础设施建设的重要组成部分。

② 地下工程的分类 (Classification of Underground Engineering)

地下工程可以根据不同的标准进行分类：
⚝ 按用途分:
▮▮▮▮⚝ 交通隧道 (Transportation Tunnel): 公路隧道、铁路隧道、地铁隧道、水底隧道、人行隧道等。
▮▮▮▮⚝ 水工隧道 (Hydraulic Tunnel): 输水隧道、引水隧道、排水隧道、泄洪隧道等。
▮▮▮▮⚝ 市政隧道 (Municipal Tunnel): 综合管廊、电缆隧道、燃气隧道、通信隧道等。
▮▮▮▮⚝ 地下空间 (Underground Space): 地下商业街、地下停车场、地下仓库、地下人防工程、地下储油库、地下储气库、地下电站、地下实验室、地下核废料处置库等。
▮▮▮▮⚝ 矿山隧道 (Mining Tunnel): 矿山开采巷道、硐室等。
▮▮▮▮⚝ 军事工程 (Military Engineering): 地下指挥所、地下仓库、地下工事等。
⚝ 按围岩条件分:
▮▮▮▮⚝ 岩石隧道 (Rock Tunnel): 围岩为岩石的隧道。
▮▮▮▮⚝ 土质隧道 (Soil Tunnel): 围岩为土的隧道。
▮▮▮▮⚝ 复合地层隧道 (Composite Stratum Tunnel): 围岩为岩石和土的复合地层隧道。
⚝ 按开挖方法分:
▮▮▮▮⚝ 矿山法隧道 (Conventional Tunneling Method): 也称新奥法隧道，采用钻爆法、机械开挖法等方法开挖隧道，适用于各种围岩条件。
▮▮▮▮⚝ 盾构法隧道 (Shield Tunneling Method): 利用盾构机进行隧道开挖和衬砌，适用于软土、砂土、淤泥等地层。
▮▮▮▮⚝ TBM法隧道 (Tunnel Boring Machine Method): 利用全断面隧道掘进机 (TBM) 进行隧道开挖和支护，适用于硬岩地层。
▮▮▮▮⚝ 明挖法隧道 (Cut and Cover Method): 先开挖基坑，然后浇筑或安装隧道结构，最后回填土方，适用于浅埋隧道和地下空间。
⚝ 按埋深分:
▮▮▮▮⚝ 浅埋隧道 (Shallow Tunnel): 埋深较浅，受地表影响较大的隧道。
▮▮▮▮⚝ 深埋隧道 (Deep Tunnel): 埋深较大，受地表影响较小的隧道。
▮▮▮▮⚝ 超深埋隧道 (Super Deep Tunnel): 埋深超过一定深度 (如数百米甚至数千米) 的隧道。

③ 地下工程的特点 (Characteristics of Underground Engineering)

地下工程与地面工程相比，具有以下特点：
⚝ 隐蔽性 (Concealment): 地下工程位于地面以下，结构隐蔽，难以直接观察和维护。
⚝ 复杂性 (Complexity): 地下工程地质条件复杂多变，围岩稳定性难以预测，施工风险高。
⚝ 特殊性 (Speciality): 地下工程环境特殊，通风、排水、照明、防火、防爆等要求高。
⚝ 长期性 (Longevity): 地下工程使用年限长，耐久性要求高。
⚝ 重要性 (Importance): 地下工程是城市基础设施的重要组成部分，关系到城市运行和社会发展。
⚝ 环境友好性 (Environmental Friendliness): 地下工程可以节约土地资源，减少地面交通拥堵，改善城市环境。

④ 地下工程的发展趋势 (Development Trend of Underground Engineering)

地下工程正朝着以下趋势发展：
⚝ 深层化 (Deepening): 城市地面空间日益紧张，地下空间开发向深层发展，利用更深层的地下空间资源。
⚝ 大型化 (Large-scale): 地下工程规模越来越大，断面越来越大，功能越来越复杂，如大型地下综合体、超长隧道等。
⚝ 多功能化 (Multi-functionality): 地下工程功能越来越多样化，集交通、商业、仓储、人防、市政管线等多种功能于一体。
⚝ 智能化 (Intelligentization): 地下工程建设和运营管理越来越智能化，采用 BIM、物联网、大数据、人工智能等技术，提高工程质量和管理效率。
⚝ 绿色化 (Greenization): 地下工程建设越来越注重绿色环保，采用节能环保材料和技术，减少对环境的影响。
⚝ 产业化 (Industrialization): 地下工程建设越来越产业化，采用工厂化预制、装配式施工等方法，提高施工效率和质量。

⑤ 地下工程在城市建设中的作用 (Role of Underground Engineering in Urban Construction)

地下工程在城市建设中发挥着越来越重要的作用：
⚝ 缓解城市地面交通拥堵: 建设地铁、地下道路等交通隧道，分流地面交通，缓解城市交通拥堵。
⚝ 拓展城市空间: 开发地下空间，增加城市功能区，缓解城市用地紧张问题。
⚝ 改善城市环境: 将市政管线、垃圾处理设施等迁入地下，减少地面设施，改善城市景观和环境质量。
⚝ 提高城市防灾减灾能力: 建设地下人防工程、地下储水库等，提高城市抗震、防洪、防空等防灾减灾能力。
⚝ 促进城市可持续发展: 地下工程可以节约土地资源，减少能源消耗，保护生态环境，促进城市可持续发展。

4.6.2 围岩分级与支护原理 (Rock Mass Classification and Support Principles)

讲解围岩分级方法（RMR、Q系统等），以及地下工程支护的基本原理与类型（初期支护、二次衬砌）。

① 围岩分级 (Rock Mass Classification)

围岩分级是对隧道或地下工程开挖后，围岩的稳定性进行评价和分类，为支护设计提供依据。围岩分级方法主要分为定性分级和定量分级两种。
⚝ 定性分级 (Qualitative Classification): 根据工程经验和围岩的宏观地质特征，将围岩分为若干等级，如极好围岩、好围岩、中等围岩、差围岩、极差围岩。定性分级方法简单直观，但主观性较强，精度较低。
⚝ 定量分级 (Quantitative Classification): 根据围岩的定量指标 (如岩体强度、完整性、结构面特征、地下水条件等)，采用数学模型或图表，将围岩分为若干等级。定量分级方法客观性强，精度较高，是目前应用广泛的围岩分级方法。常用的定量分级系统包括：
▮▮▮▮⚝ RMR 系统 (Rock Mass Rating System): 也称基本质量定级系统 (Basic RMR)，由 Bieniawski 于 1973 年提出，是最常用的围岩分级系统之一。RMR 系统根据以下六个参数对围岩进行评分：
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 岩石单轴抗压强度 (Uniaxial Compressive Strength of Rock Material)。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 岩石质量指标 RQD (Rock Quality Designation)。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 结构面间距 (Spacing of Discontinuities)。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 结构面状- 结构面粗糙度 (Roughness of Discontinuities)。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 结构面蚀变 (Alteration of Discontinuities)。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 地下水状况 (Groundwater Conditions)。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 结构面产状调整 (Orientations of Discontinuities)。 (This is an adjustment factor, not a direct parameter)

前五个参数根据其具体情况赋予不同的分值，第六个参数（结构面产状调整）根据结构面产状对工程稳定性的影响进行调整。将六个参数的分值相加，得到 RMR 值。根据 RMR 值，将围岩分为五个等级 (I~V 级)，分别对应极好围岩、好围岩、中等围岩、差围岩和极差围岩。RMR 值越高，围岩质量越好，稳定性越高。

▮▮▮▮⚝ Q 系统 (Q-System): 也称隧道质量指标系统 (Tunneling Quality Index System)，由 Barton 等人于 1974 年提出，是另一种常用的围岩分级系统。Q 系统考虑了更多的影响围岩稳定性的因素，适用于各种围岩条件。Q 系统根据以下六个参数对围岩进行评分：
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ RQD (Rock Quality Designation): 岩石质量指标。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ \(J_n\) (Joint Set Number): 节理组数。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ \(J_r\) (Joint Roughness Number): 节理粗糙度系数。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ \(J_a\) (Joint Alteration Number): 节理蚀变系数。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ \(J_w\) (Joint Water Reduction Factor): 节理水折减系数。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ SRF (Stress Reduction Factor): 应力折减系数。

Q 值的计算公式为：
\[ Q = \frac{RQD}{J_n} \times \frac{J_r}{J_a} \times \frac{J_w}{SRF} \]

根据 Q 值的大小，将围岩分为九个等级 (从极差到极好)，每个等级对应不同的围岩质量和支护类型。Q 值越高，围岩质量越好，稳定性越高。

② 支护原理 (Support Principles)

地下工程支护的基本原理是：通过施加支护措施，改变围岩的应力状态和变形特性，维持开挖隧道的稳定。具体来说，支护的作用主要体现在以下几个方面：
⚝ 控制围岩变形 (Controlling Rock Mass Deformation): 限制围岩的松弛变形，防止围岩过度变形导致隧道坍塌。
⚝ 提高围岩强度 (Improving Rock Mass Strength): 通过支护措施，提高围岩的整体强度和抗剪强度，增强围岩的自稳能力。
⚝ 改善围岩应力状态 (Improving Rock Mass Stress State): 调整围岩的应力分布，降低隧道周围的应力集中，减小围岩破坏的可能性。
⚝ 防止围岩风化 (Preventing Rock Mass Weathering): 支护结构可以保护围岩表面，防止围岩受风化、水蚀等作用而劣化。
⚝ 保障施工安全 (Ensuring Construction Safety): 支护结构可以及时支护开挖面，防止围岩坍塌，保障施工安全。

③ 支护类型 (Support Types)

地下工程支护根据其作用和施工时机，可分为初期支护 (initial support) 和二次衬砌 (secondary lining) 两种基本类型。
⚝ 初期支护 (Initial Support): 在隧道开挖后，立即施作的临时性支护，主要目的是快速封闭围岩，控制围岩的初期变形，为后续施工创造安全条件。初期支护具有及时性、适应性和经济性的特点。常用的初期支护方法包括：
▮▮▮▮⚝ 喷射混凝土 (Shotcrete): 将水泥、砂、石、水等材料按一定比例混合，通过喷射机喷射到围岩表面，形成混凝土支护层。喷射混凝土具有施工速度快、适应性强、能有效封闭围岩表面等优点，是目前应用最广泛的初期支护方法之一。
▮▮▮▮⚝ 锚杆 (Rock Bolt): 深入围岩内部的受拉杆件，通过锚固力将松散围岩锚固在一起，提高围岩的整体性和自稳能力。锚杆种类繁多，根据锚固方式可分为摩擦型锚杆、树脂锚杆、水泥砂浆锚杆、中空注浆锚杆等。
▮▮▮▮⚝ 钢拱架 (Steel Arch): 用型钢或钢管弯制而成的拱形支架，设置在隧道开挖轮廓线内，承受围岩压力，提供支护作用。钢拱架具有承载力高、刚度大、施工方便等优点，适用于围岩压力较大、变形较大的隧道。
▮▮▮▮⚝ 钢纤维喷射混凝土 (Steel Fiber Reinforced Shotcrete): 在喷射混凝土中掺入钢纤维，提高喷射混凝土的抗裂性能、抗弯强度和韧性，增强支护效果。
▮▮▮▮⚝ 超前支护 (Forepoling): 在隧道开挖面前方，超前施作的支护措施，主要目的是预先加固开挖面，防止开挖面坍塌。常用的超前支护方法有超前锚杆、超前小导管、管棚等。

⚝ 二次衬砌 (Secondary Lining / Final Lining): 在初期支护稳定后，施作的永久性支护结构，主要目的是进一步提高隧道的结构强度、耐久性和防水性能，保证隧道的长期安全运营。二次衬砌通常采用混凝土或钢筋混凝土结构，具有强度高、耐久性好、防水性能好等优点。常用的二次衬砌形式包括：
▮▮▮▮⚝ 模筑混凝土衬砌 (Cast-in-place Concrete Lining): 在隧道内支设模板，浇筑混凝土衬砌，形成整体性好的混凝土结构。模筑混凝土衬砌是应用最广泛的二次衬砌形式。
▮▮▮▮⚝ 喷锚衬砌 (Shotcrete and Bolt Lining): 以喷射混凝土和锚杆为主要支护结构，不施作或少施作模筑混凝土衬砌，适用于围岩条件较好、变形较小的隧道。
▮▮▮▮⚝ 预制装配式衬砌 (Precast Segmental Lining): 将衬砌结构预制成构件，然后在隧道内进行拼装，形成衬砌结构。预制装配式衬砌具有施工速度快、质量易控制等优点，常用于盾构法隧道。
▮▮▮▮⚝ 钢衬砌 (Steel Lining): 用钢板焊接或铆接而成的衬砌结构，具有强度高、抗渗性好等优点，适用于水工隧道、压力隧道等特殊隧道。
▮▮▮▮⚝ 铸铁管片衬砌 (Cast Iron Segmental Lining): 用铸铁管片拼装而成的衬砌结构，具有强度高、耐腐蚀性好等优点，常用于早期盾构法隧道和水下隧道。

初期支护和二次衬砌通常是联合使用的，初期支护主要承担围岩的初期变形和临时支护作用，二次衬砌主要承担围岩的长期稳定和永久支护作用。初期支护和二次衬砌的设计和选型，应根据围岩条件、地应力状态、地下水情况、工程用途、耐久性要求等因素综合确定。

5. 结构工程 (Structural Engineering)

本章系统讲解结构工程的基本原理、结构分析方法、结构设计理论、常用结构类型，以及结构可靠性与耐久性设计。

5.1 结构体系与荷载 (Structural Systems and Loads)

介绍结构体系的分类、组成，以及结构荷载的类型、特点与组合，为结构分析与设计奠定基础。

5.1.1 结构体系的分类与组成 (Classification and Components of Structural Systems)

根据受力特点、材料、用途等对结构体系进行分类，介绍结构的基本组成部分（梁、柱、板、墙等）。

① 结构体系的定义 (Definition of Structural System)

结构体系 (Structural System) 是指由若干结构构件 (Structural Members) 通过一定的方式连接而成的能够承受荷载并传递荷载的整体。结构体系是建筑、桥梁、隧道等工程结构的核心组成部分，其主要功能是保证结构在各种荷载作用下的安全性和适用性。结构体系的设计合理与否，直接关系到工程结构的安全性、经济性和耐久性。

② 结构体系的分类 (Classification of Structural Systems)

结构体系可以从多个角度进行分类，常见的分类方式包括：

▮▮▮▮ⓐ 按受力特点分类 (Classification by Structural Behavior)

根据结构在荷载作用下的主要受力特点，可以将结构体系分为以下几种基本类型：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 梁式结构 (Beam Structures)：梁式结构是以梁 (Beam) 为主要承重构件的结构体系。梁主要承受弯矩和剪力，并将荷载传递到支座。常见的梁式结构包括简支梁、连续梁、悬臂梁等。梁式结构在建筑、桥梁等工程中应用广泛，例如楼板梁、屋面梁、桥梁主梁等都属于梁式结构。梁式结构的优点是构造简单、受力明确，但跨越能力相对有限。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 板式结构 (Plate Structures)：板式结构是以板 (Plate) 为主要承重构件的结构体系。板是在平面内受弯的构件，能够承受垂直于板面的荷载。常见的板式结构包括楼板、屋面板、剪力墙等。板式结构具有良好的整体性和空间刚度，能够有效地抵抗面外荷载。在建筑结构中，楼板和屋面板是最常见的板式结构形式。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 柱式结构 (Column Structures)：柱式结构是以柱 (Column) 为主要竖向承重构件的结构体系。柱主要承受轴向压力，并将上部结构的荷载传递到地基。常见的柱式结构包括框架柱、独立柱、剪力墙竖向构件等。柱是结构体系中重要的竖向承重构件，其稳定性和承载能力直接影响结构的安全性。

▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 墙式结构 (Wall Structures)：墙式结构是以墙 (Wall) 为主要承重构件的结构体系。墙可以承受竖向荷载和水平荷载。根据受力特点和构造形式，墙式结构又可分为承重墙结构 (Bearing Wall Structures) 和剪力墙结构 (Shear Wall Structures)。承重墙主要承受竖向荷载，剪力墙主要承受水平荷载，如风荷载和地震荷载。墙式结构具有良好的抗震性能和围护功能，在多层和高层建筑中得到广泛应用。

▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 拱式结构 (Arch Structures)：拱式结构是以拱 (Arch) 为主要承重构件的结构体系。拱主要承受压力，并将荷载传递到拱脚。拱式结构能够有效地利用材料的抗压强度，具有良好的跨越能力。古代的石拱桥和现代的大跨度拱桥都是典型的拱式结构。拱式结构的优点是经济美观，但构造相对复杂，对地基条件要求较高。

▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 壳体结构 (Shell Structures)：壳体结构是由曲面薄壳 (Shell) 构成的空间结构体系。壳体结构能够有效地利用材料的强度，具有良好的空间刚度和覆盖能力。常见的壳体结构包括薄壳屋顶、球形网壳、双曲抛物面壳等。壳体结构常用于体育馆、展览馆、大型工业厂房等大跨度建筑。

▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 索结构 (Cable Structures)：索结构是以索 (Cable) 为主要承重构件的结构体系。索主要承受拉力，具有良好的柔性和跨越能力。常见的索结构包括悬索桥、斜拉桥、索膜结构等。索结构能够实现超大跨度的结构形式，但其刚度较小，易受风荷载影响。

▮▮▮▮ⓑ 按结构材料分类 (Classification by Structural Material)

根据结构体系所采用的主要材料，可以分为：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 钢结构 (Steel Structures)：钢结构是以钢材为主要材料制成的结构体系。钢结构具有强度高、延性好、自重轻、施工周期短等优点，适用于大跨度、高层、重型结构。钢结构在工业厂房、高层建筑、桥梁、体育馆等工程中应用广泛。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 混凝土结构 (Concrete Structures)：混凝土结构是以混凝土和钢筋为主要材料制成的结构体系。混凝土结构具有耐久性好、耐火性好、造价较低等优点，是土木工程中最常用的结构形式之一。混凝土结构包括钢筋混凝土结构 (Reinforced Concrete Structures) 和预应力混凝土结构 (Prestressed Concrete Structures)。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 砌体结构 (Masonry Structures)：砌体结构是以砖、砌块、石材等砌体材料砌筑而成的结构体系。砌体结构具有取材方便、施工简易、造价较低等特点，适用于多层住宅、民用建筑等。砌体结构的抗拉强度较低，抗震性能相对较差。

▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 木结构 (Timber Structures)：木结构是以木材为主要材料制成的结构体系。木结构具有轻质高强、绿色环保、施工便捷等优点，适用于低层建筑、景观建筑、仿古建筑等。现代木结构技术的发展，使得木结构在高层建筑和大型公共建筑中也开始得到应用。

▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 组合结构 (Composite Structures)：组合结构是由两种或两种以上不同材料组合而成的结构体系，充分发挥各种材料的优势，提高结构的整体性能。常见的组合结构包括钢-混凝土组合结构、钢-木组合结构等。组合结构在桥梁、高层建筑等工程中具有良好的应用前景。

▮▮▮▮ⓒ 按结构用途分类 (Classification by Structural Purpose)

根据结构体系的用途，可以分为：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 房屋建筑结构 (Building Structures)：用于房屋建筑的结构体系，包括住宅、办公楼、商业建筑、工业厂房等。房屋建筑结构的设计需要满足安全、适用、经济、美观等要求。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 桥梁结构 (Bridge Structures)：用于跨越河流、山谷、道路等障碍的结构体系，包括公路桥、铁路桥、人行桥等。桥梁结构的设计需要考虑交通荷载、环境条件、耐久性等因素。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 隧道结构 (Tunnel Structures)：用于地下空间工程的结构体系，包括公路隧道、铁路隧道、地铁隧道、水工隧道等。隧道结构的设计需要考虑地质条件、水文条件、通风、排水、防火等问题。

▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 水工结构 (Hydraulic Structures)：用于水利工程的结构体系，包括坝、闸、溢洪道、水工隧洞、渠道等。水工结构的设计需要考虑水压力、波浪力、冲刷、渗流等水力学问题。

▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 海洋工程结构 (Offshore Structures)：用于海洋环境中的结构体系，包括海上平台、码头、防波堤、海底管道等。海洋工程结构的设计需要考虑波浪、海流、风、冰、腐蚀等海洋环境因素。

③ 结构体系的基本组成部分 (Basic Components of Structural Systems)

无论何种类型的结构体系，其基本组成部分都包括以下几种构件：

▮▮▮▮ⓐ 梁 (Beam)：主要承受横向荷载的杆件，主要受力形式为弯曲和剪切。梁可以是简支梁、连续梁、悬臂梁等形式。

▮▮▮▮ⓑ 柱 (Column)：主要承受轴向压力的竖向杆件，也可能承受弯矩。柱是结构体系中重要的竖向承重构件。

▮▮▮▮ⓒ 板 (Plate)：在平面内受弯的构件，承受垂直于板面的荷载。楼板、屋面板等都属于板式构件。

▮▮▮▮ⓓ 墙 (Wall)：用于分隔空间或承受荷载的竖向构件。墙可以分为承重墙和非承重墙，剪力墙是专门用于抵抗水平荷载的墙体。

▮▮▮▮ⓔ 拱 (Arch)：曲梁的一种形式，主要承受压力，具有良好的跨越能力。

▮▮▮▮ⓕ 壳 (Shell)：曲面薄壁结构，能够有效地利用材料强度，覆盖大跨度空间。

▮▮▮▮ⓖ 索 (Cable)：柔性杆件，主要承受拉力，用于悬挂或拉结构件。

▮▮▮▮ⓗ 支座 (Support)：结构与地基或其他支撑物体的连接部分，约束结构的位移和转动。支座类型包括固定支座、铰支座、滚动支座等。

理解结构体系的分类和组成部分是进行结构分析和设计的基础。在实际工程中，结构体系往往是由多种基本构件组合而成的复杂体系，需要根据工程的具体情况选择合适的结构形式和材料，并进行详细的力学分析和设计计算，以确保结构的安全可靠和经济适用。

5.1.2 结构荷载的类型与特点 (Types and Characteristics of Structural Loads)

介绍结构荷载的分类（永久荷载、可变荷载、偶然荷载），以及各种荷载的特点、取值与组合原则。

① 结构荷载的定义 (Definition of Structural Loads)

结构荷载 (Structural Loads) 是指作用在工程结构上的各种力。结构荷载是引起结构内力 (Internal Forces) 和变形 (Deformations) 的直接原因，是结构设计 (Structural Design) 的重要依据。准确地确定结构荷载的大小、方向和作用方式，是保证结构安全可靠的关键步骤。

② 结构荷载的分类 (Classification of Structural Loads)

根据荷载随时间变化的特点和作用性质，可以将结构荷载分为以下几种基本类型：

▮▮▮▮ⓐ 按时间变异性分类 (Classification by Time Variability)

根据荷载随时间变化的特点，可以将荷载分为：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 永久荷载 (Permanent Loads) (也称恒荷载 (Dead Loads))：在结构使用期间，其值不随时间变化或变化很小，且总是作用在结构上的荷载。永久荷载主要包括结构的自重 (Self-weight)、土压力 (Earth Pressure)、预应力 (Prestress) 等。
▮▮▮▮⚝ 结构的自重 (Self-weight of Structures)：结构自身材料的重力，是结构最基本的永久荷载。自重的大小取决于结构的材料密度和体积。在结构设计中，自重通常需要精确计算。例如，钢筋混凝土结构的自重计算需要考虑混凝土和钢筋的重量。
▮▮▮▮⚝ 土压力 (Earth Pressure)：由土体对结构产生的压力，如挡土墙 (Retaining Wall)、地下室 (Basement) 墙体受到的土压力。土压力的大小取决于土体的性质、墙体的高度和埋深等因素。
▮▮▮▮⚝ 预应力 (Prestress)：施加在结构上的预先应力，用于改善结构的受力性能。预应力在预应力混凝土结构中是重要的永久荷载。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 可变荷载 (Variable Loads) (也称活荷载 (Live Loads))：在结构使用期间，其值随时间变化，有时作用有时不作用的荷载。可变荷载主要包括楼面活荷载 (Floor Live Loads)、屋面活荷载 (Roof Live Loads)、吊车荷载 (Crane Loads)、雪荷载 (Snow Loads)、风荷载 (Wind Loads)、车辆荷载 (Vehicle Loads)、人群荷载 (Crowd Loads) 等。
▮▮▮▮⚝ 楼面活荷载 (Floor Live Loads)：建筑物楼层使用过程中，人员、家具、设备、货物等产生的荷载。楼面活荷载的大小根据建筑物的使用功能确定，例如住宅、办公楼、仓库等场所的楼面活荷载取值不同。
▮▮▮▮⚝ 屋面活荷载 (Roof Live Loads)：作用在屋面上的施工、检修人员和堆放材料等产生的荷载。屋面活荷载的取值通常较小。
▮▮▮▮⚝ 吊车荷载 (Crane Loads)：工业厂房中，吊车运行和起吊重物产生的荷载。吊车荷载属于动力荷载，设计时需要考虑其动力效应。
▮▮▮▮⚝ 雪荷载 (Snow Loads)：积雪作用在屋面上的荷载。雪荷载的大小取决于当地的降雪量、积雪密度和屋面形状。
▮▮▮▮⚝ 风荷载 (Wind Loads)：风作用在结构上的荷载。风荷载的大小取决于风速、结构的形状和高度、周围环境等因素。风荷载是高层建筑和大型结构的重要控制荷载之一。
▮▮▮▮⚝ 车辆荷载 (Vehicle Loads)：桥梁、道路等结构上，车辆行驶产生的荷载。车辆荷载的取值根据桥梁或道路的设计等级和交通流量确定。
▮▮▮▮⚝ 人群荷载 (Crowd Loads)：人群活动产生的荷载，如体育馆看台、集会场所等。人群荷载的取值较高，设计时需要特别注意。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 偶然荷载 (Accidental Loads)：在结构使用期间，偶然发生、持续时间短、但可能对结构造成严重影响的荷载。偶然荷载主要包括地震荷载 (Earthquake Loads)、爆炸荷载 (Explosion Loads)、撞击荷载 (Impact Loads)、火灾荷载 (Fire Loads) 等。
▮▮▮▮⚝ 地震荷载 (Earthquake Loads)：地震发生时，地面运动对结构产生的惯性力。地震荷载是地震区结构设计的主要控制荷载，抗震设计是保证结构在地震作用下安全的关键。
▮▮▮▮⚝ 爆炸荷载 (Explosion Loads)：爆炸产生的冲击波对结构产生的荷载。爆炸荷载具有冲击性强、持续时间短的特点，设计时需要进行动力分析。
▮▮▮▮⚝ 撞击荷载 (Impact Loads)：物体撞击结构产生的荷载，如车辆撞击桥墩、船舶撞击码头等。撞击荷载属于动力荷载，设计时需要考虑其冲击效应。
▮▮▮▮⚝ 火灾荷载 (Fire Loads)：火灾发生时，高温对结构产生的热作用和应力。火灾荷载会降低结构材料的强度和刚度，影响结构的承载能力和稳定性。

▮▮▮▮ⓑ 按作用性质分类 (Classification by Action Nature)

根据荷载的作用性质，可以将荷载分为：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 静力荷载 (Static Loads)：作用缓慢、持续时间长、不引起结构或构件显著加速度效应的荷载。上述的永久荷载和大部分可变荷载，如楼面活荷载、雪荷载、风荷载等，通常可以视为静力荷载。静力荷载的分析方法相对简单，可以直接应用静力平衡方程进行计算。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 动力荷载 (Dynamic Loads)：作用时间短、变化剧烈、引起结构或构件显著加速度效应的荷载。上述的吊车荷载、地震荷载、爆炸荷载、撞击荷载等都属于动力荷载。动力荷载的分析方法较为复杂，需要考虑结构的动力特性和荷载的时间历程。

③ 荷载的特点 (Characteristics of Loads)

各种结构荷载都具有其自身的特点，在结构设计中需要充分考虑这些特点：

▮▮▮▮ⓐ 永久荷载的特点 (Characteristics of Permanent Loads)：
▮▮▮▮⚝ 持续性 (Persistence)：永久荷载在结构使用期间持续作用，不会消失。
▮▮▮▮⚝ 稳定性 (Stability)：永久荷载的大小和作用位置在结构使用期间基本保持不变。
▮▮▮▮⚝ 可预测性 (Predictability)：永久荷载的大小和分布可以通过计算和分析较为准确地预测。

▮▮▮▮ⓑ 可变荷载的特点 (Characteristics of Variable Loads)：
▮▮▮▮⚝ 时变性 (Time-varying)：可变荷载的大小和作用位置随时间变化，具有随机性。
▮▮▮▮⚝ 随机性 (Randomness)：可变荷载的大小、频率、作用时间等具有不确定性，需要用概率统计方法进行描述。
▮▮▮▮⚝ 地域性 (Regionality)：不同地区的气候条件、使用条件等不同，可变荷载的取值也存在地域差异。例如，雪荷载在北方地区较大，风荷载在沿海地区较大。

▮▮▮▮ⓒ 偶然荷载的特点 (Characteristics of Accidental Loads)：
▮▮▮▮⚝ 突发性 (Suddenness)：偶然荷载发生概率低，但一旦发生，往往具有突发性。
▮▮▮▮⚝ 破坏性 (Destructiveness)：偶然荷载作用强度大，持续时间短，可能对结构造成严重破坏。
▮▮▮▮⚝ 不可预测性 (Unpredictability)：偶然荷载的发生时间和强度难以准确预测，设计时需要考虑其最不利的情况。

④ 荷载取值与组合 (Load Values and Combinations)

在结构设计中，需要根据相关的荷载规范和标准确定各种荷载的取值。荷载规范通常会给出各种荷载的标准值 (Characteristic Value) 和设计值 (Design Value)。标准值是根据统计分析确定的具有一定保证率的荷载值，设计值是在标准值的基础上乘以荷载分项系数 (Load Factor) 得到的，用于结构强度和稳定性的计算。

由于结构在实际使用过程中可能同时受到多种荷载的作用，因此需要进行荷载组合 (Load Combination)。荷载组合是将不同的荷载按照一定的规则组合在一起，以考虑结构在最不利荷载组合下的受力状态。荷载组合通常分为基本组合 (Fundamental Combination) 和偶然组合 (Accidental Combination)。基本组合主要考虑永久荷载和可变荷载的组合，偶然组合主要考虑永久荷载、可变荷载和偶然荷载的组合。荷载组合的系数和组合方式需要根据相关的结构设计规范确定。

例如，对于钢筋混凝土结构，常用的荷载组合表达式如下：

⚝ 基本组合 (用于承载能力极限状态计算)：
\[ 1.2 \times \text{永久荷载} + 1.4 \times \text{主要可变荷载} + 1.4 \times \sum (\text{其他可变荷载} \times \text{组合值系数}) \]

⚝ 偶然组合 (用于承载能力极限状态计算，例如地震)：
\[ 1.0 \times \text{永久荷载} + 1.0 \times \text{地震荷载} + 1.0 \times \sum (\text{可变荷载} \times \text{组合值系数}) \]

其中，荷载分项系数 (如 1.2, 1.4, 1.0) 用于考虑荷载的不确定性和结构的安全性，组合值系数 (Combination Value Factor) 用于考虑可变荷载不同时出现的概率。

正确理解和掌握结构荷载的类型、特点、取值和组合原则，是进行结构安全分析和可靠设计的必要前提。土木工程师需要根据工程结构的具体情况，合理地确定结构荷载，为后续的结构分析和设计提供准确的输入条件。

6. 交通工程 (Transportation Engineering)

章节概要

本章系统介绍交通工程 (Transportation Engineering) 的基本原理、交通规划 (Transportation Planning)、道路工程 (Highway Engineering)、桥梁工程 (Bridge Engineering)、隧道工程 (Tunnel Engineering)、轨道交通工程 (Rail Transit Engineering) 等核心内容，涵盖交通基础设施的规划、设计、建设与运营。交通工程是土木工程 (Civil Engineering) 的重要分支，致力于解决人与物移动的需求，构建安全、高效、可持续的交通运输系统，是现代社会经济发展的重要支撑。本章旨在为读者构建全面的交通工程知识体系，深入理解交通工程的理论与实践，为未来的学习和工作奠定坚实的基础。

6.1 交通工程概述与交通规划 (Overview of Transportation Engineering and Traffic Planning)

6.1.1 交通工程的定义与研究内容 (Definition and Research Content of Transportation Engineering)

① 交通工程的定义 (Definition of Transportation Engineering)

交通工程 (Transportation Engineering) 是一门工程技术与管理科学交叉的学科，属于土木工程 (Civil Engineering) 的重要分支。其核心目标是安全、高效、便捷、经济、环保地实现人与货物的空间位移。从广义上讲，交通工程涵盖了各种运输方式，包括道路、铁路、航空、水运和管道运输等；狭义的交通工程则主要侧重于道路交通，即公路、城市道路及其交通系统。

交通工程的定义可以从以下几个方面进行理解：

⚝ 工程性 (Engineering Nature)：交通工程是工程学科，运用工程学的原理和方法，解决交通运输系统中的规划、设计、建设、运营和管理等问题。
⚝ 系统性 (Systematic Nature)：交通运输是一个复杂的系统，交通工程研究的对象是整个交通运输系统，包括人、车、路、环境和管理等要素及其相互作用。
⚝ 服务性 (Service Nature)：交通工程的根本目的是服务于社会经济发展和人民生活，满足不断增长的交通运输需求，提高运输效率，改善交通环境。
⚝ 综合性 (Comprehensive Nature)：交通工程涉及多学科知识，如数学、物理、力学、地理、经济、管理、计算机科学等，需要综合运用多学科的知识和方法进行研究和实践。

② 交通工程的学科范畴 (Scope of Transportation Engineering Disciplines)

交通工程的学科范畴非常广泛，主要包括以下几个核心领域：

⚝ 交通规划 (Transportation Planning)：研究交通需求的预测、交通网络的规划、交通运输政策的制定等，为交通基础设施的建设和交通系统的运行提供宏观指导。
⚝ 交通设计 (Transportation Design)：包括道路几何设计、路面结构设计、桥梁设计、隧道设计、交通控制与安全设施设计等，是交通基础设施建设的技术核心。
⚝ 交通运营与管理 (Transportation Operation and Management)：研究交通系统的运行规律、交通流量的控制、交通安全的保障、交通信息的服务等，旨在提高交通系统的效率和安全性。
⚝ 交通工程经济与评价 (Transportation Engineering Economics and Evaluation)：运用经济学的原理和方法，对交通工程项目进行经济可行性分析、投资决策、效益评价等。
⚝ 智能交通系统 (Intelligent Transportation Systems, ITS)：利用先进的信息技术、通信技术、控制技术等，构建智能化的交通运输系统，提高交通效率、安全性和可持续性。
⚝ 可持续交通 (Sustainable Transportation)：关注交通运输对环境、能源和社会的影响，研究绿色交通、低碳交通、公共交通优先发展等可持续交通发展模式。

③ 交通工程的主要研究内容 (Main Research Contents of Transportation Engineering)

交通工程的研究内容非常丰富，涵盖了交通运输系统的各个方面。主要研究内容包括：

⚝ 交通需求分析与预测 (Traffic Demand Analysis and Forecasting)：运用数学模型和统计方法，分析交通需求的特征、影响因素和发展趋势，预测未来的交通需求量，为交通规划和设计提供依据。
⚝ 交通网络规划与设计 (Transportation Network Planning and Design)：根据交通需求和城市发展规划，规划和设计合理的交通网络，包括道路网络、轨道交通网络、公共交通网络等。
⚝ 道路几何设计 (Geometric Design of Highways)：研究道路的平面线形、纵断面线形和横断面形式，设计安全、舒适、美观的道路。
⚝ 路面结构设计与材料 (Pavement Structure Design and Materials)：研究路面结构的组成、力学性能和耐久性，设计经济、耐用的路面结构，并研究新型路面材料。
⚝ 桥梁与隧道工程 (Bridge and Tunnel Engineering)：研究桥梁和隧道的结构形式、设计理论、施工技术和养护管理，解决复杂地形条件下的交通瓶颈问题。
⚝ 交通控制与管理 (Traffic Control and Management)：研究交通信号控制、交通标志标线、交通诱导系统、交通安全管理等，提高道路通行能力，保障交通安全。
⚝ 公共交通系统规划与优化 (Public Transportation System Planning and Optimization)：研究公共交通系统的规划布局、线路优化、运营调度、服务质量提升等，提高公共交通的吸引力和竞争力。
⚝ 智能交通系统技术与应用 (Intelligent Transportation System Technology and Application)：研究ITS的关键技术，如交通信息采集、传输、处理、发布、控制、诱导等，并在交通管理、交通信息服务、车辆控制等方面进行应用。
⚝ 交通安全工程 (Traffic Safety Engineering)：研究交通事故的成因、预防措施和安全评价方法，设计交通安全设施，提高交通安全水平。
⚝ 交通环境工程 (Transportation Environmental Engineering)：研究交通运输对环境的影响，如交通噪声、尾气排放、振动等，并提出环境保护和污染防治措施。
⚝ 交通可持续发展 (Sustainable Transportation Development)：研究可持续交通发展的理论、模式和技术，推动绿色交通、低碳交通、公共交通优先发展，实现交通运输与环境、经济和社会的协调发展。

6.1.2 交通规划原理与方法 (Principles and Methods of Traffic Planning)

① 交通规划的目的与目标 (Purpose and Objectives of Traffic Planning)

交通规划 (Transportation Planning) 是交通工程领域的重要组成部分，是制定交通政策、建设交通基础设施、改善交通运行状况的先导和基础。交通规划的目的在于：

⚝ 满足交通需求 (Meeting Transportation Demand)：预测未来交通需求，规划和建设相应的交通基础设施，以满足不断增长的人员和货物出行需求。
⚝ 优化交通资源配置 (Optimizing Transportation Resource Allocation)：合理配置土地、资金、能源等交通资源，提高交通资源的利用效率，避免资源浪费。
⚝ 改善交通运行效率 (Improving Transportation Operation Efficiency)：通过交通规划，优化交通网络结构，提高道路通行能力，减少交通拥堵，缩短出行时间。
⚝ 保障交通安全 (Ensuring Transportation Safety)：将交通安全作为交通规划的重要目标，通过合理的道路设计、交通控制和安全设施，降低交通事故发生率，保障出行安全。
⚝ 促进社会经济发展 (Promoting Socio-economic Development)：交通规划应与城市发展规划、土地利用规划相协调，为经济发展、城市建设和居民生活提供良好的交通支撑。
⚝ 实现可持续交通发展 (Achieving Sustainable Transportation Development)：在交通规划中充分考虑环境、能源和社会因素，推动绿色交通、低碳交通，实现交通运输的可持续发展。

交通规划的目标通常可以概括为5E原则，即：

⚝ 经济性 (Economy)：Economic Efficiency
⚝ 效率性 (Efficiency)：Operational Efficiency
⚝ 安全性 (Safety)：Traffic Safety
⚝ 可达性 (Accessibility)：Accessibility and Connectivity
⚝ 环境友好性 (Environment)：Environmental Sustainability

② 交通规划的基本原理 (Basic Principles of Traffic Planning)

交通规划需要遵循一系列基本原理，以确保规划的科学性、合理性和有效性。主要基本原理包括：

⚝ 系统性原理 (Systematic Principle)：将交通运输系统视为一个复杂的系统，规划时要从系统整体出发，综合考虑人、车、路、环境和管理等要素之间的相互作用和影响。
⚝ 协调性原理 (Coordination Principle)：交通规划要与城市总体规划、土地利用规划、环境保护规划等相关规划相协调，实现交通运输与城市发展、环境保护的协调发展。
⚝ 超前性原理 (Forward-looking Principle)：交通规划要具有一定的超前性，要预测未来交通需求的发展趋势，为未来的交通发展预留空间和条件。
⚝ 可行性原理 (Feasibility Principle)：交通规划方案要具有技术可行性、经济可行性和社会可行性，要充分考虑规划方案的实施条件和约束条件。
⚝ 公众参与原理 (Public Participation Principle)：交通规划过程要充分听取公众的意见和建议，提高规划的民主性和透明度，增强公众对规划的认可度和支持度。
⚝ 可持续发展原理 (Sustainable Development Principle)：交通规划要贯彻可持续发展理念，充分考虑环境、能源和社会因素，推动绿色交通、低碳交通，实现交通运输的可持续发展。

③ 交通规划的步骤 (Steps of Traffic Planning)

交通规划是一个复杂的过程，通常包括以下几个主要步骤：

1. 确定规划目标与范围 (Define Planning Goals and Scope)：
   ▮▮▮▮⚝ 明确交通规划要解决的问题，确定规划的目标，例如缓解交通拥堵、改善交通安全、提高公共交通服务水平等。
   ▮▮▮▮⚝ 确定交通规划的范围，包括规划的地域范围、时间范围、规划对象（例如城市道路交通、区域综合交通等）。

