工程結(jié)構(gòu)的主要功能是承載和傳遞載荷(載荷是指結(jié)構(gòu)或部件產(chǎn)生內(nèi)力和變形的外力和其他因素)。要傳遞負(fù)荷，首先要承受負(fù)荷。什么是負(fù)荷？工程有三個基本標(biāo)準(zhǔn)。這三個基本標(biāo)準(zhǔn)是強(qiáng)度、剛性和穩(wěn)定性。什么是強(qiáng)度？強(qiáng)度是指材料和結(jié)構(gòu)能承受多少負(fù)荷而不破壞。簡單的例子，就是給一根桿件施加力，這個力大到一定程度就把它掰斷了，這個桿件在外力作用下發(fā)生破壞時出現(xiàn)的最大應(yīng)力，就是極限強(qiáng)度，也可稱為破壞強(qiáng)度（有些材料在達(dá)到極限強(qiáng)度前還有個屈服強(qiáng)度，這里不細(xì)說）。什么是剛度？剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在受力時抵抗彈性變形的能力。建筑結(jié)構(gòu)在使用上有變形極限的要求，如果變形大，可能還沒有被破壞，但實(shí)際上失去了其使用功能。然而，也有一種情況:結(jié)構(gòu)可能沒有被破壞或變形，但它已經(jīng)失去了作為結(jié)構(gòu)的功能，這就是結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。什么是結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性？結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)在外載的作用下，能夠保持本來的平衡狀態(tài)的能力。如果結(jié)構(gòu)在外載作用下無法保持原有的平衡，則稱為不穩(wěn)定。例如住宅建筑結(jié)構(gòu)的壓桿穩(wěn)定問題等。水工建筑中經(jīng)常遇到的是防滑穩(wěn)定和防傾斜穩(wěn)定問題。例如，重力水庫的功能是擋水，材料被破壞或變形是強(qiáng)度和剛性的問題，但是內(nèi)部的材料可能沒有被破壞或變形，但是被水平力推動或者被壟斷的話，就不能發(fā)揮擋水功能，也可能會造成很大的災(zāi)害。這就是重力壩的抗滑穩(wěn)定和抗傾斜穩(wěn)定。本文主要討論的僅為水工建筑物的穩(wěn)定計(jì)算問題。另外正如文章標(biāo)題所示的，本文只是淺談和科普性質(zhì)，并未深入探討。

二，水工建筑物抗滑，抗傾穩(wěn)定問題概述

水工建筑物的抗滑穩(wěn)定和抗傾穩(wěn)定問題，比如重力壩的穩(wěn)定，水閘閘室的穩(wěn)定，泵站泵房的穩(wěn)定，擋土墻的穩(wěn)定等等，基本上都可以歸結(jié)為一個簡單的模型，如下圖所示：

上圖中，水平方向的合力ΣP，鉛直方向的合力ΣW，順時針方向的合力矩ΣM順時針，逆時針方向的合力矩ΣM逆時針。規(guī)范給出的穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式為：抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc=ΣW/ΣP，須大于規(guī)范要求的值�？箖A斜穩(wěn)定安全系數(shù)K0=σMV/σMH，必須大于規(guī)范要求的值。以下是具體的說明。

三、防滑問題的力學(xué)說明

上述防滑穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算公式為Kc=σW/膦P，即鉛直方向的合力和水平方向的合力比例大于一定值，該值大于1.0，一些工程設(shè)計(jì)規(guī)范要求的值大于(設(shè)計(jì)都是保守的傾向這個公式是什么意思？其實(shí)可以歸納為初中物理簡單的摩擦力問題。上述模型的簡單圖對結(jié)構(gòu)物的力量分析實(shí)際上并不完整。摩擦力問題的計(jì)算簡單圖大致如下:

最簡單的情況下，物體在鉛直方向受到重力g和支持反力n，G=N。水平方向受推力F和接觸面摩擦力F。當(dāng)推力小時，靜摩擦力f隨著f的增大而增大，物體可以保持靜止?fàn)顟B(tài)。但是，推力f超過最大靜摩擦力時，物體會滑動。最大靜摩擦力的計(jì)算公式是f=uN。f是最大靜摩擦力，N是正壓力，u是最大靜摩擦因數(shù)。而N=G。如果G足夠大，則最大靜摩擦力f也將足夠大，大到足以抵抗推力F。規(guī)范的公式σW/σP只是簡化了這個原理(工程師喜歡簡潔，一目了然，操作參數(shù)方便，科學(xué)理論要求邏輯推理的嚴(yán)密性)。事實(shí)上，上述公式嚴(yán)格稱為抗剪強(qiáng)度公式(有些規(guī)范在前乘F，即抗剪摩擦系數(shù))。此外，還有一種公式稱為抗剪公式。事實(shí)上，分子增加了凝聚力(考慮到壩體混凝土與基巖接觸良好)，f改為f，即抗剪摩擦系數(shù)。實(shí)際上，是為了更接近力學(xué)摩擦力的實(shí)際情況。四、抗傾斜問題的力學(xué)說明抗傾斜穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算公式是K0=MV/σMH，是什么意思？MV是指對基底前趾的抗傾覆力矩，MH是指對基底前趾的傾覆力矩。簡而言之，就是說抗傾覆力矩要大于傾覆力矩，才能保證結(jié)構(gòu)物不被傾覆。圖1中，結(jié)構(gòu)物受到逆時針的合力矩(主要由下鉛直力和左側(cè)水平力提供)和順時針的合力矩(主要由右側(cè)水平力和上鉛直力提供)的作用。在這個例子中，順時針矩是霸權(quán)矩，逆時針矩是霸權(quán)矩。以結(jié)構(gòu)物的前端為旋轉(zhuǎn)軸心時，順時針的合力矩大于逆時針的合力矩時，結(jié)構(gòu)必須向前傾斜。因此，在這個例子中，逆時針的合力矩和順時針的合力矩的比例大于規(guī)范允許的值(這個值大于1，情況更大)。在某些情況下，順時針矩是抗傾覆矩，逆時針矩是傾覆矩，具體問題應(yīng)具體分析。

五、進(jìn)一步討論

在工程設(shè)計(jì)中，當(dāng)然不可能有這么簡單的情況。但而，基本原理仍然是上述非常簡單的模型。主要困難只是尋求各種水平力、鉛直力、扭矩復(fù)雜。另外，就是要分各種工況，要使得結(jié)構(gòu)在最不利的荷載組合的作用下也能保證安全。比如重力壩的穩(wěn)定，在水平方向，主要是靜水壓力，動水壓力，浪壓力，泥沙壓力等，基本都是指向下游，對結(jié)構(gòu)抗滑不利的，其合力就相當(dāng)于圖1的ΣP。在鉛直方向，豎直向下的，主要是重力，這對結(jié)構(gòu)抗滑是有利的，重力壩只所以叫重力壩，原因也是因?yàn)橹饕�依靠壩體自重產(chǎn)生的抗滑力來滿足穩(wěn)定要求。另外，垂直上升的主要是提高壓力，不利于結(jié)構(gòu)的防滑。提升壓力實(shí)際上是上浮力和滲透壓力的合稱。上浮力其實(shí)是由壩體下游水深產(chǎn)生的浮托力。單位長度的上浮力等于水的容重乘下游水深。滲透壓力是在上，下游水位差作用下，水流通過基巖節(jié)理，裂隙而產(chǎn)生的向上的靜水壓力。單位長度的滲透壓力，在上游端最大，等于水的容重乘以上，下游水頭差，在下游端減小為0。自重力和壓力的合力相當(dāng)于圖1的σw。閘門室的穩(wěn)定性與泵站泵室的穩(wěn)定性受力分析基本相似，但由于身體復(fù)雜，如自重，需要分為幾個部分計(jì)算，如閘門底板的自重、排架自重、閘門自重、開關(guān)自重等。水重也是自重的一部分，應(yīng)該把閘門劃分為兩部分，不同的情況需要分開計(jì)算。擋土墻的穩(wěn)定比較簡單，有幾種類型，最簡單的類型也是重力式擋土墻，自重抵抗滑動。橫力主要是土壓，縱力主要是重力。作用在擋土墻上的土壓有三個特定值，即靜止土壓、主動土壓和被動土壓。墻壁絕對不動的情況下，墻后土體作用于墻背的土壓稱為靜止土壓。當(dāng)墻壁向前移動(離開土壤)或旋轉(zhuǎn)時，最后墻壁后的土壤達(dá)到主動極限平衡，土壤壓力達(dá)到最小值，稱為主動土壤壓力。墻壁在外力的作用下，產(chǎn)生向后的位移和旋轉(zhuǎn)，最后墻壁后面的土體達(dá)到被動極限平衡狀態(tài)，土體壓力達(dá)到最大值，稱為被動土體壓力。主動土壓力小于靜止土壓力小于被動土壓力。靜止土壓力比較簡單，其強(qiáng)度分布為三角形，墻高為h的總土壓力P0=1/2*γHK0，γ為土容量，K0為靜止土壓力系數(shù)。計(jì)算主動土壓和被動土壓比較復(fù)雜，使用土壓的兩種計(jì)算理論，一種是庫倫理論，另一種是朗肯理論。具體公式見《土力學(xué)》教材。對于混凝土垂直墻背，庫倫理論計(jì)算的主動土壓力合理，經(jīng)濟(jì)，被動土壓力誤差大的朗肯理論的主動土壓力比庫倫理論計(jì)算的大，但適用于懸臂式、扶墻式或l形擋土墻。我們水工擋土墻，重力式擋土墻一般用庫倫式計(jì)算主動土壓，懸臂式，扶墻式擋土墻一般用朗肯式計(jì)算主動土壓。

