摘要:钻孔桩灌注与预制桩相比具有经济、施工方便、可消除打桩对临近建筑的有害影响等优点,因此,无论在铁路、公路、水利水电等大型建设,还是在各类房屋及民用建筑中都得到了广泛应用。钻孔灌注桩是利用机械钻进形成桩孔,然后在桩孔内放人钢筋骨架,再采用导管法灌注混凝土等施工工艺。在钻孔时,可能出现孔钻偏斜,护筒掉落,卡钻,掉钻等事故;在灌注混凝土过程中,可能出现卡管,断桩,钢筋笼上浮等现象。本论文主要讨论如何防止和控制管理这些现象的发生以及出现这些问题后的处理方法,简称钻孔灌注桩施工质量控制及通病防治。
第1章 引言
1.1概述
钻孔灌注桩由于对各种地质条件的适应性、施工简单易操作且设备投入一般不是很大,而且安全质量都比较优越,因此在各类房屋及民用建筑中都得到了广泛的应用。钻孔灌注桩的施工大部分是在水下进行的,其施工过程无法观察,成桩后也不能进行开挖验收。施工中的任何一个环节出现问题,都将直接影响整个工程的质量和进度,甚至给施工方造成巨大经济损失和不良社会影响。必须防治在钻孔过程中及水下混凝土灌注过程中经常出现的施工质量问题,必须保质、保量地完成此桩基施工任务等。
第2章 钻孔桩施工工艺
施工工艺流程:
钢筋笼加工制作–开钻前的准备–钻孔–钢筋笼吊装–导管下放–混凝土灌注–后期工作。
2.1钻孔前的准备工作
钻孔前的准备工作主要包括桩位放样,整理平整场地,布设施工便道,设置供电及供水系统,制作和埋设护筒,制作钻孔架,泥浆的制备和准备钻孔机具等。
2.1.1场地整理
施工前,施工场地按不同情况进行处理。对于处在水中的钻孔桩基础都必须搭设施工平台,桩基处在旱地时,清除杂物后夯压密实即可施工。
2.1.2 埋设护筒
为保证其刚度,防止变形,在护筒上、下端和中部外侧各焊一道加劲肋。本合同段的钻孔桩直径为ф120cm和100cm。根据钻孔桩直径,我们所做的护筒直径为145cm和125cm。护筒埋设时,其轴线对准测量所标出的桩位中心,护筒周围和护筒底接触紧密,保证其位置偏差不大于5cm,倾斜度不大于1%。
2.1.3 泥浆的制作
制浆前,先把粘土尽量打碎,使其在搅拌中容易成浆,缩短成浆时间,提高泥浆质量。制浆时,可将打碎的粘土直接投入护筒内,使用冲击锥冲击制浆,待粘土已冲搅成泥浆时,即可进行钻孔。多余的泥浆用管子导入钻孔外泥浆池贮存,以便随时补充孔内泥浆。
2.1.4 钻机就位
埋设好护筒后,即可进行钻机就位,本标段使用的钻机为卷扬机牵引式冲击钻和冲抓钻。就位时,只要使钻锥中心对准测量放样时所测设的桩位即可,其对中误差不得大于5cm。
2.2 钻孔工艺
2.2.1冲击钻钻孔工艺
A. 开钻前应注意的事项
开钻前,在护筒内多加一些粘土。地表土层松疏时,还要混和加入一定数量的小片石,然后注入泥浆和清水,借助钻头的冲击把泥膏、石块挤向孔壁,以加固护筒角。为防止冲击振动使邻孔坍塌或影响邻孔已灌注砼的凝固,必须等邻孔砼灌注完毕并达到一定的强度后方可开始钻孔。
冲击钻孔时宜用小冲程,当孔底在护筒脚下3-4m后,可根据实际情况适当加大冲程。
在钻孔桩上部淤泥段,考虑采用冲抓钻:一方面可防止坍孔,另一方面可以适当加快施工进度。
B. 钻机安装处事先整平夯实,以免在钻孔过程中钻机发生倾斜和下陷而影响成孔的质量。