2. 交通现状调查与分析 (Traffic Survey and Analysis)：
   ▮▮▮▮⚝ 交通调查 (Traffic Survey)：收集交通运输系统的现状数据，包括交通流量、交通流速、交通密度、出行OD (Origin-Destination) 数据、交通设施状况、交通安全状况、公共交通运营状况等。常用的交通调查方法包括：
   ▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 人工调查 (Manual Survey)：人工计数、问卷调查、访谈等。
   ▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 仪器调查 (Instrument Survey)：线圈检测器、视频检测器、雷达检测器、GPS 数据采集等。
   ▮▮▮▮⚝ 交通现状分析 (Traffic Status Analysis)：对交通调查数据进行整理、分析和评价，识别交通系统存在的问题和瓶颈，为交通规划提供依据。常用的交通现状分析方法包括：
   ▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 交通流分析 (Traffic Flow Analysis)：分析交通流量、流速、密度等交通流参数，评估道路通行能力和服务水平。
   ▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ OD 分析 (Origin-Destination Analysis)：分析出行起点和终点分布、出行距离、出行时间等，了解出行特征和规律。
   ▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 交通安全分析 (Traffic Safety Analysis)：分析交通事故发生率、事故类型、事故地点等，评估交通安全状况。
   ▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 公共交通分析 (Public Transportation Analysis)：分析公共交通线路覆盖率、站点密度、运营效率、服务质量等，评估公共交通服务水平。

3. 交通需求预测 (Traffic Demand Forecasting)：
   ▮▮▮▮⚝ 预测未来交通需求量 (Forecasting Future Traffic Demand)：根据交通现状分析、城市发展规划、人口增长预测、经济发展预测等因素，预测未来一定时期内的交通需求量。常用的交通需求预测方法包括：
   ▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 趋势外推法 (Trend Extrapolation Method)：根据历史交通需求数据，预测未来交通需求的发展趋势。
   ▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 回归分析法 (Regression Analysis Method)：建立交通需求与影响因素之间的回归模型，预测未来交通需求。
   ▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 四阶段法 (Four-Step Model)：传统的交通需求预测方法，包括出行生成 (Trip Generation)、出行分布 (Trip Distribution)、方式划分 (Mode Choice)、交通分配 (Traffic Assignment) 四个阶段。
   ▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 基于活动的模型 (Activity-Based Model)：更先进的交通需求预测方法，考虑个体的出行活动链和出行决策过程。

4. 制定交通规划方案 (Formulate Transportation Planning Schemes)：
   ▮▮▮▮⚝ 根据交通需求预测结果和规划目标，制定多种交通规划方案 (Formulate Multiple Transportation Planning Schemes)，例如：
   ▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 道路网络改善方案 (Road Network Improvement Scheme)：新建、改建道路，优化道路网络结构。
   ▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 公共交通发展方案 (Public Transportation Development Scheme)：增加公交线路、优化公交站点、建设轨道交通。
   ▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 交通管理改善方案 (Traffic Management Improvement Scheme)：实施交通信号优化、单行道、潮汐车道、停车管理等措施。
   ▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 智能交通系统建设方案 (Intelligent Transportation System Construction Scheme)：建设交通信息平台、交通诱导系统、交通监控系统等。

5. 方案评价与选择 (Scheme Evaluation and Selection)：
   ▮▮▮▮⚝ 对制定的交通规划方案进行综合评价 (Comprehensive Evaluation of Transportation Planning Schemes)，从经济效益、社会效益、环境效益、技术可行性、实施效果等方面进行分析和比较。常用的方案评价方法包括：
   ▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 成本效益分析 (Cost-Benefit Analysis)：比较方案的成本和效益，评估方案的经济性。
   ▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 多目标决策分析 (Multi-objective Decision Analysis)：综合考虑多个评价指标，例如经济效益、环境效益、社会公平性等，进行方案优选。
   ▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 专家咨询法 (Expert Consultation Method)：邀请专家对方案进行评审和论证。
   ▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 公众意见征询 (Public Opinion Solicitation)：征求公众对方案的意见和建议。
   ▮▮▮▮⚝ 选择最优的交通规划方案 (Select the Optimal Transportation Planning Scheme)，作为交通基础设施建设和交通系统运行的指导依据。

6. 规划实施与效果评估 (Planning Implementation and Effect Evaluation)：
   ▮▮▮▮⚝ 实施选定的交通规划方案 (Implement the Selected Transportation Planning Scheme)，逐步落实规划方案中的各项措施和项目。
   ▮▮▮▮⚝ 对规划实施效果进行跟踪评估 (Track and Evaluate the Implementation Effects of Planning)，检验规划方案是否达到预期的目标，及时调整和完善交通规划。

④ 交通规划的常用方法 (Common Methods of Traffic Planning)

交通规划中常用的方法和技术包括：

⚝ 交通需求预测模型 (Traffic Demand Forecasting Models)：如四阶段法模型、基于活动的模型、Logit 模型、神经网络模型等，用于预测未来的交通需求量。
⚝ 交通分配模型 (Traffic Assignment Models)：如用户均衡分配模型、系统最优分配模型、动态交通分配模型等，用于模拟交通流在交通网络上的分布。
⚝ 交通仿真技术 (Traffic Simulation Technology)：如微观交通仿真、宏观交通仿真、VISSIM、SUMO 等软件，用于模拟交通流运行状况，评估交通规划方案的效果。
⚝ 地理信息系统 (Geographic Information System, GIS)：用于交通数据的空间分析、交通网络的可视化表达、交通规划方案的空间布局。
⚝ 优化算法 (Optimization Algorithms)：如遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法等，用于优化交通网络结构、交通信号配时、公共交通线路等。
⚝ 经济评价方法 (Economic Evaluation Methods)：如成本效益分析、费用效果分析、净现值法、内部收益率法等，用于评估交通规划方案的经济效益。
⚝ 多目标决策方法 (Multi-objective Decision Methods)：如层次分析法 (AHP)、模糊综合评价法、TOPSIS 法等，用于综合评价多个交通规划方案。

6.1.3 城市综合交通规划 (Urban Integrated Transportation Planning)

① 城市综合交通规划的内容 (Contents of Urban Integrated Transportation Planning)

城市综合交通规划 (Urban Integrated Transportation Planning) 是针对城市交通特点和问题，以系统化、综合性的思路，对城市交通运输系统进行全面规划和优化的过程。城市综合交通规划的内容主要包括：

⚝ 城市交通发展战略 (Urban Transportation Development Strategy)：
▮▮▮▮⚝ 确定城市交通发展的总体目标、发展方向和发展模式，例如优先发展公共交通、控制小汽车发展、建设绿色交通城市等。
▮▮▮▮⚝ 制定城市交通发展的政策和措施，例如交通需求管理政策、公共交通优先发展政策、停车管理政策、绿色交通政策等。

⚝ 城市交通系统结构规划 (Urban Transportation System Structure Planning)：
▮▮▮▮⚝ 道路网络规划 (Road Network Planning)：规划城市道路网络的布局结构、等级规模、密度指标等，构建功能完善、级配合理的道路网络体系。
▮▮▮▮⚝ 公共交通系统规划 (Public Transportation System Planning)：规划城市公共交通系统的类型结构、线网布局、站点设置、换乘枢纽等，构建以公共交通为主导的城市客运系统。
▮▮▮▮⚝ 慢行交通系统规划 (Non-motorized Transportation System Planning)：规划城市步行和自行车交通系统，建设安全、舒适、便捷的步行和自行车出行环境，鼓励绿色出行。
▮▮▮▮⚝ 货运交通系统规划 (Freight Transportation System Planning)：规划城市货运交通系统的组织模式、货运通道、货运场站等，提高城市货运效率，减少货运交通对城市环境的影响。
▮▮▮▮⚝ 停车系统规划 (Parking System Planning)：规划城市停车设施的规模、布局、类型、管理模式等，合理满足城市停车需求，规范停车秩序。
▮▮▮▮⚝ 综合交通枢纽规划 (Comprehensive Transportation Hub Planning)：规划城市对外交通枢纽和城市内部交通枢纽，实现各种交通方式的有效衔接和换乘。

⚝ 城市交通需求管理规划 (Urban Transportation Demand Management Planning)：
▮▮▮▮⚝ 交通需求预测与调控 (Traffic Demand Forecasting and Regulation)：预测城市交通需求的变化趋势，制定交通需求管理策略，引导和调控交通需求，缓解交通拥堵。
▮▮▮▮⚝ 土地利用与交通协调规划 (Land Use and Transportation Coordination Planning)：优化城市土地利用布局，减少出行距离，降低交通需求强度，促进土地利用与交通运输的协调发展。
▮▮▮▮⚝ 交通政策与法规规划 (Transportation Policy and Regulation Planning)：制定城市交通政策和法规，规范交通行为，保障交通秩序，促进交通可持续发展。

⚝ 城市交通设施建设规划 (Urban Transportation Facility Construction Planning)：
▮▮▮▮⚝ 近期建设规划 (Short-term Construction Planning)：制定近期（例如5-10年）城市交通基础设施建设规划，明确建设目标、建设任务、建设项目、投资计划等。
▮▮▮▮⚝ 远期发展展望 (Long-term Development Vision)：展望城市交通远期发展前景，为城市交通长期发展方向提供指引。

② 城市综合交通规划的特点 (Characteristics of Urban Integrated Transportation Planning)

城市综合交通规划具有以下特点：

⚝ 综合性 (Comprehensive)：城市综合交通规划涵盖了城市交通运输系统的各个方面，包括客运、货运、公共交通、个体交通、慢行交通、停车等，是一个多要素、多层次、多目标的综合性规划。
⚝ 系统性 (Systematic)：城市综合交通规划强调系统化的规划思路，从城市交通系统的整体出发，综合考虑各种交通方式之间的协调发展，以及交通运输与城市发展、环境保护的协调发展。
⚝ 战略性 (Strategic)：城市综合交通规划具有战略性，它不仅关注当前的交通问题，更要着眼于城市交通的长期发展，制定具有前瞻性和指导性的交通发展战略。
⚝ 多学科性 (Multi-disciplinary)：城市综合交通规划涉及交通工程、城市规划、经济学、社会学、环境科学、管理科学等多个学科的知识，需要多学科的专家协同合作。
⚝ 动态性 (Dynamic)：城市交通需求和城市发展不断变化，城市综合交通规划需要根据实际情况进行动态调整和完善，是一个持续改进的过程。
⚝ 公众参与性 (Public Participation)：城市综合交通规划强调公众参与，要充分听取公众的意见和建议，提高规划的民主性和透明度，增强规划的社会基础。

③ 城市综合交通规划的目标 (Goals of Urban Integrated Transportation Planning)

城市综合交通规划的目标是构建安全、高效、便捷、绿色、可持续的城市交通运输系统，具体目标包括：

⚝ 提升城市交通效率 (Improving Urban Transportation Efficiency)：
▮▮▮▮⚝ 提高道路通行能力，减少交通拥堵，缩短出行时间。
▮▮▮▮⚝ 优化公共交通系统，提高公共交通运行效率和服务水平。
▮▮▮▮⚝ 提高货物运输效率，降低物流成本。

⚝ 保障城市交通安全 (Ensuring Urban Transportation Safety)：
▮▮▮▮⚝ 降低交通事故发生率，减少人员伤亡和财产损失。
▮▮▮▮⚝ 改善交通安全环境，提高出行安全感。

⚝ 提升城市交通便捷性 (Improving Urban Transportation Convenience)：
▮▮▮▮⚝ 提供多样化的交通出行方式选择，满足不同人群的出行需求。
▮▮▮▮⚝ 提高公共交通可达性和覆盖率，方便居民出行。
▮▮▮▮⚝ 改善步行和自行车出行环境，鼓励绿色出行。

⚝ 构建绿色城市交通 (Building Green Urban Transportation)：
▮▮▮▮⚝ 减少交通运输对环境的污染，降低尾气排放、噪声污染。
▮▮▮▮⚝ 节约能源消耗，提高能源利用效率。
▮▮▮▮⚝ 促进绿色交通方式发展，鼓励公共交通、步行、自行车出行。

⚝ 促进城市交通可持续发展 (Promoting Sustainable Urban Transportation Development)：
▮▮▮▮⚝ 实现交通运输与城市发展、环境保护、社会公平的协调发展。
▮▮▮▮⚝ 构建经济、社会和环境效益相统一的城市交通运输系统。
▮▮▮▮⚝ 为城市的可持续发展提供良好的交通支撑。

④ 公共交通优先发展战略 (Public Transportation Priority Development Strategy)

公共交通优先发展战略 (Public Transportation Priority Development Strategy) 是解决城市交通问题的根本途径和战略选择。优先发展公共交通的意义在于：

⚝ 提高交通资源利用效率 (Improving Transportation Resource Utilization Efficiency)：公共交通具有集约化运输的特点，可以有效提高道路资源、土地资源、能源资源的利用效率，缓解城市交通资源紧张的矛盾。
⚝ 缓解交通拥堵 (Alleviating Traffic Congestion)：优先发展公共交通，可以吸引更多人选择公共交通出行，减少个体机动车出行量，从而缓解交通拥堵。
⚝ 改善城市空气质量 (Improving Urban Air Quality)：公共交通车辆的尾气排放量相对较低，优先发展公共交通，可以减少城市尾气排放总量，改善城市空气质量。
⚝ 降低交通能耗 (Reducing Transportation Energy Consumption)：公共交通的单位人公里能耗远低于个体机动车，优先发展公共交通，可以降低交通运输的能源消耗，节约能源。
⚝ 提高交通公平性 (Improving Transportation Equity)：公共交通是面向全体社会成员的交通服务，优先发展公共交通，可以为低收入人群、老年人、残疾人等弱势群体提供基本的出行保障，提高交通公平性。
⚝ 促进城市可持续发展 (Promoting Sustainable Urban Development)：优先发展公共交通，是实现城市交通可持续发展的关键措施，有助于构建资源节约型、环境友好型城市。

公共交通优先发展战略的主要内容包括：

⚝ 规划优先 (Planning Priority)：在城市规划中，优先考虑公共交通发展，合理布局公共交通线路和站点，预留公共交通用地空间。
⚝ 建设优先 (Construction Priority)：加大公共交通基础设施建设投入，加快轨道交通、快速公交系统 (Bus Rapid Transit, BRT) 等大运量公共交通系统的建设。
⚝ 路权优先 (Right-of-Way Priority)：给予公共交通车辆道路通行优先权，设置公交专用道、信号优先等措施，提高公共交通运行效率。
⚝ 政策优先 (Policy Priority)：制定公共交通优先发展政策，例如财政补贴、票价优惠、停车限制、交通需求管理等，鼓励公众选择公共交通出行。
⚝ 服务优先 (Service Priority)：提高公共交通服务质量，改善乘车环境，优化运营调度，提供便捷、舒适、准时的公共交通服务。
⚝ 管理优先 (Management Priority)：加强公共交通运营管理，提高运营效率和服务水平，提升公共交通竞争力。

6.2 道路工程 (Highway Engineering)

6.2.1 道路的组成与等级 (Components and Classifications of Highways)

① 道路的组成部分 (Components of Highways)

道路 (Highway) 是供车辆和行人通行的带状工程设施。一条完整的道路通常由以下几个组成部分构成：

⚝ 路基 (Subgrade)：路基是道路的基础结构，承受由路面传递下来的车辆荷载和自然因素的作用。路基的稳定性和强度直接影响着路面的使用性能和寿命。路基工程主要包括路基土石方工程、路基排水工程、路基防护工程等。

⚝ 路面 (Pavement)：路面是直接承受车辆荷载和行车作用的结构层，为车辆提供平整、稳定、耐久和舒适的行驶表面。路面结构通常由面层、基层、底基层等组成。路面工程主要包括路面基层工程、路面面层工程、路面排水工程等。

⚝ 桥涵 (Bridges and Culverts)：桥梁 (Bridge) 是跨越河流、山谷、铁路、道路等障碍物而修建的构造物，用于保证道路的连续通行。涵洞 (Culvert) 是设置在路基下，用于排除地面水流的通道。桥涵工程主要包括桥梁上部结构工程、桥梁下部结构工程、涵洞工程等。

⚝ 隧道 (Tunnel)：隧道是穿越山岭、地下或其他障碍物而修建的地下通道，用于缩短线路长度、降低工程造价、改善线路条件。隧道工程主要包括隧道开挖工程、隧道支护工程、隧道衬砌工程、隧道通风照明工程等。

⚝ 交通工程及沿线设施 (Traffic Engineering and Ancillary Facilities)：交通工程设施是为了保障交通安全、提高通行效率而设置的各种交通管理和控制设施，包括交通标志、交通标线、交通信号、交通监控、交通诱导等。沿线设施是为了服务于交通运输和提高道路使用功能而设置的各种设施，包括服务区、停车区、收费站、绿化、照明、排水等。

② 道路的等级划分标准 (Classification Standards of Highways)

为了适应不同交通运输需求和经济发展水平，根据道路的功能、交通量、设计速度等因素，将道路划分为不同的等级。世界各国和地区的道路等级划分标准不尽相同，但基本原则是相似的。中国的《公路工程技术标准》(JTG B01-2014) 将公路划分为五个等级：高速公路、一级公路、二级公路、三级公路、四级公路。

⚝ 高速公路 (Expressway)：是为专供汽车分道高速行驶并全部控制出入的公路。高速公路具有高速度、大运量、安全、舒适的特点，主要连接重要的政治、经济中心，承担长距离、快速的客货运输任务。高速公路的设计速度一般为 80km/h、100km/h、120km/h。

⚝ 一级公路 (First-class Highway)：是连接重要城市，供汽车分道行驶，部分控制出入的公路。一级公路是高等级公路的重要组成部分，主要承担中长距离的客货运输任务，兼顾城市过境交通。一级公路的设计速度一般为 60km/h、80km/h、100km/h。

⚝ 二级公路 (Second-class Highway)：是连接县级以上地方及重要城镇的公路。二级公路主要承担中短距离的客货运输任务，兼顾地方交通运输。二级公路的设计速度一般为 40km/h、60km/h、80km/h。

⚝ 三级公路 (Third-class Highway)：是连接县、乡、村 地方的公路。三级公路主要承担地方短距离的客货运输和农村地区对外交通任务。三级公路的设计速度一般为 30km/h、40km/h、60km/h。

⚝ 四级公路 (Fourth-class Highway)：是主要供农村地区或林区、矿区等为解决通达问题而修建的公路。四级公路主要承担农村地区内部和对外的短距离客货运输任务。四级公路的设计速度一般为 20km/h、30km/h、40km/h。

不同等级公路的主要技术指标有所不同，例如路基宽度、路面宽度、设计速度、平曲线最小半径、竖曲线最小半径、最大纵坡等。等级越高的公路，技术指标要求越高，建设标准也越高。

6.2.2 道路几何设计 (Geometric Design of Highways)

道路几何设计 (Geometric Design of Highways) 是道路设计的重要组成部分，是指根据道路等级、交通量、地形地貌、地质水文等条件，确定道路的平面线形、纵断面线形和横断面形式，以满足交通安全、舒适、快速、经济的要求。道路几何设计主要包括平面设计、纵断面设计和横断面设计三个方面。

① 道路平面设计 (Horizontal Alignment Design of Highways)

道路平面设计 (Horizontal Alignment Design of Highways) 是指确定道路中心线在水平面上的投影线形。道路平面线形由直线、圆曲线和缓和曲线三种基本线形要素组合而成。

⚝ 直线 (Straight Line)：直线是平面线形的基本要素，线形简单、测设方便、行车顺畅。但在长直线路段容易使驾驶员产生单调感和疲劳感，不利于行车安全。

⚝ 圆曲线 (Circular Curve)：圆曲线是平面线形的主要要素，用于连接两条相邻的直线，实现线路方向的转弯。圆曲线的半径大小直接影响着行车安全和舒适性。半径越大，线形越缓和，行车越安全舒适，但占地面积也越大。圆曲线半径的选择应根据道路等级、设计速度、地形条件等因素综合确定。

⚝ 缓和曲线 (Transition Curve)：缓和曲线是设置在直线与圆曲线之间或大半径圆曲线与小半径圆曲线之间的曲率半径逐渐变化的曲线。缓和曲线的作用是使车辆在进入或驶出圆曲线时，曲率变化gradual，避免产生离心力的突变，提高行车平稳性和舒适性，并为超高和加宽的设置提供过渡段。常用的缓和曲线有回旋线、三次抛物线、Clothoid 曲线等。

道路平面设计的主要内容包括：

⚝ 路线走向选择 (Route Alignment Selection)：根据道路的起终点、控制点、地形地貌、地质水文、环境保护等因素，确定道路的总体走向和基本路由。路线走向选择要力求线路短捷、工程经济、安全可靠、环境协调。

⚝ 线形组合设计 (Alignment Combination Design)：根据路线走向和地形条件，合理组合直线、圆曲线和缓和曲线，形成连续、平顺、均衡的平面线形。线形组合设计要满足平曲线最小半径、缓和曲线最小长度、直线最小长度、反向曲线间最小直线长度等技术标准要求。

⚝ 平曲线要素计算 (Horizontal Curve Element Calculation)：根据选定的圆曲线半径和缓和曲线参数，计算平曲线的切线长、曲线长、外矢距、切曲差等要素，为道路放线和施工提供数据。

⚝ 超高与加宽设计 (Superelevation and Widening Design)：为了抵消车辆在圆曲线路段行驶时产生的离心力，保证行车安全和舒适性，需要在圆曲线路段设置路面横坡超高 (Superelevation)。同时，为了保证车辆在圆曲线路段行驶时有足够的安全余地，还需要在圆曲线路段进行路面加宽 (Widening)。超高和加宽的设计要根据道路等级、设计速度、圆曲线半径等因素确定。

② 道路纵断面设计 (Vertical Alignment Design of Highways)

道路纵断面设计 (Vertical Alignment Design of Highways) 是指确定道路中心线在纵向竖直面上的投影线形。道路纵断面线形由直线坡段和竖曲线两种基本线形要素组合而成。

⚝ 直线坡段 (Straight Grade Section)：直线坡段是指具有一定坡度的直线线段，用于连接不同高程的路段。坡度的大小直接影响着车辆的行驶性能、安全性和经济性。坡度越大，车辆爬坡能力要求越高，下坡制动距离越长，行车安全风险越大，燃油消耗也越高。道路纵坡的选择应根据道路等级、设计速度、地形条件、交通组成等因素综合确定。

⚝ 竖曲线 (Vertical Curve)：竖曲线是设置在相邻两直线坡段之间或同一坡段内变坡点处的曲线，用于实现纵坡的平缓过渡，保证行车平稳性和视距条件。竖曲线有凸形竖曲线 (Crest Vertical Curve) 和 凹形竖曲线 (Sag Vertical Curve) 两种类型。常用的竖曲线是抛物线竖曲线。竖曲线半径的大小直接影响着行车平稳性和视距条件。半径越大，线形越缓和，行车越平稳舒适，视距条件也越好，但工程量也越大。竖曲线半径的选择应根据道路等级、设计速度、纵坡坡度差等因素综合确定。

道路纵断面设计的主要内容包括：

⚝ 纵坡设计 (Grade Design)：根据道路的起终点高程、地形条件、地质水文、工程经济等因素，确定道路的纵坡坡度、坡长和变坡点位置。纵坡设计要力求纵坡平缓、起伏均衡、填挖平衡、经济合理。纵坡设计要满足最大纵坡、最小纵坡、平均纵坡、合成坡度等技术标准要求。

⚝ 竖曲线设计 (Vertical Curve Design)：根据纵坡设计结果，在变坡点处设置竖曲线，实现纵坡的平缓过渡。竖曲线设计要满足竖曲线最小半径、竖曲线最小长度等技术标准要求，并保证视距条件 (Sight Distance) 满足行车安全要求。视距主要包括停车视距 (Stopping Sight Distance, SSD) 和 会车视距 (Passing Sight Distance, PSD)。

⚝ 纵断面要素计算 (Vertical Alignment Element Calculation)：根据选定的纵坡坡度和竖曲线参数，计算纵断面的坡段起止点桩号、高程、坡长、竖曲线起点、终点桩号、切线长、曲线长、外矢距等要素，为道路纵断面图绘制和施工提供数据。

⚝ 纵横坡协调设计 (Coordination Design of Longitudinal and Cross Slopes)：在纵断面设计时，要与平面设计和横断面设计相协调，综合考虑平面线形、纵断面线形和横断面形式的组合，形成线形流畅、视线诱导良好、排水顺畅的立体线形。

③ 道路横断面设计 (Cross-section Design of Highways)

道路横断面设计 (Cross-section Design of Highways) 是指确定道路在横断面方向上的组成和尺寸。道路横断面形式主要包括单幅路、双幅路、三幅路和四幅路等。道路横断面组成主要包括行车道、中间带、路肩、分隔带、边沟、边坡等。

⚝ 行车道 (Traffic Lane)：行车道是供车辆行驶的路面部分，是道路横断面最重要的组成部分。行车道宽度应根据道路等级、设计速度、交通量、车辆组成等因素确定。一般情况下，高速公路和一级公路的行车道宽度为 3.75m，二级公路和三级公路的行车道宽度可适当减小。

⚝ 中间带 (Median)：中间带是设置在双向行驶车道之间的分隔带，用于分隔对向交通流，防止车辆驶入对向车道，提高行车安全性。中间带根据其功能和形式，可分为中央分隔带 (Central Median) 和 两侧分隔带 (Lateral Median)。中央分隔带通常设置在高速公路和一级公路中央，两侧分隔带通常设置在城市道路两侧。中间带宽度应根据道路等级、设计速度、交通量、景观要求等因素确定。

⚝ 路肩 (Shoulder)：路肩是设置在行车道外侧，用于保护路面结构、供临时停车、紧急停车、养护作业的路面边缘带。路肩根据其位置和功能，可分为硬路肩 (Hard Shoulder) 和 土路肩 (Earth Shoulder)。硬路肩通常采用与行车道相同的路面结构，土路肩则采用土质或草皮。路肩宽度应根据道路等级、设计速度、交通量、地形条件等因素确定。

⚝ 分隔带 (Separation Strip)：分隔带是设置在不同功能车道之间或行车道与人行道、非机动车道之间的分隔设施，用于分隔不同类型的交通流，提高交通秩序和安全性。分隔带形式多样，可以是绿化带、护栏、路缘石等。

⚝ 边沟 (Side Ditch)：边沟是设置在路基两侧，用于收集和排除路面和路基表面的雨水的排水设施。边沟形式多样，可以是梯形边沟、矩形边沟、三角形边沟等。边沟尺寸和形式应根据降雨量、排水量、地形条件等因素确定。

⚝ 边坡 (Side Slope)：边坡是路基两侧的倾斜坡面，用于保证路基的稳定性和边坡的绿化美观。边坡坡度应根据土质、地质条件、降雨量、植被类型等因素确定。边坡防护措施包括植物防护、工程防护等。

道路横断面设计的主要内容包括：

⚝ 横断面形式选择 (Cross-section Form Selection)：根据道路的功能、等级、交通量、地形条件、城市规划等因素，选择合适的横断面形式，例如单幅路、双幅路、三幅路、四幅路等。

⚝ 横断面组成确定 (Cross-section Composition Determination)：根据选定的横断面形式，确定横断面的组成部分，例如行车道、中间带、路肩、分隔带、边沟、边坡等。

⚝ 横断面尺寸设计 (Cross-section Dimension Design)：根据道路等级、设计速度、交通量、车辆组成、地形条件等因素，确定横断面各组成部分的宽度、高度、坡度等尺寸。横断面尺寸设计要满足通行能力、行车安全、排水要求、工程经济等。

⚝ 横断面排水设计 (Cross-section Drainage Design)：设计道路横断面的排水设施，例如路面横坡、边沟、排水管等，保证路面和路基的排水畅通，防止路面积水和路基水毁。

⚝ 路拱设计 (Crown Design)：为了便于路面排水，通常将路面设计成中央略高、两侧略低的拱形，称为路拱。路拱形式有直线型路拱、抛物线型路拱、折线型路拱等。路拱坡度应根据路面类型、降雨量、路面材料等因素确定。

6.2.3 路面结构设计与路面工程 (Pavement Structure Design and Pavement Engineering)

① 路面结构的类型与组成 (Types and Components of Pavement Structure)

路面结构 (Pavement Structure) 是指道路路面各结构层的组合形式和构造方法。路面结构的主要作用是承受车辆荷载，保护路基，为车辆提供平整、稳定、耐久和舒适的行驶表面。路面结构根据其力学特性和材料组成，可分为刚性路面 (Rigid Pavement) 和 柔性路面 (Flexible Pavement) 两种基本类型。

⚝ 刚性路面 (Rigid Pavement)：主要指水泥混凝土路面。刚性路面具有较高的弯拉强度和弯曲刚度，荷载扩散能力强，路面整体性好，耐久性好，养护维修费用较低。但刚性路面抗变形能力较差，容易产生裂缝，行车舒适性相对较差，初期投资较高。刚性路面结构通常由面层（混凝土面板）、基层、垫层（可选）组成。

⚝ 柔性路面 (Flexible Pavement)：主要指沥青路面。柔性路面具有较好的弹性和塑性变形能力，抗裂性能好，行车舒适性好，施工方便快捷，初期投资较低。但柔性路面弯拉强度和弯曲刚度较低，荷载扩散能力较差，耐久性相对较差，养护维修费用较高。柔性路面结构通常由面层（沥青面层）、基层、底基层、垫层（可选）组成。

除了刚性路面和柔性路面，还有半刚性路面 (Semi-rigid Pavement)，介于刚性路面和柔性路面之间，具有一定的刚性和柔性。半刚性路面通常采用水泥稳定类材料作为基层，上铺沥青面层。半刚性路面兼具刚性路面和柔性路面的优点，但施工技术要求较高。

路面结构的基本组成层包括：

⚝ 面层 (Surface Course)：面层是路面结构的最上层，直接承受车辆荷载和大气环境作用，是路面使用性能的最直接体现。面层应具有足够的强度、刚度、耐久性、耐磨性、抗滑性、平整度等性能。刚性路面的面层是混凝土面板，柔性路面的面层是沥青面层。

⚝ 基层 (Base Course)：基层是位于面层之下的结构层，主要作用是提高路面结构的承载能力，分散和传递荷载，保护路基。基层应具有足够的强度、刚度、稳定性、水稳性、耐久性等性能。基层材料通常采用水泥稳定类材料、沥青稳定类材料、级配碎石、砾石等。

⚝ 底基层 (Subbase Course)：底基层是位于基层之下的结构层，主要作用是进一步提高路面结构的承载能力，分散和传递荷载，改善路基的水温状况。底基层通常只在高等级公路和重要路段设置。底基层材料通常采用级配碎石、砾石、砂砾、工业废渣等。

⚝ 垫层 (Subgrade Improvement Layer/Cushion Course)：垫层是设置在路基顶面与基层或底基层之间的结构层，主要作用是改善路基的水温状况，防止路基冻胀和翻浆，提高路基的承载能力。垫层通常只在不良路基路段或寒冷地区设置。垫层材料通常采用砂砾、砂、石灰土、水泥土等。

② 路面结构设计方法 (Pavement Structure Design Methods)

路面结构设计 (Pavement Structure Design) 是指根据交通荷载、气候环境、路基条件、材料特性、工程经济等因素，确定路面结构的类型、组成、各结构层厚度和材料，以满足路面使用性能和耐久性要求。路面结构设计方法主要有理论分析法、经验法、半理论半经验法等。

⚝ 理论分析法 (Theoretical Analysis Method)：基于弹性力学、塑性力学、断裂力学等理论，建立路面结构的力学模型，分析路面结构在荷载作用下的应力、应变、变形等力学响应，并根据路面材料的强度和疲劳特性，计算路面结构的强度和寿命。理论分析法是路面结构设计的发展方向，但由于路面结构的复杂性和材料特性的不确定性，理论分析法的应用还存在一定的局限性。常用的理论分析法有弹性层状体系理论、有限元法等。

⚝ 经验法 (Empirical Method)：基于大量的工程实践经验和试验数据，总结路面结构设计和使用性能之间的关系，建立路面结构设计图表或经验公式，用于路面结构设计。经验法简单实用，应用广泛，但经验法的适用范围有限，难以适应新的交通荷载和环境条件。常用的经验法有CBR 法、交通分析图表法等。

⚝ 半理论半经验法 (Semi-theoretical and Semi-empirical Method)：结合理论分析法和经验法的优点，既考虑路面结构的力学特性，又借鉴工程实践经验，建立路面结构设计方法。半理论半经验法是目前路面结构设计中应用最广泛的方法。常用的半理论半经验法有沥青路面设计规范方法、AASHTO 路面设计方法、Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (MEPDG) 等。

路面结构设计的主要内容包括：

⚝ 交通荷载分析 (Traffic Load Analysis)：确定路面结构设计所承受的交通荷载，包括设计交通量、轴载等级、轴载频率等。交通荷载是路面结构设计的重要依据。

⚝ 气候环境分析 (Climate Environment Analysis)：分析路面结构所处的气候条件、降雨量、气温变化、冻结深度等，气候环境对路面材料的性能和路面结构的耐久性有重要影响。

⚝ 路基条件评价 (Subgrade Condition Evaluation)：评价路基的强度、稳定性、排水性、均匀性等，路基条件是路面结构设计的基础。

⚝ 材料选择与参数确定 (Material Selection and Parameter Determination)：根据路面结构类型和设计要求，选择合适的路面材料，并确定路面材料的力学参数、耐久性参数等。

⚝ 结构层厚度设计 (Structural Layer Thickness Design)：根据选定的设计方法，计算路面各结构层的合理厚度，满足路面结构的强度、稳定性和耐久性要求。

⚝ 结构组合与构造设计 (Structural Combination and Construction Design)：确定路面各结构层的组合顺序和构造形式，例如排水层设置、接缝处理、边缘处理等，保证路面结构的整体性和使用性能。

⚝ 耐久性设计 (Durability Design)：考虑路面结构在长期使用过程中可能发生的各种病害，例如裂缝、车辙、坑槽、松散等，采取相应的耐久性措施，延长路面使用寿命。

③ 沥青路面与水泥混凝土路面的结构特点、材料与施工技术 (Structural Characteristics, Materials and Construction Technology of Asphalt Pavement and Cement Concrete Pavement)

⚝ 沥青路面 (Asphalt Pavement)

▮▮▮▮⚝ 结构特点 (Structural Characteristics)：柔性路面，具有多层结构，逐层分散荷载，适应变形能力强，行车舒适性好。
▮▮▮▮⚝ 常用材料 (Common Materials)：
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 沥青 (Asphalt/Bitumen)：沥青路面的主要材料，具有粘结性、塑性、耐久性和水稳性。常用沥青包括石油沥青、改性沥青、乳化沥青等。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 矿料 (Aggregates)：沥青混合料的骨架材料，包括粗集料、细集料、矿粉等。矿料的级配、形状、强度、洁净度等对沥青路面性能有重要影响。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 沥青混合料 (Asphalt Mixture)：沥青与矿料按一定比例混合而成的路面材料，根据矿料级配和用途，可分为密级配沥青混合料 (Dense-graded Asphalt Mixture)、开级配沥青混合料 (Open-graded Asphalt Mixture)、半开级配沥青混合料 (Semi-open-graded Asphalt Mixture)、SMA (Stone Matrix Asphalt) 等。
▮▮▮▮⚝ 主要施工技术 (Main Construction Technologies)：
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 下承层施工 (Subbase and Base Course Construction)：包括路基整平、压实、基层摊铺、压实等工序。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 沥青混合料拌和 (Asphalt Mixture Mixing)：沥青混合料的加热、拌和、出料等工序，保证混合料的质量和均匀性。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 沥青混合料摊铺 (Asphalt Mixture Paving)：沥青混合料的运输、摊铺、初压、复压、终压等工序，保证路面的平整度和压实度。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 接缝处理 (Joint Treatment)：沥青路面纵缝、横缝的处理，防止渗水和裂缝。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 养护与开放交通 (Curing and Opening to Traffic)：沥青路面摊铺完成后，需要进行冷却和养护，达到一定强度后才能开放交通。

⚝ 水泥混凝土路面 (Cement Concrete Pavement)

▮▮▮▮⚝ 结构特点 (Structural Characteristics)：刚性路面，具有单层或多层结构，整体性好，强度高，耐久性好，但抗裂能力较差。
▮▮▮▮⚝ 常用材料 (Common Materials)：
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 水泥 (Cement)：水泥混凝土路面的主要胶凝材料，常用水泥包括普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 集料 (Aggregates)：水泥混凝土的骨架材料，包括粗集料、细集料等。集料的级配、形状、强度、耐久性等对水泥混凝土路面性能有重要影响。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 外加剂 (Admixtures)：为了改善水泥混凝土的性能，常掺入各种外加剂，如减水剂、缓凝剂、早强剂、引气剂等。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 水泥混凝土 (Cement Concrete)：水泥、集料、水、外加剂按一定比例混合而成的路面材料，根据强度等级和用途，可分为不同标号的水泥混凝土。
▮▮▮▮⚝ 主要施工技术 (Main Construction Technologies)：
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 下承层施工 (Subbase and Base Course Construction)：与沥青路面下承层施工类似。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 混凝土拌和 (Concrete Mixing)：水泥混凝土的配料、搅拌、出料等工序，保证混凝土的质量和均匀性。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 混凝土摊铺 (Concrete Paving)：混凝土的运输、摊铺、振捣、整平、抹面等工序，保证路面的平整度和密实度。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 刻槽与拉毛 (Grooving and Texturing)：在混凝土路面表面刻槽或拉毛，提高路面的抗滑性能。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 切缝与填缝 (Joint Cutting and Sealing)：在混凝土路面设置伸缩缝、缩缝、施工缝等，并进行填缝处理，防止裂缝和渗水。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 养护与开放交通 (Curing and Opening to Traffic)：水泥混凝土路面摊铺完成后，需要进行湿养护，达到设计强度后才能开放交通。

6.2.4 路基工程 (Subgrade Engineering)

① 路基的类型 (Types of Subgrade)

路基 (Subgrade) 是道路的基础结构，承受由路面传递下来的车辆荷载和自然因素的作用。根据路基的填挖情况和地形条件，路基可分为以下几种类型：

⚝ 填方路基 (Embankment Subgrade)：路基标高高于原地面标高，需要采用填土或填石等方式进行填筑的路基。填方路基是道路工程中最常见的路基类型，适用于平原、缓丘陵地区。填方路基的填筑质量直接影响着路基的稳定性和路面的使用性能。

⚝ 挖方路基 (Cut Subgrade)：路基标高低于原地面标高，需要采用开挖土石方的方式形成的路基。挖方路基适用于山岭、陡坡地区。挖方路基的边坡稳定是路基工程的关键问题。

⚝ 半填半挖路基 (Cut and Fill Subgrade)：路基中心线一部分位于原地面以上，一部分位于原地面以下的路基。半填半挖路基适用于地形起伏变化较大的地区。半填半挖路基的填挖结合部位容易产生不均匀沉降。

⚝ 低填浅挖路基 (Low Fill and Shallow Cut Subgrade)：填挖高度较低的路基，通常填挖高度在 1.5m 以内。低填浅挖路基适用于平原微丘陵地区，工程量较小，施工相对简单。

⚝ 特殊路基 (Special Subgrade)：指不良地质条件下的路基，例如软土路基、湿陷性黄土路基、膨胀土路基、冻土路基、盐渍土路基等。特殊路基的工程性质复杂，需要采取特殊的地基处理措施才能满足道路工程的要求。

② 路基压实 (Subgrade Compaction)

路基压实 (Subgrade Compaction) 是路基工程的重要工序，是指采用机械或人工方法，对路基填土进行压实，提高土的密实度、强度和稳定性，减少路基沉降变形，保证路基的工程质量。路基压实的主要目的包括：

⚝ 提高路基强度 (Improving Subgrade Strength)：压实可以提高土颗粒之间的接触面积和摩擦力，增加土的抗剪强度和承载能力。
⚝ 降低路基压缩性 (Reducing Subgrade Compressibility)：压实可以减少土的孔隙比，降低土的压缩系数，减少路基在荷载作用下的沉降变形。
⚝ 提高路基稳定性 (Improving Subgrade Stability)：压实可以提高土的抗水性和抗冻性，增强路基的抗冲刷、抗冻胀和抗融沉能力。
⚝ 提高路基均匀性 (Improving Subgrade Uniformity)：压实可以使路基土的密实度和强度更加均匀，减少不均匀沉降，提高路面平整度。

路基压实的方法主要有碾压法、夯实法、振动压实法等。常用的压实机械包括平碾、羊足碾、轮胎碾、振动碾、冲击压路机等。路基压实质量控制的主要指标包括压实度 (Degree of Compaction) 和 弯沉值 (Deflection Value)。

⚝ 压实度 (Degree of Compaction)：指压实后土的干密度与最大干密度的比值，是评价路基压实效果的最常用指标。压实度越高，路基压实效果越好。不同等级公路的路基压实度要求不同，高等级公路的路基压实度要求更高。

⚝ 弯沉值 (Deflection Value)：指在标准轴载作用下，路基或路面产生的弹性变形量，是评价路基和路面承载能力的重要指标。弯沉值越小，路基和路面承载能力越高。弯沉值常用于路面结构强度验算和路基质量控制。

③ 路基排水 (Subgrade Drainage)

路基排水 (Subgrade Drainage) 是路基工程的重要组成部分，是指采取工程措施，排除路基内的地下水和路面积水，防止路基长期受水浸泡，影响路基的强度和稳定性，保证路基的工程质量。路基排水的主要目的包括：

