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力学在土木工程的实践

摘要:建筑与力学在人类不断进步中已形成密不可分的关系,力学在建筑领域拥有极强的实用价值。在阐述力学相关理论知识的基础上,进行探讨和分析力学在土木工程中的实践应用,以期更好地促进土木工程发展,并将力学这门知识的优势有效发挥,从而实现高效化的工程施工。
 
关键词:土木工程;力学:实践分析
 
力学与土木工程之间的关系是共同促进、相互发展。在土木工程中要想达到节约材料、稳定建筑结构则需要充分利用力学的优势,将力学理论在土建工程中充分应用,可以有效确保其施工建设的科学性[1]。为了促使建筑内部能够达到平衡,需要对建筑各个部件的受力状况实施有效的分析,而采用力学知识对土木工程建设进行剖析则是一种科学、高效的方法,不仅能够提升工程施工质量,对建筑领域的未来发展至关重要。力学理论是建筑施工中不可或缺的考虑因素,也是所有建筑的构造基础,而且在土建工程中还有着很好的发展前景。土木工程技术实践应用的科学性可以通过力学理论的不断进步来验证,同时,在土建项目中遇到疑难问题也可以通过实践研究探索出新的力学理论,从而进一步促进力学做出突破。经济的发展始终是社会整体进步的主要推动力,也是经济社会文化水平不断提升的关键要素。公众通过长期的研究和应用,归纳梳理出诸多经典理论,并且在土木工程建设实践过程中也总结出经典的施工方法,而这些力学理论知识在土木工程施工中经常会用到。
 
1力学基本内容
 
力是力学中的基础概念,当物体受到力的作用时这一物体同时会受到其他物体施加给的作用,物体运动形态的改变、物体的形变是该物体所受力的范围,依据该物体受力的状况又将其称之为施力物体、受力物体[2-3],总之,就是将物体间的相互作用定义为“力”。力的平衡、分解与合成是力学的主要内容,而在日常生活中我们往往通过力的方法解决实际问题,使各种疑难问题简单化,可见在实际中力学原理来源于实践生活,并且力学理论以及方法又广泛被生活中的各个领域所应用。
 
2力与建筑力学
 
力有许多种类,在力的性质上即便是同一名称的力,在很大程度上其性质也存在不同,而不同名称的力也可以是相同的,尽管在一定的状况下,无论是同一名称的力,还是不同名称的力其受力的状况在这两者之间是允许相互转化的。土木工程力学应用其研究的根本目的就是促使各个构成元素和物体的平衡度之间形成其稳定性和很强的刚度[4]。每一座成功的建筑物在设计过程中都是力求使用最小量原材料而获取最大的成功,同时也都经历着实践的考验,所以在施工前期这些因素需要设计者将其考虑进去,从而促使其在建筑施工中更加节约原材料,以实现土木工程的最大利益化。在土木工程建设中建筑力学属于基础,构成建筑力学主要有理论力学、结构力学、材料力学,而实现这三部分则需要在力学基础上来完成,只有良好的发展力学,才能够更好地解决土木工程建设中的一些实际问题。在极端条件下,工程施工前期采用实验的方式进行验证施土方案中的部分问题是难以获得证明的,那么又如何解决这些疑难问题呢?可以通过应用力学原理来解决这一过程中遇到的疑难杂症,由此在土木工程中可以确定包含的力学问题,这也能够更好地促进我国力学理论的不断发展。可见,建筑工程与力学之间有着密不可分的有机联系,两者共同促进发展。建筑力学的形成是建立在力学原理的基础之上,而力学原理又是一门基础学科,两者虽不能混为一谈,应在互补中共同进步。分析建筑结构的受力状况,在力学的基础上是能够最终确保研究结果的可靠性和准确性[5],力学是一门科学知识,如果在土木工程施工中脱离力学知识,则土木工程建筑就会失去根基的支撑,那么也就无法使建筑力学得到有效的应用。力学无论在何种状况下依然是土建工程项目技术理论的核心部分,不管是新的数值处理方法,还是新的分析方法力学理论知识都会是建筑领域中力学的突破方向。随着信息时代的快速发展,在土木工程技术中经济理论、新材料、控制理论、环境工程以及施工技术等指导理论仍然不断的持续发展,而在施工作业的全生命中土木工程技术也将会进行新的创新与变革。由于目前土木工程建设中现有的技术和施工方法还具有很大的局限性,表现在流体介质以及复杂结构状况下的受力分析方面,这就需要在力学理论基础上不断发展土木工程力学,使其从经验上升成为一门科学,推动建筑工程基础理论与工程实践都有了新的突破,使其耳目一新。时代的发展和进步离不开建筑力学,人类生活的方方面面如果没有建筑力学的发展,也就没有当代令人瞩目的现代化城市的建设,现代力学的发展推动了当代建筑文明,也成就了今天辉煌的建筑[6]。由于“力”是不能够被人类所看见的,而“力”的形成又是在生活的日积月累中不断总结归纳建立起来的。力学的发展同建筑学的发展是无法分割的,力学的强大作用之所以能够在建筑的发展过程中得以充分地体现出来,是因为建筑学的发展力学是其构成元素,同时,也是力学发展的关键载体。在土木工程技术中建筑力学的设计需要有主要的构成元素,才能够形成一个整体性的结构,在其结构中要求各元素之间各司其职,相互之间合理配置,尽可能地节约原材料。在土木工程技术的研究中,其整体结构与相应的构成元素是研究的主要对象,而组成这些部分的各个部件是构成这种整体结构的关键性元素,对于各个研究对象要充分了解元素与元素之间的实际属性。结构实际上就是中心的结构,也就是承担重任的一些骨架,像一些挡土墙或是土坝等。只有掌握扎实的力学方面的理论知识,在施工过程中将各个构件之间的利益才能够实现最大化。
 