钻机必须固定牢固,严禁在钻孔过程中钻机移位。钻孔时,随时察看钢丝绳的回弹情况,耳听钻锥的冲击声,以判别孔底情况,掌握勤松动,少量松绳的原则;孔内水泥浆水平面须高出护筒脚至少0.5m以上,以免泥浆面荡漾损坏护筒脚孔壁,但比护筒顶面低0.3m,防止泥浆溢出;冲击过程中勤抽碴,勤检查钢丝绳和钻头的磨损情况,预防安全质量事故的发生。
C. 抽碴时应注意的几个问题
(1)及时向孔内补浆或补水,如向孔内投放粘土自行造浆,在抽碴后随着冲击投放粘土,不宜一次倒进很多,防止粘结。
(2)抽碴筒放到孔底后,要在孔底上、下提放几次,使用权其多进些钻碴,然后提出。
(3)钻头刃口在钻井中不断磨损,直径磨耗不得超过1.5cm,每班开钻前检查钻头直径、及时补焊,不宜中途修补,以免卡钻。准备备用钻头,轮换使用和修补。
2.2.2 回转钻钻孔工艺
先启动泥浆泵和转盘,使之空转一段时间,待泥浆输进一定数量后,方可开始钻进。接、卸钻杆的动作要迅速、安全,争取在尽快时间内完成,以免停钻时间过长,增加孔底沉淀。
a. 开始钻进时,进尺应适当控制,在护筒刃脚处,应低档慢速钻进,使刃脚处有坚固的泥皮护壁。钻至刃脚下1m后,可按土质以正常速度钻进。如护筒土质松软发现漏浆时,可提起钻锥,向孔中倒入粘土,再放下钻锥倒转,使胶泥挤入孔壁堵住漏浆孔隙,稳住泥浆继续钻进。
b. 在粘土中钻进,由于泥浆粘性大,钻锥所受阻力也大,易糊钻。易选用尖底钻锥、中等转速、大泵量、稀泥浆钻进。
c. 在砂土或软土层钻进时,易坍空孔。易选用平底钻锥,控制进尺,轻压,低档慢速,大泵量,稠泥浆钻进。
2.2.3 检测孔深、倾斜度、直径和清孔
钻孔完成后,必须检测孔深、直径和倾斜度,其中孔径和孔深须达到设计要求,倾斜度不得大于1%。清孔就是在吊放钢筋笼之前,对孔内的石碴、泥浆进行必要的清理,做到孔内含泥量、含碴量和孔底沉渣符合设计及图纸要求。
2.2.4 泥浆排放
对钻孔、清孔、灌注砼过程中排出的泥浆,根据现场情况引入到适当地点进行处理,以防止对河流及周围环境的污染。
2.2.5 钢筋笼的制作和吊装就位
(1) 钢筋原材料:
制作钢筋笼所使用钢筋的种类、型号和直径符合设计图纸的规定。其Ⅱ级钢筋的力学性能符合《钢筋砼用热轧带肋钢筋》(GB1499-91)之规定;Ⅰ级钢筋的力学性能符合《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》(GB13013-91)之规定。
(2)钢筋笼的制作
本标段所用钢筋笼均进行整体安装,不做另段吊装组合。制作钢筋笼时,对钢筋的调直、除锈、截断、弯折与焊接均按设计图纸和技术规范要求进行。钢筋笼的主筋尽量为整根,需要对接时,宜采用搭接焊接头,搭接的长度不小于5d,末端不设弯钩。成品钢筋笼保证其顺直、尺寸准确,其直径、主筋间距、箍筋间距及加强箍筋间距施工误差,均不大于20mm。
(3)钢筋笼的安装
为保证钢筋笼外砼保护层的厚度符合设计要求,在其上下端及中间每隔2m在一横截面上设置四个钢筋“耳环”。
钢筋笼吊装之前 ,先对钻孔进行检测。检测使用的探孔器直径和钻孔直径相符,主要检测钻孔内有无坍塌和孔壁有无影响钢筋安装的障碍物,如突出尖石、树根等,以确保钢筋笼的安装。
入孔后牢固定位,容许偏差不大于5cm,并使钢筋笼处于悬吊状态。
2.2.6 灌注砼
(1)砼材料要求和导管、漏斗、储料斗的制备
组成砼的碎石、砂的级配良好,最大颗粒尺寸的选择以适合结构物尺寸,钢筋间距及砼拌和、装卸、浇注及操作为准。集料中的杂物含量,符合规范要求,必要时清洗和过筛,以除去有害杂质。
