工程結(jié)構(gòu)的主要功能是承載和傳遞荷載(荷載是指使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)力和變形的外力等因素)。要傳遞荷載，首先要能承受荷載。什么是能承受荷載？項(xiàng)目中有三個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)。這三個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)是強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

什么是強(qiáng)度？強(qiáng)度是指材料或結(jié)構(gòu)在不破壞的情況下能承受多大的載荷。簡(jiǎn)單的例子就是給一個(gè)桿件施加力，在一定程度上斷裂。當(dāng)這個(gè)桿件在外力作用下被破壞時(shí)，最大的應(yīng)力是極限強(qiáng)度，也可以稱為破壞強(qiáng)度(有些材料在達(dá)到極限強(qiáng)度之前還有屈服強(qiáng)度，這里就不細(xì)說(shuō)了)。

什么是剛度？剛度是指材料或結(jié)構(gòu)在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。建筑結(jié)構(gòu)在使用中有變形極限的要求。如果變形太大，雖然可能沒(méi)有損壞，但實(shí)際上已經(jīng)失去了使用功能。但是還是有一種情況:結(jié)構(gòu)可能沒(méi)有損壞或變形太大，但是已經(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。

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是什么？

所謂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，是指結(jié)構(gòu)在外載荷的作用下能夠保持原有平衡的能力。如果結(jié)構(gòu)在外載荷的作用下不能保持原有的平衡，就叫不穩(wěn)定。比如建筑結(jié)構(gòu)的壓桿穩(wěn)定。水工建筑經(jīng)常遇到抗滑穩(wěn)定和抗傾穩(wěn)定的問(wèn)題。比如一個(gè)重力壩，它的作用是擋水。有一種情況:它的材料被破壞或變形，這就是強(qiáng)度或剛度的問(wèn)題；但也可能有一種情況:其內(nèi)部材料可能沒(méi)有損壞或變形，但由水平力驅(qū)動(dòng)或傾覆，不能再發(fā)揮擋水功能，造成巨大災(zāi)害。這就是重力壩的抗滑穩(wěn)定性和抗傾穩(wěn)定性。

本文主要討論的只是水工建筑的穩(wěn)定計(jì)算。另外，如文章標(biāo)題所示，本文只是簡(jiǎn)單的討論和科普的性質(zhì)，沒(méi)有深入的討論。

二、水工建筑抗滑、抗傾穩(wěn)定性概述

水工建筑的抗滑穩(wěn)定性和抗傾穩(wěn)定性，如重力壩的穩(wěn)定性、閘門(mén)室的穩(wěn)定性、泵站泵房的穩(wěn)定性、擋土墻的穩(wěn)定性等。，基本上可以歸結(jié)為一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，如下圖所示:

上上圖中，水平方向的合力σP，鉛直方向的合力σW，順時(shí)針?lè)较虻暮狭Ζ襇，逆時(shí)針?lè)较虻暮狭Ζ襇和逆時(shí)針?lè)较虻暮狭Ζ襇。規(guī)范給出的穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算公式為:抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc=σW/σP，必須大于規(guī)范要求的值。抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)K0=σMV/σMH必須大于規(guī)范要求的值。下面詳細(xì)解釋一下。

三、抗滑問(wèn)題的力學(xué)解釋

上述抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算公式為Kc=σW/σP，即鉛直方向的合力與水平方向的合力之比大于一定值，這個(gè)值必須大于1.0，而一些工程設(shè)計(jì)規(guī)范要求的值更大(設(shè)計(jì)偏保守，必須提供一定的余量)。

這個(gè)公式是什么意思？其實(shí)可以歸結(jié)為初中物理簡(jiǎn)單的摩擦問(wèn)題。其實(shí)上面的模型簡(jiǎn)圖并沒(méi)有完全畫(huà)出結(jié)構(gòu)的受力分析。摩擦問(wèn)題的計(jì)算簡(jiǎn)圖應(yīng)如下圖所示:

最簡(jiǎn)單的情況是，物體在鉛直方向受到重力G和支撐反力N，G=N。水平方向受到推力F和接觸面的摩擦力f。當(dāng)推力F較小時(shí)，靜摩擦力f隨F的增大而增大，物體可以保持靜止。但是，如果推力F大于最大靜摩擦力，物體就會(huì)被推滑。

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，u是最大靜摩擦因數(shù)。N=G。如果G足夠大，最大靜摩擦力f足夠大，足以抵抗推力f。事實(shí)上，標(biāo)準(zhǔn)公式σW/σP只是簡(jiǎn)化了這個(gè)原理(工程師喜歡簡(jiǎn)潔、一目了然、操作方便的參數(shù)，而科學(xué)理論需要嚴(yán)格的邏輯推理)。其實(shí)上面的公式嚴(yán)格叫抗剪強(qiáng)度公式(有的規(guī)范在前面乘f，也就是抗剪摩擦系數(shù))，另一個(gè)公式叫抗剪公式，其實(shí)就是在分子上加一個(gè)凝聚力(考慮到壩體混凝土與基巖接觸良好)，f改為f，也就是抗剪摩擦系數(shù)。其實(shí)都是為了讓自己更接近力學(xué)中摩擦力的實(shí)際情況。

