侧压力

2.2侧压力2.2.1土的侧向压力1.基本概念及土压力分类土的侧压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用，对墙背所产生的压力。土压力可分为静止土压力、主动土压力和被动土压力如图所示。1）静止土压力如果挡土墙在土压力作用下，不产生任何方向的位移和转动，则墙后土体处于弹性平衡状态，此时，挡土墙所受的土压力为静止土压力，用E0表示。如地下室的外墙。（2）主动土压力如挡土墙受到墙后填土的作用绕墙踵向外转动或平行移动，作用在墙背上的土压力从静止土压力逐渐减少，当墙的移动或转动达到某一数量时，填土内出现滑动面，土体出于极限平衡状态。此时墙背上的土压力称为主动土压力，用Ea表示。（3）被动土压力挡土墙受外力作用向着填土方向移动或转动，挤压墙后填土，填土对墙身的土压力，从静止土压力值开始逐渐增大，当墙的移动或转动量足够大时，填土内出现滑动面。土体内的应力处于被动极限平衡状态。此时墙背上的土压力称为被动土压力，用Ep表示。EaE0Ep静止土压力的计算：任意深度处的土压力：σ0=K0γZK0——为土的侧压力系数。取K0=1-sinφ’Φ’—土的有效内摩擦角。γ——土的重度，地下水位以下取有效重度。则：E0=1/2γH2K02、主动土压力：如：基础开挖中的围护结构。如图所示粘性土的主动土压力分布无粘性土的主动土压力分布以上各式中：取1m长挡土墙：无粘性土的土压力的合力：Ea通过三角形的形心，即作用在离墙底H／3处;由式(3—4)可知，粘性土的主动上压力包括两部分：一部分是由土自重引起的土压力γzKa，另一部分是由粘聚力引起的负侧压力2c，这两部分土压力叠加的结果如图所示，其中ade部分对墙体是拉力，计算时可略去不计，因此粘性土的土压力的分布仅是abc部分。3、被动土压力如果挡土墙在外力作用下，向墙背向移动或转动时，墙体挤压土体，墙后土逐渐增大，达到某一位移时，墙后土体上隆。此时土压力最大。土体达到被动状态时，可根据极限平衡理论得到被动土压力强度σp为：无粘性土：粘性土：式中：Kp——被动土压力系数。Kp=tan2（450+φ/2）其余符号意义同前。单位墙长，被动土压力的合力为：无粘性土：粘性土：被动土压力计算无粘性土被动土压力计算粘性土2.2.2水压力及流水压力1、静水压力水对结构物的力学作用表现在对结构物表面产生静水压力和动水压力。静水压力的分布符合阿基米德定律。可将静水压力分成水平及垂直分力。垂直分力等于结构物承压面和经过承压面底部的母线到自由水面所做的垂直面之间的“压力体”体积的水重。dxdywγ-——水的重度（KN/m2）2.2.2水压力及流水压力静水压力的水平分力：pA=γhA当液体表面作用有压强p0时，结构物上任意一点A的强为：pA=p0+γhA几种水压力的在结构上的分布模式：2.2.2水压力及流水压力2、流水压力在水流过结构物表面时，会对结构产生切应力和正应力。在一般的荷载计算中，考虑较多的是正应力：p=p静+p动瞬时动水压力：p=p静+p动+P’222'2vpvCppd动压力的作用还可能引起结构的振动，甚至使结构产生自激振动或共振，这对结构是非常有害的，结构设计时，必须加以考虑，以确保结构安全。2.2.3波浪荷载1、波浪的分类当风持续地作用在水面上时,就会产生波浪。有波浪时，水质点做复杂的旋转、前进运动。对结构物产生的附加应力称为波浪压力（波浪荷载）。波浪作为一种波，它具有波的一切特性，如波长λ、周期τ、波幅h(波浪力学中称为浪高)，如图3—7所示。影响波浪的形状和各参数值的因素有：风速v、风的持续时间t、水深H和吹程D(吹程等于岸边到构筑物的直线距离)。风速和风的持续时间都是随机变量。很难准确测定，因此在计算浪高时按暴风的风速和吹程的最不利组合来确定。2.2.3波浪荷载1、波浪的分类影响波浪性质的因素多种多样且多为不确定因素，波浪大小不一，形态各异。按波发生的位置不同可分为表面波和内波。现行波的分类方法如下：第一种分类方法是海洋表面的波浪按频率(或周期)排列来分类的。