⚝ 降低地下水位 (Lowering Groundwater Level)：排除路基内的地下水，降低地下水位，减少地下水对路基的浸泡和软化作用。
⚝ 排除路面积水 (Removing Pavement Surface Water)：及时排除路面积水，防止路面积水渗入路基，影响路基的强度和稳定性，并提高雨天行车安全。
⚝ 防止水损害 (Preventing Water Damage)：防止雨水、地下水、地表水等对路基的冲刷、浸泡、冻胀、融沉等损害，延长路基使用寿命。

路基排水系统通常由地面排水系统和 地下排水系统 两部分组成。

⚝ 地面排水系统 (Surface Drainage System)：用于排除路面积水和地表水，主要包括：
▮▮▮▮⚝ 路面横坡 (Pavement Cross Slope)：将路面设计成一定的横向坡度，使路面积水能够迅速排至路肩或边沟。
▮▮▮▮⚝ 边沟 (Side Ditch)：设置在路基两侧，用于收集和排除路面和路基表面的雨水。
▮▮▮▮⚝ 截水沟 (Intercepting Ditch)：设置在路基边坡上方，用于拦截地表径流，防止地表水冲刷路基边坡。
▮▮▮▮⚝ 排水沟 (Drainage Ditch)：用于汇集和排放边沟、截水沟等收集的雨水，最终将水排至天然水体或排水管网。

⚝ 地下排水系统 (Subsurface Drainage System)：用于排除路基内的地下水，主要包括：
▮▮▮▮⚝ 渗沟 (Seepage Ditch)：设置在路基内或路基下，用于收集和排放地下水。
▮▮▮▮⚝ 盲沟 (Blind Ditch)：一种填满渗水材料的地下排水沟，表面覆盖土工布或反滤层，用于拦截和排放地下水。
▮▮▮▮⚝ 排水管 (Drainage Pipe)：埋设在路基内或路基下，用于收集和排放地下水。
▮▮▮▮⚝ 排水层 (Drainage Layer)：设置在路面结构层或路基顶面，采用透水性材料铺筑，用于快速排除渗入路面结构层的水。

④ 路基防护 (Subgrade Protection)

路基防护 (Subgrade Protection) 是路基工程的重要措施，是指采取工程措施，保护路基边坡和路基表面，防止水土流失、边坡失稳、风蚀、冻融等自然因素对路基的破坏，保证路基的稳定性和耐久性。路基防护的主要目的包括：

⚝ 防止水土流失 (Preventing Soil Erosion)：保护路基边坡和路基表面，防止雨水冲刷、地表径流冲刷、风力侵蚀等造成的水土流失。
⚝ 稳定路基边坡 (Stabilizing Subgrade Slope)：提高路基边坡的抗滑稳定性和整体稳定性，防止边坡滑坡、坍塌等病害。
⚝ 防止风蚀 (Preventing Wind Erosion)：在干旱、风沙地区，防止风力侵蚀路基表面，造成路基土流失和路面损坏。
⚝ 防止冻融破坏 (Preventing Freeze-Thaw Damage)：在寒冷地区，防止冻融循环对路基的破坏，例如冻胀、融沉、翻浆等。

路基防护措施主要分为植物防护 (Vegetation Protection) 和 工程防护 (Engineering Protection) 两种类型。

⚝ 植物防护 (Vegetation Protection)：利用植物的根系和枝叶，固结土体，涵养水源，防止水土流失，美化环境。植物防护适用于土质边坡、坡度较缓的边坡。常用的植物防护措施包括植草皮、播草籽、植树、灌木绿化等。

⚝ 工程防护 (Engineering Protection)：采用工程结构物，对路基边坡和路基表面进行防护，提高路基的稳定性和耐久性。工程防护适用于土石混合边坡、石质边坡、高陡边坡、水流冲刷严重地段。常用的工程防护措施包括：
▮▮▮▮⚝ 护坡 (Slope Protection)：用浆砌片石、混凝土、干砌片石、预制块等材料，对路基边坡进行覆盖或砌筑，防止水土流失和边坡失稳。
▮▮▮▮⚝ 挡土墙 (Retaining Wall)：设置在路基边坡下方，用于支挡土体，提高边坡稳定性。挡土墙类型多样，包括重力式挡土墙、悬臂式挡土墙、扶壁式挡土墙、锚杆挡土墙、土钉墙等。
▮▮▮▮⚝ 排水工程 (Drainage Works)：设置排水沟、渗沟、盲沟、排水管等排水设施，排除路基内的地下水和地表水，降低地下水位，防止水损害。
▮▮▮▮⚝ 加固工程 (Reinforcement Works)：采用土工格栅、土工布、锚杆、抗滑桩等加固材料和结构，提高路基边坡的强度和稳定性。

⑤ 特殊土路基的处理方法 (Treatment Methods for Special Soil Subgrade)

特殊土路基 (Special Soil Subgrade) 是指工程性质不良的土质路基，例如软土路基、湿陷性黄土路基、膨胀土路基、冻土路基、盐渍土路基等。特殊土路基的强度低、压缩性高、稳定性差，直接影响道路工程的质量和安全。对特殊土路基必须采取特殊的地基处理措施，才能满足道路工程的要求。常用的特殊土路基处理方法包括：

⚝ 换填垫层法 (Replacement and Cushion Method)：将软弱土层挖除，换填强度较高的砂砾、碎石、矿渣等良好填料，形成垫层，提高地基承载力，减少沉降。换填垫层法适用于软弱土层较浅的情况。

⚝ 预压法 (Preloading Method)：在软土路基上堆载预压，加速软土的固结沉降，提高软土的强度和稳定性。预压法适用于软土层较厚的情况，但预压时间较长。预压法可分为堆载预压和 真空预压 两种。

⚝ 排水固结法 (Drainage Consolidation Method)：在软土路基中设置竖向排水通道，例如塑料排水板、砂井等，加速软土中的孔隙水排出，加速软土的固结沉降，提高软土的强度和稳定性。排水固结法常与预压法联合使用。

⚝ 振冲法 (Vibro-compaction Method)：利用振冲器在软土路基中振动挤密，提高软土的密实度和强度。振冲法适用于砂性土、粉土、黏性土等地基处理。振冲法可分为振冲碎石桩法和 振冲置换法 两种。

⚝ 强夯法 (Dynamic Compaction Method)：利用重锤自由落体冲击地基表面，产生强大的冲击波和动压力，使地基土体振动液化、密实固结，提高地基承载力，减少沉降。强夯法适用于砂性土、粉土、黏性土、杂填土等地基处理。

⚝ 注浆法 (Grouting Method)：将水泥浆、化学浆液等灌入地基土体的裂缝、孔隙中，填充、胶结、固化土体，提高地基的强度和稳定性。注浆法适用于砂砾石地基、裂隙岩土、破碎岩土等地基处理。

⚝ 土工合成材料加筋法 (Geosynthetic Reinforcement Method)：在路基填土中铺设土工格栅、土工布等土工合成材料，增强路基的抗拉强度和抗剪强度，提高路基的承载能力和稳定性，减少沉降。土工合成材料加筋法常用于软土路基、高填方路基、边坡工程等。

6.2.5 道路交通安全设施 (Highway Traffic Safety Facilities)

① 交通标志 (Traffic Signs)

交通标志 (Traffic Signs) 是设置在道路上，向车辆驾驶人和行人传递交通信息、指示、警告、禁令的图形符号和文字标志。交通标志是道路交通安全设施的重要组成部分，对于规范交通行为、保障交通安全、提高通行效率具有重要作用。交通标志根据其功能和作用，可分为警告标志、禁令标志、指示标志、指路标志、旅游区标志、道路施工安全标志和辅助标志七大类。

⚝ 警告标志 (Warning Signs)：警告车辆驾驶人和行人注意前方道路存在的危险或潜在危险，例如急弯、陡坡、交叉路口、易滑路段、人行横道、注意行人、注意儿童、铁路道口等。警告标志的颜色为黄底黑边黑图案，形状为等边三角形，顶角向上。

⚝ 禁令标志 (Prohibitory Signs)：禁止或限制车辆、行人某种交通行为，例如禁止通行、禁止掉头、禁止超车、禁止鸣喇叭、限制速度、限制轴重、限制高度、限制宽度等。禁令标志的颜色为白底红圈红杠黑图案，形状为圆形或八角形。

⚝ 指示标志 (Mandatory Signs)：指示车辆、行人必须遵守的交通规则，例如直行、向左转弯、向右转弯、环岛行驶、人行横道、步行街、最低速度、车道行驶方向、鸣喇叭等。指示标志的颜色为蓝底白图案，形状为圆形、矩形或方形。

⚝ 指路标志 (Guide Signs)：传递道路方向、地点、距离等信息，引导车辆驾驶人和行人到达目的地，例如地点识别标志、方向标志、距离标志、地点预告标志、高速公路出口标志、城市道路出口标志、交叉路口标志、服务区标志、停车场标志等。指路标志的颜色根据道路类型和用途而不同，例如高速公路指路标志为绿底白字，城市道路指路标志为蓝底白字。形状为矩形或方形。

⚝ 旅游区标志 (Tourist Area Signs)：指示旅游区方向、地点、距离等信息，引导游客到达旅游景点。旅游区标志的颜色为棕色底白色图案，形状为矩形或方形。

⚝ 道路施工安全标志 (Road Work Signs)：警告车辆驾驶人和行人注意前方道路正在施工，采取安全措施，例如注意危险、慢行、靠右侧行驶、禁止通行、禁止驶入等。道路施工安全标志的颜色为黄底黑边黑图案，形状为菱形或矩形。

⚝ 辅助标志 (Auxiliary Signs)：辅助主标志说明时间、距离、条件、范围等，补充说明主标志的含义。辅助标志附设在主标志下方，不能单独使用。辅助标志的颜色与所依附的主标志颜色相同，形状为矩形。

② 交通标线 (Traffic Markings)

交通标线 (Traffic Markings) 是设置在路面或缘石上，指示、引导交通流向、分隔交通流、控制交通行为的线条、文字、图案及其他标记。交通标线与交通标志共同构成道路交通安全设施体系，对于规范交通秩序、提高通行能力、预防交通事故具有重要作用。交通标线根据其功能和作用，可分为指示标线、禁止标线和警告标线三类。

⚝ 指示标线 (Indication Markings)：指示车辆和行人行驶方向、车道划分、停车位置等，例如车行道分界线、车道中心线、人行横道线、导向箭头、停车位标线等。指示标线通常采用白色或黄色实线、虚线。

⚝ 禁止标线 (Prohibitory Markings)：禁止或限制车辆和行人某种交通行为，例如禁止超车线、禁止停车线、导流线、网状线等。禁止标线通常采用黄色实线、双黄实线、红色实线等。

⚝ 警告标线 (Warning Markings)：警告车辆和行人注意前方道路存在的特殊情况，例如减速让行线、人行横道预告标线、导向车道线等。警告标线通常采用白色或黄色虚线、折线、菱形等。

交通标线根据其位置和形式，可分为纵向标线、横向标线、其他标线和立面标记。

⚝ 纵向标线 (Longitudinal Markings)：与道路中心线方向平行或基本平行的标线，例如车行道分界线、车道中心线、边缘线、导向车道线等。

⚝ 横向标线 (Transverse Markings)：与道路中心线方向垂直或基本垂直的标线，例如人行横道线、停止线、减速让行线、导向箭头等。

⚝ 其他标线 (Other Markings)：辅助纵向标线和横向标线说明交通规则的标线，例如导流线、网状线、停车位标线、文字标记、图案标记等。

⚝ 立面标记 (Vertical Markings)：设置在道路构筑物立面上的标记，例如轮廓标、桥梁防撞墙反光标记、隧道洞口反光标记等。

③ 交通护栏 (Traffic Barriers)

交通护栏 (Traffic Barriers) 是设置在道路两侧或中央分隔带上，防止车辆驶出路外或驶入对向车道，保护车辆和行人安全的安全防护设施。交通护栏是道路交通安全设施的重要组成部分，对于减少交通事故、减轻事故损失具有重要作用。交通护栏根据其设置位置和功能，可分为路侧护栏 (Roadside Barrier) 和 中央分隔带护栏 (Median Barrier) 两种类型。

⚝ 路侧护栏 (Roadside Barrier)：设置在路基两侧，防止失控车辆驶出路外，保护路外人员和建筑物安全的护栏。路侧护栏的设置位置通常在路堤路段、高填深挖路段、临水临崖路段、弯道、桥梁、隧道洞口等危险路段。路侧护栏根据其结构形式和材料，可分为梁式护栏、波形梁护栏、混凝土护栏、缆索护栏等。

⚝ 中央分隔带护栏 (Median Barrier)：设置在中央分隔带上，防止失控车辆驶入对向车道，减少对向碰撞事故的护栏。中央分隔带护栏通常设置在高速公路、一级公路、城市快速路等高等级道路中央分隔带上。中央分隔带护栏根据其结构形式和材料，可分为梁式护栏、波形梁护栏、混凝土护栏、缆索护栏等。

交通护栏的设计和设置应满足以下基本要求：

⚝ 强度要求 (Strength Requirement)：护栏应具有足够的强度，能够承受车辆碰撞时的冲击力，防止车辆冲出护栏。
⚝ 刚度要求 (Stiffness Requirement)：护栏应具有适当的刚度，在车辆碰撞时能够产生一定的变形，吸收碰撞能量，减轻车辆和人员的损伤。
⚝ 导向性能 (Guidance Performance)：护栏应具有良好的导向性能，在车辆碰撞后能够引导车辆平稳减速停车，避免车辆发生二次事故。
⚝ 安全性能 (Safety Performance)：护栏应具有良好的安全性能，例如设置防眩设施、反光标记、端头处理等，提高夜间行车安全和减少二次事故。
⚝ 经济性 (Economy)：护栏的设计和设置应考虑经济性，选择合适的结构形式和材料，降低工程造价和维护费用。
⚝ 美观性 (Aesthetics)：护栏的外观应与周围环境协调美观，不影响道路的景观效果。

④ 隔离栅 (Guardrail)

隔离栅 (Guardrail) 是设置在道路两侧，防止行人、非机动车、动物等进入道路，保障道路交通安全的封闭设施。隔离栅通常设置在高速公路、一级公路、城市快速路等全封闭或半封闭道路两侧。隔离栅根据其结构形式和材料，可分为金属网隔离栅、混凝土隔离栅、砖砌隔离栅、绿化隔离栅等。

隔离栅的设计和设置应满足以下基本要求：

⚝ 封闭性 (Enclosure)：隔离栅应具有良好的封闭性，能够有效阻止行人、非机动车、动物等进入道路。
⚝ 强度要求 (Strength Requirement)：隔离栅应具有一定的强度，能够抵抗外力破坏，保持完整性。
⚝ 高度要求 (Height Requirement)：隔离栅的高度应足够高，防止行人、非机动车、动物等翻越隔离栅进入道路。
⚝ 耐久性 (Durability)：隔离栅应具有良好的耐久性，能够抵抗自然环境的侵蚀，延长使用寿命。
⚝ 美观性 (Aesthetics)：隔离栅的外观应与周围环境协调美观，不影响道路的景观效果。
⚝ 经济性 (Economy)：隔离栅的设计和设置应考虑经济性，选择合适的结构形式和材料，降低工程造价和维护费用。

⑤ 照明设施 (Lighting Facilities)

照明设施 (Lighting Facilities) 是设置在道路上，提供夜间照明，改善夜间行车条件，提高夜间行车安全的交通安全设施。照明设施通常设置在城市道路、高速公路互通立交、隧道、桥梁、收费站、服务区、停车区等需要夜间照明的路段和场所。照明设施主要包括路灯、隧道灯、桥梁灯、标志照明、诱导照明等。

照明设施的设计和设置应满足以下基本要求：

⚝ 照度要求 (Illuminance Requirement)：道路照明应提供足够的照度，保证驾驶员能够清晰地辨认道路线形、交通标志、障碍物和行人。不同等级道路和不同场所的照度要求不同。
⚝ 亮度均匀性 (Luminance Uniformity)：道路照明应具有良好的亮度均匀性，避免路面亮度差异过大，造成驾驶员视觉不适和安全隐患。
⚝ 眩光控制 (Glare Control)：道路照明应有效控制眩光，减少眩光对驾驶员视觉的干扰，提高夜间行车安全。
⚝ 显色性 (Color Rendering)：道路照明应具有良好的显色性，使物体颜色真实自然，有利于驾驶员辨认物体颜色和距离。
⚝ 节能性 (Energy Efficiency)：道路照明应采用节能光源和灯具，降低能源消耗，实现绿色照明。
⚝ 可靠性 (Reliability)：道路照明系统应具有较高的可靠性，保证长期稳定运行，减少故障和维护费用。
⚝ 美观性 (Aesthetics)：照明设施的外观应与周围环境协调美观，不影响道路的景观效果。

道路交通安全设施的设置原则和技术要求，应严格遵守国家和行业相关标准和规范，例如《道路交通标志和标线》(GB 5768)、《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81) 等。道路交通安全设施的合理设置和有效维护，是保障道路交通安全的重要保证。

7. 水利工程 (Hydraulic Engineering)

7.1 水文与水资源 (Hydrology and Water Resources)

7.1.1 水文循环与水文要素 (Hydrologic Cycle and Hydrologic Elements)

水文循环 (hydrologic cycle)，又称水循环 (water cycle)，是地球上水持续运动的过程。它描述了水在地球各圈层，包括大气圈 (atmosphere)、水圈 (hydrosphere)、岩石圈 (lithosphere) 和生物圈 (biosphere) 之间的转换和循环。理解水文循环是水利工程的基础，因为所有水利工程项目都直接或间接地与水循环过程相关。

① 水文循环的主要过程 包括：
▮▮▮▮ⓑ 降水 (precipitation)：大气中的水汽凝结成液态或固态水，以降雨、降雪、冰雹等形式降落到地面。降水是陆地水的主要补给来源。
▮▮▮▮ⓒ 蒸发 (evaporation)：液态水或固态水转化为水汽进入大气。蒸发主要发生在水面、土壤表面和植物表面。蒸发是水循环中重要的水量损失环节。
▮▮▮▮ⓓ 下渗 (infiltration)：降水或地表水渗入土壤和岩石孔隙中的过程。下渗的水一部分成为土壤水，另一部分补给地下水。
▮▮▮▮ⓔ 径流 (runoff)：地表和地下水中汇集到地表水体（河流、湖泊、海洋）中的水流。径流是水循环中重要的水量输送环节，也是水资源开发利用的主要对象。
▮▮▮▮ⓕ 植物蒸腾 (transpiration)：植物通过叶片气孔将体内水分以水汽形式释放到大气中的过程。植物蒸腾是陆地蒸发的重要组成部分。
▮▮▮▮ⓖ 地下水运动 (groundwater movement)：地下水在重力作用下，在含水层中进行的运动。地下水运动缓慢，但水量巨大，是重要的水资源。

② 主要水文要素 (hydrologic elements) 是描述水文循环各环节特征的物理量，是水文分析与计算的基础数据。重要的水文要素包括：
▮▮▮▮ⓑ 降水量 (precipitation amount)：在一定时段内降落到单位面积上的雨水、雪、冰雹等的水量，常用毫米 (mm) 或立方米 (m\(^3\)) 表示。降水量是水文分析中最基本、最重要的要素之一。
▮▮▮▮ⓒ 蒸发量 (evaporation amount)：在一定时段内从水面、土壤表面或植物表面蒸发到大气中的水量，常用毫米 (mm) 表示。蒸发量受气象条件（温度、湿度、风速、日照等）和下垫面条件影响。
▮▮▮▮ⓓ 径流量 (runoff amount)：在一定时段内通过河流某一断面的水量，常用立方米 (m\(^3\)) 或立方米每秒 (m\(^3\)/s) 表示。径流量是水资源量的重要指标。
▮▮▮▮ⓔ 地下水埋深 (groundwater depth)：地下水位距地面的垂直距离，常用米 (m) 表示。地下水埋深反映地下水资源的赋存条件和开发利用潜力。
▮▮▮▮ⓕ 土壤含水量 (soil moisture content)：土壤中水分的含量，常用体积含水量 (\(\%\)) 或质量含水量 (\(\%\)) 表示。土壤含水量影响植物生长、地表径流和下渗过程。

③ 影响水文要素形成、分布与转化的因素 非常复杂，主要包括：
▮▮▮▮ⓑ 气候因素 (climatic factors)：气候是影响水文循环和水文要素的最主要因素。气候类型、降水类型、降水强度、气温、湿度、风速等都直接影响降水、蒸发、径流等水文过程。例如，湿润地区降水多、径流量大，干旱地区降水少、蒸发量大。
▮▮▮▮ⓒ 地理因素 (geographic factors)：地理位置、地形地貌、地质条件、土壤类型、植被覆盖等地理因素影响水文要素的空间分布和转化过程。例如，山区降水多于平原，植被覆盖好的地区蒸发量小、下渗量大。
▮▮▮▮ⓓ 人类活动 (human activities)：人类活动对水文循环的影响日益显著。例如，城市化改变地表下渗条件，水利工程改变河流径流过程，过度抽取地下水导致地下水位下降，土地利用变化影响蒸发和径流。

理解水文循环和水文要素是水利工程规划、设计、运行管理的基础。水利工程师需要掌握水文循环的规律，分析水文要素的特征，才能科学地进行水资源开发利用、防洪减灾、水环境治理等工程建设。

7.1.2 水文分析与计算 (Hydrological Analysis and Calculation)

水文分析与计算 (hydrological analysis and calculation) 是水文学的核心内容，是利用水文资料和数学模型，研究水文循环规律，定量描述水文要素时空分布特征，为水利工程提供设计依据和决策支持的技术方法。

① 水文资料收集与整理 (hydrological data collection and processing) 是水文分析的基础。水文资料主要包括：
▮▮▮▮ⓑ 降水资料 (precipitation data)：雨量站、气象雷达、卫星遥感等观测的降水数据，包括降水量、降水强度、降水历时等。
▮▮▮▮ⓒ 径流资料 (runoff data)：水文站观测的河流、湖泊、水库的流量、水位数据。
▮▮▮▮ⓓ 蒸发资料 (evaporation data)：蒸发器、蒸渗仪等观测的蒸发数据，以及根据气象资料计算的蒸发量。
▮▮▮▮ⓔ 地下水资料 (groundwater data)：地下水观测井、泉等观测的地下水位、水量、水质数据。
▮▮▮▮ⓕ 其他水文气象资料 (other hydrometeorological data)：气温、湿度、风速、日照、土壤含水量、积雪深度等。

水文资料的收集方法包括：
⚝ 地面观测 (ground observation)：利用各种水文仪器设备，在地面进行定点或巡测。
⚝ 遥感观测 (remote sensing observation)：利用卫星、飞机等遥感平台，获取大范围、长时间序列的水文信息。
⚝ 水文实验 (hydrological experiment)：在人工控制条件下，模拟水文过程，研究水文规律。

水文资料整理包括：
⚝ 数据质量控制 (data quality control)：对原始数据进行检查、校正、订正，确保数据的可靠性和准确性。
⚝ 数据系列延长 (data series extension)：利用相关资料，对短系列数据进行延长，获得更长时段的水文资料。
⚝ 数据代表性分析 (data representativeness analysis)：分析水文站点的控制流域范围、资料的区域代表性。

② 水文统计分析 (hydrological statistical analysis) 是利用数理统计方法，分析水文要素的统计规律，为水利工程设计提供参数。常用的水文统计分析方法包括：
▮▮▮▮ⓑ 频率分析 (frequency analysis)：分析水文事件（如洪水、干旱）发生的频率，确定不同频率下的设计值。常用的频率分布型线包括皮尔逊 III 型分布 (Pearson type III distribution, P-III)、耿贝尔分布 (Gumbel distribution) 等。
▮▮▮▮ⓒ 相关分析 (correlation analysis)：分析水文要素之间的相关关系，建立回归方程，进行水文预报和推求。
▮▮▮▮ⓓ 趋势分析 (trend analysis)：分析水文要素时间序列的长期变化趋势，评估气候变化和人类活动对水文过程的影响。
▮▮▮▮ⓔ 参数估计 (parameter estimation)：利用水文资料，估计水文模型中的参数，提高模型的精度。常用的参数估计方法包括矩法 (method of moments)、最大似然法 (maximum likelihood estimation) 等。

③ 水文模型构建与应用 (hydrological model construction and application) 是利用数学方程或物理模型，模拟水文循环过程，进行水文预报、水资源评价、水利工程效益分析等。水文模型主要分为：
▮▮▮▮ⓑ 经验模型 (empirical model)：基于水文资料的统计关系建立的模型，结构简单，参数少，但物理意义不明确，适用范围有限。
▮▮▮▮ⓒ 概念性模型 (conceptual model)：基于水文循环概念建立的模型，结构相对简单，参数较少，具有一定的物理意义，适用范围较广。例如，新安江模型 (Xin'anjiang model)。
▮▮▮▮ⓓ 物理模型 (physical model)：基于水文过程物理机制建立的模型，结构复杂，参数多，物理意义明确，精度较高，但计算量大，参数率定困难。例如，分布式水文模型 (distributed hydrological model)。

水文模型的应用包括：
⚝ 洪水预报 (flood forecasting)：利用水文模型，预测未来降雨和径流过程，为防洪调度提供依据。
⚝ 干旱预测 (drought forecasting)：利用水文模型，预测未来干旱发生的可能性和程度，为抗旱减灾提供支持。
⚝ 水资源评价 (water resources assessment)：利用水文模型，评价区域水资源量和可利用量，为水资源规划和管理提供依据。
⚝ 水利工程效益分析 (benefit analysis of hydraulic projects)：利用水文模型，分析水利工程对水文过程的影响，评估工程的防洪、供水、发电等效益。
⚝ 气候变化影响评估 (climate change impact assessment)：利用水文模型，评估气候变化对水文循环和水资源的影响，为适应气候变化提供科学依据。

水文分析与计算是水利工程的重要技术支撑。随着计算机技术和遥感技术的发展，水文分析与计算方法不断进步，水文模型精度不断提高，为水利工程建设和水资源管理提供了更加有效的工具。

7.1.3 水资源评价与规划 (Water Resources Assessment and Planning)

水资源评价与规划 (water resources assessment and planning) 是水资源管理的重要组成部分，是合理开发、有效利用和科学保护水资源的基础。其目的是全面了解区域水资源状况，分析供需矛盾，制定水资源开发利用和保护的战略和措施，实现水资源可持续利用。

① 水资源评价 (water resources assessment) 是指对一定区域或流域的水资源量、水质、开发利用现状、供需平衡状况、水资源问题等进行全面、系统的分析和评估，为水资源规划和管理提供依据。水资源评价的主要内容包括：
▮▮▮▮ⓑ 水资源量评价 (water quantity assessment)：评价区域或流域的地表水资源量、地下水资源量、可利用水资源量。常用的水资源量评价指标包括：
▮▮▮▮⚝ 年径流量 (annual runoff)：多年平均年径流量，反映区域地表水资源总量。
▮▮▮▮⚝ 地下水补给量 (groundwater recharge)：多年平均地下水补给量，反映区域地下水资源总量。
▮▮▮▮⚝ 可利用水资源量 (available water resources)：在现有技术经济条件下，可以开发利用的地表水和地下水资源量。
▮▮▮▮ⓑ 水资源质量评价 (water quality assessment)：评价区域或流域的水质状况，包括地表水水质、地下水水质、饮用水水源地水质等。常用的水质评价指标包括：
▮▮▮▮⚝ 化学需氧量 (Chemical Oxygen Demand, COD)：反映水体中有机污染物的含量。
▮▮▮▮⚝ 生化需氧量 (Biochemical Oxygen Demand, BOD)：反映水体中可生物降解有机污染物的含量。
▮▮▮▮⚝ 氨氮 (ammonia nitrogen, NH\(_{3}\)-N)：反映水体中氮污染物的含量。
▮▮▮▮⚝ 总磷 (total phosphorus, TP)：反映水体中磷污染物的含量。
▮▮▮▮⚝ 重金属 (heavy metals)：如铅 (Pb)、镉 (Cd)、汞 (Hg)、铬 (Cr) 等，反映水体中重金属污染物的含量。
▮▮▮▮ⓒ 水资源开发利用现状评价 (assessment of current water resources development and utilization)：评价区域或流域水资源开发利用程度、利用效率、用水结构、用水部门等。常用的评价指标包括：
▮▮▮▮⚝ 水资源开发利用率 (water resources development and utilization rate)：已开发利用的水资源量占水资源总量的比例。
▮▮▮▮⚝ 万元GDP用水量 (water consumption per 10,000 CNY GDP)：反映经济发展用水效率。
▮▮▮▮⚝ 农业用水比例 (agricultural water consumption ratio)、工业用水比例 (industrial water consumption ratio)、生活用水比例 (domestic water consumption ratio)：反映用水结构。
▮▮▮▮ⓓ 水资源供需平衡分析 (water resources supply and demand balance analysis)：分析区域或流域水资源供需状况，识别供需矛盾，预测未来供需趋势。
▮▮▮▮ⓔ 水资源问题识别 (identification of water resources problems)：识别区域或流域存在的水资源问题，如水资源短缺、水污染、水生态破坏、水灾害等。

② 水资源规划 (water resources planning) 是指根据水资源评价结果，结合经济社会发展需求和水资源可持续利用目标，制定水资源开发、利用、配置、节约、保护和管理的战略、目标、任务和措施，指导水资源合理开发和有效保护。水资源规划的目标是实现水资源可持续利用，保障经济社会可持续发展。水资源规划的原则包括：
▮▮▮▮ⓑ 可持续发展原则 (sustainable development principle)：水资源开发利用要满足当代人的需求，又不损害后代人满足其需求的能力。
▮▮▮▮ⓒ 需水与供水平衡原则 (water demand and supply balance principle)：规划用水量要与可供水量相平衡，实现供需平衡。
▮▮▮▮ⓓ 综合利用原则 (comprehensive utilization principle)：充分发挥水资源的多种功能，实现水资源综合利用，提高水资源利用效率。
▮▮▮▮ⓔ 生态优先原则 (ecological priority principle)：水资源开发利用要优先考虑生态环境保护，维护健康的水生态系统。
▮▮▮▮ⓕ 公众参与原则 (public participation principle)：水资源规划要充分听取公众意见，提高规划的科学性和民主性。

③ 水资源规划的内容与步骤 主要包括：
▮▮▮▮ⓑ 确定规划目标与任务 (determine planning objectives and tasks)：根据区域经济社会发展战略和水资源可持续利用要求，确定水资源规划的总体目标、阶段性目标和具体任务。
▮▮▮▮ⓒ 收集和分析基础资料 (collect and analyze basic data)：收集水文、气象、地质、土壤、植被、水质、经济、社会、环境等方面的数据和资料，进行分析和评估。
▮▮▮▮ⓓ 水资源供需分析与预测 (water resources supply and demand analysis and forecasting)：分析现状水资源供需状况，预测未来用水需求和可供水量，识别供需矛盾。
▮▮▮▮ⓔ 制定水资源开发利用与保护方案 (formulate water resources development, utilization and protection plans)：根据供需分析结果和规划目标，制定水资源开发、利用、配置、节约、保护和管理的方案和措施，包括：
▮▮▮▮⚝ 水资源配置方案 (water resources allocation plan)：确定各用水部门的用水量和用水指标，优化水资源配置格局。
▮▮▮▮⚝ 水资源节约方案 (water conservation plan)：推广节水技术和管理措施，提高用水效率，减少用水浪费。
▮▮▮▮⚝ 水资源保护方案 (water resources protection plan)：防治水污染，保护水生态环境，维护水资源功能。
▮▮▮▮⚝ 水利工程建设方案 (hydraulic project construction plan)：规划新建、改建、扩建水利工程，提高水资源调控能力和保障能力。
▮▮▮▮ⓔ 方案论证与优化 (plan demonstration and optimization)：对规划方案进行技术、经济、环境、社会等方面的论证和评价，进行方案优化和比选，选择最优方案。
▮▮▮▮ⓕ 规划实施与管理 (plan implementation and management)：组织实施规划方案，建立健全规划管理制度，加强规划执行监督和评估，确保规划目标的实现。

水资源评价与规划是水资源管理的基础和先导。科学的水资源评价与规划，可以为水资源合理开发利用和有效保护提供科学依据，保障区域经济社会可持续发展。

7.1.4 水资源管理与保护 (Water Resources Management and Protection)

水资源管理与保护 (water resources management and protection) 是水利工程的重要内容，是实现水资源可持续利用的关键。其目的是通过法律、经济、技术、行政等手段，对水资源进行合理配置、高效利用、有效保护和科学管理，维护健康的水生态系统，保障经济社会可持续发展。

① 水资源管理体制 (water resources management system) 是指国家或地区为实现水资源管理目标而建立的组织机构、职能分工、管理权限、运行机制等制度安排。有效的水资源管理体制是水资源管理工作顺利开展的保障。主要包括：
▮▮▮▮ⓑ 统一管理与分级负责 (unified management and hierarchical responsibility)：实行国家或地区统一领导下的，中央、省、市、县分级管理的水资源管理体制，明确各级政府的水资源管理职责和权限。
▮▮▮▮ⓒ 流域管理与区域管理相结合 (combination of river basin management and regional management)：以流域为单元进行水资源统一管理，同时兼顾区域经济社会发展需求，实现流域与区域水资源协调管理。
▮▮▮▮ⓓ 水行政主管部门主导 (dominant role of water administrative department)：明确水行政主管部门在水资源管理中的主导地位，负责水资源的统一管理和监督管理。
▮▮▮▮ⓔ 部门协作与社会参与 (departmental collaboration and public participation)：建立水行政、环保、农业、工信、住建等部门的协作机制，加强部门联动，形成管理合力；鼓励公众参与水资源管理，提高公众水资源保护意识。

② 水资源管理制度 (water resources management system) 是指为规范水资源开发、利用、保护和管理行为而制定的法律、法规、规章、政策、标准等制度规范。完善的水资源管理制度是水资源管理工作的法律保障。主要包括：
▮▮▮▮ⓑ 水资源法律法规 (water resources laws and regulations)：《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国水污染防治法》、《中华人民共和国防洪法》等，是水资源管理的基本法律依据。
▮▮▮▮ⓒ 取水许可制度 (water abstraction permit system)：对直接从江河、湖泊、地下取用水资源的行为实行许可管理，控制取用水总量，规范取用水行为。
▮▮▮▮ⓓ 用水总量控制与定额管理制度 (total water consumption control and quota management system)：对区域和行业用水总量进行控制，实行用水定额管理，提高用水效率，实现节约用水。
▮▮▮▮ⓔ 水资源有偿使用制度 (water resources paid use system)：对取用水资源收取水资源费，促进节约用水，增加水资源保护资金投入。
▮▮▮▮ⓕ 水功能区划与管理制度 (water function zoning and management system)：根据水资源的功能和用途，划分水功能区，实行分类管理，保护水体功能。
▮▮▮▮ⓖ 水资源保护责任制和考核评价制度 (water resources protection responsibility system and assessment and evaluation system)：明确各级政府和相关部门的水资源保护责任，建立考核评价制度，推动水资源保护工作落实。

③ 水资源管理措施 (water resources management measures) 是指为实现水资源管理目标而采取的具体行动和手段，包括工程措施和非工程措施。有效的管理措施是水资源管理目标实现的重要保障。主要包括：
▮▮▮▮ⓑ 工程措施 (engineering measures)：
▮▮▮▮⚝ 水源工程建设 (water source project construction)：建设水库、引调水工程、地下水人工补给工程等，增加供水能力，提高供水保障程度。
▮▮▮▮⚝ 节水工程改造 (water saving project renovation)：实施灌溉节水改造、工业节水改造、城镇节水改造等，提高用水效率，减少用水量。
▮▮▮▮⚝ 水污染防治工程建设 (water pollution control project construction)：建设污水处理厂、工业废水处理设施、农村污水处理设施等，减少污染物排放，改善水环境质量。
▮▮▮▮⚝ 水生态修复工程建设 (water ecological restoration project construction)：实施河流生态修复、湿地保护与恢复、水源地保护区建设等，改善水生态环境，维护水生态系统健康。
▮▮▮▮ⓑ 非工程措施 (non-engineering measures)：
▮▮▮▮⚝ 加强水资源监测与监管 (strengthen water resources monitoring and supervision)：建立完善的水资源监测网络，加强水资源动态监测和水量水质监管，及时掌握水资源状况，为管理决策提供支持。
▮▮▮▮⚝ 推进水价改革 (promote water price reform)：实行阶梯水价、超定额累进加价等水价机制，发挥水价的经济杠杆作用，促进节约用水。
▮▮▮▮⚝ 强化节水宣传教育 (strengthen water saving publicity and education)：开展节水宣传教育，提高公众节水意识，营造全社会节约用水的良好氛围。
▮▮▮▮⚝ 加强水资源科技创新 (strengthen water resources technological innovation)：加大水资源科技研发投入，推广应用节水技术、水污染防治技术、水生态修复技术等，提高水资源管理科技水平。
▮▮▮▮⚝ 深化水资源国际合作 (deepen international cooperation in water resources)：加强与其他国家和地区在水资源领域的交流与合作，学习借鉴先进的管理经验和技术，共同应对全球水资源挑战。

④ 水资源保护 (water resources protection) 是指为防止水资源污染、破坏和衰竭，维护水资源功能和水生态系统健康而采取的措施。水资源保护是水资源可持续利用的基础。水资源保护的内容包括：
▮▮▮▮ⓑ 防治水污染 (water pollution control)：控制工业污染源、城镇生活污染源、农业面源污染源等，减少污染物排放，改善水环境质量。
▮▮▮▮ⓒ 保护水生态环境 (water ecological environment protection)：保护河流、湖泊、湿地、地下水等水生态系统，维护水生生物多样性，改善水生态环境。
▮▮▮▮ⓓ 节约用水 (water conservation)：提高用水效率，减少用水浪费，实现水资源高效利用。
▮▮▮▮ⓔ 保护饮用水水源地 (drinking water source protection)：划定饮用水水源保护区，加强水源地保护，保障饮用水安全。
▮▮▮▮ⓕ 防治水土流失 (soil and water conservation)：加强水土流失综合治理，减少泥沙入河，改善水环境质量，提高水资源利用效率。

水资源管理与保护是一项系统工程，需要政府、企业、社会公众共同参与，协同努力，才能实现水资源可持续利用，保障经济社会可持续发展。

7.2 水工建筑物 (Hydraulic Structures)

7.2.1 水工建筑物的分类与作用 (Classifications and Functions of Hydraulic Structures)

水工建筑物 (hydraulic structures) 是为了控制、调节、利用和保护水资源，防治水害而修建的各类工程建筑物。它们是水利工程的核心组成部分，是实现水利工程各项功能的重要载体。水工建筑物种类繁多，功能各异，根据不同的标准可以进行多种分类。

① 按功能和用途分类，水工建筑物可以分为：
▮▮▮▮ⓑ 挡水建筑物 (water retaining structures)：用于拦截水流，抬高水位，形成水库或壅水的建筑物。例如，坝 (dams)、拦水闸 (barrages)。其主要作用是蓄水、调蓄洪水、提高水位、创造水头等。
▮▮▮▮ⓒ 泄水建筑物 (spillway structures)：用于宣泄水库洪水，保障水库安全的建筑物。例如，溢洪道 (spillways)、泄水隧洞 (outlet tunnels)、泄水孔 (outlet conduits)。其主要作用是安全泄洪，防止水库漫顶溃坝。
▮▮▮▮ⓓ 输水建筑物 (water conveyance structures)：用于输送水流的建筑物。例如，渠道 (canals)、渡槽 (aqueducts)、隧洞 (tunnels)、管道 (pipelines)。其主要作用是将水从水源地输送到用水地点，或将水从一个水域输送到另一个水域。
▮▮▮▮ⓔ 取水建筑物 (water intake structures)：用于从水源地取水的建筑物。例如，取水口 (intake structures)、泵站 (pumping stations)。其主要作用是从河流、湖泊、水库、地下水中取水，满足工业、农业、生活等用水需求。
▮▮▮▮ⓕ 泄沙建筑物 (sediment flushing structures)：用于排除水库泥沙，减少水库淤积，延长水库使用寿命的建筑物。例如，排沙孔 (sediment flushing conduits)、冲沙闸 (sediment flushing gates)。其主要作用是排除水库泥沙，维持水库库容。
▮▮▮▮ⓖ 通航建筑物 (navigation structures)：用于改善航道条件，保障船舶通行的建筑物。例如，船闸 (ship locks)、升船机 (ship lifts)。其主要作用是克服水位落差，实现船舶在不同水位之间的顺利通行。
▮▮▮▮ⓗ 过鱼建筑物 (fish passage structures)：为了保护水生生物多样性，为鱼类洄游提供通道的建筑物。例如，鱼道 (fish ladders)、集鱼器 (fish collectors)。其主要作用是为鱼类洄游提供便利条件，维护水生态平衡。
▮▮▮▮ⓘ 导流建筑物 (diversion structures)：在水利工程施工期间，为了保证工程施工安全和质量，将水流导离施工区域的临时性建筑物。例如，围堰 (cofferdams)、导流隧洞 (diversion tunnels)。其主要作用是导流水流，为工程施工创造干地条件。

