第三章-侧压力

第三章侧压力内容提要第一节土的侧压力第二节水压力和流水压力第三节波浪荷载第四节冻胀力第五节冰压力第六节撞击力第一节、土的侧压力一、土侧压力的分类土的侧压力挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力土侧压力的大小及其分布规律挡土墙可能的运动方向；墙后填土的种类；填土面的形式；墙的截面刚度；地基的变形等土压力分类（墙的位移情况及墙后填土所处的状态）静止土压力E0主动土压力Ea被动土压力Ep1、静止土压力(earthpressureatrest)如果挡土墙在土压力作用下不发生移动或转动而保持原来位置，则墙后土体处于弹性平衡状态，此时墙背所受的土压力称为静止土压力—以符号E0表示2、主动土压力(activeearthpressure)当挡土墙在填土产生的土压力作用下向墙前移动和转动时，随着位移量的增大，作用于墙后的土压力逐渐减少，当位移量达某一（微量）值时，墙后土体处于主动极限平衡状态，此时作用于墙背上的土压力称为主动土压力—以符号Ea表示3、被动土压力(passiveearthpressure)当挡土墙在外荷载作用下推向土体时，随着墙向后位移量的增加，土体对墙背的反力也逐渐增加，当位移量足够大，直到土体在墙的推压下达到被动极限平衡状态时，作用于墙背上的土压力称为被动土压力—以符号Ep表示4、挡土墙土压力演示5、E0、Ea、Ep三者的关系（如图）试验研究表明：在相同条件下，主动土压力Ea小于静止土压力E0，而静止土压力E0又小于被动土压力Ep，即EaE0Ep，而且产生被动土压力所需的位移量p大大超过产生主动土压力所需的位移量a。EEaE0Epap墙体位移与土压力的关系二、土压力的计算1、静止土压力（E0）在填土表面下任意深度z处取出一微元体M，作用的应力（如图）：竖向的土自重应力z=z静止土压力强度0=k0z=k0z式中，k0—静止土压力系数，可近似按k0=1-sin/（/为土的有效内摩擦角）计算；—墙后填土容重，kN/m3。作用于单位墙长上的静止土压力：0221KHEa静止土压力的作用点在距墙底处H31大小：方向:作用点：静止土压力沿墙高为三角形分布竖向的土自重应力z=z静止土压力强度0=k0z=k0zzzM0HdzE01/3Hk0H静止土压力0的分布2、主动土压力Ea、被动土压力Ep朗金土压力理论（Rankine’searthpressuretheory）朗金土压力理论是根据半空间内的应力状态和土的极限平衡理论而得出的土压力计算方法。基本假定对象为弹性半空间土体填土面无限长不考虑挡土墙及回填土的施工因素挡土墙的墙背竖直（=0）、光滑（=0）、填土面水平（=0）、无超载墙背与填土之间无摩擦力，因而无剪力，即墙背为主应力面塑性主动状态当挡土墙离开土体向远离墙背方向移动时，墙后土体M有伸张的趋势，此时单元在水平截面上的法向应力z不变而竖向截面上的法向应x却逐渐减少（↓），直至满足极限平衡条件为止（称为主动朗金状态），此时x达最低限值a，因此，a是小主应力，而z是大主应力，并且莫尔圆与抗剪强度包线相切。挡土墙土压力演示此时滑动面的方向与大主压力z的作用面（即水平面）成=450+/2塑性被动状态当挡土墙在外力作用下挤压土体，水平截面上的法向应力z不变，x不断增加（↑），直至满足极限平衡条件（称为被动朗金状态）时x达最大限值p，这时，x=p是大主应力，而z是小主应力，并且莫尔圆与抗剪强度包线相切。