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【精华】欧洲规范教学系列——EC7系列讲座(三)——岩土设计的荷载

by 邵工——建筑结构工程师 Structural Engineer |2017年7月2日 | 欧洲规范
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各位攻城狮们国庆加几天班了?没关系,刘工也在坚守岗位,与大家共同为伟大的土木工程事业做着贡献。经过最近一个月的努力,公众号关注人数破五百了,刘工真是喜极而泣,我会继续为大家分享欧标的点点滴滴,做一个十年如一日的原创攻城狮!

接着上一讲的话题,今天刘工和大家一起聊聊荷载、材料和几何尺寸这三大变量在EC7当中的通用性和特殊性。首先说明,为什么是这三个变量,而不是其中的两个或者是四个,这是因为在这座星球上,如果使用的是极限状态法,那么就要分别修正荷载、材料和尺寸,使用修正过的荷载加在修正过尺寸的结构上,然后产生的效应和修正过的材料的承载力相比较,从而来判断结构是否超过极限状态,至于如何如何修正,简单来说,荷载就是乘一个分项系数,材料是除一个分项系数,而尺寸是加减一个修正值。

对于从事结构设计的童鞋们,这个应该是最明白的了,但是在岩土工程中,这三个变量也有其特殊性,这也是岩土工程在使用极限状态法的挑战和魅力所在。 

1. 荷载

1)      荷载的种类

EC7的第2.4.2条第(4)款中,列举了岩土设计中应该考虑的荷载作用,分别有:

-         土、岩土和水的自重

-         土体中的应力

-         土压力

-         自由水压力,包括波浪荷载

-         地下水压力

-         渗流力

-         上部结构的永久荷载和可变荷载

-         超载

-         系泊力

-         卸载和开挖

-         车辆荷载

-         由于开采或者开挖隧道引起的土体变动

-         植被、气候和湿度变化引起的收缩和徐变

-         土体收缩、滑动和沉降产生的位移

-         退化、分散、分解、自压实和溶解引起的运动

-         地震、爆炸、振动和其他动力荷载引起的位移和加速度

-         温度效应,包括冻结力

-         冰荷载

-         锚杆或者支撑的预应力

-         下拉荷载

 

所有与荷载有关的大家都可以参考EN1991里面的相应规范,当然,规范并没有强制要求大家使用所有的荷载,对于不常用的已用斜体表示。

 

2)      岩土荷载的特点

从这个列表中,大家可以发现岩土设计中荷载的几个特点:

a)     很多的荷载作用是由土体位移引起的,例如桩侧摩阻力,侧阻力的产生主要得益于桩土之间产生相对位移,所以这是典型的一个由于位移而产生的力。这是岩土荷载区别与结构的一个特征;

b)     不同于结构的永久荷载,整个结构的生命周期内荷载的数值都不会变化,岩土中有相当一部分的荷载是随着时间的流逝在变化的,例如,土压力分为静止土压力、主动土压力和被动土压力,对于一个挡土墙,一开始可能承担的是静止土压力,随着时间的推移,慢慢由静止土压力转变为主动土压力,如果突发一次地震,也许主动土压力又会突然变成被动土压力;另一个典型的例子就是超孔隙水压力,在黏土或者粉土中,超孔隙水压力会随着时间而减小,最后变为零。(如果搞结构的小朋友听得一头雾水,请咨询身边搞岩土的小朋友)

c)      结构与地基的相互作用无法忽略,这个尤其在柔性挡土墙中非常明显。有一句非常经典的话(忘记是结构力学老师教的,还是自己做梦梦到的)——绝对刚度决定结构的变形,相对刚度决定内力的分配。为了更严谨一些,其实相对刚度只决定超静定结构的内力图,而静定结构与刚度无关。(如果搞岩土的小朋友听得一头雾水,请咨询身边搞结构的小朋友)这个在岩土设计中最明显的体现就是桩筏基础的内力分布,需要决定桩基和筏基的相对刚度,因为这个会影响内力的分布,刘工就不再赘述了,请搞结构和搞岩土的好基友们互相讨论吧。

3) 同源理论

EN 1997-1 2.4.2条第9款的注隐藏着一个重要的原则,原文如下:

Unfavorable (ordestabilizing) and favorable (or stabilizing) permanent actions may in somesituations be considered as coming from a single source. If they are consideredso, a single partial factor may be applied to the sum of these actions or tothe sum of their effects. 

