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？項目中有三個基本標準。這三個基本標準是強度、剛度和穩(wěn)定性。

什么是強度？強度是指材料或結(jié)構(gòu)在不破壞的情況下能承受多大的載荷。簡單的例子就是給一個桿件施加力，在一定程度上斷裂。當這個桿件在外力作用下被破壞時，最大的應力是極限強度，也可以稱為破壞強度(有些材料在達到極限強度之前還有屈服強度，這里就不細說了)。

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)在使用中有變形極限的要求。如果變形太大，雖然可能沒有損壞，但實際上已經(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)定的問題。比如一個重力壩，它的作用是擋水。有一種情況:它的材料被破壞或變形，這就是強度或剛度的問題；但也可能有一種情況:其內(nèi)部材料可能沒有損壞或變形，但由水平力驅(qū)動或傾覆，不能再發(fā)揮擋水功能，造成巨大災害。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)定計算。另外，如文章標題所示，本文只是簡單的討論和科普的性質(zhì)，沒有深入的討論。

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)為一個簡單的模型，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，順時針方向的合力σM，逆時針方向的合力σM和逆時針方向的合力σM。規(guī)范給出的穩(wěn)定安全系數(shù)的計算公式為:抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc=σW/σP，必須大于規(guī)范要求的值�？箖A穩(wěn)定安全系數(shù)K0=σMV/σMH必須大于規(guī)范要求的值。下面詳細解釋一下。

三、抗滑問題的力學解釋

上述抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的計算公式為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，這個值必須大于1.0，而一些工程設(shè)計規(guī)范要求的值更大(設(shè)計偏保守，必須提供一定的余量)。

這個公式是什么意思？其實可以歸結(jié)為初中物理簡單的摩擦問題。其實上面的模型簡圖并沒有完全畫出結(jié)構(gòu)的受力分析。摩擦問題的計算簡圖應如下圖所示:

最簡單的情況是，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。當推力F較小時，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，物體就會被推滑。

最大靜摩擦力的計算公式是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。事實上，標準公式σW/σP只是簡化了這個原理(工程師喜歡簡潔、一目了然、操作方便的參數(shù)，而科學理論需要嚴格的邏輯推理)。其實上面的公式嚴格叫抗剪強度公式(有的規(guī)范在前面乘f，也就是抗剪摩擦系數(shù))，另一個公式叫抗剪公式，其實就是在分子上加一個凝聚力(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)。其實都是為了讓自己更接近力學中摩擦力的實際情況。

四、抗傾問題的力學解釋

抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)的計算公式是：K0=σMV/σMH，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。簡單地說，就是說，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，順時針力矩為傾覆力矩，逆時針力矩為抗傾覆力矩。若以結(jié)構(gòu)物前端為旋轉(zhuǎn)軸心，若順時針的合力矩大于逆時針的合力矩，則結(jié)構(gòu)將向前傾覆。因此，在這一例子中，需要逆時針的合力矩與順時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，順時針力矩是抗傾覆力矩，逆時針力矩是傾覆力矩，具體問題應具體分析。

5.進一步討論

在工程設(shè)計中，當然不可能有這么簡單的情況。但基本原理還是上面很簡單的模型。主要困難無非是尋求各種水平力、鉛直力和扭矩的復雜性。此外，還需要劃分各種工況，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，因為主要靠壩體自重產(chǎn)生的防滑力來滿足穩(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。提升壓力其實是上浮力和滲透壓力的統(tǒng)稱。上浮力實際上是壩體下游水深產(chǎn)生的浮托力。單位長度的上浮力等于水的容重乘以下游水深。滲透壓力在上下游水位差的作用下，水流通過基巖節(jié)理和裂縫產(chǎn)生的向上靜水壓力。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降到0。自重力和提升壓力的合力相當于圖1中的σW。