② 按结构形式和材料分类，水工建筑物可以分为：
▮▮▮▮ⓑ 混凝土建筑物 (concrete structures)：以混凝土为主要材料修建的建筑物。例如，混凝土坝、混凝土闸、混凝土渠道。混凝土建筑物具有强度高、耐久性好、适应性强等优点，是水工建筑物中最常用的类型。
▮▮▮▮ⓒ 土石建筑物 (earth and rock structures)：以土、石为主要材料修建的建筑物。例如，土坝、土石坝、堆石坝。土石建筑物取材方便、造价较低，适用于地基条件较差、地震烈度较低的地区。
▮▮▮▮ⓓ 砌石建筑物 (masonry structures)：以石砌体为主要材料修建的建筑物。例如，砌石坝、砌石渠道。砌石建筑物具有耐久性好、抗冲刷能力强、景观效果好等特点，适用于小型水利工程和景观水利工程。
▮▮▮▮ⓔ 钢结构建筑物 (steel structures)：以钢材为主要材料修建的建筑物。例如，钢闸门、钢渡槽、钢管道。钢结构建筑物具有强度高、重量轻、施工速度快等优点，适用于需要大跨度、高承载力的水工建筑物。
▮▮▮▮ⓕ 木结构建筑物 (timber structures)：以木材为主要材料修建的建筑物。例如，木闸门、木栈桥。木结构建筑物取材方便、加工容易、造价低廉，但耐久性较差，适用于临时性水工建筑物和小型的农业水利工程。
▮▮▮▮ⓖ 复合材料建筑物 (composite material structures)：采用两种或两种以上材料组合而成的建筑物。例如，混凝土面板堆石坝、钢筋混凝土闸门。复合材料建筑物可以充分发挥各种材料的优势，提高建筑物的性能和经济性。

③ 水工建筑物的作用和工程意义 非常重大，主要体现在：
▮▮▮▮ⓑ 水资源调控 (water resources regulation)：水工建筑物可以调蓄径流，实现年内、年际径流的重新分配，提高水资源利用率，保障供水安全。例如，水库可以拦蓄洪水，削峰错峰，减轻下游洪涝灾害；同时，水库还可以蓄水，在枯水期补给下游用水，保障供水。
▮▮▮▮ⓒ 防洪减灾 (flood control and disaster reduction)：水工建筑物是防洪工程体系的重要组成部分。例如，堤防可以保护城市和农田免受洪水侵袭；水库可以调蓄洪水，削减洪峰流量，减轻下游洪水灾害；泄洪建筑物可以安全宣泄水库洪水，保障水库安全。
▮▮▮▮ⓓ 水能开发 (hydropower development)：水工建筑物可以创造水头，为水力发电提供条件。例如，坝可以抬高水位，形成水库，提高水头；引水式水电站可以通过引水隧洞或渠道，将水流引到发电厂，利用水头发电。水力发电是一种清洁、可再生能源，对能源结构优化和环境保护具有重要意义。
▮▮▮▮ⓔ 航运改善 (navigation improvement)：水工建筑物可以改善航道条件，提高航运能力。例如，船闸可以克服水位落差，实现船舶在不同水位之间的顺利通行；航道整治工程可以疏浚航道，改善航道弯曲、狭窄等不良条件，提高航运安全性和效率。
▮▮▮▮ⓕ 灌溉供水 (irrigation and water supply)：水工建筑物可以提供灌溉水源和生活、工业用水水源。例如，灌溉渠道可以将水库或河流中的水输送到农田，满足农业灌溉需求；取水建筑物可以从水源地取水，供给城市和工业用水。
▮▮▮▮ⓖ 生态环境保护 (ecological environment protection)：现代水工建筑物建设越来越重视生态环境保护。例如，过鱼建筑物可以为鱼类洄游提供通道，维护水生生物多样性；生态护岸可以保护河岸生态环境，改善水景观。

水工建筑物是人类与水和谐相处的重要工具。随着社会经济发展和科技进步，水工建筑物的设计、建设和管理技术不断进步，为水资源可持续利用和经济社会可持续发展提供有力支撑。

7.2.2 坝 (Dams)

坝 (dams) 是水工建筑物中最具代表性、工程规模最大、技术难度最高的一类。坝的主要功能是拦截水流，抬高水位，形成水库，用于蓄水、调蓄洪水、发电、灌溉、供水、航运、旅游等综合利用。坝的类型繁多，根据不同的标准可以进行多种分类。

① 按坝体材料分类，坝可以分为：
▮▮▮▮ⓑ 混凝土坝 (concrete dams)：以混凝土为主要材料修建的坝。混凝土坝又可以根据结构形式分为：
▮▮▮▮⚝ 重力坝 (gravity dams)：依靠坝体自身重力抵抗水压力和地基扬压力，结构简单，稳定性好，但混凝土用量大，造价较高。适用于地基条件较好、河谷较宽阔的地区。
▮▮▮▮⚝ 拱坝 (arch dams)：利用拱的受力特性，将水压力传递到两岸坝肩，混凝土用量少，经济性好，但对地基条件和坝肩岩体强度要求高，坝址选择受限制。适用于河谷狭窄、两岸山体陡峭的地区。
▮▮▮▮⚝ 支墩坝 (buttress dams)：由面板和支墩组成，面板承受水压力，支墩传递水压力到地基，混凝土用量较少，经济性较好，但结构复杂，施工难度较大。适用于地基条件较好、河谷较宽阔的地区。
▮▮▮▮⚝ 空腹坝 (hollow gravity dams)：在重力坝坝体内设置空腔，减少混凝土用量，减轻坝体重量，经济性较好，但结构复杂，施工难度较大。
▮▮▮▮⚝ 连拱坝 (multiple arch dams)：由多个拱和支墩组成，结构形式介于拱坝和支墩坝之间，混凝土用量较少，经济性较好，适用于河谷较宽阔、地基条件较好的地区。
▮▮▮▮ⓑ 土石坝 (earth and rockfill dams)：以土、石为主要材料修建的坝。土石坝又可以根据坝体结构和材料组成分为：
▮▮▮▮⚝ 均质土坝 (homogeneous earth dams)：坝体全部由同一种土料填筑而成，结构简单，施工方便，但抗渗性较差，易发生渗漏破坏。适用于土料丰富、坝高较低的地区。
▮▮▮▮⚝ 非均质土坝 (zoned earth dams)：坝体由不同土料分区填筑而成，心墙或斜墙采用不透水土料，坝壳采用透水性较好的土石料，抗渗性较好，稳定性较高。适用于土料种类较多、坝高较高的地区。
▮▮▮▮⚝ 堆石坝 (rockfill dams)：坝体主要由堆石料填筑而成，透水性强，变形较大，稳定性较好，但需要设置防渗体。适用于石料丰富、地震烈度较高的地区。堆石坝根据防渗体形式又可以分为：
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 混凝土面板堆石坝 (Concrete Face Rockfill Dams, CFRD)：坝体迎水坡设置混凝土面板作为防渗体，是目前世界上应用最广泛的堆石坝型。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 沥青混凝土心墙堆石坝 (Asphalt Concrete Core Rockfill Dams, ACCRD)：坝体中心设置沥青混凝土心墙作为防渗体，适用于气候寒冷地区。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 土心墙堆石坝 (Earth Core Rockfill Dams, ECRD)：坝体中心设置土心墙作为防渗体，适用于土料丰富地区。
▮▮▮▮ⓒ 砌石坝 (masonry dams)：以石砌体为主要材料修建的坝。砌石坝适用于小型水利工程和景观水利工程，具有耐久性好、景观效果好等特点。

② 坝型的结构特点、受力分析、设计方法与施工技术 各不相同，需要根据坝址条件、工程规模、功能要求、材料供应等因素综合选择。
▮▮▮▮ⓑ 结构特点：不同坝型具有不同的结构特点，如重力坝依靠重力稳定，拱坝依靠拱的受力特性，土石坝依靠土石料的摩擦力和嵌固力。
▮▮▮▮ⓒ 受力分析：坝的受力分析是坝工设计的核心内容，需要分析坝体在各种荷载作用下的应力、变形和稳定性。主要荷载包括：
▮▮▮▮⚝ 水压力 (water pressure)：水库蓄水对坝体产生的静水压力和动水压力。
▮▮▮▮⚝ 扬压力 (uplift pressure)：渗流通过坝基和坝体时，在坝基和坝体底部产生的向上压力。
▮▮▮▮⚝ 自重 (self-weight)：坝体自身的重力。
▮▮▮▮⚝ 地震力 (earthquake force)：地震作用对坝体产生的惯性力。
▮▮▮▮⚝ 冰压力 (ice pressure)：寒冷地区冰冻期冰层对坝体产生的压力。
▮▮▮▮⚝ 泥沙压力 (silt pressure)：水库淤积泥沙对坝体产生的压力。
▮▮▮▮ⓒ 设计方法：坝的设计方法主要包括：
▮▮▮▮⚝ 强度设计 (strength design)：保证坝体和坝基在各种荷载作用下不发生破坏。
▮▮▮▮⚝ 稳定设计 (stability design)：保证坝体和坝基在各种荷载作用下不发生滑动、倾覆、失稳等破坏。
▮▮▮▮⚝ 变形控制 (deformation control)：控制坝体的变形在允许范围内，保证坝体的正常运行。
▮▮▮▮⚝ 渗流控制 (seepage control)：控制坝体和坝基的渗流量和渗流压力，防止渗漏破坏。
▮▮▮▮⚝ 耐久性设计 (durability design)：保证坝体在设计使用年限内具有足够的耐久性，抵抗各种环境因素的侵蚀。
▮▮▮▮ⓓ 施工技术：不同坝型的施工技术也各不相同。混凝土坝施工主要包括：
▮▮▮▮⚝ 地基处理 (foundation treatment)：对坝基进行开挖、清理、加固、防渗处理，提高坝基承载力和抗渗性。
▮▮▮▮⚝ 混凝土浇筑 (concrete pouring)：采用分层、分块、分期浇筑方法，控制混凝土温度和裂缝，保证混凝土质量。
▮▮▮▮⚝ 接缝处理 (joint treatment)：对混凝土坝体接缝进行止水、灌浆处理，防止渗漏和破坏。
土石坝施工主要包括：
▮▮▮▮⚝ 坝基处理 (foundation treatment)：与混凝土坝类似。
▮▮▮▮⚝ 坝体填筑 (dam filling)：采用分层填筑、碾压密实方法，控制填筑质量和变形。
▮▮▮▮⚝ 防渗体施工 (impervious core construction)：根据防渗体类型，采用相应的施工方法，如混凝土面板浇筑、沥青混凝土心墙填筑、土心墙填筑等。

③ 坝的工程意义 非常重大，是水资源开发利用和防洪减灾的关键性工程。坝的建设对区域经济社会发展和生态环境改善具有深远影响。同时，坝的建设也面临着环境影响、移民安置、工程安全等诸多挑战，需要进行科学规划、精心设计、精细施工和严格管理，才能充分发挥坝的综合效益，实现水资源可持续利用和经济社会可持续发展。

7.2.3 闸 (Gates)

闸 (gates) 是水工建筑物中重要的组成部分，主要用于控制和调节水位、流量，实现蓄水、泄洪、灌溉、通航等功能。闸的类型繁多，根据不同的标准可以进行多种分类。

① 按闸门门叶形式分类，闸可以分为：
▮▮▮▮ⓑ 平面闸门 (plane gates)：闸门门叶为平面形式，结构简单，受力明确，制造安装方便，是水闸中最常用的一种类型。平面闸门又可以根据门叶支承形式和运行方式分为：
▮▮▮▮⚝ 直升式平面闸门 (vertical lift plane gates)：门叶沿竖直方向升降，结构简单，操作方便，密封可靠，广泛应用于各种类型的水闸。
▮▮▮▮⚝ 卧倒式平面闸门 (tilting gates)：门叶绕水平轴转动，卧倒在闸底或闸墩内，开启阻力小，泄流能力强，适用于泄洪闸和冲砂闸。
▮▮▮▮⚝ 横拉式平面闸门 (horizontal sliding gates)：门叶沿水平方向滑动，结构简单，造价低廉，但开启阻力大，密封性较差，适用于小型水闸和临时挡水闸。
▮▮▮▮ⓑ 弧形闸门 (radial gates)：闸门门叶为弧形形式，门叶绕水平轴转动，力学性能好，开启力矩小，密封可靠，泄流能力强，适用于大中型水闸和溢洪道。
▮▮▮▮ⓒ 人字闸门 (miter gates)：由两扇门叶组成，门叶绕竖轴转动，在水压力作用下门叶相互挤压，形成水封，结构简单，受力合理，适用于船闸和河道节制闸。
▮▮▮▮ⓓ 滚轮闸门 (roller gates)：闸门门叶为圆筒形或多边形筒形，门叶绕水平轴滚动，开启力矩小，泄流能力强，适用于大型泄洪闸和溢洪道。
▮▮▮▮ⓔ 叠梁闸门 (needle beam gates)：由多根梁或板叠放而成，依靠梁或板的自身重量和相互挤压形成水封，结构简单，造价低廉，适用于小型水闸和临时挡水闸。

② 按水闸用途分类，闸可以分为：
▮▮▮▮ⓑ 挡水闸 (barrage gates)：主要用于抬高水位，形成壅水，满足灌溉、供水、发电、航运等用水需求。
▮▮▮▮ⓒ 泄洪闸 (spillway gates)：主要用于宣泄水库洪水，保障水库安全。
▮▮▮▮ⓓ 进水闸 (intake gates)：用于控制引水流量，调节引水过程。
▮▮▮▮ⓔ 排水闸 (drainage gates)：用于排除涝水，降低水位，防治洪涝灾害。
▮▮▮▮ⓕ 船闸 (ship lock gates)：用于克服航道水位落差，实现船舶在不同水位之间的顺利通行。
▮▮▮▮ⓖ 节制闸 (control gates)：用于调节河道水位和流量，控制河道水情。
▮▮▮▮ⓗ 冲砂闸 (sediment flushing gates)：用于排除水库泥沙，减少水库淤积。

③ 闸的类型选择、构造、受力分析、设计方法与运行管理 需要根据水闸的用途、工程规模、水文条件、地质条件、材料供应等因素综合考虑。
▮▮▮▮ⓑ 类型选择：根据水闸的功能要求、水位落差、流量大小、地基条件、工程造价等因素，选择合适的闸门类型。例如，大型泄洪闸常选用弧形闸门或滚轮闸门，船闸常选用人字闸门或直升式平面闸门。
▮▮▮▮ⓒ 构造：闸的构造主要包括：
▮▮▮▮⚝ 闸门门叶 (gate leaf)：承受水压力，控制水流的活动挡水构件。
▮▮▮▮⚝ 闸门支承 (gate support)：支承门叶，传递水压力的结构，包括门槽、门墩、门楣等。
▮▮▮▮⚝ 闸门启闭机 (gate hoist)：驱动门叶运动，实现闸门开启和关闭的设备，包括卷扬式启闭机、液压启闭机、螺杆式启闭机等。
▮▮▮▮⚝ 闸门止水 (gate seal)：设置在门叶与门槽、门叶与门叶之间的密封装置，防止渗漏。常用的止水材料有橡胶、塑料、金属等。
▮▮▮▮ⓒ 受力分析：闸的受力分析主要包括：
▮▮▮▮⚝ 闸门门叶受力分析 (gate leaf stress analysis)：分析门叶在水压力、自重、启闭力等作用下的应力分布和强度。
▮▮▮▮⚝ 闸门支承受力分析 (gate support stress analysis)：分析门槽、门墩、门楣等支承结构在门叶水压力、自重、启闭力等作用下的应力分布和强度。
▮▮▮▮⚝ 闸门整体稳定分析 (overall stability analysis of gate)：分析闸门在各种荷载作用下的整体稳定性，包括抗滑稳定性、抗倾覆稳定性等。
▮▮▮▮ⓓ 设计方法：闸的设计方法主要包括：
▮▮▮▮⚝ 强度设计 (strength design)：保证闸门门叶、支承结构在各种荷载作用下不发生破坏。
▮▮▮▮⚝ 刚度设计 (stiffness design)：控制闸门门叶、支承结构的变形在允许范围内，保证闸门的正常运行。
▮▮▮▮⚝ 止水设计 (seal design)：选择合适的止水材料和止水结构，保证闸门的止水性能。
▮▮▮▮⚝ 启闭机选择与设计 (hoist selection and design)：根据闸门门叶尺寸、启闭力、启闭速度等要求，选择合适的启闭机，并进行启闭机结构设计。
▮▮▮▮⚝ 耐久性设计 (durability design)：保证闸门在设计使用年限内具有足够的耐久性，抵抗各种环境因素的侵蚀。
▮▮▮▮ⓔ 运行管理：闸的运行管理包括：
▮▮▮▮⚝ 闸门操作规程 (gate operation regulations)：制定闸门操作规程，规范闸门启闭操作，防止误操作和事故发生。
▮▮▮▮⚝ 闸门维护保养 (gate maintenance)：定期对闸门进行检查、维护、保养，及时发现和处理闸门缺陷，延长闸门使用寿命。
▮▮▮▮⚝ 闸门安全监测 (gate safety monitoring)：对闸门进行安全监测，监测闸门变形、应力、渗漏等参数，及时预警和处理闸门安全隐患。

④ 闸的工程意义 主要体现在：
▮▮▮▮ⓑ 调控水位流量 (regulating water level and flow)：闸可以精确控制和调节水位、流量，满足不同用水部门的用水需求，实现水资源的合理配置和高效利用。
▮▮▮▮ⓒ 防洪排涝 (flood control and drainage)：泄洪闸可以安全宣泄水库洪水，保障水库安全；排水闸可以排除涝水，降低水位，防治洪涝灾害。
▮▮▮▮ⓓ 改善航运条件 (improving navigation conditions)：船闸可以克服航道水位落差，实现船舶在不同水位之间的顺利通行，改善航运条件。
▮▮▮▮ⓔ 生态环境改善 (improving ecological environment)：通过闸门调度，可以调节河流流量和水位，改善河流生态环境，维护水生态系统健康。

闸是水利工程中不可或缺的重要建筑物，其设计、建设和运行管理水平直接关系到水利工程的效益和安全。

7.2.4 溢洪道与泄水建筑物 (Spillways and Outlet Structures)

溢洪道 (spillways) 和泄水建筑物 (outlet structures) 是水工建筑物中重要的泄水构筑物，主要用于宣泄水库洪水，保障水库安全。溢洪道通常用于宣泄水库的超额洪水，而泄水建筑物则用于宣泄水库的正常蓄水位以上的水量，以及在非常情况下快速降低水库水位。

① 溢洪道的类型 主要有：
▮▮▮▮ⓑ 自由溢流堰溢洪道 (free overflow weir spillways)：堰顶高程较低，洪水漫过堰顶自由溢流泄洪，结构简单，造价低廉，但泄流能力有限，适用于中小型水库。
▮▮▮▮ⓒ 闸门控制溢洪道 (gated spillways)：在溢流堰上设置闸门，通过闸门启闭控制泄洪流量，泄流能力强，调控灵活，适用于大中型水库。闸门控制溢洪道又可以根据闸门类型分为：
▮▮▮▮⚝ 弧形闸门溢洪道 (radial gate spillways)：采用弧形闸门控制泄洪，是闸门控制溢洪道中最常用的类型。
▮▮▮▮⚝ 滚轮闸门溢洪道 (roller gate spillways)：采用滚轮闸门控制泄洪，适用于大型泄洪闸和溢洪道。
▮▮▮▮⚝ 升卧式闸门溢洪道 (vertical lift and tilting gate spillways)：采用升卧式闸门控制泄洪，具有泄流能力强、开启阻力小等特点，适用于大型泄洪闸和溢洪道。
▮▮▮▮ⓒ 岸边溢洪道 (side channel spillways)：溢流堰布置在坝的一侧岸边，泄洪时水流沿岸边渠道泄向下游，适用于河谷狭窄、坝址地形复杂的地区。
▮▮▮▮ⓓ 喇叭口溢洪道 (morning glory spillways)：溢流堰为喇叭口形，泄洪时水流从喇叭口进入竖井，再通过泄水隧洞泄向下游，泄流能力强，结构紧凑，适用于河谷狭窄、库区面积较小的地区。

② 泄水建筑物的类型 主要有：
▮▮▮▮ⓑ 泄水隧洞 (outlet tunnels)：通过隧洞泄水，泄流能力强，不受地形条件限制，适用于各种类型的水库。泄水隧洞可以根据洞线布置方式分为：
▮▮▮▮⚝ 有压泄水隧洞 (pressure outlet tunnels)：隧洞洞线全部或大部分位于水面以下，洞内水流为有压流。
▮▮▮▮⚝ 无压泄水隧洞 (non-pressure outlet tunnels)：隧洞洞线全部位于水面以上，洞内水流为无压流。
▮▮▮▮ⓑ 泄水孔 (outlet conduits)：通过坝体或岸坡内的孔道泄水，结构简单，造价低廉，适用于小型水库和坝后式水电站。泄水孔可以根据孔口布置方式分为：
▮▮▮▮⚝ 坝身泄水孔 (dam body outlet conduits)：孔口布置在坝身内。
▮▮▮▮⚝ 坝基泄水孔 (dam foundation outlet conduits)：孔口布置在坝基内。
▮▮▮▮⚝ 岸坡泄水孔 (abutment outlet conduits)：孔口布置在岸坡内。
▮▮▮▮ⓒ 导流底孔 (diversion bottom outlets)：在水库初期蓄水或施工导流期间，用于泄水的临时性泄水建筑物，在水库建成后可以作为永久性泄水建筑物使用。

③ 溢洪道和泄水建筑物的布置、水力计算、结构设计与安全校核 需要根据水库的规模、水文条件、地形地貌、地质条件、工程造价等因素综合考虑。
▮▮▮▮ⓑ 布置：溢洪道和泄水建筑物的布置应满足水库的泄洪要求，并与坝址地形地貌相协调。溢洪道通常布置在坝顶或坝的一侧，泄水建筑物可以布置在坝身、坝基或岸坡内。
▮▮▮▮ⓒ 水力计算：溢洪道和泄水建筑物的水力计算是泄水建筑物设计的关键内容，需要计算泄洪流量、泄洪流速、水面线、水跃位置、冲刷深度等水力参数，为泄水建筑物结构设计提供依据。水力计算方法主要包括：
▮▮▮▮⚝ 经验公式法 (empirical formula method)：基于经验公式进行水力计算，简单方便，但精度较低，适用于初步设计阶段。
▮▮▮▮⚝ 水力学计算法 (hydraulic calculation method)：基于水力学基本原理进行水力计算，精度较高，适用于详细设计阶段。
▮▮▮▮⚝ 水工模型试验法 (hydraulic model test method)：通过水工模型试验，模拟泄洪过程，直接量测水力参数，精度最高，但费用较高，适用于大型复杂水利工程。
▮▮▮▮ⓒ 结构设计：溢洪道和泄水建筑物的结构设计需要满足强度、稳定、耐久性等要求，并考虑水流的冲刷、磨损、空化等不利影响。结构设计主要内容包括：
▮▮▮▮⚝ 泄流堰设计 (weir design)：设计堰顶形状、堰面曲线、堰高、堰宽等参数，满足泄洪能力和水流条件要求。
▮▮▮▮⚝ 泄槽设计 (chute design)：设计泄槽断面形状、纵坡、糙率等参数，保证泄洪安全和稳定。
▮▮▮▮⚝ 消能防冲设计 (energy dissipation and scour protection design)：设计消能工和防冲措施，减缓水流冲刷，保护下游河道和建筑物安全。常用的消能工形式有：
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 水跃消能 (hydraulic jump energy dissipation)：利用水跃产生的紊动和掺气消能。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 挑坎消能 (flip bucket energy dissipation)：利用挑坎将水流挑起，形成远距离抛射，分散水流能量。
▮▮▮▮▮▮▮▮⚝ 底流消能 (bottom outlet energy dissipation)：利用底流在下游河道中扩散消能。
▮▮▮▮⚝ 洞身结构设计 (tunnel structure design)：泄水隧洞洞身结构设计需要考虑围岩压力、水压力、地震力等荷载作用，保证隧洞结构稳定安全。
▮▮▮▮ⓓ 安全校核：溢洪道和泄水建筑物安全校核是保障水库安全的重要环节，需要对泄水建筑物的泄洪能力、结构安全、运行安全等进行全面校核，确保泄水建筑物在各种工况下安全可靠运行。

④ 溢洪道和泄水建筑物的工程意义 主要体现在：
▮▮▮▮ⓑ 保障水库安全 (ensuring dam safety)：溢洪道和泄水建筑物是水库安全的重要保障，可以安全宣泄水库洪水，防止水库漫顶溃坝，保护下游人民生命财产安全。
▮▮▮▮ⓒ 调控水库水位 (regulating reservoir water level)：泄水建筑物可以根据需要调节水库水位，满足水库的各项功能需求，如防洪、供水、发电、灌溉、航运等。
▮▮▮▮ⓓ 排除水库泥沙 (flushing reservoir sediment)：泄水建筑物可以用于排除水库泥沙，减少水库淤积，延长水库使用寿命。
▮▮▮▮ⓔ 生态环境改善 (improving ecological environment)：通过合理调度泄水建筑物，可以调节河流流量和水位，改善河流生态环境，维护水生态系统健康。

溢洪道和泄水建筑物是水库工程中不可或缺的重要组成部分，其设计、建设和运行管理水平直接关系到水库的安全和效益。

7.2.5 输水与取水建筑物 (Water Conveyance and Intake Structures)

输水建筑物 (water conveyance structures) 和取水建筑物 (water intake structures) 是水利工程中重要的引水和配水构筑物，主要用于将水源（河流、湖泊、水库、地下水）的水输送到用水地点，满足工业、农业、生活等用水需求。

① 输水建筑物的类型 主要有：
▮▮▮▮ⓑ 明渠 (open channels)：水流在具有自由水面的渠道中流动，断面形状可以是梯形、矩形、三角形、圆形等。明渠造价低廉，施工简单，维护方便，适用于输水量较大、地形平缓的地区。
▮▮▮▮ⓒ 暗渠 (closed channels)：水流在封闭的渠道中流动，断面形状可以是圆形、矩形、拱形等。暗渠可以减少蒸发损失，防止水质污染，占用土地少，适用于输水线路较长、地形起伏较大、水质要求较高的地区。
▮▮▮▮ⓓ 渡槽 (aqueducts)：用于跨越河流、山谷、道路等障碍物的架空输水建筑物，断面形状可以是矩形、U形、箱形等。渡槽可以克服地形高差，缩短输水线路，提高输水效率，适用于地形复杂的地区。
▮▮▮▮ⓔ 隧洞 (tunnels)：用于穿越山岭、地下等障碍物的地下输水建筑物，断面形状可以是圆形、马蹄形、矩形等。隧洞可以缩短输水线路，减少占地，保护生态环境，适用于山地丘陵地区。
▮▮▮▮ⓕ 管道 (pipelines)：采用管道输水，断面形状通常为圆形。管道输水可以实现有压输水，输水效率高，水头损失小，水质不易污染，适用于输水量较小、水质要求较高、需要加压输水的场合。

② 取水建筑物的类型 主要有：
▮▮▮▮ⓑ 岸边式取水建筑物 (bankside intake structures)：取水口布置在河流、湖泊、水库的岸边，结构简单，造价低廉，适用于水位变化较小、水深较深的岸边。
▮▮▮▮ⓒ 河床式取水建筑物 (riverbed intake structures)：取水口布置在河流的河床中，取水头部位于河床以下，可以避免水面漂浮物和泥沙进入取水口，水质较好，适用于泥沙含量较高、水位变化较大的河流。
▮▮▮▮ⓓ 坝前式取水建筑物 (dam front intake structures)：取水口布置在水库坝体前，利用水库水位抬高水头，取水方便，水质较好，适用于水库坝址附近用水的场合。
▮▮▮▮ⓔ 泵站取水建筑物 (pumping station intake structures)：采用泵站抽水取水，取水灵活，不受水位限制，适用于水源水位较低或需要加压供水的场合。
▮▮▮▮ⓕ 地下水取水建筑物 (groundwater intake structures)：从地下含水层取水，主要类型有水井 (wells)、泉 (springs)、渗渠 (infiltration galleries) 等。地下水水质较好，水量稳定，但开采成本较高，容易引起地面沉降等环境问题。

③ 输水与取水建筑物的水力计算、结构设计与工程布置 需要根据输水规模、输水距离、地形地质条件、水质要求、工程造价等因素综合考虑。
▮▮▮▮ⓑ 水力计算：输水建筑物的水力计算是输水建筑物设计的关键内容，需要计算输水流量、水头损失、流速、水深、渠道断面尺寸等水力参数，保证输水建筑物满足输水能力和水力性能要求。水力计算方法主要包括：
▮▮▮▮⚝ 均匀流计算 (uniform flow calculation)：适用于明渠和暗渠的均匀流输水计算，常用的公式有谢才公式 (Chezy formula)、曼宁公式 (Manning formula) 等。
▮▮▮▮⚝ 非均匀流计算 (non-uniform flow calculation)：适用于明渠和暗渠的非均匀流输水计算，如水面曲线计算、水跃计算等。
▮▮▮▮⚝ 有压流计算 (pressure flow calculation)：适用于管道和有压隧洞的输水计算，常用的公式有达西-魏斯巴赫公式 (Darcy-Weisbach equation)、海曾-威廉姆斯公式 (Hazen-Williams equation) 等。
▮▮▮▮ⓑ 结构设计：输水与取水建筑物的结构设计需要满足强度、稳定、耐久性等要求，并考虑地基条件、地震作用、水压力、土压力等荷载作用。结构设计主要内容包括：
▮▮▮▮⚝ 渠道结构设计 (channel structure design)：明渠和暗渠的结构设计需要考虑渠道断面形状、衬砌材料、地基条件、水压力、土压力等因素，保证渠道结构稳定安全。常用的渠道衬砌材料有混凝土、砌石、土工膜等。
▮▮▮▮⚝ 渡槽结构设计 (aqueduct structure design)：渡槽结构设计需要考虑跨度、荷载、材料、支承形式等因素，保证渡槽结构强度和稳定性。常用的渡槽结构形式有简支梁渡槽、连续梁渡槽、拱形渡槽、斜拉渡槽、悬索渡槽等。
▮▮▮▮⚝ 隧洞结构设计 (tunnel structure design)：输水隧洞结构设计与泄水隧洞结构设计类似，需要考虑围岩压力、水压力、地震力等荷载作用，保证隧洞结构稳定安全。
▮▮▮▮⚝ 取水建筑物结构设计 (intake structure design)：取水建筑物结构设计需要考虑水流冲击、冰压力、地震力等荷载作用，保证取水建筑物结构稳定安全。
▮▮▮▮ⓒ 工程布置：输水与取水建筑物的工程布置需要根据水源位置、用水地点、地形地貌、地质条件、输水线路长度、工程造价等因素综合考虑，选择最优的输水线路和取水方案。工程布置应尽量缩短输水线路，减少工程造价，降低水头损失，保护生态环境。

④ 输水与取水建筑物的工程意义 主要体现在：
▮▮▮▮ⓑ 保障供水安全 (ensuring water supply security)：输水与取水建筑物可以将水源的水输送到用水地点，保障工业、农业、生活等用水需求，是水资源开发利用的重要基础设施。
▮▮▮▮ⓒ 提高水资源利用效率 (improving water resources utilization efficiency)：通过建设完善的输水与取水系统，可以减少输水过程中的渗漏损失和蒸发损失，提高水资源利用效率。
▮▮▮▮ⓓ 改善区域水资源条件 (improving regional water resources conditions)：通过跨流域调水工程，可以将水资源丰富地区的水调到水资源短缺地区，改善区域水资源条件，促进区域经济社会协调发展。
▮▮▮▮ⓔ 促进农业发展 (promoting agricultural development)：灌溉渠道可以将水库或河流中的水输送到农田，满足农业灌溉需求，提高农业生产能力，保障粮食安全。

输水与取水建筑物是水利工程中重要的组成部分，其设计、建设和运行管理水平直接关系到水资源的有效利用和区域经济社会发展。

8. 施工工程与管理 (Construction Engineering and Management)

本章系统介绍施工工程的基本原理、施工组织设计、施工技术、施工项目管理、工程经济与合同管理，涵盖工程建设全过程的管理与控制。

8.1 施工组织设计 (Construction Organization Design)

介绍施工组织设计的目的、内容、步骤、方法，以及施工方案选择、施工平面布置、资源配置、进度计划等关键环节。

8.1.1 施工组织设计概述 (Overview of Construction Organization Design)

明确施工组织设计的定义、作用、分类、编制原则。

施工组织设计 (Construction Organization Design, COD) 是在工程项目开工前，为了保证工程项目在质量 (Quality)、安全 (Safety)、进度 (Schedule)、成本 (Cost) 和 环境保护 (Environment Protection) 等目标控制下顺利完成，依据工程项目的具体特点和条件，预先编制的指导施工全过程各项活动的技术、经济和组织的综合性文件。

① 施工组织设计的定义

从广义上讲，施工组织设计是指为组织和管理工程施工活动所进行的全部筹划和安排。从狭义上讲，施工组织设计是指导一个单位工程或分部分项工程施工的技术和组织方案。本书中主要讨论广义的施工组织设计。

② 施工组织设计的作用

施工组织设计在工程建设中起着至关重要的作用，主要体现在：

▮▮▮▮ⓐ 指导施工准备工作：施工组织设计是施工准备工作的依据和指南，它可以明确施工准备的内容、范围、时间和责任，避免准备工作的盲目性和遗漏。
▮▮▮▮ⓑ 优化资源配置：通过科学的施工组织设计，可以合理配置人力、材料、机械设备、资金等资源，提高资源利用效率，降低施工成本。
▮▮▮▮ⓒ 控制工程项目目标：施工组织设计是实现工程项目质量、安全、进度、成本和环境保护等目标的有效手段，它可以为项目管理提供明确的目标和方向。
▮▮▮▮ⓓ 指导施工过程：施工组织设计是指导施工全过程各项活动的行动纲领，它可以为施工人员提供明确的操作规程和技术指导，保证施工过程的顺利进行。
▮▮▮▮ⓔ 提高管理水平：编制和实施施工组织设计的过程，也是提高项目管理水平的过程，它可以促进项目管理的规范化、科学化和精细化。

③ 施工组织设计的分类

施工组织设计可以根据不同的标准进行分类，常见的分类方式包括：

▮▮▮▮ⓐ 按工程规模和复杂程度：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 单位工程施工组织设计：针对一个独立的单位工程编制的施工组织设计，例如一栋房屋、一座桥梁等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 分部分项工程施工组织设计：针对单位工程中的某个分部分项工程编制的施工组织设计，例如地基基础工程、主体结构工程等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 群体工程施工组织设计：针对多个单位工程组成的群体工程编制的施工组织设计，例如一个小区、一个工业园区等。
▮▮▮▮ⓔ 按编制深度和详细程度：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 施工组织总设计 (Construction Organization Program, COP)：是在项目决策阶段 (Decision-making Phase) 或设计阶段 (Design Phase) 编制的，是指导整个项目施工全过程的纲领性文件，内容相对概括，重点是确定项目的总体部署、主要施工方案和资源配置原则。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 施工组织总平面图 (Construction General Layout Plan, CGLP)：是施工组织总设计的重要组成部分，以图纸的形式直观地表达施工现场的总体布置，包括临时设施、材料堆场、道路交通、水电管线等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 单位工程施工组织设计：是在项目实施阶段 (Implementation Phase) 编制的，是指导单位工程施工的具体性文件，内容详细具体，重点是确定单位工程的施工方案、施工顺序、施工方法、质量安全保证措施等。
▮▮▮▮ⓘ 按编制主体：
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 施工单位编制的施工组织设计：由施工单位根据工程项目的具体情况和自身的技术管理水平编制，是施工单位组织施工生产的依据。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 建设单位或咨询单位编制的施工组织设计：由建设单位或咨询单位编制，主要用于项目的方案论证、招标投标和合同管理等。

④ 施工组织设计的编制原则

编制施工组织设计应遵循以下基本原则：

▮▮▮▮ⓐ 目标性原则：施工组织设计必须围绕工程项目的总目标展开，确保各项施工活动都为实现项目目标服务。
▮▮▮▮ⓑ 系统性原则：施工组织设计应从系统工程的角度出发，统筹考虑工程项目的各个方面和各个环节，实现整体优化。
▮▮▮▮ⓒ 科学性原则：施工组织设计应以科学理论和方法为指导，采用先进的施工技术和管理手段，提高施工效率和质量。
▮▮▮▮ⓓ 经济性原则：施工组织设计应注重经济效益，在保证工程质量和安全的前提下，力求降低施工成本，提高经济效益。
▮▮▮▮ⓔ 可行性原则：施工组织设计应充分考虑工程项目的实际条件和约束，确保方案的可行性和可操作性。
▮▮▮▮ⓕ 动态性原则：施工组织设计应具有一定的灵活性和适应性，能够根据工程项目进展和环境变化进行动态调整和优化。

8.1.2 施工方案选择与技术经济分析 (Construction Scheme Selection and Techno-economic Analysis)

介绍施工方案比选原则、常用比选方法、技术经济分析方法。

施工方案选择是施工组织设计的重要环节，合理的施工方案是保证工程项目顺利进行、实现项目目标的关键。在工程实践中，往往存在多种可行的施工方案，需要通过技术经济分析进行比选，选择最优方案。

① 施工方案比选原则

施工方案比选应遵循以下原则：

▮▮▮▮ⓐ 满足工程功能和质量要求：所选方案必须能够满足工程的使用功能和质量标准，这是最基本的要求。
▮▮▮▮ⓑ 安全可靠：所选方案必须保证施工过程和竣工后的结构安全可靠，避免安全事故的发生。
▮▮▮▮ⓒ 技术先进：优先选择技术先进、效率高、质量好的施工方案，采用新技术、新工艺、新材料、新设备，提高工程的技术水平。
▮▮▮▮ⓓ 经济合理：在满足技术要求的前提下，力求降低工程成本，提高经济效益，选择经济合理的施工方案。
▮▮▮▮ⓔ 环境友好：在方案选择中要充分考虑环境保护因素，选择对环境影响小的方案，实现绿色施工。
▮▮▮▮ⓕ 可操作性强：所选方案必须具有可操作性，符合施工单位的实际技术和管理水平，便于组织实施。

② 常用施工方案比选方法

常用的施工方案比选方法主要包括定性比选和定量比选两种：

▮▮▮▮ⓐ 定性比选法：主要依靠专家的经验和判断，对各方案的优缺点进行综合分析和比较，最终确定优选方案。定性比选法主要适用于方案差异较大、难以量化比较的情况。常用的定性比选方法包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 专家咨询法 (Expert Consultation Method)：邀请相关领域的专家对各方案进行评审和论证，听取专家的意见和建议，最终确定优选方案。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 加权评分法 (Weighted Scoring Method)：根据方案比选的各项指标的重要性，赋予不同的权重，然后对各方案在各项指标上的表现进行评分，最后根据加权总分确定优选方案。
▮▮▮▮ⓓ 定量比选法：通过建立数学模型，对各方案的技术经济指标进行定量计算和比较，最终确定优选方案。定量比选法主要适用于方案差异较小、指标易于量化的情况。常用的定量比选方法包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 成本分析法 (Cost Analysis Method)：以成本为主要指标，对各方案的成本进行计算和比较，选择成本最低或经济效益最高的方案。常用的成本指标包括直接成本、间接成本、总成本等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 价值工程法 (Value Engineering, VE)：以提高价值为目标，通过功能分析、方案创新、价值评价等步骤，对各方案的价值进行分析和比较，选择价值最高的方案。价值 \( V \) 定义为功能 \( F \) 与成本 \( C \) 的比值，即 \[ V = \frac{F}{C} \] 价值工程的核心是提高功能、降低成本，从而提高价值。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 盈亏平衡分析法 (Break-even Analysis Method)：通过分析各方案的盈亏平衡点，比较各方案的盈利能力和风险水平，选择盈利能力强、风险小的方案。盈亏平衡点是指总收入等于总成本时的产量或销售量。

③ 技术经济分析方法

技术经济分析是施工方案比选的重要手段，常用的技术经济分析方法主要包括：

▮▮▮▮ⓐ 静态分析法 (Static Analysis Method)：在不考虑资金时间价值的情况下，对方案的经济效益进行分析和评价。常用的静态分析指标包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 投资回收期 (Payback Period, PP)：指项目投资回收所需的时间。投资回收期越短，方案的盈利能力越强，风险越小。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 投资收益率 (Return on Investment, ROI)：指项目年利润与总投资之比。投资收益率越高，方案的盈利能力越强。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 年平均利润 (Average Annual Profit, AAP)：指项目在运营期内平均每年的利润额。年平均利润越高，方案的盈利能力越强。
▮▮▮▮ⓔ 动态分析法 (Dynamic Analysis Method)：考虑资金时间价值的情况下，对方案的经济效益进行分析和评价。常用的动态分析指标包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 净现值 (Net Present Value, NPV)：指项目在整个计算期内各年净现金流量的现值之和。净现值大于零，方案在经济上可行；净现值越大，方案的经济效益越好。净现值的计算公式为： \[ NPV = \sum_{t=0}^{n} \frac{CI_t - CO_t}{(1+i)^t} \] 其中，\( CI_t \) 为第 \( t \) 年的现金流入量，\( CO_t \) 为第 \( t \) 年的现金流出量，\( i \) 为折现率，\( n \) 为计算期。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 内部收益率 (Internal Rate of Return, IRR)：指项目净现值为零时的折现率。内部收益率大于基准收益率，方案在经济上可行；内部收益率越高，方案的盈利能力越强。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 现值指数 (Present Value Index, PVI)：指项目未来现金流入量的现值与现金流出量的现值之比。现值指数大于 1，方案在经济上可行；现值指数越大，方案的经济效益越好。现值指数的计算公式为： \[ PVI = \frac{\sum_{t=1}^{n} \frac{CI_t}{(1+i)^t}}{\sum_{t=0}^{n} \frac{CO_t}{(1+i)^t}} \]