3在土木工程的发展历程中力学的作用
 
结构是力学的体现、一种表现形式,而力学则是土木工程的根本。运用力学知识对建筑结构的合理性进行分析可以得到有效的验证,同时,对力学分析的准确性也可以得到进一步的证明。土木工程技术的发展经历了漫长的过程贯通古今,现已发展成为一门综合性的学科,在其发展过程中衍生出诸多的分支,而从基础学科专业的角度出发又分为六个专业,土木工程所具有的特性有着至关重要的作用。土木工程是一项系统的产业生产过程,不仅为公众生活的改善、国家经济的发展做出了极大的贡献,同时也提供了基础保障[7]。在诸多产业的振兴中都离不开土建工程施工建设,对这些产业的发展起到了推动作用。尤其是在房地产项目建设中促使其固定资产的形成,土木工程建设催生了建筑领域和房地产行业成为当地的领军产业。从人类出现开始,就进行着掘土为穴的作业活动,从原始的操作到如今移山填海的宏伟工程,人类不仅满足了生产活动的需要,对住和行的要求也在日趋增长。随着原始村落的出现,人们用天然掩蔽物搭起了居处,正是这一时期土木工程的萌芽时期开始了,由于经济条件的制约,虽然形成了发达期,但发展极为不平衡。无论怎样对于当时的工程建设它都是古代文明至关重要的组成部分。古代土木工程建设并没有系统的理论,也只是通过简单的工具进行劳作,在实践中通过日和月累不断总结经验,慢慢摸索而形成指导工程实践的成规。土木工程技术理论的形成时期是在15世纪以后,而伽利略对结构开始实施定量分析已经是17世纪中叶,这也标志着土木工程跨入近代。也就是从这时候起作为一门独立的学科土木工程有了自身的理论基础。18世纪后在土木工程领域先后引入了动力机械,施工工艺和工程建设应用的作业工具也出现了变革。在其后的300年间(17世纪中叶开始到二战结束),脱离了经验阶段,在理论和实践方面土木工程均臻于成熟,也建立起土木工程技术理论体系。理论的不断发展大大推动土木工程技术的成熟,新材料混凝土的出现不仅使工程结构形式发生新的变化,也产生了新的工程结构设计理论,促使其科学日渐完善,随之精密化的理论研究、工业化的施工环节、轻质高强化的材料也相继出现了新趋势,这些跨越都在向人们发出信号定量分析时期即将到来。到了近代突破了科学以总结经验为主、现象描述的古代框框,特别是1930年以后土木工程技术由法国的一名工程师在预应力混凝土中应用高强钢丝,促使施工技术向现代化迈进,这为世界经济的起飞提供了基础[8-9]。然而,也就是在此时间段,我国采取的是闭关锁国的政策,发展的脚步非常缓慢,随着洋务运动的出现我国引进西方技术,推动了土木工程快速发展,先后建成了200km长的京张铁路隧道工程,在技术理论上取得了很大的突破。当有外力作用在其上时,这个力会寻求新的“最优途径”传递到支承上面去,力作用到结构上的瞬间,先将其作为一动荷载,当应力波形成后会以不同的传播方式在结构中自然进行扩散,应力波传送到支承位置后产生反射,通过不同方向会集到一起的不同信息,“力”会根据这些信息对传力途径实施选择和调整,这一过程非常的短,所以在设计时要做到使传力途径尽可能的简单明了。力也有其特性,当结构中的某一应力量远远突破承载力指标时,根据“最大拉应力理论”此结构就会发生破坏,这种破坏就类似于生物界中的“弱肉强食”。例如钢结构的建筑,基本上是由稳定控制,假设一根长柱截面不对称,如果我们对其轴向施加压力,所给的压力值当达到一定时长柱受到轴向压力的作用,截面内便会失稳破坏,这说明了在对抗弯刚度较小的截面进行设计时,需要从整体性能来考虑,才能够提高结构的承载能力,对于整体结构来说,只是单个构件性能的改变其作用不大。因此,在修建建筑物前,在力学理论和原理的帮助下,利用模式实验仔细进行验证,能够较为准确地将建筑结构的特点与形式更深层的了解和掌握,有效避免地基受力不均衡现象的发生,只有合理运用力学方法,做好工程建筑方案的准备工作,才能够修建成令公众满意的建筑结构。
 