閘門的穩(wěn)定性與泵站泵室的穩(wěn)定性受力分析基本相似，但由于形狀復雜，如自重，需要分為幾個部分進行計算，如橋墩閘門底板自重、排架自重、閘門自重、啟閉機自重等。水重也是自重的一部分，應以閘門為界分為兩部分，不同的工況需要單獨計算。

擋土墻的穩(wěn)定性比較簡單，有幾種類型，最簡單的類型也是重力擋土墻，也是靠自重來防滑。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特定值，即靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力。當墻絕對不動時，墻后土體作用于墻背的土壓稱為靜止土壓力。當墻面向前微小移動(離開土)或旋轉(zhuǎn)時，最后墻后土體達到主動極限平衡狀態(tài)，土壓達到最小值，稱為主動土壓力。當墻體在外力作用下向后移動或旋轉(zhuǎn)時，最后墻后土體達到被動極限平衡狀態(tài)，土壓達到最大值，稱為被動土壓力。主動土壓力小于靜止土壓力，小于被動土壓力。靜止土壓力相對簡單，強度分布為三角形。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)。主動土壓力和被動土壓力的計算比較復雜需要兩種計算理論，一種是庫倫理論，一種是朗肯理論。具體公式見《土力學》教材。對于混凝土垂直墻背，庫倫理論計算的主動土壓力合理且經(jīng)濟，被動土壓力誤差大；朗肯理論主動土壓力大于庫倫理論計算的，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倫公式計算主動土壓力，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另一部分土壤產(chǎn)生相對位移，或者沿滑動面旋轉(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粘性土邊坡和粘性土邊坡兩種。

無粘土邊坡穩(wěn)定性分析，其物理原理，其實可以追溯到圖2中的斜坡情況，其實土力學也是從坡面上任意取一小塊土來研究的，相當于斜坡上物體的摩擦問題。當處于穩(wěn)定狀態(tài)時，防止土塊滑動的抗滑能力必須大于土塊的滑動能力，因此用抗滑能力與滑動能力的比例來評價土坡穩(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Ts，通過推導可以得出它等于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，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值慢。

當然，以上是完全干燥或完全淹沒的土坡。如果有滲流邊坡，也要考慮滲透力的影響。最后推導出來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研究。滑坡發(fā)生時，滑動面的形狀往往類似于一個弧形表面。在土力學上，有一種整體弧形滑動方法，即假設(shè)滑動面以上的滑動土體是剛性塑性體，然后將滑動面以上的滑動土體分離體，分析其在各種力作用下的穩(wěn)定性。此時安全系數(shù)的表達也是一個比值，但不是抗滑力和滑動力，而是變成了抗滑力矩和滑動力矩的比值。當然也要確定最危險的滑弧。對于簡單的情況，可以采用費倫紐斯的方法。如果形狀復雜，尤其是土坡由多層土組成時，確定滑動土體的重量和重心位置是復雜的。這個時候就要用條分法了，專家們做了很多研究工作，比如費倫紐斯，太沙基，畢肖普。最后，他們都需要得到一個安全系數(shù)，與標準允許值進行比較，看是否安全。具體推導公式這里就不贅述了。參見土力學，有些計算靠手算解決不了，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，其實應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，當壩基有不利的緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)表面時，在水荷載的作用下，壩體可能會沿軟弱結(jié)構(gòu)表面同步分基巖，即所謂的深層滑動。這種深層滑動的穩(wěn)定計算有點類似于邊坡穩(wěn)定。

綜上所述，對于這樣的穩(wěn)定性問題，我們水工設(shè)計規(guī)范的基本思想是用安全系數(shù)來表示的，相當于結(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)(如滑動力、滑動力矩、傾覆力矩等。).它的可追溯性可以歸結(jié)為中學物理的簡單計算模型。

相信經(jīng)過以上介紹，大家對水工建筑的穩(wěn)定計算？看看這里的輕松學習也有一定的了解。歡迎登錄建材板網(wǎng)查詢更多相關(guān)信息。