在实际应用中，应根据工程项目的具体情况，选择合适的比选方法和技术经济分析方法，进行综合分析和评价，选择最优的施工方案。

8.1.3 施工平面布置设计 (Construction Site Layout Design)

讲解施工现场总平面布置设计原则、布置方法、临时设施布置。

施工现场总平面布置 (Construction Site General Layout) 是施工组织设计的重要组成部分，是指在施工场地范围内，根据工程项目的特点和施工要求，对施工场地内的各项设施、设备、材料堆场、道路交通、水电管线等进行合理的规划和布置，为施工生产创造良好的条件。

① 施工现场总平面布置设计原则

施工现场总平面布置设计应遵循以下原则：

▮▮▮▮ⓐ 满足施工需要原则：施工现场布置必须满足工程项目施工的实际需要，包括施工机械设备的运行空间、材料的堆放场地、工人的生活和工作场所等。
▮▮▮▮ⓑ 安全生产原则：施工现场布置必须符合安全生产的要求，保证施工安全，预防安全事故的发生。要合理划分作业区、危险区和安全区，设置安全通道、安全标志、安全防护设施等。
▮▮▮▮ⓒ 环境保护原则：施工现场布置要考虑环境保护因素，减少施工对环境的影响。要采取措施控制扬尘、噪声、污水、废弃物等污染，保护周围环境。
▮▮▮▮ⓓ 经济合理原则：施工现场布置要经济合理，力求节约用地、节约投资，提高场地利用率，降低施工成本。要合理布置临时设施，避免重复建设和浪费。
▮▮▮▮ⓔ 方便管理原则：施工现场布置要方便管理，便于组织指挥、协调配合、物资供应、安全保卫等。要合理划分管理区、生活区、生产区，设置管理办公室、仓库、宿舍等。
▮▮▮▮ⓕ 远近结合原则：施工现场布置要考虑工程项目的长期性和阶段性，既要满足当前施工的需要，又要为后续施工和竣工后的使用留有余地。要合理规划永久性设施和临时性设施，避免影响永久性工程的建设。

② 施工现场总平面布置方法

常用的施工现场总平面布置方法主要包括：

▮▮▮▮ⓐ 流水布置法 (Flow Layout Method)：按照施工工序的先后顺序，将施工场地划分为若干个作业区，各作业区依次进行施工，形成流水作业。流水布置法适用于线性工程，如道路、管线等。其优点是施工连续性强，效率高；缺点是场地占用面积大，布置灵活性差。
▮▮▮▮ⓑ 垂直布置法 (Vertical Layout Method)：将施工场地划分为垂直方向的多个作业区，各作业区同时进行不同工序的施工。垂直布置法适用于高层建筑、构筑物等垂直方向延伸的工程。其优点是场地利用率高，布置紧凑；缺点是工序交叉干扰多，管理难度大。
▮▮▮▮ⓒ 环形布置法 (Circular Layout Method)：将施工场地划分为环形作业区，各作业区围绕中心区域进行施工。环形布置法适用于圆形或环形工程，如圆形水池、环形道路等。其优点是场地利用率高，布置紧凑；缺点是交通组织复杂，管理难度大。
▮▮▮▮ⓓ 集中布置法 (Centralized Layout Method)：将施工现场的各项设施集中布置在场地中心区域，形成一个综合性的服务中心。集中布置法适用于场地狭小、设施集中的工程。其优点是管理方便，资源共享；缺点是场地利用率不高，设施服务范围有限。
▮▮▮▮ⓔ 分散布置法 (Decentralized Layout Method)：将施工现场的各项设施分散布置在场地各个区域，根据施工需要灵活设置。分散布置法适用于场地开阔、施工分散的工程。其优点是布置灵活，适应性强；缺点是管理分散，资源浪费。

在实际应用中，可以根据工程项目的特点和场地条件，选择合适的布置方法或将多种方法结合使用，进行施工现场总平面布置。

③ 临时设施布置

施工现场的临时设施是指为满足施工需要而临时搭建的各种建筑物、构筑物和场地，包括：

▮▮▮▮ⓐ 生产性临时设施：直接为施工生产服务的设施，如：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 临时道路 (Temporary Roads)：包括场内道路、场外道路、施工便道等，用于施工机械、车辆和人员的通行。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 临时水电管线 (Temporary Water and Power Lines)：包括供水管线、排水管线、供电线路、照明线路等，用于施工用水、用电和排水。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 材料堆场和仓库 (Material Storage Yards and Warehouses)：用于堆放和储存各种建筑材料、构配件和设备。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 加工车间和预制场 (Processing Workshops and Prefabrication Yards)：用于加工和预制构件、半成品等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 大型机械设备停放场 (Parking Lots for Large Construction Machinery and Equipment)：用于停放和维修大型施工机械设备。
▮▮▮▮ⓖ 生活性临时设施：为施工人员生活服务的设施，如：
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 临时宿舍 (Temporary Dormitories)：供施工人员住宿。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 食堂和浴室 (Canteens and Bathrooms)：供施工人员用餐和洗浴。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 医疗站和文化娱乐场所 (Medical Stations and Cultural and Recreational Places)：提供医疗服务和文化娱乐活动场所。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 厕所和垃圾站 (Toilets and Garbage Stations)：处理生活垃圾和污水。
▮▮▮▮ⓛ 管理性临时设施：为施工管理服务的设施，如：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 项目经理部办公室 (Project Management Office)：项目管理人员的办公场所。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 会议室和资料室 (Meeting Rooms and Document Rooms)：用于会议、文件资料存放。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 试验室和化验室 (Laboratories and Testing Rooms)：进行材料试验和质量检测。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 门卫室和消防设施 (Guard Houses and Fire-fighting Facilities)：负责门卫安全和消防安全。

临时设施的布置应根据工程项目的规模、工期、施工条件等因素，合理确定临时设施的类型、数量和位置，力求经济实用、安全可靠、满足施工需要。临时设施在工程竣工后应及时拆除和清理，恢复场地原貌。

8.1.4 施工进度计划编制 (Construction Schedule Planning)

介绍施工进度计划的类型、编制方法（横道图、网络图）、进度控制方法。

施工进度计划 (Construction Schedule Plan) 是施工组织设计的重要组成部分，是指在工程项目施工过程中，为实现工程进度目标，预先编制的指导施工活动按时间顺序进行的计划安排。施工进度计划是项目管理的重要工具，它可以为项目进度控制、资源调配、协调配合提供依据。

① 施工进度计划的类型

施工进度计划可以根据不同的标准进行分类：

▮▮▮▮ⓐ 按计划的深度和详细程度：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 总进度计划 (Master Schedule)：是在项目决策阶段 (Decision-making Phase) 或设计阶段 (Design Phase) 编制的，是指导整个项目施工全过程的纲领性进度计划，内容相对概括，重点是确定项目的总工期、主要里程碑节点和各阶段的进度目标。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 详细进度计划 (Detailed Schedule)：是在项目实施阶段 (Implementation Phase) 编制的，是指导具体施工活动的详细进度计划，内容详细具体，重点是确定各分部分项工程的开工时间、完工时间、持续时间、先后顺序等。详细进度计划是进度控制的直接依据。
▮▮▮▮ⓓ 按计划的表达形式：
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 横道图进度计划 (Bar Chart Schedule)：用横道表示各项工作，横道的长度表示工作的持续时间，横道的位置表示工作的起止时间。横道图直观、简单、易懂，适用于工作量较少、工序关系简单的项目。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 网络图进度计划 (Network Chart Schedule)：用节点和箭线表示工作和工作之间的逻辑关系，形成网络图。网络图能够清晰地表达各工作之间的逻辑关系，便于进行关键线路分析、工期优化和资源调配，适用于工作量大、工序关系复杂的项目。常用的网络图包括单代号网络图 (Activity-on-Node Network) 和 双代号网络图 (Activity-on-Arrow Network)。

② 施工进度计划的编制方法

常用的施工进度计划编制方法主要包括横道图法和网络图法：

▮▮▮▮ⓐ 横道图法：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 确定工作内容：根据工程项目的施工图纸、施工方案和施工定额，分解工程项目的工作内容，确定需要完成的各项工作。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 估算工作持续时间：根据工作内容、工作量、资源投入和施工条件，估算各项工作的持续时间。可以参考历史资料、经验数据或进行专家咨询。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 确定工作起止时间：根据工程项目的总工期要求、工作之间的逻辑关系和资源约束，确定各项工作的起止时间。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 绘制横道图：以时间为横轴，工作为纵轴，用横道表示各项工作，绘制横道图。在横道图上可以清晰地看到各项工作的起止时间和持续时间。
▮▮▮▮ⓕ 网络图法：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 工作分解 (Work Breakdown Structure, WBS)：将工程项目分解为若干个可管理的工作单元，形成工作分解结构。WBS 是网络图编制的基础。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 确定工作之间的逻辑关系：分析各项工作之间的先后顺序、依赖关系和制约关系，确定工作之间的逻辑关系。常见的逻辑关系包括完成-开始 (Finish-to-Start, FS)、开始-开始 (Start-to-Start, SS)、完成-完成 (Finish-to-Finish, FF)、开始-完成 (Start-to-Finish, SF)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 估算工作持续时间：与横道图法相同，估算各项工作的持续时间。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 绘制网络图：根据工作分解结构和工作之间的逻辑关系，绘制网络图。网络图的绘制可以使用专业的项目管理软件，如 Microsoft Project、Primavera P6 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 网络图计算：对网络图进行正向计算和逆向计算，计算各项工作的最早开始时间 (Early Start, ES)、最早完成时间 (Early Finish, EF)、最迟开始时间 (Late Start, LS)、最迟完成时间 (Late Finish, LF) 和 总时差 (Total Float, TF)。总时差为零的工作即为关键工作 (Critical Activity)，关键工作组成的线路即为关键线路 (Critical Path)。关键线路是影响工程总工期的关键因素。

③ 施工进度控制方法

施工进度控制是指在施工过程中，对施工进度计划的执行情况进行跟踪、检查、分析和调整，确保工程项目按计划进度完成。常用的施工进度控制方法主要包括：

▮▮▮▮ⓐ 事前控制 (Pre-control)：在施工前，对施工进度计划进行评审和优化，制定详细的进度控制措施，预防进度偏差的发生。
▮▮▮▮ⓑ 事中控制 (In-process Control)：在施工过程中，定期或不定期地检查施工进度计划的执行情况，及时发现进度偏差，分析偏差原因，采取纠偏措施。常用的事中控制方法包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 定期进度报告 (Periodic Progress Report)：定期编制进度报告，反映工程项目的实际进度、计划进度和进度偏差情况。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 现场巡视检查 (On-site Inspection)：项目管理人员定期或不定期地到施工现场进行巡视检查，了解实际进度情况，发现问题及时处理。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 进度例会 (Progress Meeting)：定期召开进度例会，协调各方之间的工作，解决进度问题，明确下一步的工作计划。
▮▮▮▮ⓕ 事后控制 (Post-control)：在工程项目完成后，对施工进度计划的执行情况进行总结和评价，分析进度控制的经验和教训，为今后项目管理提供参考。

常用的进度控制技术包括挣值管理 (Earned Value Management, EVM) 和 关键线路法 (Critical Path Method, CPM)。挣值管理是一种综合性的进度和成本控制方法，通过对计划工作量价值 (Planned Value, PV)、已完成工作量价值 (Earned Value, EV) 和实际成本 (Actual Cost, AC) 的分析，评估项目进度和成本绩效。关键线路法是网络图技术的核心，通过对关键线路的控制，实现对工程总工期的控制。

8.1.5 施工资源配置与管理 (Construction Resource Allocation and Management)

介绍施工资源（劳动力、材料、机械设备、资金）的配置原则、管理方法。

施工资源 (Construction Resources) 是指在工程项目施工过程中所需的人力、材料、机械设备、资金、技术、信息等各种生产要素。施工资源配置与管理是施工组织设计的重要内容，合理的资源配置和有效的资源管理是保证工程项目顺利进行、实现项目目标的重要保障。

① 施工资源的分类

施工资源主要包括以下几类：

▮▮▮▮ⓐ 劳动力资源 (Labor Resources)：包括管理人员、技术人员、熟练工人、普通工人等。劳动力资源是施工生产中最活跃、最关键的因素。
▮▮▮▮ⓑ 材料资源 (Material Resources)：包括建筑材料、构配件、半成品、成品等。材料资源是工程项目的物质基础，材料成本通常占工程总成本的很大比例。
▮▮▮▮ⓒ 机械设备资源 (Mechanical Equipment Resources)：包括施工机械、运输设备、起重设备、检测设备等。机械设备是提高施工效率、保证工程质量的重要手段。
▮▮▮▮ⓓ 资金资源 (Financial Resources)：指工程项目所需的资金投入，包括工程款、预付款、进度款、结算款等。资金是工程项目顺利进行的血液，资金的及时到位和合理使用至关重要。
▮▮▮▮ⓔ 技术资源 (Technological Resources)：包括施工技术、工艺、工法、专利、专有技术等。技术进步是提高施工水平、降低施工成本、保证工程质量的重要驱动力。
▮▮▮▮ⓕ 信息资源 (Information Resources)：包括工程信息、市场信息、管理信息、技术信息等。信息是项目决策、管理和控制的重要依据。

② 施工资源配置原则

施工资源配置应遵循以下原则：

▮▮▮▮ⓐ 均衡性原则：资源配置要均衡，避免资源供应的忽高忽低，保证施工生产的连续性和稳定性。要根据工程进度计划和资源需求计划，合理安排资源的供应时间和数量。
▮▮▮▮ⓑ 经济性原则：资源配置要经济，力求节约资源，降低成本，提高资源利用效率。要优化资源组合，减少资源浪费，选择经济合理的资源供应方案。
▮▮▮▮ⓒ 适用性原则：资源配置要适用，要根据工程项目的具体特点和施工条件，选择合适的资源类型和规格。要考虑资源的性能、质量、可靠性、适用性和可获得性。
▮▮▮▮ⓓ 及时性原则：资源配置要及时，要保证资源在需要的时候及时到位，避免因资源短缺而延误工期。要提前做好资源需求预测和采购计划，确保资源供应的及时性。
▮▮▮▮ⓔ 优化性原则：资源配置要优化，要通过优化资源组合和资源调度，实现资源利用的最大效益。要采用先进的资源优化方法，如线性规划、网络优化、动态规划等。

③ 施工资源管理方法

施工资源管理包括资源计划、资源组织、资源调配、资源控制和资源评价等环节。常用的资源管理方法主要包括：

▮▮▮▮ⓐ 劳动力资源管理：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 劳动力需求计划：根据工程进度计划和劳动定额，编制劳动力需求计划，确定各阶段所需的劳动力数量和工种。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 劳动力组织：建立合理的劳动力组织结构，明确各级管理人员和工人的职责和权限，提高劳动效率。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 劳动力培训：加强对工人的技术培训和安全教育，提高工人的技能水平和安全意识。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 劳动力激励：建立合理的薪酬制度和激励机制，激发工人的工作积极性和创造性。
▮▮▮▮ⓕ 材料资源管理：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 材料需求计划：根据工程量清单、施工图纸和材料消耗定额，编制材料需求计划，确定各种材料的品种、规格、数量和进场时间。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 材料采购管理：建立健全材料采购制度，选择合格的供应商，签订采购合同，保证材料质量和供应及时性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 材料储存和保管：合理设置材料堆场和仓库，采取有效的储存和保管措施，防止材料损坏、丢失和变质。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 材料领用和发放：建立严格的材料领用和发放制度，实行限额领料，节约材料消耗，减少材料浪费。
▮▮▮▮ⓚ 机械设备资源管理：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 机械设备需求计划：根据施工方案和工程进度计划，编制机械设备需求计划，确定所需机械设备的类型、数量、型号和进场时间。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 机械设备租赁或采购：根据机械设备需求计划，选择租赁或采购机械设备。租赁机械设备可以节约投资，采购机械设备可以长期使用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 机械设备使用管理：制定机械设备操作规程和维护保养制度，保证机械设备的正常运行和安全使用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 机械设备维修和保养：定期对机械设备进行维修和保养，延长机械设备的使用寿命，提高机械设备的利用率。
▮▮▮▮ⓟ 资金资源管理：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 资金需求计划：根据工程进度计划和成本预算，编制资金需求计划，确定各阶段所需的资金量和资金来源。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 资金筹措：多渠道筹措资金，保证工程项目所需的资金及时到位。资金来源包括自有资金、银行贷款、商业融资等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 资金使用控制：建立健全资金使用审批制度和财务管理制度，严格控制资金支出，防止资金浪费和挪用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 资金效益评价：定期对资金使用效益进行评价，分析资金使用效率和经济效益，为今后项目管理提供参考。

现代施工资源管理越来越注重信息化和智能化，建筑信息模型 (Building Information Modeling, BIM)、物联网 (Internet of Things, IoT)、大数据 (Big Data)、云计算 (Cloud Computing) 等信息技术在施工资源管理中得到广泛应用，可以实现资源的精细化管理、智能化调度和可视化监控，提高资源管理效率和效益。

9. 可持续和韧性土木基础设施 (Sustainable and Resilient Civil Infrastructure)

本章探讨可持续发展理念在土木工程中的应用，以及如何构建更具韧性的土木基础设施，应对气候变化、自然灾害等挑战。

9.1 可持续土木工程 (Sustainable Civil Engineering)

介绍可持续发展的基本概念、土木工程领域的可持续发展目标、绿色建筑、生态基础设施、资源循环利用等。

9.1.1 可持续发展与土木工程 (Sustainable Development and Civil Engineering)

阐述可持续发展的内涵、原则，以及土木工程在实现可持续发展中的作用与责任。

可持续发展 (Sustainable Development) 不仅仅是一个流行词汇，而是一种深刻的理念，它指导着我们如何在满足当代人需求的同时，不损害后代人满足其需求的能力。在 1987 年，世界环境与发展委员会 (World Commission on Environment and Development, WCED) 在其里程碑式的报告《我们共同的未来》(Our Common Future)，又称《布伦特兰报告》(Brundtland Report) 中，对可持续发展进行了经典的定义。这一概念的核心在于平衡，即在经济发展、社会进步和环境保护这三大支柱之间寻求平衡。

在土木工程 (Civil Engineering) 领域，可持续发展具有极其重要的意义。土木工程项目，如桥梁、道路、建筑、水坝、港口等，是现代社会不可或缺的基础设施 (Infrastructure) 组成部分。然而，传统的土木工程建设模式往往伴随着大量的资源消耗、环境污染和社会影响。例如：

① 资源消耗 (Resource Consumption)：土木工程是资源密集型产业，需要消耗大量的自然资源，如水泥、钢材、砂石、木材等。这些资源的开采和生产过程往往伴随能源消耗和环境破坏。
② 环境污染 (Environmental Pollution)：施工过程会产生扬尘、噪音、废水、废弃物等污染物，对空气、水和土壤造成污染。工程建成后的运行和维护也可能产生环境影响，例如交通基础设施的尾气排放、水利工程对河流生态系统的改变等。
③ 社会影响 (Social Impact)：大型土木工程项目可能会对当地居民的生活、文化、社会结构产生深远影响，例如土地征用、移民安置、文化遗产保护等问题。

可持续土木工程 的目标，就是在土木工程的规划、设计、建造、运营和维护的各个阶段，最大限度地减少负面影响，实现经济效益、社会效益和环境效益的统一。这需要土木工程师 (Civil Engineer) 承担起重要的社会责任 (Social Responsibility)，并将可持续发展原则融入到工程实践中。

可持续土木工程的主要原则包括：

① 资源节约 (Resource Conservation)：
▮▮▮▮ⓑ 优先使用可再生资源 (Renewable Resources) 和可循环利用的材料 (Recyclable Materials)。
▮▮▮▮ⓒ 提高资源利用效率，减少材料消耗和浪费。
▮▮▮▮ⓓ 推广建筑废弃物资源化利用技术 (Construction Waste Recycling Technology)。
⑤ 环境保护 (Environmental Protection)：
▮▮▮▮ⓕ 减少污染物排放，防治环境污染。
▮▮▮▮ⓖ 保护生态环境，维护生物多样性 (Biodiversity)。
▮▮▮▮ⓗ 采用环境友好型施工技术 (Environmentally Friendly Construction Technology)。
⑨ 社会公平 (Social Equity)：
▮▮▮▮ⓙ 保障公众参与和知情权 (Public Participation and Right to Know)。
▮▮▮▮ⓚ 关注弱势群体的利益，促进社会公平正义 (Social Justice)。
▮▮▮▮ⓛ 提升工程的社会效益，改善人民生活质量。
⑬ 经济可行性 (Economic Viability)：
▮▮▮▮ⓝ 确保工程项目在经济上是可行的，具有合理的成本效益 (Cost-effectiveness)。
▮▮▮▮ⓞ 采用经济有效的可持续技术和方法。
▮▮▮▮ⓟ 考虑工程的长期经济效益和社会效益。

为了实现可持续土木工程的目标，土木工程师需要：

① 提升理念 (Enhance Awareness)：深入理解可持续发展理念，认识到土木工程在可持续发展中的重要作用。
② 掌握技术 (Master Technologies)：学习和掌握可持续土木工程的相关技术和方法，如绿色建筑技术、生态设计方法、生命周期评价 (Life Cycle Assessment, LCA) 等。
③ 创新实践 (Innovative Practice)：在工程实践中积极探索和应用可持续技术，推动土木工程的可持续发展。
④ 跨学科合作 (Interdisciplinary Collaboration)：与环境科学、生态学、社会学、经济学等领域的专家进行跨学科合作，共同解决可持续发展问题。

总之，可持续土木工程是时代发展的必然趋势，也是土木工程师的责任和使命。通过将可持续发展理念融入到土木工程的各个方面，我们可以建设更加美好的未来。

9.1.2 绿色建筑与绿色基础设施 (Green Building and Green Infrastructure)

介绍绿色建筑的评价标准、设计策略、技术措施，以及绿色基础设施的概念、类型、生态功能。

绿色建筑 (Green Building)，也称为可持续建筑 (Sustainable Building) 或生态建筑 (Ecological Building)，是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、减少污染，为人们提供健康、舒适、高效的使用空间，实现人与自然和谐共生的建筑。绿色建筑不仅仅关注建筑本身，更强调建筑与周围环境的协调统一，以及对社会和经济的积极贡献。

绿色建筑评价标准 (Green Building Rating Systems) 是衡量建筑绿色性能的重要工具。世界各国和地区都制定了各自的绿色建筑评价标准，例如：

① LEED (Leadership in Energy and Environmental Design)：由美国绿色建筑委员会 (U.S. Green Building Council, USGBC) 推出的国际通用绿色建筑评价体系，在全球范围内广泛应用。LEED 评价体系涵盖能源与大气、水资源、材料与资源、室内环境质量、场地可持续性、创新性等多个方面，并根据建筑的绿色性能等级授予认证。
② BREEAM (Building Research Establishment Environmental Assessment Method)：英国建筑研究院 (Building Research Establishment, BRE) 开发的绿色建筑评价体系，是世界上第一个绿色建筑评价标准，在欧洲地区影响力较大。BREEAM 评价体系也从多个方面评估建筑的环境性能，并进行等级评定。
③ 中国绿色建筑评价标准 (Assessment Standard for Green Building)：由中国住房和城乡建设部 (Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China, MOHURD) 制定的中国国家标准，是中国绿色建筑评价的主要依据。中国绿色建筑评价标准从节地与室外环境、节能与能源利用、节水与水资源利用、节材与材料资源利用、室内环境质量、施工管理、运行管理等七个方面进行评价，并分为基本级、一星级、二星级、三星级等不同等级。

绿色建筑的设计策略 (Green Building Design Strategies) 和技术措施 (Technical Measures) 是实现绿色建筑目标的关键。主要包括：

① 场地选择与规划 (Site Selection and Planning)：
▮▮▮▮ⓑ 优先选择已开发土地或污染土地进行建设，减少对自然生态环境的破坏。
▮▮▮▮ⓒ 合理规划建筑布局和朝向，充分利用自然采光和通风。
▮▮▮▮ⓓ 保护场地内的植被和水系，营造良好的室外环境。
⑤ 节能设计 (Energy-efficient Design)：
▮▮▮▮ⓕ 提高建筑围护结构 (Building Envelope) 的保温隔热性能，减少能量损失。
▮▮▮▮ⓖ 采用高效节能的暖通空调系统 (HVAC System) 和照明系统 (Lighting System)。
▮▮▮▮ⓗ 利用可再生能源 (Renewable Energy)，如太阳能、地热能、风能等。
▮▮▮▮ⓘ 采用智能建筑控制系统 (Intelligent Building Control System) ，实现能源的精细化管理。
⑩ 节水设计 (Water-saving Design)：
▮▮▮▮ⓚ 采用节水型卫生洁具 (Water-saving Sanitary Ware) 和器具。
▮▮▮▮ⓛ 收集和利用雨水 (Rainwater Harvesting) 和中水 (Greywater)。
▮▮▮▮ⓜ 推广绿化节水灌溉技术 (Water-saving Irrigation Technology for Greenery)。
⑭ 节材设计 (Material-saving Design)：
▮▮▮▮ⓞ 优化结构设计，减少材料用量。
▮▮▮▮ⓟ 优先使用可再生材料、可循环利用材料和本地材料 (Local Materials)。
▮▮▮▮ⓠ 推广装配式建筑 (Prefabricated Building) 和模块化设计 (Modular Design)。
⑱ 室内环境质量 (Indoor Environmental Quality, IEQ)：
▮▮▮▮ⓢ 提高室内空气质量 (Indoor Air Quality, IAQ) ，减少室内空气污染物。
▮▮▮▮ⓣ 改善室内热舒适性 (Thermal Comfort) 和声环境 (Acoustic Environment)。
▮▮▮▮ⓤ 提供充足的自然采光和良好的视觉环境 (Visual Environment)。

绿色基础设施 (Green Infrastructure) 是指利用自然生态系统 (Natural Ecosystem) 的功能来提供生态和环境服务的 инфраструктура сети。 与传统的灰色基础设施 (Grey Infrastructure) （如混凝土管道、堤坝等）相比，绿色基础设施更具生态友好性和可持续性。

绿色基础设施的主要类型包括：

① 城市绿地系统 (Urban Green Space System)：包括公园、绿地、绿道、屋顶绿化 (Roof Greening)、垂直绿化 (Vertical Greening) 等，可以改善城市微气候 (Urban Microclimate) ，减少城市热岛效应 (Urban Heat Island Effect) ，提供休闲娱乐空间，提升城市生态环境质量。
② 雨水管理系统 (Stormwater Management System)：包括生物滞留池 (Bioretention Basin) 、渗透铺装 (Permeable Pavement) 、雨水湿地 (Rainwater Wetland) 、绿色屋顶 (Green Roof) 等，可以减少雨水径流 (Stormwater Runoff) ，控制城市内涝 (Urban Flooding) ，净化雨水，补充地下水。
③ 生态廊道 (Ecological Corridor)：连接城市绿地和自然保护区的绿色通道，可以促进生物迁徙和基因交流，维护生物多样性，提升生态系统的连通性 (Connectivity)。
④ 水敏感城市设计 (Water Sensitive Urban Design, WSUD)：一种综合性的城市水管理理念，强调将水循环 (Water Cycle) 与城市规划设计相结合，通过分散式的、自然的措施来管理城市水资源，提高城市的水环境质量和水资源利用效率。

绿色基础设施的生态功能 (Ecological Functions) 主要体现在：

① 生态系统服务 (Ecosystem Services)：提供清洁的水和空气、调节气候、控制洪水、净化污染物、维持生物多样性等生态系统服务。
② 环境效益 (Environmental Benefits)：减少城市热岛效应、改善空气质量、减少雨水径流、净化水体、固碳释氧 (Carbon Sequestration and Oxygen Release) 等。
③ 社会效益 (Social Benefits)：提供休闲娱乐空间、改善人居环境、提升城市景观、促进社区凝聚力 (Community Cohesion) 等。
④ 经济效益 (Economic Benefits)：降低基础设施建设和维护成本、提高土地价值、减少能源消耗、提升城市竞争力 (Urban Competitiveness) 等。

绿色建筑和绿色基础设施是可持续土木工程的重要组成部分，它们共同致力于构建环境友好、资源节约、社会和谐的人居环境。

9.1.3 土木工程材料的循环利用与可持续性 (Recycling and Sustainability of Civil Engineering Materials)

介绍建筑废弃物资源化利用技术，以及可持续工程材料的研发与应用。

土木工程 (Civil Engineering) 是材料密集型产业，每年消耗大量的工程材料 (Engineering Materials)，如水泥、混凝土、钢材、沥青等。这些材料的生产和使用过程不仅消耗大量资源和能源，还会产生大量的建筑废弃物 (Construction Waste)。 建筑废弃物主要包括施工过程中产生的废弃物，以及建筑物拆除后产生的废弃物，如废混凝土、废砖瓦、废钢材、废木材、废塑料、废沥青等。

建筑废弃物资源化利用 (Construction Waste Recycling) 是实现土木工程可持续发展的重要途径。通过对建筑废弃物进行回收、分类、加工和再利用，可以减少资源消耗、节约填埋空间、降低环境污染，实现资源的循环利用 (Circular Economy)。

建筑废弃物资源化利用的主要技术 (Recycling Technologies) 包括：

① 废混凝土再生利用 (Recycled Concrete Aggregate, RCA)：将废混凝土破碎、筛分后，作为再生骨料 (Recycled Aggregate) 用于配制再生混凝土 (Recycled Concrete)。再生混凝土可以用于非结构构件、道路基层、路面材料等。研究表明，在一定程度上，再生骨料可以替代天然骨料，且再生混凝土的性能可以满足一定的工程要求。
② 废砖瓦再生利用 (Recycled Brick and Tile)：将废砖瓦破碎、筛分后，作为再生骨料用于砌筑砂浆、路面基层、透水砖等。废砖瓦还可以用于制作再生砖瓦，实现同质化再生利用 (Homogeneous Recycling)。
③ 废钢材回收利用 (Steel Scrap Recycling)：废钢材具有很高的回收价值，可以通过熔炼重新制成新的钢材。废钢材回收利用可以大幅度减少钢铁生产过程中的能源消耗和环境污染。
④ 废沥青再生利用 (Recycled Asphalt Pavement, RAP)：将旧沥青路面铣刨后，经过加工处理，作为再生沥青混合料 (Recycled Asphalt Mixture) 用于新的道路工程。热再生 (Hot Recycling) 和冷再生 (Cold Recycling) 是常用的废沥青再生利用技术。
⑤ 废木材再生利用 (Recycled Wood)：废木材可以用于制作再生木制品，如人造板、木塑复合材料 (Wood-Plastic Composite, WPC) 等。废木材还可以作为生物质燃料 (Biomass Fuel) 用于能源利用。
⑥ 废塑料再生利用 (Recycled Plastic)：建筑废弃物中的废塑料可以通过物理或化学方法进行再生利用，制成再生塑料制品。废塑料还可以与水泥、沥青等材料复合，制成新型工程材料。

可持续工程材料 (Sustainable Engineering Materials) 的研发与应用是推动土木工程可持续发展的另一个重要方向。可持续工程材料是指在材料的生产、使用和废弃全生命周期内，对环境影响最小、资源利用效率最高、性能满足工程要求的材料。

可持续工程材料的主要发展方向 (Development Trends) 包括：

① 高性能混凝土 (High-Performance Concrete, HPC)：具有高强度、高耐久性、高工作性能等优点的混凝土。高性能混凝土可以减少水泥用量，提高结构耐久性，延长建筑物的使用寿命。
② 绿色水泥 (Green Cement)：采用新型胶凝材料 (Cementitious Material) 替代部分或全部传统硅酸盐水泥 (Portland Cement) 的水泥。绿色水泥可以大幅度降低水泥生产过程中的碳排放 (Carbon Emission)。常用的绿色水泥包括矿渣水泥 (Slag Cement) 、粉煤灰水泥 (Fly Ash Cement) 、硫铝酸盐水泥 (Calcium Sulfoaluminate Cement) 、地质聚合物水泥 (Geopolymer Cement) 等。
③ 生物基材料 (Bio-based Materials)：利用生物质资源 (Biomass Resources) 制备的工程材料，如竹材、木材、秸秆、麻纤维等。生物基材料具有可再生、可降解、低碳环保等优点。
④ 智能材料 (Smart Materials)：能够感知外部环境变化并做出响应的材料，如形状记忆合金 (Shape Memory Alloy, SMA) 、压电材料 (Piezoelectric Material) 、自修复材料 (Self-healing Materials) 等。智能材料可以用于提高结构的智能化水平和耐久性。
⑤ 生态混凝土 (Ecological Concrete)：具有生态功能的混凝土，如植生混凝土 (Vegetation Concrete) 、透水混凝土 (Permeable Concrete) 、生物活性混凝土 (Bioactive Concrete) 等。生态混凝土可以用于城市绿化、雨水管理、污染治理等领域。

推广建筑废弃物资源化利用技术和研发应用可持续工程材料，是实现土木工程可持续发展的关键措施。这需要政府、行业、企业和科研机构共同努力，加强技术研发、政策支持和市场推广，推动土木工程材料的绿色转型。

9.1.4 生命周期评价 (Life Cycle Assessment, LCA) 在土木工程中的应用

介绍 LCA 的原理、方法、应用，以及在评估土木工程项目环境影响中的作用。

生命周期评价 (Life Cycle Assessment, LCA) 是一种评估产品或服务在其整个生命周期内环境影响的系统方法。 LCA “从摇篮到坟墓” (Cradle-to-Grave) 地分析产品或服务从原材料开采、生产制造、运输、使用、废弃处理等各个阶段的环境影响，包括资源消耗、能源消耗、污染物排放、生态影响等。 LCA 是一种重要的环境管理工具，可以用于识别环境热点 (Environmental Hotspots) 、优化产品设计、比较不同方案的环境性能、支持环境决策等。

LCA 的原理 (Principles) 主要包括：

① 系统边界 (System Boundary)：明确 LCA 的评价范围，确定哪些生命周期阶段和过程纳入评价范围。系统边界的划定直接影响 LCA 的结果。
② 功能单位 (Functional Unit)：定义 LCA 的评价对象的功能，并用可量化的指标来表示。功能单位是 LCA 结果比较的基础。例如，对于建筑材料，功能单位可以是 “1 立方米混凝土” 或 “1 平方米墙体”。
③ 多因素评价 (Multi-criteria Assessment)：LCA 不仅仅关注单一的环境指标，而是综合考虑多种环境影响类别 (Environmental Impact Categories) ，如全球变暖潜势 (Global Warming Potential, GWP) 、酸化潜势 (Acidification Potential, AP) 、富营养化潜势 (Eutrophication Potential, EP) 、光化学臭氧生成潜势 (Photochemical Ozone Creation Potential, POCP) 、资源消耗 (Resource Depletion) 等。
④ 迭代改进 (Iterative Improvement)：LCA 是一个迭代过程，通过 LCA 的结果识别环境热点，并针对性地进行改进，然后再进行 LCA 评价，不断优化产品或服务的环境性能。

LCA 的方法 (Methodology) 主要包括四个阶段 (Four Phases)：

① 目标与范围定义 (Goal and Scope Definition)：明确 LCA 的目的、评价范围、功能单位、系统边界、环境影响类别等。
② 清单分析 (Inventory Analysis)：收集和量化评价对象在各个生命周期阶段的输入 (Input) 和输出 (Output) 数据，包括原材料消耗、能源消耗、污染物排放等。清单数据是 LCA 的基础。
③ 影响评价 (Impact Assessment)：根据清单数据，采用相应的评价模型，计算评价对象在各个环境影响类别下的影响值。常用的 LCA 影响评价方法包括 CML、ReCiPe、TRACI 等。
④ 结果解释 (Interpretation)：对 LCA 结果进行分析和解释，识别环境热点，评估结果的不确定性 (Uncertainty) ，提出改进建议，并根据 LCA 的目的得出结论。

LCA 在土木工程 (Civil Engineering) 领域的应用 (Applications) 非常广泛，主要包括：

① 建筑材料环境影响评价 (Environmental Impact Assessment of Building Materials)：比较不同建筑材料的环境性能，为绿色建筑材料的选择提供依据。例如，可以比较不同类型水泥、混凝土、钢材、木材、保温材料等的 LCA 结果，选择环境影响较小的材料。
② 建筑设计方案环境优化 (Environmental Optimization of Building Design Schemes)：评估不同建筑设计方案的环境影响，为绿色建筑设计方案的选择提供支持。例如，可以比较不同朝向、不同围护结构、不同能源系统等的 LCA 结果，优化建筑设计方案。
③ 基础设施项目环境影响评估 (Environmental Impact Assessment of Infrastructure Projects)：评估基础设施项目在其全生命周期内的环境影响，为项目环境管理和决策提供依据。例如，可以评估道路、桥梁、隧道、水坝、港口等基础设施项目的 LCA 结果，识别环境热点，提出减缓措施。
④ 可持续土木工程技术评估 (Assessment of Sustainable Civil Engineering Technologies)：评估可持续土木工程技术的环境效益，为技术推广和应用提供支持。例如，可以评估建筑废弃物再生利用技术、绿色水泥生产技术、可再生能源利用技术等的 LCA 结果，验证其环境效益。
⑤ 环境产品声明 (Environmental Product Declaration, EPD)：基于 LCA 结果，向消费者和利益相关者 (Stakeholders) 公开产品或服务的环境信息。 EPD 可以提高产品的环境透明度 (Environmental Transparency) ，促进绿色消费 (Green Consumption) 。

LCA 是评估土木工程项目环境影响的重要工具，可以帮助土木工程师更好地理解和管理工程活动对环境的影响，推动土木工程的可持续发展。然而， LCA 也存在一些局限性 (Limitations) ，例如数据不确定性、方法选择的差异、价值判断的主观性等。在应用 LCA 时，需要充分考虑这些局限性，并结合其他环境评估方法，进行综合分析和决策。

9.2 韧性土木基础设施 (Resilient Civil Infrastructure)

介绍基础设施韧性的概念、内涵、评估方法，以及提高基础设施韧性的策略与技术，应对自然灾害、极端天气事件等风险。

9.2.1 基础设施韧性的概念与内涵 (Concept and Connotation of Infrastructure Resilience)

明确基础设施韧性的定义、特征、维度，以及韧性与可靠性、安全性的关系。

基础设施韧性 (Infrastructure Resilience) 是指基础设施系统在面临突发事件 (Disruptive Events) （如自然灾害、恐怖袭击、人为事故、技术故障等）时，能够抵抗 (Resistance) 、吸收 (Absorption) 、适应 (Adaptation) 和快速恢复 (Rapid Recovery) 其功能和服务能力的能力。 韧性基础设施不仅能够最大限度地减少突发事件造成的损失，还能在事件发生后迅速恢复正常运行，甚至在恢复过程中提升性能，变得更加强大。

基础设施韧性的定义 (Definition) 可以概括为以下几个关键要素：

① 突发事件 (Disruptive Events)：基础设施韧性是针对突发事件而言的。突发事件可以是自然灾害，如地震、洪水、飓风、极端天气事件等；也可以是人为事件，如恐怖袭击、网络攻击、人为事故等。
② 功能和服务能力 (Function and Service Capacity)：基础设施韧性的核心是保障基础设施的功能和服务能力。功能和服务能力是指基础设施系统能够为社会和经济活动提供的基本服务，例如交通运输、能源供应、供水排水、通信等。
③ 抵抗、吸收、适应、恢复 (Resistance, Absorption, Adaptation, Recovery)：韧性包含四个关键阶段。 抵抗 指的是在突发事件发生前，基础设施系统能够抵抗冲击，减少初始损失的能力。 吸收 指的是在突发事件发生时，基础设施系统能够吸收冲击，降低影响范围和程度的能力。 适应 指的是在突发事件发生后，基础设施系统能够调整自身结构和功能，适应新的环境条件的能力。 恢复 指的是在突发事件结束后，基础设施系统能够快速恢复正常运行，甚至提升性能的能力。