挡土墙土压力演示此时滑动面的方向与小主压力z的作用面（即水平面）成=450-/2由土力学的强度理论可知，当土体中某点处于极限平衡状态时，大主应力1和小主应力3之间应满足以下关系式：粘性土1=3tg2(450+/2)+2Ctg(450+/2)或3=1tg2(450-/2)-2Ctg(450-/2)无粘性土1=3tg2(450+/2)或3=1tg2(450-/2)土体达主动极限平衡状态时，z=z不变，也即大主应力不变，而水平应力x是小主应力a，即1=z=z、3=a无粘性土a=ztg2(450-/2)或a=zka粘性土a=ztg2(450-/2)-2Ctg(450-/2)或aaaKCZK2ka—主动土压力系数，ka=tg2(450-/2)；—墙后填土的容重，kN/m3，地下水位以下用浮容重；C—填土的内聚力，kN/m2；z—所计算的点离填土面的深度。aaKHtgHE2222124521Ea通过三角形的形心，即作用在离墙底H/3处。粘性土的主动土压力强度包括两部分（如图）：一部分:aZK~由土自重引起的土压力无粘性土的主动土压力强度与高度成正比，沿高度的压力分布为三角形（如图），单位墙长的主动土压力为：另一部分:aKC2~由内聚力C引起的负侧压力2Czz0HaEaazdzH/3Eab(H-z0)/3HkaHka(a)主动土压力的计算(b)无粘性土（c)粘性土主动土压力强度a分布ak粘性土的侧压力分布仅是abc部分实际上墙与土在很小的拉应力作用下就会分离，故在计算土压力时可略去不计。a点离填土面的深度常称为临界深度，在填土面无荷载的条件下，可令式为零求得z0值，即：主动土压力Ea通过在三角形abc压力分布图的形心，即作用在离墙底(H-z0)/3处02aaaKCZK得:aKCZ20如取单位墙长计算，则主动土压力Ea为：aaaKCHKZHE2210或222221CKCHKHEaaa当墙受到外力作用而推向土体时，填土中任意一点的竖向应力z=z仍不变，而水平应力x却逐渐增大（↑），直至出现被动朗金状态，此时，x是最大限值p，因此p是大主应力，也就是被动土压力强度，而z则是小主应力，即3=z=z、1=p挡土墙土压力演示无粘性土：p=ztg2(450+/2)=zkp粘性土：p=z3tg2(450+/2)+2Ctg(450+/2)式中，kp—被动土压力系数，kp=tg2(450+/2)或pppKCZK2其余符号同前。zzHpdzHkp2CHkp(a)被动土压力的计算(b)无粘性土（c)粘性土被动土压力强度p分布pkppKHtgHE2222124521appKCHKHE2212无粘性土有粘性土无粘性土的被动土压力强度p呈三角形分布（如图）粘性土的被动土压力强度p呈梯形分布（如图）如取单位墙长计算，则被动土压力Ep可由下式计算：无粘性土：ppKHtgHE2222124521粘性土：appKCHKHE2212被动土压力Ep通过三角形或梯形分布图的形心第二节、水压力和流水压力一、水压力水对结构物的作用化学作用—对结构物的腐蚀或侵入物理作用—力学作用（结构物表面产生的静水压力和动水压力）静水压力符合阿基米德定律静水压力水平分量、竖向分量水平分量wz水深的直线函数竖向分量结构物承压面和经过承压面底部的母线到自由水平面之间的“压力体”体积的水重水压力总是作用于结构物表面的法线方向二、流水压力结构物表面上某点的水压力P=P静+P动瞬时的动水压力P动作用于结构物上的总动水压力（按面积F取平均值）：式中：Cp—压力系数；—脉动系数；—水的密度（kg/m2）；v—平均流速（m/s）。