第二种分类方法是根据干扰力来分类的，如风波、潮汐波等。第三种分类方法是把波分成自由波和强迫波。自由波是指波动与干扰力无关而只受水性质的影响，当干扰力消失后，波的传播和演变照常进行；强迫波的传播既受干扰力的影响又受水性质的影响。第四种分类方法根据波浪前进时是否有流量产生把波分为输移波和振动波。输移波指波浪传播时伴随有流量，而振动波传播时则没有流量产生。振动波根据波前进的方向又可分为推进波和立波，推进波有水平方向的运动，立波没有水平方向的运动。2、波浪荷载的计算波浪对构筑物的荷载不仅和波浪的特性有关还和构筑物的型式和受力特性有关，而且当地的地形地貌、海底坡度等也对其有很大影响，现行确定波浪荷载的方法还带有很大的经验性。根据经验，一般情况下当波高超过0．5m时，应考虑波浪对构筑物的作用力。对不同型式的构筑物(参见表2—9)，波荷载的计算方法也不同。表2-9构筑物的分类直墙上的波浪荷载应按三种波浪进行设计：(1)立波；(2)近区破碎波，即构筑物附近半个波长范围内发生破碎的波。(3)远区破碎波，即距直墙半个波长以外发生破碎的波。①立波的压力计算直墙上立波荷载最古老，最简单的方法是sainflow方法，sainflow的解是有限水深立波的一次近似解，它的适用范围为相对水深只H／λ介于0.135——0.20之间，波陡h／λ=035。如果水深增大，计算结果偏大。下面介绍简化的sa1nflow的压强计算公式，同时给定一安全系数得到下列计算公式.(1)波峰压强：（2）波谷压强：式中符号如图2-20所示：表2-20简化的sainflow压强分布②远区破碎波的压力：如果直墙处海底有斜坡，使直墙水深减小，则波浪将在抵达直墙以前发生破碎。如果波浪发生破碎的位置距离直墙半个波长以外，这种破碎波就称为远区破碎波。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。实验表明，这种压力的最大值出现在静水面以上1/3h1处，h1为远区破碎波的波高。其沿直墙的压力分布为：向下，从最大压力开始按直线法则递减，到墙底处压力减为最大压力的1/2；向上，也是按直线法则递减，到静水位面以上Z＝h1时，波压力变为零，其分布如图3—9所示：2.2.3波浪荷载作用在直墙上的最大压强为：2.2.3波浪荷载λ1：直墙前远区破碎波的波长（m），假定波破碎前周期不变，则：2.2.3波浪荷载③近区破碎波的压力波浪在墙前半个波长范围内破碎时．会对墙体产生一个瞬时的动压力，动压力的数值可能很大，但持续时间很短。Bagnold曾对破碎波进行了实验研究，发现只有当破碎波夹杂着空气冲击直墙时，才会发生强烈的冲击压力。近区破碎波压力计算方法为Minikin法，Minikin提出最大压强发生在静水面，并由动静两部分压强组成。最大动压强的计算公式为：2.2.3波浪荷载近区破碎波的压强分布如图2-22所示。动水压强形成的总动压力Rm为：在确定作用在构筑物上的总的作用力时，还必须考虑因水位上升而引起直墙上的静水压强，静水压强的计算公式为：其中y为静水面到计算点的高度，规定向上为正，所以，作用在直墙上的总压力为：（2）圆柱体上的波浪荷载近海构筑物如采油平台等，常有许多圆柱形的构件组成．因此，波浪对圆柱体的作用在结构设计中必须严重关注，波浪对圆柱的荷载作用理论与直墙不同，在计算中按圆柱的几何尺寸把圆柱分为两类①当圆柱的直径D与波长λ之比D／λ＜0.2时，称为小圆柱体，②当圆柱的直径D与波长λ之比D/λ＞0.2时，称为大圆柱体：1)小圆柱体的波浪荷载计算:小圆柱体的荷载计算采用Morision的计算公式，Morision认为在非恒定流中的圆柱体，其受力有两部分组成：阻力和惯性力。阻力和惯性力的大小之比随条件的不同而变化，在某种条件下，阻力是主要的，而在另外条件下，惯性力是主要的。计算公式为：但在计算中选定恰当的CD、CM值是非常困难的，我国海港水文规范规定，对圆柱形体不考虑雷诺数的影响，CD均取1．