4力学在土木工程中的实践应用
 
力学在土建工程中的有效运用,不仅有利于提升土木工程项目的安全性能,还能够保证施工结构的完整性以及明确性,根据力学理论基础实施多个方面内容的拓展,重点要从建筑细节进行深入分析、力学知识体系的构建,在经济环保得到保障的基础上,融合现代设计理念对建筑构造实施创新设计,还需要对项目施工不同阶段的力的作用进行有效分析。
 
4.1压力在土木工程中的应用
 
在土木工程建设中力学基本知识压力、摩擦力以及重力等相关知识都能为其提供科学的理论支持,这些力学知识也是实际应用探究工作中至关重要的内容,更是对开展现代土木工程活动工作时必须关注的焦点。建筑物无论是建设的广度与宽度,还是工程的材料上在施工过程中都会受到最大承受压力的直接影响。在土木工程施工中通过将压力知识有效地进行运用,在不断扩大其施工应用范围的同时,很好的帮助土木工程结构增强稳定性。作一假设,如果项目工程对象为桥梁,受压状况则是关键的参考数据,所以应该以桥梁及桥墩为参考依据,而桥梁稳定性指标必须达到上述数据并以此为依据进行评估,只有桥梁稳定性指标达到规范标准时,施工质量才能够得到全面的保障。施工完成后相关工作人员依据测量数据对建筑物中的承压能力水平进行评定,确保建筑物整体质量达到规范标准。从分析中得出在土建工程施工中,压力在施工作业环节不仅仅只是建筑物验收评估的关键参考数据,作为一项重要指标,它对检验工程质量至关重要。对于整个工程能否达标通过质量评估,在其中压力起着决定的作用。
 