四、抗傾問(wèn)題的力學(xué)解釋

抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算公式是：K0=σMV/σMH，什么意思？MV是指對(duì)基底前趾的抗傾覆力矩，MH是指對(duì)基底前趾的傾覆力矩。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是說(shuō)，抗傾覆力矩大于傾覆力矩，以確保結(jié)構(gòu)不被傾覆。圖1中，結(jié)構(gòu)物受到逆時(shí)針的合力矩(主要由向下的鉛直力和向左的水平力提供)和順時(shí)針的合力矩(主要由向右的水平力和向上的鉛直力提供)的影響。例如，順時(shí)針力矩為傾覆力矩，逆時(shí)針力矩為抗傾覆力矩。若以結(jié)構(gòu)物前端為旋轉(zhuǎn)軸心，若順時(shí)針的合力矩大于逆時(shí)針的合力矩，則結(jié)構(gòu)將向前傾覆。因此，在這一例子中，需要逆時(shí)針的合力矩與順時(shí)針的合力矩的比值大于規(guī)范允許的值(這一值大于1，有些情況更大)。而且在某些情況下，順時(shí)針力矩是抗傾覆力矩，逆時(shí)針力矩是傾覆力矩，具體問(wèn)題應(yīng)具體分析。

5.進(jìn)一步討論

在工程設(shè)計(jì)中，當(dāng)然不可能有這么簡(jiǎn)單的情況。但基本原理還是上面很簡(jiǎn)單的模型。主要困難無(wú)非是尋求各種水平力、鉛直力和扭矩的復(fù)雜性。此外，還需要?jiǎng)澐指鞣N工況，使結(jié)構(gòu)在最不利的荷載組合作用下保證安全。

例如重力壩的穩(wěn)定性，在水平方向，主要是靜水壓力、動(dòng)水壓力、波浪壓力、泥沙壓力等，基本上都指向下游，不利于結(jié)構(gòu)的防滑，其合力相當(dāng)于圖1的σP。

在鉛直方向，重力主要是垂直向下的，有利于結(jié)構(gòu)的防滑。重力壩只叫重力壩，因?yàn)橹饕�靠壩體自重產(chǎn)生的防滑力來(lái)滿足穩(wěn)定要求。此外，還有垂直向上的，主要是提升壓力，不利于結(jié)構(gòu)的防滑。提升壓力其實(shí)是上浮力和滲透壓力的統(tǒng)稱。上浮力實(shí)際上是壩體下游水深產(chǎn)生的浮托力。單位長(zhǎng)度的上浮力等于水的容重乘以下游水深。滲透壓力在上下游水位差的作用下，水流通過(guò)基巖節(jié)理和裂縫產(chǎn)生的向上靜水壓力。單位長(zhǎng)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降到0。自重力和提升壓力的合力相當(dāng)于圖1中的σW。

閘門(mén)的穩(wěn)定性與泵站泵室的穩(wěn)定性受力分析基本相似，但由于形狀復(fù)雜，如自重，需要分為幾個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算，如橋墩閘門(mén)底板自重、排架自重、閘門(mén)自重、啟閉機(jī)自重等。水重也是自重的一部分，應(yīng)以閘門(mén)為界分為兩部分，不同的工況需要單獨(dú)計(jì)算。

擋土墻的穩(wěn)定性比較簡(jiǎn)單，有幾種類型，最簡(jiǎn)單的類型也是重力擋土墻，也是靠自重來(lái)防滑。水平力主要是土壓，垂直力主要是重力。

作用于擋土墻的土壓一般有三個(gè)特定值，即靜止土壓力、主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力。當(dāng)墻絕對(duì)不動(dòng)時(shí)，墻后土體作用于墻背的土壓稱為靜止土壓力。當(dāng)墻面向前微小移動(dòng)(離開(kāi)土)或旋轉(zhuǎn)時(shí)，最后墻后土體達(dá)到主動(dòng)極限平衡狀態(tài)，土壓達(dá)到最小值，稱為主動(dòng)土壓力。當(dāng)墻體在外力作用下向后移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)時(shí)，最后墻后土體達(dá)到被動(dòng)極限平衡狀態(tài)，土壓達(dá)到最大值，稱為被動(dòng)土壓力。主動(dòng)土壓力小于靜止土壓力，小于被動(dòng)土壓力。靜止土壓力相對(duì)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度分布為三角形。墻高為H的總土壓力P0=1/2*γHK0，γ是土的容重，K0是靜止土的壓力系數(shù)。主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力的計(jì)算比較復(fù)雜需要兩種計(jì)算理論，一種是庫(kù)倫理論，一種是朗肯理論。具體公式見(jiàn)《土力學(xué)》教材。對(duì)于混凝土垂直墻背，庫(kù)倫理論計(jì)算的主動(dòng)土壓力合理且經(jīng)濟(jì)，被動(dòng)土壓力誤差大；朗肯理論主動(dòng)土壓力大于庫(kù)倫理論計(jì)算的，但適用于懸臂式、扶墻式或L型擋土墻。我們的水工擋土墻一般采用庫(kù)倫公式計(jì)算主動(dòng)土壓力，懸臂式和扶墻式。