基础设施韧性的特征 (Characteristics) 主要包括：

① 鲁棒性 (Robustness)：指基础设施系统在面临突发事件时，保持其原有功能和服务能力的能力。鲁棒性强调的是系统的强度和抗冲击能力。
② 冗余性 (Redundancy)：指基础设施系统中存在备份或备用组件，当部分组件失效时，其他组件可以替代其功能，保障系统整体运行。冗余性可以通过增加系统组件或采用多路径设计来实现。
③ 资源性 (Resourcefulness)：指基础设施系统在面临突发事件时，能够有效地利用可用资源，包括人力、物力、财力、信息等，进行应急响应和恢复。资源性强调的是系统的应变能力和资源调动能力。
④ 快速性 (Rapidity)：指基础设施系统在突发事件结束后，能够快速恢复正常运行，减少停机时间和经济损失。快速性强调的是系统的恢复速度和效率。
⑤ 可恢复性 (Recoverability)：指基础设施系统在受到严重破坏后，能够被修复或重建，恢复其原有功能和服务能力。可恢复性强调的是系统的长期生存能力和适应能力。
⑥ 适应性 (Adaptability)：指基础设施系统能够根据环境变化和经验教训，不断调整和改进自身结构和功能，提高应对未来突发事件的能力。适应性强调的是系统的学习和进化能力。

基础设施韧性的维度 (Dimensions) 可以从以下几个方面进行考虑：

① 技术维度 (Technical Dimension)：关注基础设施系统的物理结构和技术性能，如强度、耐久性、冗余性、智能化水平等。
② 组织维度 (Organizational Dimension)：关注基础设施系统的管理和运营机制，如应急预案、响应流程、协同机制、信息共享等。
③ 社会维度 (Social Dimension)：关注基础设施系统对社会的影响，如公众参与、社会公平、社区恢复能力、社会心理韧性等。
④ 经济维度 (Economic Dimension)：关注基础设施系统对经济的影响，如经济损失、恢复成本、经济发展可持续性等。
⑤ 生态维度 (Ecological Dimension)：关注基础设施系统对生态环境的影响，如生态破坏、环境污染、生态系统服务恢复等。

韧性 (Resilience) 、 可靠性 (Reliability) 和 安全性 (Safety) 是基础设施建设中三个密切相关但又有所区别的概念。

① 可靠性 强调的是基础设施系统在正常运行条件下，在一定时间内持续稳定运行的能力。可靠性关注的是系统的正常运行性能，通常用概率指标来衡量，如平均故障间隔时间 (Mean Time Between Failures, MTBF) 、可用度 (Availability) 等。
② 安全性 强调的是基础设施系统在面临各种风险和威胁时，保障人员生命安全和财产安全的能力。安全性关注的是系统的风险防护能力，通常用安全系数 (Safety Factor) 、风险概率 (Risk Probability) 等指标来衡量。
③ 韧性 则更加关注基础设施系统在面临突发事件时，能够抵抗、吸收、适应和快速恢复的能力。韧性关注的是系统的应对突发事件能力和恢复能力。

可靠性、安全性和韧性之间存在一定的层次关系。 可靠性是安全性的基础，安全性是韧性的前提，韧性是更高层次的安全保障。 一个可靠的基础设施系统，其安全性也相对较高；一个安全的基础设施系统，才有可能具备韧性。 然而，仅仅具备可靠性和安全性，并不一定意味着具备韧性。 韧性更加强调系统在极端条件下的应对能力和恢复能力，以及系统的适应性和学习能力。

提高基础设施韧性，需要从技术、组织、社会、经济、生态等多个维度进行综合考虑，构建一个更加安全、可靠、可持续的基础设施体系。

9.2.2 基础设施韧性评估 (Infrastructure Resilience Assessment)

介绍基础设施韧性评估的指标体系、评估方法、量化模型。

基础设施韧性评估 (Infrastructure Resilience Assessment) 是量化和评估基础设施系统韧性水平的重要手段。 通过韧性评估，可以识别基础设施系统的薄弱环节 (Vulnerabilities) ，为提高基础设施韧性提供科学依据。

基础设施韧性评估的 指标体系 (Indicator System) 是评估韧性的基础。 韧性指标应该能够全面、客观地反映基础设施系统的韧性水平。 韧性指标的选取应遵循以下原则：

① 全面性 (Comprehensiveness)：指标体系应涵盖基础设施韧性的各个维度，如技术、组织、社会、经济、生态等。
② 可量化性 (Quantifiability)：指标应能够量化，便于进行定量评估和比较。
③ 可操作性 (Operability)：指标数据应易于获取，便于实际应用。
④ 敏感性 (Sensitivity)：指标应能够敏感地反映基础设施系统韧性的变化。
⑤ 独立性 (Independence)：指标之间应尽可能相互独立，避免信息重复。

常用的基础设施韧性指标 (Resilience Indicators) 包括：

① 鲁棒性指标 (Robustness Indicators)：
▮▮▮▮ⓑ 强度 (Strength)：基础设施系统抵抗外部冲击的能力。例如，桥梁的抗震等级、堤防的防洪标准等。
▮▮▮▮ⓒ 冗余度 (Redundancy)：基础设施系统中备份或备用组件的程度。例如，备用电源、多路径交通网络等。
▮▮▮▮ⓓ 多样性 (Diversity)：基础设施系统中组件或功能的种类多样性。例如，能源供应的多样化、交通方式的多样化等。
⑤ 吸收性指标 (Absorption Indicators)：
▮▮▮▮ⓕ 缓冲能力 (Buffering Capacity)：基础设施系统吸收和减轻外部冲击的能力。例如，蓄滞洪区的调蓄能力、电网的调峰能力等。
▮▮▮▮ⓖ 适应能力 (Adaptability)：基础设施系统调整自身结构和功能以适应变化的能力。例如，可移动式桥梁、智能电网等。
⑧ 恢复性指标 (Recovery Indicators)：
▮▮▮▮ⓘ 恢复速度 (Recovery Speed)：基础设施系统恢复正常运行所需的时间。例如，停电时间、道路中断时间等。
▮▮▮▮ⓙ 恢复能力 (Recovery Capacity)：基础设施系统恢复到原有功能水平或更高水平的能力。例如，修复后的桥梁承载能力、重建后的供水管网供水能力等。
▮▮▮▮ⓚ 恢复效率 (Recovery Efficiency)：基础设施系统恢复过程中资源利用效率。例如，应急抢险物资的调配效率、修复工程的施工效率等。
⑫ 学习与适应指标 (Learning and Adaptation Indicators)：
▮▮▮▮ⓜ 学习能力 (Learning Capacity)：基础设施系统从突发事件中学习和积累经验的能力。例如，应急预案的修订频率、风险评估模型的更新频率等。
▮▮▮▮ⓝ 创新能力 (Innovation Capacity)：基础设施系统采用新技术和新方法提高韧性的能力。例如，智能监控系统的应用、新型防灾减灾技术的研发等。

基础设施韧性评估的 方法 (Assessment Methods) 多种多样，可以根据评估目的、数据可获得性、系统复杂程度等选择合适的方法。 常用的韧性评估方法包括：

① 定性评估方法 (Qualitative Assessment Methods)：主要基于专家经验和判断，对基础设施系统的韧性进行定性描述和评估。常用的定性评估方法包括专家咨询法 (Expert Consultation Method) 、德尔菲法 (Delphi Method) 、情景分析法 (Scenario Analysis Method) 、失效模式与影响分析 (Failure Mode and Effects Analysis, FMEA) 等。 定性评估方法适用于初步评估和复杂系统评估，但结果主观性较强。
② 定量评估方法 (Quantitative Assessment Methods)：基于数学模型和数值计算，对基础设施系统的韧性进行定量评估。常用的定量评估方法包括：
▮▮▮▮ⓒ 性能曲线法 (Performance Curve Method)：通过建立基础设施系统性能随时间变化的曲线，来评估系统的韧性。性能曲线通常包括抵抗阶段、吸收阶段、恢复阶段和稳定阶段。韧性可以用性能曲线下的面积或恢复时间等指标来量化。
\[ R = \int_{t_0}^{t_1} Q(t) dt \]
其中， \( R \) 为韧性指标， \( Q(t) \) 为基础设施系统在时间 \( t \) 的性能水平， \( t_0 \) 为突发事件发生时间， \( t_1 \) 为系统恢复到稳定状态的时间。
▮▮▮▮ⓑ 网络分析法 (Network Analysis Method)：将基础设施系统抽象为网络，利用图论 (Graph Theory) 和网络流理论 (Network Flow Theory) ，分析网络的连通性 (Connectivity) 、脆弱性 (Vulnerability) 、效率 (Efficiency) 等，从而评估系统的韧性。常用的网络分析指标包括节点度 (Node Degree) 、聚类系数 (Clustering Coefficient) 、介数中心性 (Betweenness Centrality) 、效率 (Efficiency) 、鲁棒性 (Robustness) 等。
▮▮▮▮ⓒ 概率风险评估法 (Probabilistic Risk Assessment, PRA)：基于概率论 (Probability Theory) 和统计学 (Statistics) ，分析基础设施系统面临的风险概率和损失程度，从而评估系统的韧性。 PRA 通常包括风险识别 (Risk Identification) 、风险分析 (Risk Analysis) 、风险评估 (Risk Evaluation) 和风险管理 (Risk Management) 四个步骤。
▮▮▮▮ⓓ 代理模型法 (Surrogate Model Method)：利用机器学习 (Machine Learning) 、元模型 (Metamodel) 等技术，建立基础设施系统韧性的代理模型，用于快速评估和优化系统韧性。常用的代理模型包括响应面模型 (Response Surface Model, RSM) 、人工神经网络 (Artificial Neural Network, ANN) 、支持向量机 (Support Vector Machine, SVM) 等。

基础设施韧性评估的 量化模型 (Quantitative Models) 是定量评估方法的核心。 量化模型需要根据基础设施系统的特点和评估目的进行选择和构建。 常用的韧性量化模型包括：

① 基于性能曲线的韧性模型 (Performance Curve-based Resilience Models)：这类模型基于性能曲线法，通过建立基础设施系统性能随时间变化的数学模型，来量化韧性。常用的模型包括线性恢复模型 (Linear Recovery Model) 、指数恢复模型 (Exponential Recovery Model) 、分段线性恢复模型 (Piecewise Linear Recovery Model) 等。
② 基于网络分析的韧性模型 (Network Analysis-based Resilience Models)：这类模型基于网络分析法，利用图论和网络流理论，建立基础设施网络的数学模型，来量化韧性。常用的模型包括节点重要性模型 (Node Importance Model) 、网络鲁棒性模型 (Network Robustness Model) 、级联失效模型 (Cascading Failure Model) 等。
③ 基于代理模型的韧性模型 (Surrogate Model-based Resilience Models)：这类模型基于代理模型法，利用机器学习和元模型技术，建立基础设施系统韧性的代理模型，来量化韧性。常用的模型包括高斯过程模型 (Gaussian Process Model) 、多项式响应面模型 (Polynomial Response Surface Model) 、支持向量回归模型 (Support Vector Regression Model) 等。

基础设施韧性评估是一个复杂而多学科交叉的领域。 选择合适的评估方法和量化模型，构建科学合理的韧性指标体系，是开展有效韧性评估的关键。 韧性评估的结果可以为基础设施规划、设计、建设、运营和管理提供重要参考，指导韧性提升策略的制定和实施。

9.2.3 提高基础设施韧性的策略与技术 (Strategies and Technologies for Enhancing Infrastructure Resilience)

讲解工程措施、管理措施、技术创新等提高基础设施韧性的策略与方法，如抗震设计、防洪设计、灾害预警系统、快速修复技术等。

提高基础设施韧性 (Enhancing Infrastructure Resilience) 是一个系统工程，需要从多个方面采取策略和措施。 主要策略可以归纳为 工程措施 (Engineering Measures) 、 管理措施 (Management Measures) 和 技术创新 (Technological Innovations) 三个方面。

工程措施 (Engineering Measures) 是指通过改善基础设施系统的物理结构和工程设计，来提高其韧性。 主要的工程措施包括：

① 抗震设计 (Seismic Design)：针对地震灾害 (Earthquake Disaster) ，提高基础设施的抗震性能。 抗震设计包括：
▮▮▮▮ⓑ 结构抗震设计 (Structural Seismic Design)：提高结构自身的抗震能力，如采用抗震结构体系 (Seismic-resistant Structural System) 、优化结构构件 (Structural Members) 的连接方式、采用高强度抗震材料 (High-strength Seismic-resistant Materials) 等。
▮▮▮▮ⓒ 场地抗震设计 (Site Seismic Design)：考虑场地条件对地震动的影响，如场地土类型、场地液化 (Soil Liquefaction) 、场地放大效应 (Site Amplification Effect) 等，进行场地抗震设计。
▮▮▮▮ⓓ 非结构构件抗震设计 (Non-structural Component Seismic Design)：对建筑物的非结构构件，如幕墙 (Curtain Wall) 、门窗 (Doors and Windows) 、机电设备 (Mechanical and Electrical Equipment) 等，进行抗震设计，减少地震造成的非结构损失。
⑤ 防洪设计 (Flood-resistant Design)：针对洪涝灾害 (Flood Disaster) ，提高基础设施的防洪能力。 防洪设计包括：
▮▮▮▮ⓕ 堤防工程 (Levee Engineering)：建设和加固堤防，提高河流的防洪标准 (Flood Control Standard)。
▮▮▮▮ⓖ 排涝工程 (Drainage Engineering)：建设排涝泵站 (Drainage Pumping Station) 、排水管道 (Drainage Pipeline) 等，提高城市和农田的排涝能力。
▮▮▮▮ⓗ 蓄滞洪区 (Flood Detention and Storage Areas)：建设蓄滞洪区，调蓄洪水，减轻下游地区的防洪压力。
▮▮▮▮ⓘ 建筑防洪设计 (Building Flood-resistant Design)：提高建筑物自身的防洪能力，如抬高地坪 (Elevated Ground Floor) 、设置挡水墙 (Flood Barrier Wall) 、采用防水材料 (Waterproof Materials) 等。
⑩ 抗风设计 (Wind-resistant Design)：针对台风、飓风等风灾 (Wind Disaster) ，提高基础设施的抗风能力。 抗风设计包括：
▮▮▮▮ⓚ 结构抗风设计 (Structural Wind-resistant Design)：提高结构自身的抗风能力，如采用抗风结构体系 (Wind-resistant Structural System) 、优化结构外形 (Structural Shape) 、采用高强度抗风材料 (High-strength Wind-resistant Materials) 等。
▮▮▮▮ⓛ 构件抗风设计 (Component Wind-resistant Design)：对建筑物的构件，如屋顶 (Roof) 、外墙 (Exterior Wall) 、门窗 (Doors and Windows) 等，进行抗风设计，防止风灾造成的构件破坏。
▮▮▮▮ⓜ 设备抗风设计 (Equipment Wind-resistant Design)：对室外设备，如电力塔 (Power Tower) 、通信塔 (Communication Tower) 、广告牌 (Billboard) 等，进行抗风设计，保障设备的安全运行。
⑭ 耐久性设计 (Durability Design)：提高基础设施的耐久性，延长使用寿命，减少维护和更换频率，降低全生命周期成本 (Life Cycle Cost)。 耐久性设计包括：
▮▮▮▮ⓞ 材料耐久性 (Material Durability)：选择耐久性好的工程材料，如耐腐蚀钢材 (Corrosion-resistant Steel) 、抗冻融混凝土 (Freeze-thaw Resistant Concrete) 等。
▮▮▮▮ⓟ 结构耐久性 (Structural Durability)：优化结构设计，减少结构劣化 (Structural Deterioration) ，如减少混凝土裂缝 (Concrete Cracks) 、防止钢筋锈蚀 (Steel Corrosion) 等。
▮▮▮▮ⓠ 防护措施 (Protective Measures)：采取防护措施，延缓结构和材料的劣化，如表面防护 (Surface Protection) 、阴极保护 (Cathodic Protection) 、定期维护 (Regular Maintenance) 等。

管理措施 (Management Measures) 是指通过加强基础设施系统的管理和运营，来提高其韧性。 主要管理措施包括：

① 风险评估与管理 (Risk Assessment and Management)：定期进行风险评估，识别基础设施系统面临的各种风险，制定风险管理计划 (Risk Management Plan) ，采取风险防范和 mitigation 措施。
② 应急预案 (Emergency Plan)：制定完善的应急预案，明确突发事件发生后的响应流程、责任分工、资源调配、信息沟通等。 定期进行应急演练 (Emergency Drill) ，提高应急响应能力。
③ 协同与合作 (Collaboration and Cooperation)：加强政府部门、行业协会、企业、社区等之间的协同与合作，共同应对突发事件。 建立跨部门、跨区域的应急联动机制 (Emergency Coordination Mechanism)。
④ 公众参与与教育 (Public Participation and Education)：提高公众的防灾减灾意识 (Disaster Prevention and Reduction Awareness) 和自救互救能力 (Self-help and Mutual-help Ability)。 鼓励公众参与基础设施韧性建设和管理。
⑤ 保险与金融机制 (Insurance and Financial Mechanisms)：建立完善的基础设施保险体系 (Infrastructure Insurance System) 和灾害风险融资机制 (Disaster Risk Financing Mechanism) ，分散和转移灾害风险，减轻灾后经济损失。

技术创新 (Technological Innovations) 是指通过采用新技术和新方法，来提高基础设施系统的韧性。 主要技术创新包括：

① 灾害预警系统 (Disaster Early Warning System)：利用先进的传感器技术 (Sensor Technology) 、通信技术 (Communication Technology) 、大数据分析技术 (Big Data Analytics Technology) 等，建立灾害预警系统，提前预警灾害发生，为应急响应争取时间。 例如，地震预警系统 (Earthquake Early Warning System) 、洪水预警系统 (Flood Early Warning System) 、气象预警系统 (Meteorological Early Warning System) 等。
② 智能监控系统 (Intelligent Monitoring System)：利用物联网 (Internet of Things, IoT) 、云计算 (Cloud Computing) 、人工智能 (Artificial Intelligence, AI) 等技术，建立智能监控系统，实时监测基础设施系统的运行状态 (Operating Status) 、环境条件 (Environmental Conditions) 、安全风险 (Safety Risks) 等，及时发现和预警潜在问题。 例如，桥梁健康监测系统 (Bridge Health Monitoring System) 、隧道安全监测系统 (Tunnel Safety Monitoring System) 、管网泄漏监测系统 (Pipeline Leakage Monitoring System) 等。
③ 快速修复技术 (Rapid Repair Technology)：研发和应用快速修复技术，提高基础设施系统在突发事件后的快速修复能力，减少停机时间和经济损失。 例如，快速修复材料 (Rapid Repair Materials) 、快速修复设备 (Rapid Repair Equipment) 、机器人修复技术 (Robotic Repair Technology) 、模块化修复技术 (Modular Repair Technology) 等。
④ 自修复技术 (Self-healing Technology)：研发和应用自修复材料和结构，使基础设施系统能够自动修复损伤，延长使用寿命，降低维护成本。 例如，自修复混凝土 (Self-healing Concrete) 、自修复沥青 (Self-healing Asphalt) 、自修复复合材料 (Self-healing Composite Materials) 等。
⑤ 韧性增强型材料 (Resilience-enhanced Materials)：研发和应用具有更高强度、更高韧性、更高耐久性的新型工程材料，提高基础设施系统的整体性能和韧性。 例如，超高性能混凝土 (Ultra-High Performance Concrete, UHPC) 、高韧性纤维混凝土 (High-Toughness Fiber-Reinforced Concrete, HTFRC) 、形状记忆合金 (Shape Memory Alloy, SMA) 等。

提高基础设施韧性需要综合运用工程措施、管理措施和技术创新，构建一个多层次、多维度的韧性保障体系。 同时，还需要根据不同类型基础设施的特点和面临的风险，制定有针对性的韧性提升策略。

9.2.4 气候变化对土木基础设施的影响与适应 (Impact of Climate Change on Civil Infrastructure and Adaptation)

分析气候变化对土木基础设施的潜在影响（极端天气事件、海平面上升等），以及基础设施应对气候变化的适应性措施。

气候变化 (Climate Change) 是当前全球面临的最严峻挑战之一。 气候变化主要表现为全球气温升高、降雨模式改变、极端天气事件频发、海平面上升 (Sea Level Rise) 等。 气候变化对土木基础设施 (Civil Infrastructure) 产生了深远的影响，并带来了新的挑战。

气候变化对土木基础设施的 潜在影响 (Potential Impacts) 主要包括：

① 极端天气事件 (Extreme Weather Events) 频发：气候变化导致极端天气事件，如高温热浪 (Heat Waves) 、干旱 (Drought) 、强降雨 (Heavy Rainfall) 、洪涝 (Flooding) 、飓风 (Hurricanes) 、台风 (Typhoons) 、暴风雪 (Blizzards) 等，发生频率增加、强度增强。 极端天气事件会直接破坏基础设施，造成功能失效和服务中断。
▮▮▮▮ⓑ 高温热浪：导致道路路面软化、桥梁伸缩缝 (Bridge Expansion Joint) 损坏、供水管道爆裂、电力线路过载等。
▮▮▮▮ⓒ 强降雨和洪涝：导致道路淹没、桥梁冲毁、房屋倒塌、地下基础设施进水、水利工程超负荷运行等。
▮▮▮▮ⓓ 飓风和台风：导致建筑物破坏、电力塔倒塌、通信塔损毁、港口设施受损等。
▮▮▮▮ⓔ 暴风雪：导致道路封闭、交通中断、电力线路中断、建筑物积雪过载等。
⑥ 海平面上升 (Sea Level Rise)：全球气温升高导致冰川融化和海水热膨胀 (Thermal Expansion of Seawater) ，海平面持续上升。 海平面上升对沿海地区的基础设施构成严重威胁。
▮▮▮▮ⓖ 沿海城市淹没风险 (Coastal City Submergence Risk)：海平面上升导致沿海城市低洼地区被淹没，城市基础设施遭受破坏。
▮▮▮▮ⓗ 海水入侵 (Seawater Intrusion)：海平面上升导致海水入侵地下水和河流，污染淡水资源，影响供水系统和农业灌溉系统。
▮▮▮▮ⓘ 风暴潮 (Storm Surge) 加剧：海平面上升叠加风暴潮，导致沿海地区洪涝灾害风险加剧，沿海基础设施遭受更大破坏。
⑩ 降雨模式改变 (Changes in Precipitation Patterns)：气候变化导致降雨模式发生改变，一些地区降雨量增加，洪涝风险加大；另一些地区降雨量减少，干旱风险加剧。 降雨模式改变对水利工程、农业灌溉系统、供水系统等产生影响。
▮▮▮▮ⓚ 洪涝风险加大：降雨量增加导致河流流量增大，水库蓄水压力加大，城市内涝风险增加，防洪工程面临更大挑战。
▮▮▮▮ⓛ 干旱风险加剧：降雨量减少导致河流径流量减少，水库蓄水量下降，供水水源短缺，农业灌溉用水紧张，水利工程面临干旱挑战。
⑬ 温度变化 (Temperature Changes)：全球气温升高导致基础设施运行环境温度升高，影响基础设施的性能和耐久性。
▮▮▮▮ⓝ 材料性能劣化 (Material Performance Degradation)：高温加速混凝土、沥青、钢材等工程材料的劣化，降低材料的强度和耐久性。
▮▮▮▮ⓞ 结构热应力 (Thermal Stress in Structures)：温度变化导致结构产生热应力，增加结构的变形和裂缝风险。
▮▮▮▮ⓟ 能源需求增加 (Increased Energy Demand)：高温天气导致建筑制冷需求增加，电力系统负荷增加，能源消耗增加。

为了应对气候变化对土木基础设施的影响，需要采取 适应性措施 (Adaptation Measures)。 基础设施应对气候变化的适应性措施主要包括：

① 气候风险评估 (Climate Risk Assessment)：对基础设施系统进行气候风险评估，识别气候变化带来的潜在风险和脆弱性，为适应性规划和设计提供依据。 气候风险评估应考虑未来气候变化情景 (Climate Change Scenarios) 的不确定性。
② 提高基础设施设计标准 (Raising Infrastructure Design Standards)：在基础设施设计中，充分考虑气候变化的影响，提高设计标准，增强基础设施的抗灾能力。 例如，提高堤防的防洪标准、提高建筑物的抗风等级、提高桥梁的抗震等级等。
③ 工程措施 (Engineering Measures)：采取工程措施，增强基础设施应对气候变化的能力。 例如，建设海堤 (Seawall) 、防洪堤 (Floodwall) 、雨水花园 (Rain Garden) 、蓄滞洪区 (Flood Detention and Storage Areas) 、生态护岸 (Ecological Revetment) 、透水铺装 (Permeable Pavement) 等。
④ 非工程措施 (Non-engineering Measures)：采取非工程措施，减少气候变化对基础设施的影响。 例如，土地利用规划 (Land Use Planning) 、灾害预警系统 (Disaster Early Warning System) 、应急管理 (Emergency Management) 、保险机制 (Insurance Mechanism) 、政策法规 (Policies and Regulations) 等。
⑤ 绿色基础设施 (Green Infrastructure)：推广绿色基础设施，利用自然生态系统的功能，应对气候变化。 例如，城市绿地 (Urban Green Space) 、湿地 (Wetland) 、森林 (Forest) 、绿道 (Greenway) 等，可以调节城市微气候、控制雨水径流、减少城市热岛效应、提供生态系统服务。
⑥ 适应性管理 (Adaptive Management)：建立适应性管理机制，定期评估和调整基础设施适应性措施，根据气候变化的新情况和新认识，不断改进适应性策略。 适应性管理强调灵活性、迭代性和持续改进。
⑦ 技术创新 (Technological Innovations)：研发和应用新技术，提高基础设施应对气候变化的能力。 例如，气候预测技术 (Climate Prediction Technology) 、抗极端气候材料 (Extreme Climate-resistant Materials) 、智能监控系统 (Intelligent Monitoring System) 、快速修复技术 (Rapid Repair Technology) 等。

气候变化是土木基础设施面临的长期挑战。 土木工程师需要充分认识气候变化的影响，积极采取适应性措施，构建气候韧性 (Climate Resilience) 的基础设施系统，保障社会经济的可持续发展。

9.3 智慧城市与智慧基础设施 (Smart Cities and Smart Infrastructure)

介绍智慧城市的概念、内涵、关键技术，以及智慧基础设施在智慧城市建设中的作用，包括智慧交通、智慧水务、智慧能源、智慧建筑等。

9.3.1 智慧城市的概念与内涵 (Concept and Connotation of Smart Cities)

明确智慧城市的定义、特征、发展趋势，以及智慧城市建设的目标与意义。

智慧城市 (Smart City) 是指利用物联网 (Internet of Things, IoT) 、云计算 (Cloud Computing) 、大数据 (Big Data) 、人工智能 (Artificial Intelligence, AI) 、5G 通信 (5G Communication) 等新一代信息技术 (New Generation Information Technology) ，全面感知、互联互通、智能分析、协同联动，为城市居民提供更优质、高效、便捷、绿色的公共服务，为城市管理者提供更科学、精细、智能的治理手段，实现城市可持续发展 (Sustainable Urban Development) 的新型城市形态。

智慧城市的定义 (Definition) 可以从技术、应用、目标等多个角度进行理解：

① 技术视角 (Technology Perspective)：智慧城市是信息技术与城市基础设施、城市管理、城市服务深度融合的产物。 智慧城市的核心是利用新一代信息技术，构建城市智能化运行管理平台 (Intelligent Urban Operation and Management Platform)。
② 应用视角 (Application Perspective)：智慧城市是为了解决城市发展面临的挑战，提升城市运行效率、改善城市居民生活质量而提出的城市发展模式。 智慧城市的应用领域涵盖城市管理的各个方面，如交通、能源、水务、环保、公共安全、医疗、教育、养老等。
③ 目标视角 (Goal Perspective)：智慧城市的目标是实现城市的可持续发展，建设更宜居、更宜业、更可持续的城市。 智慧城市强调以人为本 (People-oriented) ，提升城市居民的幸福感和获得感。

智慧城市的特征 (Characteristics) 主要包括：

① 全面感知 (Pervasive Sensing)：利用各种传感器 (Sensors) 、物联网设备 (IoT Devices) 、移动终端 (Mobile Terminals) 等，全面感知城市运行的各种数据，如交通流量 (Traffic Flow) 、环境质量 (Environmental Quality) 、能源消耗 (Energy Consumption) 、人口流动 (Population Flow) 、公共安全事件 (Public Safety Incidents) 等。
② 互联互通 (Interconnectivity)：构建高速、泛在、安全的城市信息网络 (Urban Information Network) ，实现城市各个系统、各个部门、各个主体之间的数据互联互通和信息共享 (Information Sharing)。
③ 智能分析 (Intelligent Analysis)：利用大数据分析技术、人工智能技术等，对海量城市数据进行深度挖掘和智能分析，提取有价值的信息和知识，为城市管理和决策提供科学依据。
④ 协同联动 (Collaborative Linkage)：基于智能分析结果，实现城市各个系统、各个部门、各个主体之间的协同联动和优化运行，提高城市运行效率和管理水平。
⑤ 以人为本 (People-oriented)：智慧城市建设以人为本，关注城市居民的需求，提升公共服务水平，改善人居环境，提高城市居民的幸福感和获得感。
⑥ 可持续发展 (Sustainable Development)：智慧城市建设注重可持续发展，实现经济、社会、环境的协调发展，建设资源节约型、环境友好型城市。

智慧城市的发展趋势 (Development Trends) 主要体现在：

① 从单领域应用向多领域融合发展 (From Single-domain Application to Multi-domain Integration)：智慧城市建设从最初的智慧交通、智慧安防等单领域应用，逐渐向多领域融合发展，实现跨领域、跨系统的协同联动。
② 从政府主导向多元主体参与发展 (From Government-led to Multi-stakeholder Participation)：智慧城市建设从最初的政府主导，逐渐向政府、企业、社会组织、公众等多方主体共同参与发展，形成多元共治的格局。
③ 从技术驱动向需求驱动发展 (From Technology-driven to Demand-driven)：智慧城市建设从最初的技术驱动，逐渐向需求驱动转变，更加关注城市居民的实际需求，解决城市发展面临的实际问题。
④ 从注重硬件建设向软硬件协同发展 (From Emphasizing Hardware Construction to Hardware-Software Coordination)：智慧城市建设从最初的注重硬件基础设施建设，逐渐向软硬件协同发展转变，更加重视软件平台、数据资源、应用服务等软实力建设。
⑤ 从试点示范向规模化推广发展 (From Pilot Demonstration to Large-scale Promotion)：智慧城市建设从最初的试点示范，逐渐向规模化推广发展，越来越多的城市加入智慧城市建设行列。

智慧城市建设的 目标与意义 (Goals and Significance) 主要体现在：

① 提升城市运行效率 (Improving Urban Operation Efficiency)：通过智慧交通、智慧能源、智慧水务等应用，提高城市基础设施的运行效率，降低资源消耗，减少环境污染。
② 改善城市公共服务 (Improving Urban Public Services)：通过智慧医疗、智慧教育、智慧养老等应用，提升公共服务水平，为城市居民提供更优质、便捷、高效的服务。
③ 增强城市治理能力 (Enhancing Urban Governance Capability)：通过智慧政务、智慧城管、智慧安防等应用，提高城市管理和治理的精细化、智能化水平，提升城市治理能力。
④ 促进城市经济发展 (Promoting Urban Economic Development)：智慧城市建设可以培育新兴产业，如物联网、大数据、人工智能等，推动城市产业转型升级，促进城市经济高质量发展。
⑤ 提高城市居民生活质量 (Improving the Quality of Life for Urban Residents)：智慧城市建设最终目的是为了提高城市居民的生活质量，让城市更宜居、更宜业、更幸福。

智慧城市是城市发展的未来方向。 通过智慧城市建设，我们可以构建更加智能、绿色、可持续的城市，为人类创造更加美好的生活。

9.3.2 智慧城市的关键技术 (Key Technologies of Smart Cities)

介绍物联网 (Internet of Things, IoT)、大数据 (Big Data)、云计算 (Cloud Computing)、人工智能 (Artificial Intelligence, AI)、5G 通信等智慧城市关键技术及其在土木工程领域的应用。

智慧城市 (Smart City) 的建设离不开一系列 关键技术 (Key Technologies) 的支撑。 这些关键技术是智慧城市的核心驱动力，为智慧城市的全面感知、互联互通、智能分析、协同联动提供技术保障。 主要的智慧城市关键技术包括：

① 物联网 (Internet of Things, IoT)：物联网是指通过各种信息传感器 (Information Sensors) 、射频识别技术 (Radio Frequency Identification, RFID) 、全球定位系统 (Global Positioning System, GPS) 、红外传感器 (Infrared Sensors) 、激光扫描器 (Laser Scanners) 等装置与技术，实时采集任何需要监控、 连接、互动的物体或过程等各种需要的信息， 汇聚成网络，实现物与物、物与人之间的泛在连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。 物联网是智慧城市全面感知的基础，为智慧城市提供海量实时数据。
▮▮▮▮ⓑ 应用领域 (Application Areas)：智能交通 (Smart Transportation) 、智能建筑 (Smart Building) 、智能管网 (Smart Pipeline Network) 、环境监测 (Environmental Monitoring) 、智能安防 (Smart Security) 等。
▮▮▮▮ⓒ 土木工程应用 (Civil Engineering Applications)：桥梁健康监测 (Bridge Health Monitoring) 、隧道安全监测 (Tunnel Safety Monitoring) 、边坡稳定监测 (Slope Stability Monitoring) 、建筑能耗监测 (Building Energy Consumption Monitoring) 、城市管网监测 (Urban Pipeline Network Monitoring) 等。

② 大数据 (Big Data)：大数据是指无法在可承受的时间范围内用常规软件工具进行捕捉、管理和处理的数据集合，是需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力和流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。 大数据是智慧城市智能分析的基础，为智慧城市提供数据支撑和决策依据。
▮▮▮▮ⓑ 应用领域 (Application Areas)：城市规划 (Urban Planning) 、交通管理 (Traffic Management) 、公共安全 (Public Safety) 、环境保护 (Environmental Protection) 、城市服务 (Urban Services) 等。
▮▮▮▮ⓒ 土木工程应用 (Civil Engineering Applications)：城市交通流量预测 (Urban Traffic Flow Prediction) 、建筑能耗分析 (Building Energy Consumption Analysis) 、基础设施风险评估 (Infrastructure Risk Assessment) 、工程项目管理 (Engineering Project Management) 等。

③ 云计算 (Cloud Computing)：云计算是一种基于互联网的计算方式，通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源（硬件、平台、软件）。 云计算将计算资源 (Computing Resources) 、存储资源 (Storage Resources) 、网络资源 (Network Resources) 等集中起来，形成资源池 (Resource Pool) ，用户可以按需获取和使用这些资源，无需购买和维护硬件设备和软件系统。 云计算是智慧城市数据存储和计算的基础，为智慧城市提供弹性可扩展的计算能力和存储空间。
▮▮▮▮ⓑ 应用领域 (Application Areas)：数据存储 (Data Storage) 、数据处理 (Data Processing) 、应用托管 (Application Hosting) 、软件服务 (Software as a Service, SaaS) 、平台服务 (Platform as a Service, PaaS) 、基础设施服务 (Infrastructure as a Service, IaaS) 等。
▮▮▮▮ⓒ 土木工程应用 (Civil Engineering Applications)：工程设计协同平台 (Collaborative Engineering Design Platform) 、BIM 云平台 (BIM Cloud Platform) 、工程大数据平台 (Engineering Big Data Platform) 、智能建造云平台 (Smart Construction Cloud Platform) 等。

④ 人工智能 (Artificial Intelligence, AI)：人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。 人工智能包括机器学习 (Machine Learning) 、深度学习 (Deep Learning) 、自然语言处理 (Natural Language Processing, NLP) 、计算机视觉 (Computer Vision) 、专家系统 (Expert System) 等分支。 人工智能是智慧城市智能分析和决策的核心技术，为智慧城市提供智能化应用和服务。
▮▮▮▮ⓑ 应用领域 (Application Areas)：智能交通 (Smart Transportation) 、智能安防 (Smart Security) 、智能客服 (Smart Customer Service) 、智能医疗 (Smart Healthcare) 、智能教育 (Smart Education) 等。
▮▮▮▮ⓒ 土木工程应用 (Civil Engineering Applications)：智能交通控制系统 (Intelligent Traffic Control System) 、建筑智能节能系统 (Building Intelligent Energy-saving System) 、基础设施智能运维系统 (Infrastructure Intelligent Operation and Maintenance System) 、工程设计智能优化 (Engineering Design Intelligent Optimization) 、智能建造 (Smart Construction) 等。

⑤ 5G 通信 (5G Communication)：5G 是第五代移动通信技术 (5th Generation Mobile Communication Technology) 的简称，具有高速率 (High Speed) 、低时延 (Low Latency) 、大连接 (Massive Connectivity) 等特点。 5G 通信为智慧城市提供高速、可靠、低时延的通信网络，支撑智慧城市各种智能化应用的实现。
▮▮▮▮ⓑ 应用领域 (Application Areas)：增强移动宽带 (Enhanced Mobile Broadband, eMBB) 、海量机器类通信 (Massive Machine Type Communication, mMTC) 、超可靠低时延通信 (Ultra-Reliable Low Latency Communication, uRLLC) 等。
▮▮▮▮ⓒ 土木工程应用 (Civil Engineering Applications)：远程控制 (Remote Control) 、无人机巡检 (Drone Inspection) 、自动驾驶 (Autonomous Driving) 、虚拟现实/增强现实 (Virtual Reality/Augmented Reality, VR/AR) 、高清视频监控 (High-definition Video Monitoring) 等。

这些关键技术相互融合、相互支撑，共同构建了智慧城市的技术体系。 在土木工程领域，这些关键技术的应用为传统土木工程带来了革命性的变革，推动了土木工程的智能化、绿色化、可持续发展。

9.3.3 智慧基础设施在智慧城市中的应用 (Application of Smart Infrastructure in Smart Cities)

介绍智慧交通、智慧水务、智慧能源、智慧建筑等智慧基础设施的构成、功能、应用案例。

智慧基础设施 (Smart Infrastructure) 是智慧城市 (Smart City) 的重要组成部分，是智慧城市运行的基石。 智慧基础设施是指利用物联网 (Internet of Things, IoT) 、大数据 (Big Data) 、云计算 (Cloud Computing) 、人工智能 (Artificial Intelligence, AI) 、5G 通信 (5G Communication) 等新一代信息技术，对传统基础设施进行智能化改造和升级，使其具备感知、互联、分析、决策、控制等智能功能，实现基础设施的智能化运行和管理，为智慧城市提供高效、可靠、可持续的支撑。 主要的智慧基础设施包括 智慧交通 (Smart Transportation) 、 智慧水务 (Smart Water Management) 、 智慧能源 (Smart Energy) 、 智慧建筑 (Smart Building) 等。

① 智慧交通 (Smart Transportation)：智慧交通是指利用信息技术、通信技术、控制技术、人工智能技术等，构建智能化的交通运输系统，提高交通运输效率、安全性、可靠性、可持续性，改善交通出行体验。
▮▮▮▮ⓐ 构成 (Components)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 智能交通感知系统 (Intelligent Transportation Perception System)：利用传感器、摄像头、雷达、RFID 等设备，实时采集交通流量、交通事件、道路状况、车辆状态等信息。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 智能交通信息平台 (Intelligent Transportation Information Platform)：对采集的交通数据进行存储、处理、分析和发布，为交通管理和出行者提供信息服务。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 智能交通控制系统 (Intelligent Transportation Control System)：利用交通信号控制、交通诱导、交通流量管理等技术，优化交通运行，提高交通效率。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 智能交通服务系统 (Intelligent Transportation Service System)：为交通参与者提供出行规划、实时路况、公共交通信息、停车诱导、电子支付等服务。
▮▮▮▮ⓕ 功能 (Functions)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 交通流量监测与预测 (Traffic Flow Monitoring and Prediction)：实时监测交通流量，预测未来交通状况，为交通管理和出行者提供决策支持。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 智能交通信号控制 (Intelligent Traffic Signal Control)：根据实时交通流量，动态调整交通信号配时方案，优化路口通行效率，减少交通拥堵。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 交通诱导与信息服务 (Traffic Guidance and Information Service)：发布实时路况信息、交通事件信息、停车信息、公共交通信息等，引导交通流，方便出行者。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 智能公共交通 (Intelligent Public Transportation)：优化公交线路、车辆调度、站点设置，提高公共交通服务水平和吸引力。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 自动驾驶与车路协同 (Autonomous Driving and Vehicle-Infrastructure Cooperative Systems)：发展自动驾驶技术，实现车辆的智能化、自动化驾驶。 构建车路协同系统，实现车辆与道路基础设施之间的信息交互和协同控制。
▮▮▮▮ⓛ 应用案例 (Application Cases)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 城市智能交通管理系统 (Urban Intelligent Traffic Management System)：例如，北京交通运行监测调度中心 (Beijing Transport Operation Monitoring and Dispatch Center) 、上海城市交通运行状态智能优化系统 (Shanghai Urban Transportation Operation Status Intelligent Optimization System) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 高速公路智能交通系统 (Highway Intelligent Transportation System)：例如，京沪高速公路智能交通系统 (Beijing-Shanghai Expressway Intelligent Transportation System) 、美国智能交通系统 (Intelligent Transportation Systems in the United States) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 智能停车系统 (Smart Parking System)：例如，ETCP 智能停车 (ETCP Smart Parking) 、ParkMe 智能停车 (ParkMe Smart Parking) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 共享单车 (Bike Sharing)：例如，摩拜单车 (Mobike) 、ofo 小黄车 (ofo) 等。