大体的意思就是如果两个永久荷载(请大家思考为什么没有可变荷载)是由同一个源头引起的,例如重力全是因为重力加速度引起的、水压力全是因为水引起的等等,那么这些力都要使用同一个分项系数。也许大家对这条理论的重要性没什么感觉,毕竟国标采用的安全系数法是没有分期系数这一说的,那么刘工试举一例(摘自Decoding Eurocode 7 P81

帮大家回顾一下,极限状态分为五种,EQU-STR-GEO-UPL-HYD,对于如上的结构,需要检查抗倾覆(EQU),抗滑移(EQU),墙底压力(GEO),墙体强度(STR)。外力主要有这几类:墙体自重、假想作用面以内的土体自重、假想作用面以外的侧向土压力、地面超载(作用面内)、地面超载(作用面外)、水压力(侧向)、水压力(底部)。交叉组合,列出如下的表格,大家可以自己检测一下,看看是不是和刘工的答案一样(答案在文末):


刘工和大家一条一条分析:

a)     超载

对于可变荷载,处理有利和不利非常简单,有利的时候布置荷载,不利的时候不要布置,这样就是最不利的状态;

b)     土体自重与侧向土压力

虽然严格来说,侧向土压力也是因为土的自重而产生的,因此他们的祖宗是一样的,但是欧标有不同的思路,打个比方,如果土的自重是爹,那土的侧向压力就是儿子,因为是土的自重和侧向土压力系数结合产生的侧向土压力,所以他们的家长是不一样的,因此欧标不算同源。换一个思路,所有的工程中使用的力,全是由于重力而引起的,所以他们有相同的祖宗,这样来说大家都是同源喽。不过要记住,欧标不拼祖宗,只拼爹!

c)      水压力

首先明确一点,对于常水位产生的水压力是永久荷载,变水位产生的附加水压力属于可变荷载,这一点和《公路路基规范》附录H中的规定是一致的。 

在计算墙底压力时,侧向的水压力和底部的水压力对结构分别是不利和有利的,这时我们不能把他们分别对待,而必须要择其一,而刘工目前也没有找到规律到底哪个更不利,这个和挡土墙的尺寸有关系,所以正确的做法就是分别把二者当成有利和不利算一次,看看哪个结果更不利。

d)     浮重度

大家应该都明白浮重度等于总重度减去水的重度,但是在欧标中一定要注意系数,比如在计算抗倾覆和抗滑移时,基底的水压力要乘1.35(即扬压力乘1.35),再从总自重中减去。这一点初用欧标的小朋友们容易忽视。

4)      再说水压力

水是生命之源,也是岩土设计中最重要、最难以控制的。如果说设计是工程师在玩弄土,那施工就是水在调戏工程师。失去对水的控制会产生很多意外事故,大家都深有体会。 

刘工举一个例子,大家在验算挡土墙抗滑移稳定性的时候会遇到这样一个问题:根据《地基规范》,如果重力式挡墙的高度大于5m之后,主动土压力会乘一个1.1的系数,所以主动土压力侧的水压力也会乘1.1;同样,在刚才刘工提到计算浮重度时候,水压力要乘1.35。如果仔细想想,这是不是一个很滑稽的现象?水的密度众所周知,而且重力加速度也是定值,怎么可能水压力就无缘无故加大10%35%了呢?即使是在两极和赤道的重力加速度相差也没那么大。(刘工好像突然明白为什么每次从赤道飞回家住一周就要胖10斤的原因了,长嘘一口气) 

不仅是大家和刘工,就是编写欧标的人也知道这个问题无从解决,所以特地拿出一条来规定(见EN1997-1 2.4.6.1(8)):

Design values ofground-water pressures may be derived either by applying partial factors to characteristic water pressures or by applying a safety margin to thecharacteristic water level in accordance with 2.4.4(1)P and 2.4.5.3(1)P. 

刘工试着揣摩编委会的想法,因为咱们考虑的是水压力对结构造成的影响,而不是关注水压力多大,所以如果要给一个极限状态,那么肯定要加一个放大系数,即对水压力产生的效应(如弯矩、轴力等)进行放大,而放大无非有两种方法,一是给水压力乘一个系数,二是把水位提高,等同于加一个系数。所以才产生了上面这一条里面说的两种方法。编委会这次是从结果出发逆向思维,大家要适应。 

刘工认为比较合理的是提高水位,依然使用1.0的系数。如果在使用阶段地下水位已经在地表了,那只能挥泪乘1.35了。两种方法的示意图如下,至于哪个更不利,也没有规律可循。



刘工本来想在这一讲把荷载、材料和几何尺寸全部讲完,但是无奈一下笔就想把老底都搬出来,所以分尽量在两次讲完,希望大家不要嫌啰嗦。

大家能读到这里的都是真爱,还是那句话,刘工在此讲的是对规范的理解,没有时间通篇讲,只能讲讲其中的重点和特色。如果大家还没有接触欧标,请大家一定要结合规范来读文章。也可以先收藏起来之后再读,别忘了顺手点个赞~

如果遇到任何问题或者有什么想法,欢迎私信或者发邮件给刘工eurocode@126.com

邵工——建筑结构工程师 Structural Engineer

建筑一网(www.jianzhu1.com)是一群同济大学毕业建筑和土木相关专业毕业的研究生和博士组成的技术团体。我们自2011年始即开始从事结构设计和研究工作, 积累了大量的研究成果和创新技术,并整理了对中国规范、FIDIC合同、欧洲规范和美国规范的总结笔记。此外, 团队还在结构产品领域有所研究,并推出了超薄夹层、板桁架、无檩网架、装配式厂房和装配式酒店等相关装配式产品。

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