拌制砼用水在使用前做水质化学分析,试验按JTJ056-84规定进行。
(2)砼的拌合
钻孔桩所使用砼标号一般为C25及以上,配合比设计时坍塌落度取18-22cm之间,骨料采用机制碎石,粒径0.5-3cm,最大不超过4cm,水灰比用0.5-0.6。每立方米砼水泥用量符合试验要求,实配标号比设计标号高10-15%。
(3)钻孔桩砼灌注
砼灌注工作开始后,必须连续不断地进行并且每斗砼灌注间隔时间尽量缩短,拆除导管所耗时间严格控制,一般不超过15min,不能中途停工;在灌注砼过程中,随时探测砼高度,及时拆除或提升导管,注意保持适当的埋深,导管埋深一般保持在2~4m,最大埋深不大于6m。灌注砼注意的几个问题:
导管下端距桩底控制为0.3~0.4m;在一切工作就绪,经量测孔底沉淀层超标时,采用射水(射风)管冲射3-5min。
导管埋入砼的深度在任何时候不小于1.0m。
水下灌注砼的实际桩顶标高应高出桩顶设计标高0.5m左右。
严禁导管漏水或导管底口进水(即封不住底)而造成断桩事故,保证施工质量。
2.2.7 清理桩头
等桩头砼强度达到设计值的25%时,立即拆除护筒并凿除桩头多余砼。达到桩顶设计标高,凿除桩头砼采用人工手工凿除,不采用爆破或其它影响桩身质量的方法进行。
第3章 钻孔灌注桩常见通病及控制措施
3.1 护筒冒水
护筒外壁冒水,严重的会引起地基下沉,护筒倾斜和移位,造成钻孔偏斜,甚至无法施工。
造成原因:埋设护筒的周围土不密实,或护筒水位差太大,或钻头起落时碰撞。
防治措施:在埋筒时,坑地与四周应选用最佳含水量的粘土分层夯实。在护筒的适当高度开孔,使护筒内保持1.0-1.5m的水头高度。钻头起落时,应防止碰撞护筒。发现护筒冒水时,应立即停止钻孔,用粘土在四周填实加固,若护筒严重下沉或移位时,则应重新安装护筒。
3.2进尺慢
病因分析:钻机安装就位稳定性差,作业时钻机安装不稳定或钻杆弯曲所致,地面软弱或软硬均匀,土层呈斜状分布或土层中夹有大的孤石或其他硬物等情形。
防治措施:更换或改造钻头,重新安排刀具角度,形状、排列、方向,加大配重,加强排渣,降低泥浆比重。
3.3折杆
病因分析:钻杆与桅杆不平行,钻杆老化,地层阻力大、移机时不稳钻杆晃荡大。
防治措施:1)开钻前有专人检查和调试机座、钻杆、桅杆,确保机座水平和钻杆与桅杆平行。2)移机时,将钻头用钢丝绳固定,尽量保持头平稳不晃。3)遇坚硬地层时尽量慢松绳,减少钻头压力,钻头及下半部螺旋叶片上必须镶固合金块,同时在施工过程中随时检查合金块是否磨损、脱落、确保孔径满足要求,从而达到降低钻有阻力目的。4)经常检查动力下部与钻杆的连接处,发现裂纹或螺丝松动立即更换或紧固。
3.4 钻孔偏斜
成孔后桩孔出现较大垂直偏差或弯曲。
造成原因:钻机安装就位稳定性差,作业时钻机安装不稳或钻杆弯曲所致;地面软弱或软硬不均匀;土层呈斜状分布或土层中夹有大的孤石或其它硬物等情形。
防治措施:先将场地夯实平整,轨道枕木宜均匀着地;安装钻机时要求转盘中心与钻架上起吊滑轮在同一轴线,钻杆位置偏差不大于20cm。在不均匀地层中钻孔时,采用自重大、钻杆刚度大的钻机。进入不均匀地层、斜状岩层或碰到孤石时,钻速要打慢档。另外安装导正装置也是防止孔斜的简单有效的方法。钻孔偏斜时,可提起钻头,上下反复扫钻几次,以便削去硬土,如纠正无效,应于孔中局部回填粘土至偏孔处0.5m以上,重新钻进。
3.5 塌孔