② 智慧水务 (Smart Water Management)：智慧水务是指利用信息技术、通信技术、自动化技术、人工智能技术等，构建智能化的水务管理系统，提高水资源利用效率、供水安全保障水平、水环境质量，实现水资源可持续利用。
▮▮▮▮ⓐ 构成 (Components)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 智能水务感知系统 (Intelligent Water Management Perception System)：利用传感器、水质监测仪、流量计、压力计等设备，实时采集水资源、供水管网、排水管网、污水处理厂等信息。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 智慧水务信息平台 (Smart Water Management Information Platform)：对采集的水务数据进行存储、处理、分析和发布，为水务管理和决策提供信息服务。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 智能水务调度系统 (Intelligent Water Management Dispatch System)：利用水力模型、优化算法、人工智能技术等，优化水资源调度、供水调度、排水调度、污水处理调度，提高水务系统运行效率。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 智慧水务服务系统 (Smart Water Management Service System)：为水务用户提供用水信息查询、在线缴费、故障报修、水质信息公开等服务。
▮▮▮▮ⓕ 功能 (Functions)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 水资源监测与管理 (Water Resource Monitoring and Management)：实时监测水资源量、水质状况，进行水资源评价、规划、调度和保护。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 智能供水管理 (Intelligent Water Supply Management)：实时监测供水管网压力、流量、水质，进行管网泄漏检测、爆管预警、水力优化调度，保障供水安全和稳定。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 智能排水管理 (Intelligent Drainage Management)：实时监测排水管网水位、流量、雨量，进行管网淤积监测、内涝预警、排水系统优化调度，提高城市排水能力。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 智能污水处理 (Intelligent Wastewater Treatment)：实时监测污水处理厂进出水水质、运行参数，进行工艺优化控制、设备智能维护、能耗优化管理，提高污水处理效率和质量。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 水务信息服务 (Water Management Information Service)：为水务用户提供用水信息查询、在线缴费、故障报修、水质信息公开等服务，提高用户服务体验。
▮▮▮▮ⓛ 应用案例 (Application Cases)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 城市智慧水务管理平台 (Urban Smart Water Management Platform)：例如，北京城市排水集团智慧水务平台 (Beijing Drainage Group Smart Water Management Platform) 、新加坡智慧水务网络 (Singapore Smart Water Grid) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 供水管网漏损控制系统 (Water Supply Network Leakage Control System)：例如，英国国家漏损控制中心 (National Leakage Research and Test Centre, NLRTC) 、以色列智慧水表 (Smart Water Meter in Israel) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 污水处理厂智能控制系统 (Intelligent Control System for Wastewater Treatment Plant)：例如，上海白龙港污水处理厂智能控制系统 (Shanghai Bailonggang Wastewater Treatment Plant Intelligent Control System) 、荷兰污水处理厂能源自给项目 (Energy Self-sufficient Wastewater Treatment Plant in the Netherlands) 等。

③ 智慧能源 (Smart Energy)：智慧能源是指利用信息技术、通信技术、自动化技术、人工智能技术等，构建智能化的能源系统，提高能源效率、能源可靠性、能源安全性、能源可持续性，推动能源清洁低碳转型。
▮▮▮▮ⓐ 构成 (Components)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 智能能源感知系统 (Intelligent Energy Perception System)：利用传感器、智能电表、智能燃气表、智能热表等设备，实时采集能源生产、输送、消费等信息。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 智慧能源信息平台 (Smart Energy Information Platform)：对采集的能源数据进行存储、处理、分析和发布，为能源管理和决策提供信息服务。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 智能能源调度系统 (Intelligent Energy Dispatch System)：利用电力系统模型、能源市场模型、优化算法、人工智能技术等，优化能源生产、输送、分配和消费，提高能源系统运行效率。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 智慧能源服务系统 (Smart Energy Service System)：为能源用户提供用能信息查询、在线缴费、需求响应、节能建议等服务。
▮▮▮▮ⓕ 功能 (Functions)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 能源供需监测与预测 (Energy Supply and Demand Monitoring and Prediction)：实时监测能源生产、输送、消费数据，预测未来能源供需状况，为能源调度和规划提供决策支持。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 智能电网 (Smart Grid)：构建智能电网，实现电力系统的双向通信、智能控制、灵活调度，提高电网可靠性、安全性和效率。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 智能微网 (Smart Microgrid)：发展智能微网，实现分布式能源 (Distributed Energy Resources, DER) 的接入和管理，提高能源系统的灵活性和韧性。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 能源需求侧管理 (Demand Side Management, DSM)：实施能源需求侧管理，引导用户节能用电、错峰用电、参与需求响应，降低能源峰值负荷，提高能源利用效率。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 能源信息服务 (Energy Information Service)：为能源用户提供用能信息查询、在线缴费、需求响应、节能建议等服务，提高用户服务体验。
▮▮▮▮ⓛ 应用案例 (Application Cases)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 城市智慧能源管理平台 (Urban Smart Energy Management Platform)：例如，北京城市能源管理平台 (Beijing Urban Energy Management Platform) 、纽约州能源管理系统 (New York State Energy Management System) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 智能电网 (Smart Grid)：例如，美国智能电网示范项目 (Smart Grid Demonstration Projects in the United States) 、中国智能电网 (Smart Grid in China) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 虚拟电厂 (Virtual Power Plant, VPP)：例如，特斯拉虚拟电厂 (Tesla Virtual Power Plant) 、NextEra Energy Resources 虚拟电厂 (NextEra Energy Resources Virtual Power Plant) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 能源互联网 (Energy Internet)：例如，德国能源互联网项目 (German Energy Internet Project) 、全球能源互联网 (Global Energy Interconnection) 等。

④ 智慧建筑 (Smart Building)：智慧建筑是指利用信息技术、通信技术、自动化技术、人工智能技术等，构建智能化的建筑，提高建筑的舒适性、安全性、高效性、可持续性，为建筑用户提供智能化、人性化的体验。
▮▮▮▮ⓐ 构成 (Components)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 智能建筑感知系统 (Intelligent Building Perception System)：利用传感器、摄像头、RFID、智能家居设备等设备，实时采集建筑环境、设备运行、人员活动等信息。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 智慧建筑信息平台 (Smart Building Information Platform)：对采集的建筑数据进行存储、处理、分析和发布，为建筑管理和用户提供信息服务。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 智能建筑控制系统 (Intelligent Building Control System)：利用建筑设备自动化系统 (Building Automation System, BAS) 、智能照明系统 (Intelligent Lighting System) 、智能安防系统 (Intelligent Security System) 、智能消防系统 (Intelligent Fire Protection System) 等，实现建筑设备的智能控制和联动。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 智慧建筑服务系统 (Smart Building Service System)：为建筑用户提供智能家居控制、智能办公、智能物业服务、智能访客管理等服务。
▮▮▮▮ⓕ 功能 (Functions)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 智能环境控制 (Intelligent Environmental Control)：智能控制建筑的暖通空调系统、照明系统、遮阳系统等，实现室内环境的智能调节，提高室内舒适度，降低能耗。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 智能安防监控 (Intelligent Security Monitoring)：利用智能视频监控、入侵报警、门禁控制、生物识别等技术，提高建筑安全防范能力，保障建筑安全。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 智能设备管理 (Intelligent Equipment Management)：智能监控建筑设备运行状态，进行设备故障预警、智能维护、能耗优化管理，提高设备运行效率，延长设备使用寿命。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 智能能源管理 (Intelligent Energy Management)：智能监控建筑能耗数据，进行能耗分析、能效评估、节能优化，降低建筑能耗，实现绿色建筑目标。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 智能物业服务 (Intelligent Property Management Service)：利用移动互联网、物联网、云计算等技术，提供在线物业服务、智能访客管理、智能停车管理、智能社区服务等，提高物业服务水平，改善用户体验。
▮▮▮▮ⓛ 应用案例 (Application Cases)：
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 智能办公楼 (Smart Office Building)：例如，谷歌总部大楼 (Googleplex) 、苹果新总部 Apple Park (Apple Park) 、上海中心大厦 (Shanghai Tower) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 智能住宅小区 (Smart Residential Community)：例如，新加坡纬壹科技城 (one-north) 、中国智慧社区试点项目 (Smart Community Pilot Projects in China) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 智能医院 (Smart Hospital)：例如，新加坡黄廷方综合医院 (Ng Teng Fong General Hospital) 、美国梅奥诊所 (Mayo Clinic) 等。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 智能酒店 (Smart Hotel)：例如，万豪国际集团智能酒店 (Marriott International Smart Hotel) 、希尔顿酒店集团智能客房 (Hilton Smart Room) 等。

智慧交通、智慧水务、智慧能源、智慧建筑等智慧基础设施的建设，是智慧城市建设的关键内容。 智慧基础设施的应用，可以显著提高城市运行效率、改善城市公共服务、提升城市治理能力、促进城市可持续发展，为智慧城市建设提供有力支撑。

Appendix A: 常用土木工程术语中英文对照表 (Glossary of Common Civil Engineering Terms)

Appendix A1: 常用土木工程术语中英文对照表 (Glossary of Common Civil Engineering Terms)

Appendix B: 土木工程常用单位与符号 (Common Units and Symbols in Civil Engineering)

引言 (Introduction)

本附录旨在为土木工程领域的从业者和学习者提供一份常用单位与符号的速查手册。正确理解和使用单位与符号是进行工程计算、图纸阅读以及学术交流的基础。本附录收录了土木工程学科中常见的物理量及其对应的国际单位制 (SI Units) 单位和常用工程单位，并对符号的含义进行了简要说明，以期帮助读者更加准确、高效地进行学习和工作。

长度 (Length)

① 物理量 (Physical Quantity): 长度 (Length)
② 符号 (Symbol): \(L, l, h, d, b\) (例如：\(L\) - 总长度, \(l\) - 长度, \(h\) - 高度, \(d\) - 直径, \(b\) - 宽度)
③ 单位 (Unit): 米 (meter)（m）、毫米 (millimeter)（mm）、厘米 (centimeter)（cm）、千米 (kilometer)（km）
④ 说明 (Description): 米 (m) 是国际单位制中长度的基本单位。在土木工程中，根据工程尺度和精度要求，常使用米 (m)、毫米 (mm)、厘米 (cm)、千米 (km) 等单位。

面积 (Area)

① 物理量 (Physical Quantity): 面积 (Area)
② 符号 (Symbol): \(A, S\) (例如：\(A\) - 面积, \(S\) - 表面积)
③ 单位 (Unit): 平方米 (square meter)（\(m^2\)）、平方厘米 (square centimeter)（\(cm^2\)）、平方毫米 (square millimeter)（\(mm^2\)）、公顷 (hectare)（ha）、平方千米 (square kilometer)（\(km^2\)）
④ 说明 (Description): 平方米 (\(m^2\)) 是国际单位制中面积的单位。公顷 (ha) 和平方千米 (\(km^2\)) 常用于描述较大面积，例如土地面积、流域面积等。

体积 (Volume)

① 物理量 (Physical Quantity): 体积 (Volume)
② 符号 (Symbol): \(V\)
③ 单位 (Unit): 立方米 (cubic meter)（\(m^3\)）、立方厘米 (cubic centimeter)（\(cm^3\)）、立方毫米 (cubic millimeter)（\(mm^3\)）、升 (liter)（L 或 l）
④ 说明 (Description): 立方米 (\(m^3\)) 是国际单位制中体积的单位。升 (L 或 l) 常用于液体体积的计量，1 升 (L) = 0.001 立方米 (\(m^3\))。

时间 (Time)

① 物理量 (Physical Quantity): 时间 (Time)
② 符号 (Symbol): \(t, T\) (例如：\(t\) - 时间, \(T\) - 周期)
③ 单位 (Unit): 秒 (second)（s）、分 (minute)（min）、时 (hour)（h）、天 (day)（d）、年 (year)（a 或 y）
④ 说明 (Description): 秒 (s) 是国际单位制中时间的基本单位。在工程实践中，根据时间跨度和精度要求，常使用秒 (s)、分 (min)、时 (h)、天 (d)、年 (a 或 y) 等单位。

质量 (Mass)

① 物理量 (Physical Quantity): 质量 (Mass)
② 符号 (Symbol): \(m\)
③ 单位 (Unit): 千克 (kilogram)（kg）、克 (gram)（g）、吨 (ton)（t）
④ 说明 (Description): 千克 (kg) 是国际单位制中质量的基本单位。吨 (t) 常用于较大质量的计量，1 吨 (t) = 1000 千克 (kg)。

力 (Force)

① 物理量 (Physical Quantity): 力 (Force)
② 符号 (Symbol): \(F, N, P, Q\) (例如：\(F\) - 力, \(N\) - 法向力, \(P\) - 集中力, \(Q\) - 均布力)
③ 单位 (Unit): 牛顿 (Newton)（N）、千牛 (kiloNewton)（kN）、兆牛 (MegaNewton)（MN）
④ 说明 (Description): 牛顿 (N) 是国际单位制中力的单位，定义为使质量为 1 千克 (kg) 的物体产生 1 米每二次方秒 (\(m/s^2\)) 加速度的力。在土木工程中，千牛 (kN) 和兆牛 (MN) 更常用。1 千牛 (kN) = 1000 牛顿 (N)，1 兆牛 (MN) = 1000 千牛 (kN)。

压力/应力 (Pressure/Stress)

① 物理量 (Physical Quantity): 压力 (Pressure) / 应力 (Stress)
② 符号 (Symbol): \(p, \sigma, \tau\) (例如：\(p\) - 压力, \(\sigma\) - 正应力, \(\tau\) - 剪应力)
③ 单位 (Unit): 帕斯卡 (Pascal)（Pa）、千帕 (kiloPascal)（kPa）、兆帕 (MegaPascal)（MPa）、吉帕 (GigaPascal)（GPa）、牛顿每平方米 (Newton per square meter)（\(N/m^2\)）、牛顿每平方毫米 (Newton per square millimeter)（\(N/mm^2\)）
④ 说明 (Description): 帕斯卡 (Pa) 是国际单位制中压力和应力的单位，1 帕斯卡 (Pa) = 1 牛顿每平方米 (\(N/m^2\))。兆帕 (MPa) 在土木工程中非常常用，1 兆帕 (MPa) = 1 兆牛每平方米 (\(MN/m^2\)) = 1 牛顿每平方毫米 (\(N/mm^2\))。

能量/功/热 (Energy/Work/Heat)

① 物理量 (Physical Quantity): 能量 (Energy) / 功 (Work) / 热 (Heat)
② 符号 (Symbol): \(E, W, Q\) (例如：\(E\) - 能量, \(W\) - 功, \(Q\) - 热量)
③ 单位 (Unit): 焦耳 (Joule)（J）、千焦 (kiloJoule)（kJ）、兆焦 (MegaJoule)（MJ）
④ 说明 (Description): 焦耳 (J) 是国际单位制中能量、功和热的单位，1 焦耳 (J) = 1 牛顿·米 (N·m)。

功率 (Power)

① 物理量 (Physical Quantity): 功率 (Power)
② 符号 (Symbol): \(P\)
③ 单位 (Unit): 瓦特 (Watt)（W）、千瓦 (kiloWatt)（kW）、兆瓦 (MegaWatt)（MW）
④ 说明 (Description): 瓦特 (W) 是国际单位制中功率的单位，1 瓦特 (W) = 1 焦耳每秒 (J/s)。

温度 (Temperature)

① 物理量 (Physical Quantity): 温度 (Temperature)
② 符号 (Symbol): \(T, t\) (例如：\(T\) - 绝对温度, \(t\) - 摄氏温度)
③ 单位 (Unit): 摄氏度 (degree Celsius)（℃）、开尔文 (Kelvin)（K）
④ 说明 (Description): 摄氏度 (℃) 是工程中常用的温度单位。开尔文 (K) 是国际单位制中热力学温度的单位，与摄氏度的换算关系为：\(T(K) = t(℃) + 273.15\)。在热力学计算中通常使用开尔文 (K)。

角度 (Angle)

① 物理量 (Physical Quantity): 角度 (Angle)
② 符号 (Symbol): \(\theta, \alpha, \beta, \gamma\)
③ 单位 (Unit): 度 (degree)（°）、弧度 (radian)（rad）
④ 说明 (Description): 度 (°) 是工程中常用的角度单位。弧度 (rad) 是数学和物理学中角度的标准单位，1 弧度 (rad) ≈ 57.3°。

频率 (Frequency)

① 物理量 (Physical Quantity): 频率 (Frequency)
② 符号 (Symbol): \(f\)
③ 单位 (Unit): 赫兹 (Hertz)（Hz）、千赫 (kiloHertz)（kHz）、兆赫 (MegaHertz)（MHz）
④ 说明 (Description): 赫兹 (Hz) 是国际单位制中频率的单位，表示每秒钟发生的周期性事件次数，1 赫兹 (Hz) = 1 次/秒 (\(s^{-1}\))。

密度 (Density)

① 物理量 (Physical Quantity): 密度 (Density)
② 符号 (Symbol): \(\rho\)
③ 单位 (Unit): 千克每立方米 (kilogram per cubic meter)（\(kg/m^3\)）、克每立方厘米 (gram per cubic centimeter)（\(g/cm^3\)）
④ 说明 (Description): 千克每立方米 (\(kg/m^3\)) 是国际单位制中密度的单位。克每立方厘米 (\(g/cm^3\)) 也常用，1 \(g/cm^3\) = 1000 \(kg/m^3\)。

速度 (Velocity)

① 物理量 (Physical Quantity): 速度 (Velocity)
② 符号 (Symbol): \(v\)
③ 单位 (Unit): 米每秒 (meter per second)（m/s）、千米每小时 (kilometer per hour)（km/h）
④ 说明 (Description): 米每秒 (m/s) 是国际单位制中速度的单位。千米每小时 (km/h) 常用于交通工程领域。

加速度 (Acceleration)

① 物理量 (Physical Quantity): 加速度 (Acceleration)
② 符号 (Symbol): \(a\)
③ 单位 (Unit): 米每二次方秒 (meter per second squared)（\(m/s^2\)）
④ 说明 (Description): 米每二次方秒 (\(m/s^2\)) 是国际单位制中加速度的单位。

流量 (Flow Rate)

① 物理量 (Physical Quantity): 流量 (Flow Rate)
② 符号 (Symbol): \(Q\)
③ 单位 (Unit): 立方米每秒 (cubic meter per second)（\(m^3/s\)）、立方米每小时 (cubic meter per hour)（\(m^3/h\)）、升每秒 (liter per second)（L/s）、升每分钟 (liter per minute)（L/min）
④ 说明 (Description): 立方米每秒 (\(m^3/s\)) 是国际单位制中流量的单位，常用于水利工程、环境工程等领域。

力矩 (Moment of Force)

① 物理量 (Physical Quantity): 力矩 (Moment of Force)
② 符号 (Symbol): \(M\)
③ 单位 (Unit): 牛顿·米 (Newton-meter)（N·m）、千牛·米 (kiloNewton-meter)（kN·m）
④ 说明 (Description): 牛顿·米 (N·m) 是力矩的单位，表示力与力臂的乘积。

惯性矩 (Moment of Inertia)

① 物理量 (Physical Quantity): 惯性矩 (Moment of Inertia)
② 符号 (Symbol): \(I\)
③ 单位 (Unit): 千克·平方米 (kilogram-square meter)（\(kg·m^2\)）、米的四次方 (meter to the fourth power)（\(m^4\)） (面积惯性矩)
④ 说明 (Description): 惯性矩用于描述物体转动惯性的物理量，单位为 \(kg·m^2\)。在结构力学中，面积惯性矩 (也称截面惯性矩) 常用于描述截面抵抗弯曲变形的能力，单位为 \(m^4\) 或 \(cm^4\) 等。

材料力学相关 (Mechanics of Materials Related)

① 物理量 (Physical Quantity): 弹性模量 (Elastic Modulus)
② 符号 (Symbol): \(E\)
③ 单位 (Unit): 吉帕 (GigaPascal)（GPa）、兆帕 (MegaPascal)（MPa）

① 物理量 (Physical Quantity): 泊松比 (Poisson's Ratio)
② 符号 (Symbol): \(\nu\) (希腊字母 nu)
③ 单位 (Unit): 无量纲 (dimensionless)

① 物理量 (Physical Quantity): 屈服强度 (Yield Strength)
② 符号 (Symbol): \(f_y, \sigma_y\)
③ 单位 (Unit): 兆帕 (MegaPascal)（MPa）

① 物理量 (Physical Quantity): 抗拉强度 (Tensile Strength)
② 符号 (Symbol): \(f_u, \sigma_u\)
③ 单位 (Unit): 兆帕 (MegaPascal)（MPa）

流体力学相关 (Fluid Mechanics Related)

① 物理量 (Physical Quantity): 动力粘度 (Dynamic Viscosity)
② 符号 (Symbol): \(\mu\) (希腊字母 mu)
③ 单位 (Unit): 帕斯卡·秒 (Pascal-second)（Pa·s）、泊 (Poise)（P） (1 P = 0.1 Pa·s)

① 物理量 (Physical Quantity): 运动粘度 (Kinematic Viscosity)
② 符号 (Symbol): \(\nu\) (希腊字母 nu)
③ 单位 (Unit): 平方米每秒 (square meter per second)（\(m^2/s\)）、斯托克斯 (Stokes)（St） (1 St = \(10^{-4} m^2/s\))

① 物理量 (Physical Quantity): 雷诺数 (Reynolds Number)
② 符号 (Symbol): \(Re\)
③ 单位 (Unit): 无量纲 (dimensionless)

热力学相关 (Thermodynamics Related)

① 物理量 (Physical Quantity): 热量 (Heat)
② 符号 (Symbol): \(Q\)
③ 单位 (Unit): 焦耳 (Joule)（J）、千焦 (kiloJoule)（kJ）

① 物理量 (Physical Quantity): 比热容 (Specific Heat Capacity)
② 符号 (Symbol): \(c\)
③ 单位 (Unit): 焦耳每千克开尔文 (Joule per kilogram Kelvin)（J/(kg·K)）

电学相关 (Electrical Related)

① 物理量 (Physical Quantity): 电压 (Voltage)
② 符号 (Symbol): \(U, V\)
③ 单位 (Unit): 伏特 (Volt)（V）、千伏 (kiloVolt)（kV）

① 物理量 (Physical Quantity): 电流 (Current)
② 符号 (Symbol): \(I\)
③ 单位 (Unit): 安培 (Ampere)（A）、千安 (kiloAmpere)（kA）、毫安 (milliAmpere)（mA）

① 物理量 (Physical Quantity): 电阻 (Resistance)
② 符号 (Symbol): \(R\)
③ 单位 (Unit): 欧姆 (Ohm)（Ω）、千欧 (kiloOhm)（kΩ）、兆欧 (MegaOhm)（MΩ）

① 物理量 (Physical Quantity): 电容 (Capacitance)
② 符号 (Symbol): \(C\)
③ 单位 (Unit): 法拉 (Farad)（F）、微法 (microFarad)（μF）、纳法 (nanoFarad)（nF）、皮法 (picoFarad)（pF）

结语 (Conclusion)

本附录列出的单位和符号是土木工程领域中最常用和最基本的。在实际应用中，可能会遇到更多专业领域的特定单位和符号。建议读者在遇到不熟悉的单位和符号时，及时查阅相关专业书籍、规范和标准，确保准确理解和使用，从而保证工程计算和交流的准确性和有效性。理解和掌握这些基本的单位与符号，将为深入学习和从事土木工程专业打下坚实的基础。

Appendix C: 土木工程相关软件介绍与应用 (Introduction and Application of Civil Engineering Software)

Appendix C: 概要 (Summary)

本附录旨在为读者简要介绍土木工程领域中广泛应用的专业软件，涵盖设计、分析、模拟和管理等多个方面。通过对常用软件如 CAD、PKPM、ANSYS、MIDAS、SAP2000 等的概述和应用方向的介绍，旨在帮助读者了解各类软件在土木工程实践中的作用，并为读者选择合适的软件工具进行学习和工作提供参考。本附录还提供了一些学习资源和入门建议，以帮助初学者快速上手，掌握软件应用技能，提升专业能力。

C.1 CAD 软件介绍与应用 (Introduction and Application of CAD Software)

C.1.1 软件概述 (Software Overview)

CAD (计算机辅助设计, Computer-Aided Design) 软件是土木工程领域最基础、最通用的软件之一。它利用计算机技术辅助工程师进行设计绘图工作，极大地提高了设计效率和精确度。在土木工程领域，CAD 软件主要用于绘制各种工程图纸，包括平面图、立面图、剖面图、施工图、结构图、管线图等。

市场上主流的 CAD 软件包括：

① AutoCAD: 由 Autodesk 公司开发的通用 CAD 软件，是目前应用最广泛的 CAD 平台，具有强大的绘图功能和良好的用户界面，支持二次开发，可根据不同专业需求进行定制。
② 天正建筑 (TianZheng Architecture): 基于 AutoCAD 平台开发的专业建筑 CAD 软件，针对中国建筑设计特点进行了优化，提供了丰富的建筑构件库和专业工具，提高了建筑设计效率。
③ 浩辰 CAD (GstarCAD): 另一款常用的国产 CAD 软件，具有良好的兼容性和稳定性，功能齐全，操作简便，性价比高，也广泛应用于土木工程领域。

C.1.2 主要功能与应用方向 (Main Functions and Application Directions)

CAD 软件在土木工程中具有广泛的应用，其主要功能和应用方向包括：

① 工程制图: CAD 软件最核心的功能是精确绘制各种工程图纸。
▮▮▮▮ⓑ 二维绘图 (2D Drawing): 绘制平面图、立面图、剖面图、详图等二维工程图，精确表达工程对象的几何形状、尺寸和技术要求。
▮▮▮▮ⓒ 三维建模 (3D Modeling): 创建三维模型，直观展示工程结构的空间形态，辅助方案设计和可视化表达，并可用于生成三维透视图和施工动画。
④ 设计辅助: CAD 软件提供丰富的绘图工具和命令，辅助工程师进行设计工作。
▮▮▮▮ⓔ 图库管理: 提供标准构件图库、符号库、图例库等，方便快速调用和插入，提高绘图效率和标准化程度。
▮▮▮▮ⓕ 尺寸标注与文字注释: 提供多种尺寸标注方式和文字注释功能，确保图纸信息的完整性和准确性。
▮▮▮▮ⓖ 图层管理: 采用图层技术对图纸元素进行分类管理，方便图纸的组织和编辑，提高图纸的可读性和可维护性。
⑧ 数据交换与协同设计: CAD 软件支持多种数据格式，方便与其他专业软件进行数据交换，实现协同设计。
▮▮▮▮ⓘ 文件格式兼容: 支持 DWG、DXF 等通用 CAD 文件格式，以及 PDF、JPG 等图像格式，方便图纸的共享和交流。
▮▮▮▮ⓙ 协同设计平台: 部分 CAD 软件提供协同设计平台，支持多人同时在线编辑和查看图纸，提高设计团队的协作效率。
⑪ 二次开发与专业定制: 基于 CAD 平台可以进行二次开发，定制开发专业应用模块，满足特定专业的设计需求。
▮▮▮▮ⓛ API 接口: 提供应用程序编程接口 (API)，允许用户使用编程语言 (如 VBA, LISP, C++) 开发自定义功能和插件。
▮▮▮▮ⓜ 专业插件: 市场上涌现出大量基于 CAD 平台的专业插件，如建筑、结构、给排水、暖通、电气等专业插件，进一步扩展了 CAD 软件的应用范围。

C.1.3 学习资源与入门建议 (Learning Resources and Entry Recommendations)

学习 CAD 软件，可以通过以下途径获取学习资源和入门建议：

① 官方教程与帮助文档: Autodesk, 天正, 浩辰等软件厂商都提供官方教程、帮助文档、在线视频教程等学习资源，是系统学习软件功能和操作的权威资料。
② 在线学习平台: 如网易云课堂、腾讯课堂、B站、慕课网等平台，有大量的 CAD 软件教学视频课程，可以根据自己的学习进度和需求选择合适的课程。
③ 专业书籍与教材: 市面上出版了大量的 CAD 软件教程和案例书籍，可以系统学习软件知识和技能，并通过案例练习提高应用能力。
④ 论坛与社区: 如 CAD 技术论坛、Autodesk Community 等，可以在论坛和社区与其他用户交流学习经验，解决学习中遇到的问题。
⑤ 入门建议:
▮▮▮▮ⓕ 选择合适的软件版本: 初学者可以选择较新的稳定版本，如 AutoCAD 最新版、天正建筑最新版等。
▮▮▮▮ⓖ 系统学习基础操作: 从 CAD 的基本概念、界面布局、基本绘图命令、编辑命令、图层管理、尺寸标注等基础操作开始学习。
▮▮▮▮ⓗ 多做练习与案例分析: 通过大量的绘图练习和案例分析，巩固所学知识，提高绘图速度和质量。
▮▮▮▮ⓘ 结合专业知识学习: 将 CAD 软件的学习与土木工程专业知识相结合，学习绘制专业图纸，如建筑平面图、结构施工图等。
▮▮▮▮ⓙ 关注行业应用动态: 了解 CAD 软件在土木工程领域的最新应用动态和发展趋势，不断提升自己的软件应用能力。

C.2 PKPM 软件介绍与应用 (Introduction and Application of PKPM Software)

C.2.1 软件概述 (Software Overview)

PKPM 软件是由中国建筑科学研究院开发的一套建筑结构设计软件，是国内建筑结构设计领域应用最广泛、影响力最大的软件之一。PKPM 软件集成了建筑、结构、设备等多个专业的设计功能，实现了建筑结构设计的全过程信息化，极大地提高了设计效率和设计质量。

PKPM 软件体系庞大，包含多个模块，主要模块包括：

① PMCAD: 建筑模型模块，用于建立建筑结构模型，进行建筑方案设计和建筑信息建模 (BIM)。
② PMSAP: 结构分析模块，用于进行结构静力分析、动力分析、稳定分析、抗震分析等，是 PKPM 软件的核心模块。
③ PK: 结构施工图设计模块，用于根据结构分析结果，进行结构构件的配筋设计和施工图绘制。
④ STS: 钢结构设计模块，用于钢结构的设计、分析和施工图绘制。
⑤ WZQ: 地基基础设计模块，用于地基基础的选型、设计和计算。

C.2.2 主要功能与应用方向 (Main Functions and Application Directions)

PKPM 软件在土木工程，特别是建筑结构工程领域，具有广泛的应用，其主要功能和应用方向包括：

① 建筑方案设计: PMCAD 模块可以快速建立建筑模型，进行建筑方案的比较和优化，支持建筑日照分析、视线分析、面积计算等功能。
② 结构分析计算: PMSAP 模块是 PKPM 软件的核心，可以进行多种结构分析计算。
▮▮▮▮ⓒ 静力分析: 进行结构在恒载、活载作用下的静力分析，计算结构的内力、位移和支座反力。
▮▮▮▮ⓓ 动力分析: 进行结构在地震、风荷载等动力作用下的动力分析，评估结构的抗震性能和抗风性能。
▮▮▮▮ⓔ 稳定分析: 进行结构的稳定分析，评估结构的整体稳定性和局部稳定性。
▮▮▮▮ⓕ 抗震分析: 进行结构的抗震性能分析，包括反应谱分析、时程分析、弹塑性分析等，评估结构的抗震安全。
⑦ 结构设计与施工图绘制: PK 模块可以根据结构分析结果，进行混凝土结构构件的设计和施工图绘制。
▮▮▮▮ⓗ 梁、柱、墙、板配筋设计: 根据规范自动进行梁、柱、墙、板等构件的配筋计算和构造设计。
▮▮▮▮ⓘ 施工图自动生成: 自动生成结构平面布置图、构件配筋图、节点详图、材料表等施工图纸。
▮▮▮▮ⓙ 钢筋三维可视化: 提供钢筋三维可视化功能，直观展示钢筋的布置和构造，方便设计校核和施工指导。
⑪ 钢结构设计: STS 模块用于钢结构的设计、分析和施工图绘制，可以进行钢结构杆件的强度、稳定性和连接设计，并生成钢结构施工图。
⑫ 地基基础设计: WZQ 模块用于地基基础的选型、设计和计算，可以进行浅基础、桩基础、复合地基的设计计算，评估地基承载力和沉降。
⑬ BIM 应用: PKPM 软件逐步向 BIM 方向发展，PMCAD 模块可以建立建筑信息模型，为后续的结构分析、施工图设计、工程管理等提供 BIM 数据支持。
▮▮▮▮ⓝ BIM 模型信息共享: PKPM 模型可以与其他 BIM 软件 (如 Revit, ArchiCAD) 进行数据交换，实现建筑、结构、设备等专业的协同设计。
▮▮▮▮ⓞ BIM 模型应用扩展: BIM 模型可以用于工程量统计、碰撞检查、施工模拟、运维管理等，扩展 PKPM 软件的应用范围。

C.2.3 学习资源与入门建议 (Learning Resources and Entry Recommendations)

学习 PKPM 软件，可以通过以下途径获取学习资源和入门建议：

① 官方教程与帮助文档: 中国建筑科学研究院 PKPM 官方网站提供软件教程、帮助文档、视频教程、在线答疑等学习资源。
② 培训机构: 市场上有很多专业的 PKPM 软件培训机构，提供系统化的软件培训课程，适合快速入门和系统学习。
③ 专业书籍与教材: 出版了大量的 PKPM 软件教程和案例书籍，可以系统学习软件知识和技能，并通过案例练习提高应用能力。
④ 论坛与社区: 如 PKPM 用户论坛、结构工程师论坛等，可以在论坛和社区与其他用户交流学习经验，解决学习中遇到的问题。
⑤ 入门建议:
▮▮▮▮ⓕ 选择合适的软件模块: 初学者可以从 PMCAD 和 PMSAP 模块开始学习，逐步深入学习 PK 和 STS 等模块。
▮▮▮▮ⓖ 系统学习软件操作流程: 从建筑模型建立、荷载输入、结构分析、结果查看、构件设计、施工图绘制等软件操作流程入手。
▮▮▮▮ⓗ 掌握结构力学基础知识: PKPM 软件是结构设计软件，需要掌握扎实的结构力学、材料力学、混凝土结构设计原理等基础知识。
▮▮▮▮ⓘ 多做工程案例练习: 通过实际工程案例的练习，熟悉软件的应用流程，掌握软件的操作技巧，提高解决实际工程问题的能力。
▮▮▮▮ⓙ 参加软件认证考试: 可以参加中国建筑科学研究院组织的 PKPM 软件应用能力认证考试，检验学习成果，提升职业竞争力。

C.3 ANSYS 软件介绍与应用 (Introduction and Application of ANSYS Software)

C.3.1 软件概述 (Software Overview)

ANSYS 软件是由 ANSYS 公司开发的大型通用有限元分析软件，是国际上最流行的有限元分析软件之一。ANSYS 软件可以进行结构、流体、电磁场、声场、热场等多物理场耦合分析，在土木工程领域主要应用于复杂的结构分析、岩土力学分析、流体力学分析等。

ANSYS 软件功能强大，模块众多，主要模块包括：

① ANSYS Mechanical: 结构力学分析模块，用于进行线性和非线性静力分析、动力分析、热力耦合分析、疲劳分析、断裂力学分析等。
② ANSYS Fluent: 计算流体力学 (CFD) 分析模块，用于进行各种流体流动、传热、传质问题的数值模拟。
③ ANSYS CFX: 另一款 CFD 分析模块，擅长于旋转机械、多相流、化学反应流等复杂流动的模拟。
④ ANSYS Electromagnetic: 电磁场分析模块，用于进行电磁场、电路、天线等问题的分析。
⑤ ANSYS Multiphysics: 多物理场耦合分析模块，用于进行结构-流体耦合、热-结构耦合、电磁-结构耦合等复杂问题的分析。

C.3.2 主要功能与应用方向 (Main Functions and Application Directions)

ANSYS 软件在土木工程领域，尤其是在科研和高端工程领域，具有重要的应用价值，其主要功能和应用方向包括：

① 复杂结构分析: ANSYS 软件可以进行各种复杂结构的精细化分析。
▮▮▮▮ⓑ 大型桥梁分析: 用于大型桥梁的静力分析、动力分析、稳定分析、抗震分析、风振分析、车辆-桥梁耦合分析等。
▮▮▮▮ⓒ 高层建筑分析: 用于高层建筑的整体分析、局部构件分析、抗震分析、风振分析、温度应力分析、施工过程模拟等。
▮▮▮▮ⓓ 特殊结构分析: 用于空间网格结构、膜结构、索结构、组合结构等特殊结构的分析。
⑤ 岩土力学分析: ANSYS 软件可以进行岩土工程的数值模拟分析。
▮▮▮▮ⓕ 地基基础分析: 用于地基承载力分析、沉降分析、稳定性分析、桩基-土相互作用分析、基坑支护结构分析等。
▮▮▮▮ⓖ 边坡工程分析: 用于边坡稳定分析、滑坡分析、泥石流模拟、边坡支护结构设计等。
▮▮▮▮ⓗ 隧道工程分析: 用于隧道围岩稳定性分析、衬砌结构设计、隧道开挖过程模拟、隧道渗流分析等。
⑨ 流体力学分析: ANSYS Fluent 和 ANSYS CFX 模块可以进行流体力学分析。
▮▮▮▮ⓙ 水利工程水流模拟: 用于水工建筑物的水流分析、泄洪消能计算、水库水流模拟、河流演变模拟、水环境模拟等。
▮▮▮▮ⓚ 通风工程流场模拟: 用于建筑通风、隧道通风、地铁通风等通风工程的流场模拟分析。
▮▮▮▮ⓛ 桥梁风工程分析: 用于桥梁颤振分析、抖振分析、气动稳定性分析、风环境评估等。
⑬ 多物理场耦合分析: ANSYS Multiphysics 模块可以进行多物理场耦合分析，解决复杂的工程问题。
▮▮▮▮ⓝ 热-结构耦合分析: 用于温度场和应力场耦合作用下的结构分析，如热应力分析、热变形分析、温度冲击分析等。
▮▮▮▮ⓞ 流体-结构耦合分析: 用于流体作用下结构的动力响应分析，如水动力分析、风致振动分析、流固耦合振动分析等。
▮▮▮▮ⓟ 电磁-结构耦合分析: 用于电磁场作用下结构的力学响应分析，如电磁力分析、电磁振动分析等。
⑰ 高级材料模型与非线性分析: ANSYS 软件提供丰富的高级材料模型 (如弹塑性模型、损伤模型、混凝土模型、土体模型等)，可以进行材料非线性、几何非线性、接触非线性等复杂非线性分析，更真实地模拟工程结构的力学行为。

C.3.3 学习资源与入门建议 (Learning Resources and Entry Recommendations)

学习 ANSYS 软件，难度较高，需要投入较多的时间和精力，可以通过以下途径获取学习资源和入门建议：

① 官方教程与帮助文档: ANSYS 官方网站提供详细的软件帮助文档、入门教程、案例教程、视频教程、在线研讨会等学习资源。
② ANSYS Learning Hub: ANSYS 公司推出的在线学习平台，提供系统化的 ANSYS 软件学习课程，包括基础课程、进阶课程、专业课程等，部分课程需要付费。
③ 专业书籍与教材: 出版了大量的 ANSYS 软件教程和案例书籍，可以系统学习软件知识和技能，并通过案例练习提高应用能力。
④ 在线学习平台: 如 Udemy, Coursera, edX 等国际知名在线学习平台，有 ANSYS 软件的相关课程，可以选择英文授课的课程，学习国际先进的分析技术。
⑤ 高校课程与科研项目: 很多高校的土木工程、力学等专业都开设了 ANSYS 软件课程，参与科研项目可以获得实际应用 ANSYS 软件的机会。
⑥ 论坛与社区: 如 ANSYS 用户论坛、COMSOL 论坛等，可以在论坛和社区与其他用户交流学习经验，解决学习中遇到的问题。
⑦ 入门建议:
▮▮▮▮ⓗ 夯实理论基础: 学习 ANSYS 软件需要扎实的理论基础，包括有限元方法原理、结构力学、材料力学、流体力学、传热学、电磁场理论等。
▮▮▮▮ⓘ 从 ANSYS Mechanical 入门: 初学者可以从 ANSYS Mechanical 模块开始学习，掌握结构力学分析的基本流程和操作方法。
▮▮▮▮ⓙ 系统学习软件操作流程: 从几何建模、网格划分、材料定义、边界条件施加、荷载施加、求解设置、结果后处理等软件操作流程入手。
▮▮▮▮ⓚ 多做案例练习与项目实践: 通过大量的案例练习和项目实践，熟悉软件的应用流程，掌握软件的操作技巧，提高解决实际工程问题的能力。
▮▮▮▮ⓛ 关注软件更新与发展: ANSYS 软件不断更新和发展，要关注软件的最新版本和新功能，不断提升自己的软件应用水平。

C.4 MIDAS 软件介绍与应用 (Introduction and Application of MIDAS Software)

C.4.1 软件概述 (Software Overview)

MIDAS 软件是由韩国 MIDAS IT 公司开发的专业结构工程软件，专注于桥梁、隧道、建筑、岩土等工程领域的结构分析与设计。MIDAS 软件以其强大的桥梁分析功能、友好的用户界面、高效的计算性能，在桥梁工程领域得到了广泛应用，被誉为“桥梁设计专家系统”。