4.2摩擦力在土木工程中的应用
 
摩擦力作为固体力学中的动力学,对复杂结构的仿真分析将在工程设计中充分得到发展与实际应用。因此,摩擦力的相关知识在土木工程建设中也将被广泛得到应用。摩擦力在土木工程施工中的实际应用通常是施工过程中起吊材料所用的力通过滑轮的运动方向对其加以调整改变,相关工作人员在实际操作中可以将原有阻力进行转化,通过这样的改变,在工程建设中使其转化为材料运输的动力。通过对不同部件连接部位凭借扩大接触面,使施工过程中的接触面(压力面)的受压能力得到有效提高,在这一过程中摩擦力与重力同时起到关键作用,这就是摩擦力实际应用的具体体现,这也促使土木工程建筑的稳定性得到进一步的提高。在土木工程建设中科学合理地运用摩擦力,可以用一种更加有效的方式来促进建筑的稳定性提升,通过在施工技术中促使其实践运用,在很大程度上降低了施工成本。在新经济常态背景下力学理论知识在土建工程中得以充分应用,从目前我国土木工程各类型施土建设状况来看,力的有效运用推动了施工技术的持续发展,同时也促使其应用的范围更加广泛。
 
4.3重力在土木工程中的应用
 
采用力学原理解决实际遇到的问题,可以加快施工进度。而重力作为力学中最主要的部分应用于其中,以应用工具的形式对施工前后进行综合测试分析。与重力相关(下转第80页)从地质构造上看,该段两侧存在2个断裂破碎带,岩体受地质构造影响严重,岩体较破碎松散;通过钻孔取芯发现基岩为泥岩,泥岩地质条件在我国分布较广,具有吸水急剧膨胀、产生泥化、软化以及脱水开裂、收缩变形等特性,是极软岩类的一种。该段围岩为泥岩,遇水膨胀,围岩挤压在二衬背后产生水平推力,对隧道内电缆沟,水沟形成破坏,路面形成鼓包现象。4.2.3设计原因根据隧道右线K44+810.000—K44+600.000段施工图纸反映,该段围岩最大埋深41m,围岩等级为IVj,初期支护形式为16工字钢,间距80cm,二次衬砌为C30素混凝土,厚40cm。该段为中风化泥岩,遇水软化,软化后承载力下降,设计图纸中初支有工字钢,仰拱未设置工字钢初支未封闭成环,二衬无钢筋,仰拱与拱墙连接处整体性不强,结构受力不合理,通过与隧道内其他段落施工支护参数进行对比,该段设计支护参数偏弱,未能对隧道整体形成有效支护,导致隧道两侧发生沉降,对隧道路面形成破坏。综合分析,目前发生路面开裂的段落具有以下特点:围岩强度低,完整性差;另一方面受构造的影响地下水得到充足的补给,隧底泥岩遇水膨胀,发生变形并对路面施加压力;另一方面该段仰拱处未设置工字钢,二衬无钢筋,导致结构受力不合理。
 
5病害处置方案
 
5.1治理措施
 
根据隧道现场调查以及检测报告,参考国内外隧道路面开裂治理经验,对该隧道的病害段提出如下治理措施。总体施工流程按照半幅通车,半幅封闭施工的原则,首先封闭超车道,铣刨沥青路面,待清理完毕后,施做二衬边墙自进式锚杆,锚杆采用φ76自进式锚杆,纵向间距1.5m,长4m,外插角度约15°,注浆结束后施做路面自进式锚杆,该锚杆采用ϕ51mm自进式锚杆,间距采用2m×2m梅花形布置,长4m。注浆结束后,恢复沥青路面。然后封闭行车道,行车道施工作业流程按照超车道施工作业流程进行。待所有加固措施施工完成后,对因变形引起的二衬、电缆沟墙身裂缝进行处理恢复。
 
5.2施工方法
 
a.首先利用地质雷达扫描,确定初期支护工字钢位置,然后再确定钻孔位置,二衬边墙加固采用ϕ76自进式锚杆,间距1.5m。采用履带式潜孔钻机直接钻孔,钻孔深度4m。b.待锚杆钻进完成后,焊接注浆阀,并利用锚固剂对孔口锚杆周围进行封堵。c.采用注浆机向锚杆孔内注浆,浆液为42.5级水泥浆,浆体水灰比为1:1,注浆终压为0.5MPa。
 
6结束语
 
综上所述,隧道投入运营后,一旦出现病害,整治成本高、难度大,施工与运营相互干扰。因此,隧道病害重在预防,提高工程地质、水文地质勘测水平和质量,根据隧道实际条件采用先进可靠的预防病害的设计,这是做好隧道病害防治的基础和关键。
 
参考文献:
 
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作者:郭伟杰 单位:福建江夏学院
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