病因分析:泥浆比重不够,护壁不可靠。采用正循环回转钻机须采用泥浆护壁,在较松软和复杂的土层中,如果不能因地治宜的采用适当比重的泥浆,而减弱了护壁的效果或钻进过快,都易导致坍孔;水头高度偏小,孔内静水压力降低。在透水性较强或松散的土中钻进,如果水头高头不够,孔内静水压里降低。则孔壁四周的水将带动土粒流向孔内,时间稍长就会引起局部坍孔,局部坍孔达到一定程度,上方的土层失去支撑,就会出现大的坍孔;护筒埋深不够,孔口坍塌。护筒埋置太浅,孔口地面因受水浸湿泡软,又由于钻机运转的震动等原因,造成孔口坍塌。
防治措施:提高泥浆质量,选用相对密度、黏度和胶体率较大的泥浆。如果钻孔土质是亚黏土或粉质砂土,则应增加黏土来制浆。增加护筒的埋置深度,使护筒底端不漏浆,缺保孔内水位,孔内水压力大于孔外,给孔壁增加侧压力,当塌孔现象不严重时,只要加浓泥浆将塌下的泥土浮出孔外,并使孔璧不再坍塌即可。当坍塌不能停止时,采取提出钢筋笼和导管,再用黏土掺砂砾回填,待,待回填土沉实后,重新钻孔成桩。
3.6 沉渣偏大
病因分析:1)掏渣法清孔只能去除孔底粗粒钻渣,不能降低泥浆的相对密度,灌注混凝土时,会有部分泥浆成分沉淀至孔底使桩尖沉淀层加厚。2)喷射清孔时,射水的压力过大易引起坍孔,压力过小时又不能有效翻动孔底沉淀物。3)加深孔底不能降低孔内水中泥浆的相对密度,同时,加深孔底增加的承载里不能补偿未清孔造成的承载里损失。
防治措施:1)清孔时应根据设计要求、钻孔方法、机具设备条件和土层情况选定适当方法,应达到降低泥浆相对密度,清除钻渣,清除沉淀层或尽量减少其厚度的目的。2)对于各种钻孔方法,采用抽浆清孔法最彻底,清孔中,应注意始终保持孔内水头,以防坍孔。3)清孔后,应从孔口、孔中部、孔底三部分提取泥浆,测定要求的各项指标,要求这三部分指标的平均值应符合质量标准。
3.7卡管
水中灌注混凝土过程中,无法继续进行的现象。
造成原因:初灌时,隔水栓堵管;混凝土和易性、流动性差造成离析;混凝土中粗骨料粒径过大;各种机械故障引起混凝土浇筑不连续,在导管中停留时间过长而卡管;导管进水造成混凝土离析等。
防治措施:使用的隔水栓直径应与导管内径相配,同时具有良好的隔水性能,保证顺利排出。在混凝土灌注时,应加强对混凝土搅拌时间和混凝土坍落度的控制。水下混凝土必须具备良好的和易性,配合比应通过实验室确定,坍落度宜为18-22cm,粗骨料的最大粒径不得大于导管直径和钢筋笼主筋最小净距的1/4,且应小于40mm。为改善混凝土的和易性和缓凝,水下混凝土宜掺外加剂。应确保导管连接部位的密封性,导管使用前应试拼装、试压,试水压力为0.6-1.0MPa,以避免导管进水。在混凝土浇筑过程中,混凝土应缓缓倒入漏斗的导管,避免在导管内形成高压气塞。
3.8 局部缩颈
病因:泥浆性能欠佳,引起塑性土层吸水膨胀,或形成疏松,蜂窝状厚层泥皮;邻桩施工间距和时间间隔不当,土层中应力向未消撤,新孔孔壁软土流变;钻头直径磨损过大。
防止措施:采用优质泥浆,控制泥浆比重和粘度,降低失水量;当设计桩距小于4d时,应跳隔1根~2根桩施工;或新桩孔尽可能在邻桩成桩36d后开钻;选用双导正环保径的笼状钻头;用轻泥浆和足寸钻头扫孔;扫通清孔后立即灌注混凝。
3.9 钢筋笼上浮
钢筋笼的位置高于设计位置的现象。