脉动压力221vppPP动动时段平均动水压力221vCPp动pPFFPW动动三、作用于桥墩上的流水压力计算流水压力合力的作用点：假定在设计水位线以下0.3倍水深处gVKAFw22—水的重力密度(3mkN)；V—设计流速，以sm计；A—桥墩阻水面积（2m），一般算至一般冲刷线处；g—重力加速度，取281.9sm；K—桥墩形状系数，方形桥墩5.1K矩形桥墩（长边与水流平行）3.1K圆形桥墩8.0K尖端形桥墩7.0K圆端形桥墩6.0K设计水位0.3HFwH桥墩桥墩上的流水压力作用点位置示意gVKAFw22第三节波浪荷载波峰波顶计算水位h/2浪高hh/2平均水位波谷波底波长1、波浪荷载~有波浪时水对结构物产生的附加应力2、波浪是一种波具有波的特性（图示）3、波浪荷载计算（当波高h0.5m时考虑波浪对构筑物的作用力）波浪的特性；构筑物类型；当地的地形地貌；海底坡度等根据经验确定构筑物的分类（L/=构筑物水平轴线长度/浪高波长）~P24，表3-1L/0.21.0桩柱墩柱直墙或斜坡2.0L12.0L1L直墙(L/1.0)上的波浪荷载计算考虑三种波浪：①立波②近区破碎波构筑物附近半个波长范围内（/2）发生破碎的波③远区破碎波距直墙半个波长以外（/2）发生破碎的波内侧p/1p1外侧海平面h+h0h-h0Hp/2p2（1）立波的压力--Sainflow方法（最古老、最简单）有限水深立波的一次近似解适用范围：H(水深)/=0.1350.20；h(浪高)/0.035波谷压强波峰压强0021hHhhhgHppHghp2cosh2Hhh2cosh2001hhgpHghpp2cosh22海平面Z=h1(波高)pmaxh1/3Hdb(db波浪破碎时的水深)bPmax/2(2)远区破碎波的压力-距直墙半个波长以外（/2）发生破碎破碎波对直墙的作用力≈相当于一股水流冲击直墙时产生的波压力h1—远区破碎波的波高；db—波浪破碎时的水深。作用于直墙上的最大压墙：gKp22max（P26，3-25）K—试验确定，一般取1.7；—波浪冲击直墙的水流速度（一般很难确定）—水的密度，kg/m3；g—重力加速度（9.81m/s2）。（3）近区破碎波的压力构筑物附近半个波长范围内（/2）发生破碎破碎波对直墙的作用力瞬时动水压力近区破碎波的压力计算方法Minikin法Minikin法最大动水压力发生在静水面；近区破碎波的压强=动水压强+静水压强动水压力分布呈抛物线分布，在hb/2静水面范围内，最大动水压强pm在静水面处。bmhDHgHp1100其中，hb—破碎波的波高；—对应于水深为D处的波长ypmhb/2动压强分布xhb/2静水面静压强分布psHD堆石基床静水压强分布ps0,5.020,215.0yghhyhyghpbbbbs第四节冻胀力一、冻土的概念具有负温或零温度（00c），其中含有冰，且胶结着松散固体颗粒的土体冻土的分类（按冻土存在的时间）多年冻土（或永冻土）~冻结持续时间3年的土层—约占全国总面积的21.5%季节冻土~每年冬季冻结，夏季全部融化的土层—约占全国总面积的75%瞬时冻土~冬季冻结状态仅持续几个小时至数日的土层二、冻土的性质冻土的基本成分固态的土颗粒+冰+液态水+气体、水气复杂的多相天然复合体结构构造：非均质、各相异性的多孔介质三、季节冻土与结构的关系冬季低温时结构物冻胀破坏开裂、断裂、严重者造成结构物倾覆等春季融化期间引起地基沉降，对结构产生变形作用四、土的冻胀原理土体冻胀三要素：水分+土质+负温度冰夹层、冰透镜层（聚冰现象）土体冻结不均匀膨胀向四面扩张的内应力（即冻胀力）（在封闭体系中）冰夹层、冰透镜层（聚冰现象）冰夹层、冰透镜层(聚冰现象)冻层膨胀冻结峰面（水分迁移）水分土的冻胀原理H五、冻胀力的分类切向冻胀力—作用于结构物基础侧面使基础产生向上拔力法向冻胀力no—垂直于基底冰结面和基础底面水平冻胀力ho—垂直于基础或结构物侧表面水平冻胀力ho法向冻胀力no切向冻胀力六、冻胀力的计