2，CM取2.0，一般讲，惯性力系数CM比阻力系数CD稳定.2)大圆柱体的波浪荷载计算圆柱体尺寸较小时，波浪流过柱体时除产生漩涡外，波浪本身的性质并不发生变化，但如果圆柱尺寸相对于波浪来说较大时，当波浪流过圆柱时就会发生绕射现象，因此大圆柱体的受力不同于小圆柱体，其计算理论自然也不同于小圆柱体，而需按绕射理论来确定。2.2.4冻胀力1、冻土的概念、性质及与结构物的关系冻土的概念:凡含有水的松散岩石和土体，当温度降低到0℃和0℃以下时，土中孔隙水便冻结成冰，且伴随着析冰(晶)体的产生，胶结了土的颗粒，使土体抗外力的强度提高。因此，把具有负温度或零温度，其中含有冰，且胶结着松散固体颗粒的土，称为冻土。根据冻土存在的时间可将其分为以下三类：多年冻土(或称永冻土)——冻结状态持续两年或两年以上的土层；季节冻土——每年冬季冻结，夏季全部融化的土层；瞬时冻土——冬季冻结状态仅持续几个小时至数日的土层。冻土对结构物的影响：季节冻土与结构物的关系非常密切，在季节冻土地区修建的结构物由于土的冻胀的作用而造成各种不同程度的冻胀破环。主要表现在冬季低温时结构物开裂、断裂，严重者造成结构物倾覆等；春融期间地基沉降，对结构产生形变作用的附加荷载。2、土的冻胀原理土体产生冻胀的三要素是水分、土质和负温度，即土中含有足够的水分、水结晶成冰后能导致土颗粒发生位移、有能够使水变成冰的负温度。水分由下部土体向冻结峰面迁移，使在冻结面上形成了冰夹层和冰透镜体，导致冻层膨胀，地层隆起。含水量越大，地下水位越高(在毛细管上升高度内)，越有利于聚冰和水分的迁移。这种现象通常发生在颗粒较细的土中。建筑在冻胀土上的结构物，使地基上的冻胀变形受到约束，使得地基土的冻结条件发生改变，进而改变着基础周围土体温度，并且将外部荷载传递到地基土中改变地基土冻结时的束缚力。地基土冻结时产生的冻胀力将反映在对结构物的作用上，引起结构物的位移、变形。冻胀力分类：一般根据土体冻胀力对结构物的不同作用方向和作用效果，冻胀力分为切向冻胀力、法向冻胀力和水平冻胀力(图2—25)。(1)切向冻胀力：垂直于冻结峰面，平行作用于结构物基础侧表面，通过基础与冻土间的冻结强度，使基础随着土体的冻胀变形而产生向上的拔起力，这种作用于基础表面的冻胀力称为切问冻胀力，如图中的‘στ’。(2)法向冻胀力：垂直于基底冰结面和基础底面，当土冻结时，产生把基础向上抬起的冻结力，我们把这种垂直作用于基础底面的冻结力称为法向冻结力，如图中的σn。(3)水平冻胀力：垂直作用于基础或结构物侧表面，当基础周围的土体冻结时，会对基础产生水平方向的挤压力或推力，使基础产生水平方向的位移，这种力称为水平冻胀力，如图中的σh0。2.2.4冻胀力1、切向冻胀力的计算：T=στ×U×H式中T——总的切向冻胀力(kK)；U——与冻土接触的基础周长(m)H——与基础接触的冻深(m)。关于单位切向冻胀力στ的取值，国内外许多学者都进行了大量试验研究，已积累了许多经验值，如2008年颁布的《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)规定的‘στ’。2、法向冻胀力的计算：影响法向冻胀力的因素比较复杂，如冻土的各种特性，冻土层底下未冻土的压缩性，作用在冻土层上的外部压力，以及受冻胀作用和影响的结构物抗变形能力等，因此法向冻胀力随诸多因素变化而变化，不是固定不变的值，至今尚没有一个能全面体现诸因素的方法。下面仅介绍日本的一种计算方法。日本木下诚一根据冻胀力跟冻胀率成正比的关系，提出经验公式：其它计算方法可参考有关文献，如文献《道路桥梁冻害及其防治》。3、水平冻胀力的计算水平向冻胀力根据它的形成条件和作用特点可分为对称和非对称两种。对称性水平冻胀力成对的作用于结构物侧面，其作用如同静水压力，对结构稳定不产生影响。而非对称水平冻胀力作用于建筑物常大于主动土压力几倍甚至儿十倍，因此其计算具有十分重要的。水平冻胀力的计算至今没有一个确定的计算公式．大多取值是基于现场或室内测试给出的经验值。我国铁道部科学研究院西北研究所建议，细粒土的最大水平