造成原因:钢筋笼放置初始位置过高,混凝土流动性过小,导管在混凝土中埋置深度过大钢筋笼被混凝土拖顶上升;当混凝土灌至钢筋笼下,若此时提升导管,导管底端距离钢筋笼仅有1m左右时,由于浇筑的混凝土自导管流出后冲击力较大,推动了钢筋笼的上浮;由于混凝土灌注过钢筋笼且导管埋深较大时,其上层混凝土因浇注时间较长,已接近初凝,表面形成硬壳,混凝土与钢筋笼有一定的握裹力,如此时导管底端未及时提到钢筋笼底部以上,混凝土在导管流出后将以一定的速度向上顶升,同时也带动钢筋笼上升。
防治措施:钢筋笼初始位置应定位准确,并与孔口固定牢固。加快混凝土灌注速度,缩短灌注时间,或掺外加剂,防止混凝土顶层进入钢筋笼时流动性变小,混凝土接近笼时,控制导管埋深在1.5-2.0m。灌注混凝土过程中,应随时掌握混凝土浇注的标高及导管埋深,当混凝土埋过钢筋笼底端2-3m时,应及时将导管提至钢筋笼底端以上。导管在混凝土面的埋置深度一般宜保持在2-4m,不宜大于5m和小于1m,严禁把导管提出混凝土面。当发生钢筋笼上浮时,应立即停止灌注混凝土,并准确计算导管埋深和已浇混凝土面的标高,提升导管后再进行浇注,上浮现象即可消失。
第4章 成桩过程常见的问题及控制
4.1 断桩及夹泥
钻孔灌注桩的灌注过程中,泥浆或泥浆与水泥砂浆混合物等,把已灌注的混凝土隔开,使桩的截面部分或全部受损,受损严重的称为断桩,轻微的称夹泥。断桩和桩身夹泥严重的质量事故,不做妥善处理,桩不能使用。因此,我们要了解造成钻孔灌注桩断桩夹泥事故的原因,在施工前充分做好各项和技术准备工作,尽量减少和避免断桩、夹泥事故的发生。
4.1.1 钻孔灌注桩断桩成因及预防控制措施
1)导管漏水,发生断桩
预防控制措施:在使用前导管应调直、编号,做试拼打压试验,及时更换法兰盘,避免连接处漏水。
2)混凝土堵塞导管发生断桩
预防控制措施:采取的混凝土坍落度保持18~20㎝,控制好骨料粒径,避免长距离运输(超过200m,需二次搅拌),防止混凝土离析阻塞导管,同时可以抬高灌注高度,保证混凝土顺利灌入孔中。
3)拔断导管及导管底部拔出混凝土面发生断桩
预防控制措施:首批混凝土灌注必须保证导管埋入混凝土1m深度,在灌注过程中应经常用测锤测混凝土标高,及时调整导管埋深,埋深一般不宜小于2m或大于6m,端正工作态度,不存在侥幸麻痹思想,也是保证不断桩的重要因素。
4)首批混凝土灌注后导管进水时,应将已灌注的混凝土拌合物及时掏出,再更正操作方法,重新灌注。
5)在混凝土面处于井孔水面以下不很深的情况下,导管进水或拔断导管,加深护筒埋置至混凝土面处,抽干水面,破除混凝土一定高度,直接灌注混凝土。
6)灌注中导管拔出混凝土顶面,可用底塞隔水法,并加一定压力,重新插入导管恢复灌注。
7)灌注过程中塌孔:
预防控制措施:成孔护壁差或灌注过程中受到外来机械的扰动等造成塌孔。会使坍塌的块体卡在钢筋笼与孔壁之间造成桩身夹泥,严重的会阻碍混凝土的上升,使混凝土灌注不下去而造成断桩。
灌注每根桩应做好混凝土试件一组,并在成桩时随机取样制作。
4.2 夹泥事故的处理
桩身夹泥处理:
桩身夹泥的处理可以采用处理断桩的注浆补强法。但在很多情况下,处理桩身夹泥要比处理桩事故还困难。
由于桩身夹泥部分不可能占据截面的大部分,而且一般处于桩的侧部,不但给注浆孔出浆的布置造成困难,而且高压注浆时浆液容易漏掉。处理时应根据检测资料,找出桩身夹泥所处的深度和侧面,最好采用高压旋喷水力切割的办法将桩身夹泥部分剔除,然后再压注高强度的水泥浆进行桩身补强。
4.3 卡管
原因:
1)混合料的搅拌时间不充足,以使混合物没有充分搅拌均匀,使不同粒径的颗料在水介质中分散均匀,形成了一种流变性较好的分散系。
2)运输时间和灌注时间过长使混合料发生分层,泌水等现象且使和易性大大降低。
预防控制措施:
1)若“卡管”是由于混凝土混合料的流动性能较差,夹有大块卵石或碎石,拌和不均匀,粗集料集中等等原因造成的,则可采用较粗的长钢筋或长杆冲捣,或采用振动器振动导管,使导管内混合料下落。
2)对因导管内下部混凝土混合料流动性能降低引起的局部堵塞情况,可采用先将导管提起1~2m(导管口必须保持于孔内混凝土面下一定的深度),然后猛然下降导管的方法使导管内混凝土下落。
4.4堵管
原因:
1)导管漏气,密封不严,使混凝土有渗出现象。
2)混凝土灌注过程中未能正确掌握埋管深度,埋管过长。
3)混凝土水灰比过大 ,坍落度过底,商品混凝土因配合比掺合料或运输原因,致使混凝土运到现场时,性能发生变化,导致混凝土和易性与流动性能较差,灌注时滞留在导管中。
控制措施:
1)轻微堵塞;是指导管中的混凝土通畅极差,导管内砼基本堵塞,但通过上下串动导管,或将导管提起一顶高度行冲,即可解除堵塞恢复导管畅通,然后继续灌注成桩。但在处理中要特别注意预防导管内的机械故障发生。
2)严重堵塞;是指导管内被砼或其他杂物堵塞,当发生严重堵塞时,特别是堵塞部位较深时,处理时比较棘手。①由于导管严重堵塞而造成断桩事故,为保证工程质量,可采取在提起导管和钢筋笼后,在砼终凝期前使用钻机将孔内砼扫除,并清除孔内沉渣的方法。②一般是采取将导管提出的方法,待导管疏通后,再重新将导管下入,灌注成桩。
4.5 混凝土浇捣
首批混凝土灌注。混凝土灌注量与泥浆至混凝土面高度、混凝土面至孔底高度、泥浆的密度、导管内径及桩孔直径有关。
孔径越大,首批灌注的混凝土量越多,由于混凝土量大,搅拌时间长,因此可能出现离析现象,首批混凝土在下落过程中,有和易性变差,常出现导管中堵满混凝土,甚至漏斗内还有部分混凝土,此时应加大设备的起重能力,以便迅速向漏斗加混凝土,然后再稍拉导管,若其重能力不足,则应用卷扬机拉紧漏斗晃动,这样能使混凝土顺利下滑至孔底,下灌后,继续向漏斗加入混凝土,进行后续灌注。
4.6接桩
接桩的方法和步骤:采用高标号水泥砂浆首斗灌注,处理严重堵管产生断桩事故时,虽然操作简单,省时省工,处理费用较低。且成功率较高,但必须严格按以下步骤进行,才能达到事半功倍之效。
1)在灌注过程中发生导管堵塞故障后,经串动、礅管处理无效时,应及时提起导管进行疏通,同时要及时测出砼的灌注上升高度及灌注的砼量,准确掌握事故发生位置。
2)导管堵塞后,会被砼充满,提起卸管前应将砼灌注架首覆盖,防止卸管时由于砼散落孔内,加厚孔内残渣量。最好在远离孔口设置溜槽,将管内砼溜至远离孔口处。
3)导管疏通后应及时下入孔内,下入深度以测得的砼面准确位置再向下深入1.8~2.0m为宜。导管下入过深不仅难度大,而且灌注首斗水泥砂浆时,从导管内挤出的泥浆会对下部砼侵蚀过多,增厚孔内浮灌层,使导管难以畅通,导管下入过浅会导致桩身连接处易夹泥沙。
4)在处理过程中除注意准确测定事故部分、提卸下管,灌注等各个环节,特别强调要抓紧时间,掌握好所使用砼的标号、缓凝挤类型和砼的实际初终凝时间,做到处理步骤合理,处理措施得当,并充分利用时间,才能起到减少费用,提高效率之功效。
考文献
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