六、邊坡穩(wěn)定性分析

這里一般指土壤邊坡。土壤邊坡中的一部分土壤對(duì)另一部分土壤產(chǎn)生相對(duì)位移，或者沿滑動(dòng)面旋轉(zhuǎn)下滑，從而失去原有的穩(wěn)定性，即邊坡失穩(wěn)或滑坡。

穩(wěn)定性分析需要分為無(wú)粘性土邊坡和粘性土邊坡兩種。

無(wú)粘土邊坡穩(wěn)定性分析，其物理原理，其實(shí)可以追溯到圖2中的斜坡情況，其實(shí)土力學(xué)也是從坡面上任意取一小塊土來(lái)研究的，相當(dāng)于斜坡上物體的摩擦問(wèn)題。當(dāng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，防止土塊滑動(dòng)的抗滑能力必須大于土塊的滑動(dòng)能力，因此用抗滑能力與滑動(dòng)能力的比例來(lái)評(píng)價(jià)土坡穩(wěn)定的安全性。該比例稱為土坡穩(wěn)定的安全系數(shù)Fs，F(xiàn)s=抗滑Tf/滑動(dòng)Ts，通過(guò)推導(dǎo)可以得出它等于tanφ/tanβ，β為坡角，φ為無(wú)粘性土的內(nèi)摩擦角，因此，對(duì)于均質(zhì)無(wú)粘性土，只要坡角小于土的內(nèi)摩擦角，不管坡的高度有多大，邊坡材料的重量有多大，土坡總是穩(wěn)定的。因此，我們邊坡的坡度比某個(gè)值慢。

當(dāng)然，以上是完全干燥或完全淹沒(méi)的土坡。如果有滲流邊坡，也要考慮滲透力的影響。最后推導(dǎo)出來(lái)的公式和上面差不多，但是如果有滲流，坡度一定要減慢。

粘土邊坡坡的穩(wěn)定性分析不能用一小塊土來(lái)研究�；�坡發(fā)生時(shí)，滑動(dòng)面的形狀往往類似于一個(gè)弧形表面。在土力學(xué)上，有一種整體弧形滑動(dòng)方法，即假設(shè)滑動(dòng)面以上的滑動(dòng)土體是剛性塑性體，然后將滑動(dòng)面以上的滑動(dòng)土體分離體，分析其在各種力作用下的穩(wěn)定性。此時(shí)安全系數(shù)的表達(dá)也是一個(gè)比值，但不是抗滑力和滑動(dòng)力，而是變成了抗滑力矩和滑動(dòng)力矩的比值。當(dāng)然也要確定最危險(xiǎn)的滑弧。對(duì)于簡(jiǎn)單的情況，可以采用費(fèi)倫紐斯的方法。如果形狀復(fù)雜，尤其是土坡由多層土組成時(shí)，確定滑動(dòng)土體的重量和重心位置是復(fù)雜的。這個(gè)時(shí)候就要用條分法了，專家們做了很多研究工作，比如費(fèi)倫紐斯，太沙基，畢肖普。最后，他們都需要得到一個(gè)安全系數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)允許值進(jìn)行比較，看是否安全。具體推導(dǎo)公式這里就不贅述了。參見(jiàn)土力學(xué)，有些計(jì)算靠手算解決不了，需要電腦編程。

另外，上面第五節(jié)提到的重力壩的抗滑穩(wěn)定性，其實(shí)應(yīng)該叫沿壩基面的抗滑穩(wěn)定性，還要分析深層的抗滑穩(wěn)定性。也就是說(shuō)，當(dāng)壩基有不利的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)表面時(shí)，在水荷載的作用下，壩體可能會(huì)沿軟弱結(jié)構(gòu)表面同步分基巖，即所謂的深層滑動(dòng)。這種深層滑動(dòng)的穩(wěn)定計(jì)算有點(diǎn)類似于邊坡穩(wěn)定。

綜上所述，對(duì)于這樣的穩(wěn)定性問(wèn)題，我們水工設(shè)計(jì)規(guī)范的基本思想是用安全系數(shù)來(lái)表示的，相當(dāng)于結(jié)構(gòu)抵抗破壞穩(wěn)定或保持自身穩(wěn)定的能力(如抗滑力、抗滑力矩、抗傾覆力矩等)的比值。)和結(jié)構(gòu)受到的外力破壞其穩(wěn)定狀態(tài)(如滑動(dòng)力、滑動(dòng)力矩、傾覆力矩等。).它的可追溯性可以歸結(jié)為中學(xué)物理的簡(jiǎn)單計(jì)算模型。

相信經(jīng)過(guò)以上介紹，大家對(duì)水工建筑的穩(wěn)定計(jì)算？看看這里的輕松學(xué)習(xí)也有一定的了解。歡迎登錄建材板網(wǎng)查詢更多相關(guān)信息。