六、邊坡穩(wěn)定分析

這里一般指土質(zhì)邊坡。土坡中的一部分土體對另一部分土體產(chǎn)生相對位移，或沿著一個滑動面旋轉(zhuǎn)下滑，以至喪失原有穩(wěn)定性的現(xiàn)象，就是邊坡失穩(wěn)或滑坡。需要分為無粘土邊坡和無粘土邊坡兩種類型進(jìn)行穩(wěn)定性分析。無粘性土邊坡的穩(wěn)定性分析，其物理原理實(shí)際上可以追溯到圖2中的斜坡狀況，實(shí)際上土力學(xué)也從斜坡上取小塊土體進(jìn)行研究，相當(dāng)于斜坡上物體的摩擦力問題。在穩(wěn)定狀態(tài)下，阻止土塊滑動的抗滑動力必須大于土塊的滑動力，因此以抗滑動力和滑動力的比例作為評價土塊的穩(wěn)定安全度。該比值稱為土坡穩(wěn)定的安全系數(shù)Fs，F(xiàn)s=抗滑力Tf/滑動力Ts，經(jīng)推導(dǎo)可得出它等于tanφ/tanβ，β為坡角，φ為無粘性土的內(nèi)摩擦角，因此對于均質(zhì)無粘性土而言，如果坡角小于土的內(nèi)摩擦角，無論坡的高度，坡材的重量如何，土坡總是穩(wěn)定的。這就是為什么我們邊坡的坡度比一定值慢。當(dāng)然，上面是全干或全淹沒的土坡的情況，如果有滲透作用的邊坡，也要考慮滲透力的影響，最后推導(dǎo)的公式也和上面相似，但是如果有滲透作用的話，坡度必須放緩。粘性土邊坡的穩(wěn)定性分析，不能取小塊土體進(jìn)行研究�；�坡發(fā)生時，滑動面的形狀與圓弧面相似。土力學(xué)有整體圓弧滑動法，假設(shè)滑動面以上的滑動土為剛性體，將滑動面以上的土為脫離體，分析其在各種力作用下的穩(wěn)定性。此時，安全系數(shù)的表現(xiàn)也是比值，但不是滑動力和滑動力，而是滑動力和滑動力的比值。當(dāng)然，也要確定最危險的滑弧。在比較簡單的情況下，可以采用費(fèi)倫紐斯的方法。外形復(fù)雜，特別是土坡由多層土構(gòu)成時，滑動土體的重量及其重心位置復(fù)雜。此時使用條分法，與費(fèi)倫紐斯、太沙基、畢肖普例如，費(fèi)倫紐斯、太沙基、畢肖普最后得到安全系數(shù)，與規(guī)范的許可值進(jìn)行比較，看到安全不安全。具體的導(dǎo)游公式在此不予說明，參考土力學(xué)，而且有些計(jì)算還不能用手計(jì)算解決，需要計(jì)算機(jī)編程。另外，上面第五節(jié)提到的重力水庫的防滑穩(wěn)定，實(shí)際上正確地說，應(yīng)該是沿水庫基面的防滑穩(wěn)定，還應(yīng)該分析深層防滑穩(wěn)定。也就是說，水庫基礎(chǔ)內(nèi)存在不利緩傾角的弱結(jié)構(gòu)面時，水庫體在水荷載的作用下，水庫體有可能沿弱結(jié)構(gòu)面同步滑動，即所謂的深層滑動。這個深層滑動的穩(wěn)定計(jì)算就有點(diǎn)類似邊坡穩(wěn)定問題�？偠�言之，對于此類穩(wěn)定問題，我們水工設(shè)計(jì)規(guī)范的基本思想都是用安全系數(shù)來表示，它等于結(jié)構(gòu)物抵抗破壞穩(wěn)定或者說保持自身穩(wěn)定的能力（如抗滑力，抗滑力矩，抗傾覆力矩等）和結(jié)構(gòu)物所受到的外力破壞其穩(wěn)定狀態(tài)的作用（如滑動力，滑動力矩，傾覆力矩等）的比值。而其追根溯源，可以歸結(jié)為中學(xué)物理的簡單計(jì)算模型。

相信經(jīng)過以上的介紹，大家對水工建筑物的強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性怎么計(jì)算也是有了一定的認(rèn)識。歡迎登陸建材板材網(wǎng)，查詢更多相關(guān)信息。