MIDAS 软件主要包含以下几个系列：

① MIDAS/Civil: 桥梁和通用结构分析软件，是 MIDAS 软件的核心产品，用于桥梁、建筑、隧道、岩土等工程的结构分析与设计。
② MIDAS/Gen: 建筑结构分析与设计软件，专注于建筑结构的分析与设计，提供了丰富的建筑结构建模、分析、设计功能。
③ MIDAS/GTS NX: 岩土工程分析软件，用于岩土工程的有限元分析，包括地基基础、边坡、隧道、基坑、土坝等岩土工程问题的模拟。
④ MIDAS/FEA NX: 通用有限元分析软件，可以进行结构、流体、热、电磁场等多物理场分析，功能类似于 ANSYS，但更侧重于结构工程领域。

C.4.2 主要功能与应用方向 (Main Functions and Application Directions)

MIDAS 软件在土木工程领域，特别是在桥梁工程领域，具有突出的优势和广泛的应用，其主要功能和应用方向包括：

① 桥梁工程分析与设计: MIDAS/Civil 软件是桥梁工程分析设计的首选软件。
▮▮▮▮ⓑ 各种桥型分析: 可以进行梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥、连续梁桥、连续刚构桥、组合梁桥等各种桥型的静力分析、动力分析、稳定分析、抗震分析、车辆-桥梁耦合分析、施工过程模拟等。
▮▮▮▮ⓒ 桥梁设计规范: 内置了多种国际桥梁设计规范 (如中国、美国、欧洲、日本等规范)，方便用户进行规范化的桥梁设计。
▮▮▮▮ⓓ 桥梁专用建模工具: 提供了丰富的桥梁专用建模工具，如梁单元、板单元、壳单元、实体单元、索单元、支座单元、铰单元、连接单元等，方便快速建立桥梁模型。
▮▮▮▮ⓔ 桥梁施工过程模拟: 可以模拟桥梁的施工过程，如悬臂浇筑、挂篮施工、转体施工、顶推施工、逐孔架设等，分析施工过程中的结构受力、变形和稳定性。
⑥ 建筑结构分析与设计: MIDAS/Gen 软件专注于建筑结构的分析与设计。
▮▮▮▮ⓖ 高层建筑分析: 用于高层建筑的整体分析、抗震分析、风振分析、温度应力分析、施工过程模拟等。
▮▮▮▮ⓗ 复杂建筑结构分析: 用于空间网格结构、大跨度结构、复杂异形建筑结构的分析。
▮▮▮▮ⓘ 建筑结构设计规范: 内置了多种建筑结构设计规范 (如中国、美国、欧洲等规范)，方便用户进行规范化的建筑结构设计。
⑩ 岩土工程分析: MIDAS/GTS NX 软件用于岩土工程的有限元分析。
▮▮▮▮ⓚ 地基基础分析: 用于地基承载力分析、沉降分析、稳定性分析、桩基-土相互作用分析、基坑支护结构分析等。
▮▮▮▮ⓛ 边坡工程分析: 用于边坡稳定分析、滑坡分析、泥石流模拟、边坡支护结构设计等。
▮▮▮▮ⓜ 隧道工程分析: 用于隧道围岩稳定性分析、衬砌结构设计、隧道开挖过程模拟、隧道渗流分析等。
⑭ 通用有限元分析: MIDAS/FEA NX 软件是一款通用有限元分析软件，可以进行结构、流体、热、电磁场等多物理场分析，应用范围广泛。
⑮ 参数化建模与优化设计: MIDAS 软件支持参数化建模，可以方便地修改模型参数，进行方案比较和参数化分析，并提供优化设计工具，辅助工程师进行结构优化设计。
⑯ 结果可视化与报告生成: MIDAS 软件提供强大的结果后处理功能，可以将分析结果以云图、等值线图、动画等多种形式可视化展示，并可以自动生成结构分析报告和设计计算书。

C.4.3 学习资源与入门建议 (Learning Resources and Entry Recommendations)

学习 MIDAS 软件，可以通过以下途径获取学习资源和入门建议：

① 官方教程与帮助文档: MIDAS IT 官方网站提供软件教程、帮助文档、视频教程、在线研讨会、技术支持等学习资源。
② MIDAS e-Learning: MIDAS IT 公司推出的在线学习平台，提供系统化的 MIDAS 软件学习课程，包括基础课程、进阶课程、专业课程、案例分析等，部分课程需要付费。
③ 专业书籍与教材: 出版了一些 MIDAS 软件教程和案例书籍，可以系统学习软件知识和技能，并通过案例练习提高应用能力。
④ 培训机构: 市场上有一些专业的 MIDAS 软件培训机构，提供软件培训课程，可以参加培训课程快速入门和系统学习。
⑤ 高校课程与科研项目: 一些高校的土木工程、桥梁工程等专业开设了 MIDAS 软件课程，参与科研项目可以获得实际应用 MIDAS 软件的机会。
⑥ 论坛与社区: 如 MIDAS 用户论坛、桥梁工程师论坛等，可以在论坛和社区与其他用户交流学习经验，解决学习中遇到的问题。
⑦ 入门建议:
▮▮▮▮ⓗ 选择合适的软件系列: 根据自己的专业方向选择合适的 MIDAS 软件系列，如桥梁工程方向选择 MIDAS/Civil，建筑结构方向选择 MIDAS/Gen，岩土工程方向选择 MIDAS/GTS NX。
▮▮▮▮ⓘ 系统学习软件操作流程: 从模型建立、材料定义、截面定义、荷载输入、边界条件施加、分析设置、结果查看等软件操作流程入手。
▮▮▮▮ⓙ 掌握结构力学和桥梁工程基础知识: 学习 MIDAS 软件需要掌握扎实的结构力学、材料力学、桥梁工程等基础知识。
▮▮▮▮ⓚ 多做桥梁工程案例练习: MIDAS 软件在桥梁工程领域应用广泛，可以通过大量的桥梁工程案例练习，熟悉软件的应用流程，掌握软件的操作技巧。
▮▮▮▮ⓛ 参加软件认证培训: MIDAS IT 公司提供软件认证培训，可以参加认证培训，提升软件应用能力，获得官方认证。

C.5 SAP2000 软件介绍与应用 (Introduction and Application of SAP2000 Software)

C.5.1 软件概述 (Software Overview)

SAP2000 软件是由 Computers and Structures, Inc. (CSI) 公司开发的通用结构分析与设计软件，是国际上最流行的结构工程软件之一。SAP2000 软件可以进行建筑、桥梁、体育场馆、工业厂房等各种结构的静力分析、动力分析、稳定分析、抗震分析、施工过程模拟、非线性分析等，功能强大，操作灵活，应用广泛。

SAP2000 软件特点鲜明，主要特点包括：

① 强大的分析功能: 可以进行线性和非线性静力分析、动力分析、稳定分析、屈曲分析、时程分析、反应谱分析、Pushover 分析、施工过程模拟、移动荷载分析等多种分析类型。
② 丰富的单元类型: 提供了梁单元、柱单元、板单元、壳单元、实体单元、连接单元、索单元、面弹簧单元、体弹簧单元等丰富的单元类型，可以模拟各种结构构件和连接。
③ 灵活的建模方式: 支持多种建模方式，包括节点-单元建模、实体建模、参数化建模、导入 CAD 模型、导入 Revit 模型等，方便用户快速建立结构模型。
④ 友好的用户界面: 采用图形化用户界面 (GUI)，操作直观、简便，易学易用。
⑤ 开放的 API 接口: 提供应用程序编程接口 (API)，允许用户使用编程语言 (如 VBA, C++, Python) 进行二次开发，定制开发专业应用模块。

C.5.2 主要功能与应用方向 (Main Functions and Application Directions)

SAP2000 软件在土木工程领域，特别是结构工程领域，具有广泛的应用，其主要功能和应用方向包括：

① 建筑结构分析与设计: SAP2000 软件可以进行各种建筑结构的分析与设计。
▮▮▮▮ⓑ 高层建筑分析: 用于高层建筑的整体分析、抗震分析、风振分析、温度应力分析、施工过程模拟、弹塑性分析等。
▮▮▮▮ⓒ 多层框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构分析: 用于多层住宅、办公楼等常见建筑结构的分析与设计。
▮▮▮▮ⓓ 钢结构、混凝土结构、组合结构分析: 支持钢结构、混凝土结构、组合结构的建模、分析与设计。
▮▮▮▮ⓔ 建筑结构抗震性能评估: 可以进行建筑结构的抗震性能评估，包括反应谱分析、时程分析、Pushover 分析等。
⑥ 桥梁工程分析: SAP2000 软件也广泛应用于桥梁工程分析。
▮▮▮▮ⓖ 梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥分析: 可以进行各种桥型的静力分析、动力分析、稳定分析、抗震分析、车辆-桥梁耦合分析、施工过程模拟等。
▮▮▮▮ⓗ 桥梁移动荷载分析: 可以进行桥梁的移动荷载分析，计算车辆荷载作用下的桥梁响应。
▮▮▮▮ⓘ 桥梁抗震分析: 可以进行桥梁的抗震性能分析，评估桥梁的抗震安全。
⑩ 体育场馆、大跨度结构分析: SAP2000 软件可以进行体育场馆、会展中心、机场航站楼、剧院等大跨度结构的分析。
▮▮▮▮ⓚ 空间网格结构、膜结构、索结构分析: 用于空间网格结构、膜结构、索结构等特殊结构的分析。
▮▮▮▮ⓛ 大跨度屋盖结构分析: 用于体育场馆、会展中心等大跨度屋盖结构的分析。
▮▮▮▮ⓜ 复杂节点分析: 可以进行复杂节点的精细化分析，如钢结构节点、网格结构节点等。
⑭ 工业厂房结构分析: SAP2000 软件可以进行工业厂房结构的分析与设计。
▮▮▮▮ⓞ 单层厂房、多层厂房分析: 用于单层厂房、多层厂房等工业建筑结构的分析与设计。
▮▮▮▮ⓟ 吊车梁、设备基础分析: 可以进行吊车梁、设备基础等工业构筑物的分析与设计。
▮▮▮▮ⓠ 动力荷载分析: 可以进行工业设备动力荷载作用下的结构动力分析。
⑱ 非线性分析: SAP2000 软件具有强大的非线性分析功能，可以进行材料非线性、几何非线性、接触非线性等复杂非线性分析，更真实地模拟工程结构的力学行为。
▮▮▮▮ⓢ 材料非线性分析: 可以考虑材料的弹塑性、损伤、开裂等非线性特性。
▮▮▮▮ⓣ 几何非线性分析: 可以考虑结构的大变形、大位移、稳定性和屈曲等几何非线性效应。
▮▮▮▮ⓤ 接触非线性分析: 可以模拟结构构件之间的接触、摩擦、碰撞等非线性行为。
⑳ 施工过程模拟: SAP2000 软件可以模拟结构的施工过程，分析施工过程中的结构受力、变形和稳定性，为施工方案优化提供依据。

C.5.3 学习资源与入门建议 (Learning Resources and Entry Recommendations)

学习 SAP2000 软件，可以通过以下途径获取学习资源和入门建议：

① 官方教程与帮助文档: CSI 官方网站提供软件教程、帮助文档、验证手册、视频教程、在线研讨会、技术支持等学习资源。
② CSI e-Learning: CSI 公司推出的在线学习平台，提供系统化的 SAP2000 软件学习课程，包括入门课程、进阶课程、高级课程、专业课程、案例分析等，部分课程需要付费。
③ 专业书籍与教材: 出版了大量的 SAP2000 软件教程和案例书籍，可以系统学习软件知识和技能，并通过案例练习提高应用能力。
④ 在线学习平台: 如 Udemy, Coursera, edX 等国际知名在线学习平台，有 SAP2000 软件的相关课程，可以选择英文授课的课程，学习国际先进的分析技术。
⑤ 高校课程与科研项目: 很多高校的土木工程、结构工程等专业都开设了 SAP2000 软件课程，参与科研项目可以获得实际应用 SAP2000 软件的机会。
⑥ 论坛与社区: 如 CSI 用户论坛、结构工程师论坛等，可以在论坛和社区与其他用户交流学习经验，解决学习中遇到的问题。
⑦ 入门建议:
▮▮▮▮ⓗ 夯实结构力学基础: 学习 SAP2000 软件需要扎实的结构力学、材料力学、有限元方法等基础知识。
▮▮▮▮ⓘ 从基本操作入手: 从软件界面、基本建模操作、荷载施加、边界条件设置、分析设置、结果查看等基本操作入手，逐步深入学习。
▮▮▮▮ⓙ 系统学习软件功能模块: 系统学习 SAP2000 软件的各种功能模块，如建模模块、分析模块、设计模块、后处理模块等。
▮▮▮▮ⓚ 多做工程案例练习: 通过大量的工程案例练习，熟悉软件的应用流程，掌握软件的操作技巧，提高解决实际工程问题的能力。
▮▮▮▮ⓛ 关注软件更新与应用: SAP2000 软件不断更新和发展，要关注软件的最新版本和新功能，了解软件在工程实践中的最新应用，不断提升自己的软件应用水平。

C.6 总结与展望 (Summary and Outlook)

本附录简要介绍了土木工程领域常用的 CAD、PKPM、ANSYS、MIDAS、SAP2000 等软件，并阐述了它们的主要功能、应用方向、学习资源和入门建议。这些软件在土木工程的各个专业方向都发挥着至关重要的作用，是土木工程师必备的工具。

随着计算机技术的不断发展，土木工程软件也在不断进步和创新。未来的土木工程软件将更加智能化、集成化、可视化，将 BIM 技术、人工智能技术、云计算技术等先进技术更深入地融入到软件功能中，为土木工程的设计、分析、施工、管理等全生命周期提供更高效、更智能的解决方案。

土木工程师应积极学习和掌握这些先进的软件工具，不断提升自身的专业技能和信息化水平，以适应土木工程行业发展的需求，为工程建设做出更大的贡献。

Appendix D: 土木工程领域重要规范与标准 (Important Codes and Standards in Civil Engineering)

罗列土木工程领域常用的国家标准、行业标准、地方标准等，为工程设计和实践提供参考依据。

Appendix D1: 综合 (General)

Appendix D1.1: 工程建设通用标准 (General Standards for Construction)

① 《工程结构可靠性设计统一标准》 (Unified Standard for Reliability Design of Engineering Structures) (GB 50153)
② 《建筑结构荷载规范》 (Load Code for the Design of Building Structures) (GB 50009)
③ 《建筑地基基础设计规范》 (Code for Design of Building Foundation) (GB 50007)
④ 《混凝土结构设计规范》 (Code for Design of Concrete Structures) (GB 50010)
⑤ 《钢结构设计标准》 (Standard for Design of Steel Structures) (GB/T 50017)
⑥ 《建筑抗震设计规范》 (Code for Seismic Design of Buildings) (GB 50011)
⑦ 《建筑工程施工质量验收统一标准》 (Unified Standard for Acceptance of Construction Quality of Building Engineering) (GB 50300)
⑧ 《建设工程文件归档整理规范》 (Standard for Filing and Arrangement of Construction Project Documents) (GB/T 50328)
⑨ 《工程制图标准 总图制图规则》 (Standard for Engineering Drawing - General Rules for General Layout Drawing) (GB/T 50104)
⑩ 《工程制图标准 房屋建筑制图统一标准》 (Standard for Engineering Drawing - Unified Standard for Building Drawing) (GB/T 50001)

Appendix D1.2: 工程勘察通用标准 (General Standards for Engineering Investigation)

① 《工程岩土术语标准》 (Standard for Engineering Geotechnical Terms) (GB/T 50021)
② 《岩土工程勘察规范》 (Code for Investigation of Geotechnical Engineering) (GB 50021)
③ 《水文地质工程地质勘察规范》 (Code for Hydrological and Engineering Geological Investigation) (GB 50026)
④ 《建筑工程地质勘探与取样技术规程》 (Technical Specification for Geological Exploration and Sampling of Building Engineering) (JGJ/T 72)

Appendix D2: 工程力学 (Engineering Mechanics)

Appendix D2.1: 材料力学 (Mechanics of Materials)

① 目前材料力学没有专门的国家规范或标准，其理论和方法主要散见于各类结构设计规范和材料标准中。 例如，《混凝土结构设计规范》(GB 50010), 《钢结构设计标准》(GB/T 50017) 等规范中， 均有基于材料力学原理的构件强度、刚度、稳定性的计算方法和要求。

Appendix D2.2: 流体力学 (Fluid Mechanics)

① 《给水排水工程构筑物结构设计规范》 (Code for Structural Design of Structures in Water Supply and Wastewater Engineering) (GB 50069) - 涉及水工结构水压力计算等。
② 《堤防工程设计规范》 (Design Specification for Levee Engineering) (GB 50286) - 涉及水流力计算等。
③ 《水利水电工程水工建筑物金属结构及启闭机制造、安装及验收规范》 (Code for Manufacture, Installation and Acceptance of Metal Structures and Hoisting Machines of Hydraulic and Hydropower Structures) (DL/T 5018) - 涉及水力机械相关流体力学计算。

Appendix D3: 工程材料 (Engineering Materials)

Appendix D3.1: 水泥与混凝土 (Cement and Concrete)

① 水泥 (Cement)
▮ ① 《通用硅酸盐水泥》 (Common Portland Cement) (GB 175)
▮ ② 《矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥》 (Portland Slag Cement, Portland Pozzolan Cement and Portland Fly Ash Cement) (GB 20472)
▮ ③ 《砌筑水泥》 (Masonry Cement) (GB/T 3183)
▮ ④ 《硅酸盐水泥熟料》 (Portland Cement Clinker) (GB/T 309)
▮ ⑤ 《水泥物理检验方法》 (Test Method for Physical Properties of Cement) (GB/T 1346)
▮ ⑥ 《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》 (Method of Testing Cement Mortar Strength (ISO Method)) (GB/T 17671)

② 混凝土 (Concrete)
▮ ① 《普通混凝土配合比设计规程》 (Specification for Mix Proportion Design of Ordinary Concrete) (JGJ 55)
▮ ② 《混凝土强度检验评定标准》 (Standard for Test and Evaluation of Concrete Strength) (GB/T 50107)
▮ ③ 《混凝土外加剂应用技术规范》 (Technical Specification for Application of Concrete Admixtures) (GB 50119)
▮ ④ 《混凝土结构工程施工质量验收规范》 (Code for Acceptance for Construction Quality of Concrete Structures) (GB 50204)
▮ ⑤ 《预拌混凝土》 (Ready-mixed Concrete) (GB/T 14902)
▮ ⑥ 《高性能混凝土应用技术规程》 (Technical Specification for Application of High Performance Concrete) (JGJ/T 385)
▮ ⑦ 《自密实混凝土应用技术规程》 (Technical Specification for Application of Self-Consolidating Concrete) (JGJ/T 283)

Appendix D3.2: 钢材 (Steel)

① 钢结构用钢 (Steel for Steel Structures)
▮ ① 《结构钢》 (Structural Steel) (GB/T 700)
▮ ② 《低合金高强度结构钢》 (High Strength Low Alloy Structural Steel) (GB/T 1591)
▮ ③ 《建筑结构用钢板》 (Steel Plates for Building Structures) (GB/T 19898)
▮ ④ 《高层民用建筑钢结构技术规程》 (Technical Specification for Steel Structures of Tall Buildings) (JGJ 138)

② 钢筋 (Reinforcing Steel)
▮ ① 《钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》 (Steel for the Reinforcement of Concrete - Part 2: Hot rolled ribbed bars) (GB/T 1499.2)
▮ ② 《钢筋混凝土用钢 第3部分：焊接网用钢筋》 (Steel for the Reinforcement of Concrete - Part 3: Steel for welded fabric) (GB/T 1499.3)
▮ ③ 《钢筋混凝土用余热处理钢筋》 (Thermo-Mechanically Treated Steel Bars for the Reinforcement of Concrete) (GB 13788)

Appendix D3.3: 沥青与沥青混合料 (Asphalt and Asphalt Mixtures)

① 沥青 (Asphalt)
▮ ① 《道路沥青路面施工技术规范》 (Technical Specification for Construction of Highway Asphalt Pavement) (JTG F40)
▮ ② 《公路沥青路面设计规范》 (Specifications for Design of Highway Asphalt Pavement) (JTG D50)
▮ ③ 《石油沥青和沥青混合料试验方法（JTG E20-2011)》 (Test Methods of Bitumen and Bituminous Mixtures for Highway Engineering (JTG E20-2011)) (JTG E20)

② 沥青混合料 (Asphalt Mixtures)
▮ ① 《沥青路面施工技术规范》 (Technical Specification for Construction of Asphalt Pavement) (JTG F40)
▮ ② 《沥青路面设计规范》 (Specifications for Design of Asphalt Pavement) (JTG D50)

Appendix D4: 岩土工程 (Geotechnical Engineering)

Appendix D4.1: 岩土勘察与试验 (Geotechnical Investigation and Testing)

① 《岩土工程勘察规范》 (Code for Investigation of Geotechnical Engineering) (GB 50021)
② 《建筑地基基础工程勘察规范》 (Code for Investigation of Building Foundation) (GB 50007) - 地基部分
③ 《土工试验方法标准》 (Standard for Soil Test Method) (GB/T 50123)
④ 《土的工程分类标准》 (Standard for Engineering Classification of Soil) (GB/T 50145)

Appendix D4.2: 地基处理 (Ground Improvement)

① 《建筑地基处理技术规范》 (Technical Code for Ground Treatment of Buildings) (JGJ 79)
② 《复合地基技术规范》 (Technical Code for Composite Ground) (GB/T 50783)
③ 《桩基技术规范》 (Technical Code for Pile Foundations) (JGJ 94) - 部分桩型涉及地基处理

Appendix D4.3: 基坑工程 (Excavation Engineering)

① 《建筑基坑支护技术规程》 (Technical Specification for Retaining and Protection of Building Foundation Excavations) (JGJ 120)
② 《危险性较大的分部分项工程安全管理规定》 (Regulations on Safety Management of Dangerous and Major Construction Projects) (住建部令 第37号) - 基坑工程属于危大工程

Appendix D4.4: 边坡工程 (Slope Engineering)

① 《建筑边坡工程技术规范》 (Technical Code for Building Slope Engineering) (GB 50330)
② 《滑坡防治工程勘查与设计规范》 (Code for Investigation and Design of Landslide Prevention Engineering) (DZ/T 0217)

Appendix D4.5: 基础工程 (Foundation Engineering)

① 《建筑地基基础设计规范》 (Code for Design of Building Foundation) (GB 50007)
② 《桩基技术规范》 (Technical Code for Pile Foundations) (JGJ 94)
③ 《建筑桩基检测技术规范》 (Technical Standard for Testing of Building Pile Foundations) (JGJ 106)

Appendix D4.6: 地下工程 (Underground Engineering)

① 《城市轨道交通工程结构安全保护技术规范》 (Technical Code for Safety Protection of Structures in Urban Rail Transit Engineering) (CJJ/T 201)
② 《铁路隧道设计规范》 (Code for Design of Railway Tunnel) (TB 10003)
③ 《公路隧道设计规范》 (Specifications for Design of Highway Tunnels) (JTG 3370)

Appendix D5: 结构工程 (Structural Engineering)

Appendix D5.1: 钢结构 (Steel Structures)

① 《钢结构设计标准》 (Standard for Design of Steel Structures) (GB/T 50017)
② 《钢结构工程施工质量验收标准》 (Standard for Acceptance of Construction Quality of Steel Structures) (GB 50205)
③ 《高层民用建筑钢结构技术规程》 (Technical Specification for Steel Structures of Tall Buildings) (JGJ 138)
④ 《门式刚架轻型房屋钢结构设计规范》 (Code for Design of Portal Frame Light Steel Structures with Sheeting) (GB 51022)

Appendix D5.2: 混凝土结构 (Concrete Structures)

① 《混凝土结构设计规范》 (Code for Design of Concrete Structures) (GB 50010)
② 《混凝土结构工程施工质量验收规范》 (Code for Acceptance for Construction Quality of Concrete Structures) (GB 50204)
③ 《高层建筑混凝土结构技术规程》 (Technical Specification for Concrete Structures of Tall Buildings) (JGJ 3)
④ 《预应力混凝土结构设计规范》 (Code for Design of Prestressed Concrete Structures) (GB 50011)

Appendix D5.3: 砌体结构 (Masonry Structures)

① 《砌体结构设计规范》 (Code for Design of Masonry Structures) (GB 50003)
② 《砌体工程施工质量验收规范》 (Code for Acceptance for Construction Quality of Masonry Engineering) (GB 50203)

Appendix D5.4: 组合结构 (Composite Structures)

① 《组合结构设计规范》 (Code for Design of Composite Structures) (GB/T 50936)
② 钢-混凝土组合结构的相关内容也散见于 《钢结构设计标准》 (GB/T 50017) 和 《混凝土结构设计规范》 (GB 50010) 中。

Appendix D5.5: 建筑抗震 (Seismic Design of Buildings)

① 《建筑抗震设计规范》 (Code for Seismic Design of Buildings) (GB 50011)
② 《建筑工程抗震设防分类标准》 (Standard for Classification of Seismic Protection of Building Constructions) (GB 50223)
③ 《建筑结构抗震试验方法规程》 (Specification for Seismic Test Methods of Buildings) (JGJ/T 101)

Appendix D6: 交通工程 (Transportation Engineering)

Appendix D6.1: 道路工程 (Highway Engineering)

① 《公路工程技术标准》 (Technical Standard of Highway Engineering) (JTG B01)
② 《公路路线设计规范》 (Specifications for Design of Highway Alignment) (JTG D20)
③ 《公路路基设计规范》 (Specifications for Design of Highway Subgrades) (JTG D30)
④ 《公路沥青路面设计规范》 (Specifications for Design of Highway Asphalt Pavement) (JTG D50)
⑤ 《公路水泥混凝土路面设计规范》 (Specifications for Design of Highway Cement Concrete Pavement) (JTG D40)
⑥ 《道路交通标志和标线 第2部分：道路交通标志》 (Road traffic signs and markings - Part 2: Road traffic signs) (GB 5768.2)
⑦ 《道路交通标志和标线 第3部分：道路交通标线》 (Road traffic signs and markings - Part 3: Road traffic markings) (GB 5768.3)

Appendix D6.2: 桥梁工程 (Bridge Engineering)

① 《公路桥梁通用设计规范》 (General Specifications for Design of Highway Bridges and Culverts) (JTG D60)
② 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范》 (Specifications for Design of Highway Reinforced Concrete and Prestressed Concrete Bridges and Culverts) (JTG 3362)
③ 《公路钢结构桥梁设计规范》 (Specifications for Design of Highway Steel Bridges) (JTG D64)
④ 《公路桥梁施工技术规范》 (Technical Specifications for Construction of Highway Bridges and Culverts) (JTG/T 5031)

Appendix D6.3: 隧道工程 (Tunnel Engineering)

① 《公路隧道设计规范》 (Specifications for Design of Highway Tunnels) (JTG 3370)
② 《公路隧道施工技术规范》 (Technical Specifications for Construction of Highway Tunnels) (JTG/T 3660)
③ 《铁路隧道设计规范》 (Code for Design of Railway Tunnel) (TB 10003)
④ 《铁路隧道工程施工技术规程》 (Technical Code for Construction of Railway Tunnel Engineering) (TB 10203)
⑤ 《城市轨道交通隧道结构设计规范》 (Code for Design of Tunnel Structure of Urban Rail Transit) (GB 50984)

Appendix D6.4: 轨道交通工程 (Rail Transit Engineering)

① 《城市轨道交通工程项目建设标准》 (Standard for Project Construction of Urban Rail Transit Engineering) (建标 104)
② 《城市轨道交通结构工程施工及验收规范》 (Code for Construction and Acceptance of Structure Engineering of Urban Rail Transit) (GB 50447)
③ 《城市轨道交通技术规范》 (Technical Code for Urban Rail Transit) (GB 50490)

Appendix D7: 水利工程 (Hydraulic Engineering)

Appendix D7.1: 水工建筑物 (Hydraulic Structures)

① 《水工建筑物混凝土结构设计规范》 (Design Code for Concrete Structures of Hydraulic Structures) (DL/T 5057)
② 《堤防工程设计规范》 (Design Specification for Levee Engineering) (GB 50286)
③ 《水闸设计规范》 (Design Specification for Canal Headworks) (SL 38)
④ 《水利水电工程混凝土坝安全监测技术规范》 (Technical Specification for Safety Monitoring of Concrete Dams in Hydraulic and Hydropower Projects) (DL/T 5175)

Appendix D7.2: 水利枢纽 (Hydraulic Projects)

① 《水利水电工程等级划分及洪水标准》 (Standard for Classification of Hydraulic and Hydropower Engineering and Flood Control) (SL 252)
② 《水库大坝安全鉴定规程》 (Regulations for Safety Appraisal of Reservoir Dams) (SL 203)
③ 《水电工程水库调度规程编写导则》 (Guidelines for Compiling Reservoir Operation Regulations for Hydropower Projects) (DL/T 5442)

Appendix D7.3: 河流治理与防洪工程 (River Management and Flood Control Engineering)

① 《防洪标准》 (Flood Control Standard) (GB 50201)
② 《河道整治设计规范》 (Design Code for River Regulation) (SL 445)
③ 《蓄滞洪区运用管理导则》 (Guidelines for Operation and Management of Flood Detention and Storage Areas) (SL/Z 739)

Appendix D7.4: 水环境工程 (Water Environment Engineering)

① 《污水综合排放标准》 (Integrated Wastewater Discharge Standard) (GB 8978)
② 《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant) (GB 18918)
③ 《生活垃圾填埋场污染控制标准》 (Pollution Control Standard for Domestic Waste Landfill) (GB 16889)

Appendix D7.5: 灌溉与排水工程 (Irrigation and Drainage Engineering)

① 《灌溉与排水工程设计规范》 (Design Code for Irrigation and Drainage Engineering) (GB 50288)
② 《农田灌溉水有效利用系数测定方法》 (Determination Method of Effective Utilization Coefficient of Irrigation Water in Farmland) (GB/T 50434)
③ 《喷灌工程技术规范》 (Technical Code for Sprinkler Irrigation Engineering) (GB/T 50085)
④ 《微灌工程技术规范》 (Technical Code for Micro-irrigation Engineering) (GB/T 50494)

Appendix D8: 施工工程与管理 (Construction Engineering and Management)

Appendix D8.1: 施工组织设计 (Construction Organization Design)

① 施工组织设计没有统一的国家标准或规范， 其编制和应用主要依据行业惯例和企业标准。 但相关内容散见于各类施工质量验收规范和管理规范中。

Appendix D8.2: 施工技术 (Construction Technology)

① 各类工程的施工技术规范，例如：
▮ ① 《混凝土结构工程施工规范》 (Code for Construction of Concrete Structures) (GB 50666)
▮ ② 《钢结构工程施工规范》 (Code for Construction of Steel Structures) (GB 50755)
▮ ③ 《建筑地基基础工程施工规范》 (Code for Construction of Building Foundation) (GB 50202)
▮ ④ 《建筑工程土方工程施工规范》 (Code for Construction of Earthwork in Building Engineering) (GB 50139)
▮ ⑤ 《防水工程质量验收规范》 (Code for Acceptance of Waterproofing Works Quality) (GB 50208)

Appendix D8.3: 施工项目管理 (Construction Project Management)

① 《建设工程项目管理规范》 (Project Management Standard for Construction) (GB/T 50326)
② 《工程建设项目施工招标投标办法》 (Measures for Bidding for Construction Projects) (国家发展计划委员会令 第30号)
③ 《建筑工程安全生产管理条例》 (Regulations on the Safety Administration of Construction Project) (国务院令 第393号)
④ 《建设工程监理规范》 (Standard for Construction Supervision) (GB/T 50252)

Appendix D8.4: 工程经济与合同管理 (Construction Economics and Contract Management)

① 《建设工程工程量清单计价规范》 (Code for Measurement and Valuation of Construction Works Quantity Surveying) (GB 50500)
② 《标准施工招标文件》 (Standard Bidding Documents for Construction) (国家发展和改革委员会令 第16号)
③ 《建设项目工程总承包管理规范》 (Standard for Management of Engineering Procurement Construction Project) (GB/T 50358)
④ 《建设工程合同示范文本》 - 系列示范文本，例如： 《建设工程施工合同（示范文本）》（GF-2017-0201）

Appendix D9: 可持续和韧性土木基础设施 (Sustainable and Resilient Civil Infrastructure)

Appendix D9.1: 绿色建筑评价标准 (Green Building Evaluation Standards)

① 《绿色建筑评价标准》 (Standard for Assessment of Green Building) (GB/T 50378)
② 《建筑碳排放计算标准》 (Standard for Calculation of Carbon Emission in Buildings) (GB/T 51366)
③ 地方性绿色建筑评价标准， 例如《北京市绿色建筑评价标准》 (DB11/T 825) , 《上海市绿色建筑评价标准》 (DG/TJ 08-2020) 等。

Appendix D9.2: 韧性城市相关标准 (Resilient City Related Standards)

① 目前中国尚未形成系统性的韧性城市建设标准体系， 韧性理念和方法更多体现在各类城市规划、防灾减灾、基础设施建设等相关政策和指南中。 部分地方开始探索制定韧性城市相关地方标准。

Appendix D9.3: 智慧城市相关标准 (Smart City Related Standards)

① 《智慧城市 顶层设计指南》 (Guideline for Top-level Design of Smart City) (GB/T 33356)
② 《智慧城市 评价模型及基础评价指标》 (Evaluation Model and Basic Evaluation Index of Smart City) (GB/T 33357)
③ 《智慧城市 术语》 (Terminology for Smart City) (GB/T 33355)
④ 智慧城市相关领域，如智慧交通、智慧水务、智慧能源等， 亦有相应的国家标准和行业标准。

Appendix E: 参考文献 (References)

提供书籍中引用的参考文献列表，方便读者深入学习和查阅。

Appendix E1: 综合性土木工程教材与手册 (Comprehensive Civil Engineering Textbooks and Handbooks)

① 土木工程概论 (Introduction to Civil Engineering)
▮▮▮▮ 来源： [美] 詹姆斯·M·吉尔森 (James M. Gere), 诺曼·R·温克勒 (Norman R. Winkler) 著， 熊伟, 陆洲导 译
▮▮▮▮ 出版社： 清华大学出版社
▮▮▮▮ 出版年份： 2019
▮▮▮▮ 简介： 本书全面介绍了土木工程的各个分支领域，适合初学者入门，建立土木工程的整体知识框架。

② 土木工程手册 (Civil Engineering Handbook)
▮▮▮▮ 来源： [美] W.F. Chen, J.Y. Richard Liew 主编
▮▮▮▮ 出版社： McGraw-Hill
▮▮▮▮ 出版年份： 2003
▮▮▮▮ 简介： 这是一部权威的土木工程综合性手册，涵盖了土木工程的各个领域，是工程师必备的工具书。

③ 中国土木工程百科全书 (Encyclopedia of Chinese Civil Engineering)
▮▮▮▮ 主编： 陆佑楣
▮▮▮▮ 出版社： 中国建筑工业出版社
▮▮▮▮ 出版年份： 2007
▮▮▮▮ 简介： 全面、系统地介绍了中国土木工程的理论、技术和实践经验，具有重要的参考价值。

Appendix E2: 工程力学 (Engineering Mechanics)

① 静力学 (Statics)
▮▮▮▮ 来源： [美] R. C. Hibbeler 著， 周克亹 等译
▮▮▮▮ 出版社： 机械工业出版社
▮▮▮▮ 版本： 第14版
▮▮▮▮ 出版年份： 2017
▮▮▮▮ 简介： 经典工程力学教材，内容深入浅出，例题丰富，适合系统学习静力学理论与应用。

② 材料力学 (Mechanics of Materials)
▮▮▮▮ 来源： [美] James M. Gere, Barry J. Goodno 著， 梅祖彦 等译
▮▮▮▮ 出版社： 高等教育出版社
▮▮▮▮ 版本： 第9版
▮▮▮▮ 出版年份： 2018
▮▮▮▮ 简介： 材料力学经典教材，系统讲解了材料力学的基本理论、杆件的强度、刚度和稳定性计算。

③ 流体力学 (Fluid Mechanics)
▮▮▮▮ 来源： [美] Frank M. White 著， 陈亦良 等译
▮▮▮▮ 出版社： 机械工业出版社
▮▮▮▮ 版本： 第8版
▮▮▮▮ 出版年份： 2016
▮▮▮▮ 简介： 流体力学经典教材，全面介绍了流体力学的基本概念、基本方程和应用。

Appendix E3: 工程材料 (Engineering Materials)

① 混凝土结构 (Concrete Structures)
▮▮▮▮ 来源： [美] Edward G. Nawy 著
▮▮▮▮ 出版社： 清华大学出版社
▮▮▮▮ 版本： 第8版
▮▮▮▮ 出版年份： 2019
▮▮▮▮ 简介： 混凝土结构设计领域的权威教材，详细讲解了混凝土材料特性、构件设计方法和规范。

② 钢结构设计原理 (Design of Steel Structures)
▮▮▮▮ 来源： [美] Salmon & Johnson 著
▮▮▮▮ 出版社： 人民交通出版社
▮▮▮▮ 版本： 第5版
▮▮▮▮ 出版年份： 2012
▮▮▮▮ 简介： 钢结构设计的经典教材，系统介绍了钢结构材料、连接、构件和体系的设计方法。

③ 工程材料学 (Engineering Materials Science)
▮▮▮▮ 主编： 崔坤
▮▮▮▮ 出版社： 武汉理工大学出版社
▮▮▮▮ 版本： 第3版
▮▮▮▮ 出版年份： 2020
▮▮▮▮ 简介： 系统介绍了土木工程常用材料的组成、性能、应用及发展趋势。

Appendix E4: 岩土工程 (Geotechnical Engineering)

① 土力学 (Soil Mechanics)
▮▮▮▮ 来源： [英] R.F. Craig 著， 龚晓南 等译
▮▮▮▮ 出版社： 机械工业出版社
▮▮▮▮ 版本： 第9版
▮▮▮▮ 出版年份： 2014
▮▮▮▮ 简介： 土力学经典教材，系统介绍了土的物理性质、力学性质、渗流理论、地基承载力、边坡稳定等内容。

② 地基处理手册 (Foundation Engineering Handbook)
▮▮▮▮ 来源： [美] Hsai-Yang Fang 主编
▮▮▮▮ 出版社： Van Nostrand Reinhold
▮▮▮▮ 版本： 第2版
▮▮▮▮ 出版年份： 1991
▮▮▮▮ 简介： 地基处理领域的权威手册，涵盖了各种地基处理方法和工程实践。

③ 高等土力学 (Advanced Soil Mechanics)
▮▮▮▮ 来源： [美] Braja M. Das 著
▮▮▮▮ 出版社： 中国建筑工业出版社
▮▮▮▮ 版本： 第4版
▮▮▮▮ 出版年份： 2017
▮▮▮▮ 简介： 深入探讨土力学理论和应用，适合高年级学生和研究人员使用。

Appendix E5: 结构工程 (Structural Engineering)

① 结构力学 (Structural Mechanics)
▮▮▮▮ 来源： 龙驭球, 龙志飞, 徐芝纶
▮▮▮▮ 出版社： 高等教育出版社
▮▮▮▮ 版本： 多版
▮▮▮▮ 出版年份： 不同版本年份不同
▮▮▮▮ 简介： 中国结构力学经典教材，系统讲解了静定结构、超静定结构的分析方法。

② 钢结构设计规范 (Code for Design of Steel Structures) GB 50017-2017
▮▮▮▮ 发布单位： 中华人民共和国住房和城乡建设部
▮▮▮▮ 发布年份： 2017
▮▮▮▮ 简介： 中国钢结构设计的权威规范，是钢结构工程设计的重要依据。

③ 混凝土结构设计规范 (Code for Design of Concrete Structures) GB 50010-2010 (2015年版)
▮▮▮▮ 发布单位： 中华人民共和国住房和城乡建设部
▮▮▮▮ 发布年份： 2010， 2015年修订
▮▮▮▮ 简介： 中国混凝土结构设计的权威规范，是混凝土结构工程设计的重要依据。

Appendix E6: 交通工程 (Transportation Engineering)

① 交通工程学 (Traffic Engineering)
▮▮▮▮ 来源： [美] C. Jotin Khisty, B. Kent Lall 著
▮▮▮▮ 出版社： 人民交通出版社
▮▮▮▮ 版本： 第3版
▮▮▮▮ 出版年份： 2006
▮▮▮▮ 简介： 交通工程学经典教材，全面介绍了交通规划、交通设计、交通控制等内容。

② 道路工程 (Highway Engineering)
▮▮▮▮ 主编： 王炜
▮▮▮▮ 出版社： 东南大学出版社
▮▮▮▮ 版本： 多版
▮▮▮▮ 出版年份： 不同版本年份不同
▮▮▮▮ 简介： 中国道路工程领域的重要教材，系统讲解了道路的规划、设计、施工与养护。

③ 桥梁工程 (Bridge Engineering)
▮▮▮▮ 主编： 茅以升, 项海帆
▮▮▮▮ 出版社： 人民交通出版社
▮▮▮▮ 版本： 多版
▮▮▮▮ 出版年份： 不同版本年份不同
▮▮▮▮ 简介： 中国桥梁工程领域的权威教材，详细介绍了各种桥梁的结构、设计和施工技术。