第3章-侧压力.

第1篇工程结构荷载第1篇工程结构荷载第1章荷载类型第2章重力第3章侧压力第4章风荷载第5章地震作用第6章其他作用23.1土的侧向压力3.2水压力及流水压力3.3波浪荷载3.4冻胀力3.5冰压力3.6撞击力第3章侧压力3一、基本概念定义：土的侧向压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的土压力。由于土压力是挡土墙的主要外荷载，因此，设计挡土墙时首先要确定土压力的性质、大小、方向和作用点。土压力的计算是一个比较复杂的问题。土压力的大小及分布规律受到墙体可能的移动方向、墙后填土的性质、填土面的形式、墙的截面刚度和地基的变形等一系列因素的影响。3.1土的侧向压力4分类：根据挡土墙的位移情况和墙后土体所处的应力状态，土压力可分为静止土压力、主动土压力和被动土压力。3.1土的侧向压力5二、基本原理一般土的侧向压力计算采用朗肯土压力理论或库伦土压力理论，这里以较为普遍的朗肯土压力理论为例，介绍土体侧向压力的基本原理及计算公式。朗肯通过研究弹性半空间土体在自重作用下，由于某种原因而处于极限平衡状态时的受力，提出了土压力计算方法。3.1土的侧向压力6朗肯土压力理论的基本假设如下：(1)对象为弹性半空间土体；(2)不考虑挡土墙及回填土的施工因素；(3)挡土墙墙背竖直、光滑，填土面水平，无超载。根据这些假设，墙背与填土之间无摩擦力，因而无剪应力，即墙背为主应力面。3.1土的侧向压力71.弹性静止状态3.1土的侧向压力83.1土的侧向压力92.塑性主动状态3.1土的侧向压力103.塑性被动状态3.1土的侧向压力11三、土压力的计算1.静止土压力3.1土的侧向压力122.主动土压力主动土压力的计算（强度）示意图3.1土的侧向压力133.1土的侧向压力143.被动土压力被动土压力的计算（强度）示意图3.1土的侧向压力153.1土的侧向压力163.1土的侧向压力173.1土的侧向压力18一、静水压力定义：静止的液体对其接触面产生的压力。特点：静水压力总是作用在结构物表面的法线方向计算：pA=p0+ghA3.2水压力及流水压力19其它几种水压力在结构物上的分布模式203.2水压力及流水压力二、动水压力v当水流过结构物表面时，会对结构物产生切应力和正应力。•切应力只有在水高速流动时，才表现出来。•正应力=静水压力+动水压力213.2水压力及流水压力223.2水压力及流水压力一、波浪的性质成波原因：风、潮汐波浪特性：波长l、周期t、波幅h——波浪参数233.3波浪荷载ü影响波浪特性的主要因素有：风速v；风的持续时间t；水深H和吹程D。二、波浪荷载的计算注：L——构筑物水平轴线长度；l——波浪波长。243.3波浪荷载直墙上的波荷载与波浪的形式有关：立波——上下振动（没有水平方向运动）的波近区破碎波——构筑物附近半个波长范围内发生破碎的波远区破碎波——距构筑物半个波长范围以外发生破碎的波253.3波浪荷载263.3波浪荷载简化的Sainflow直墙上立波压强分布273.3波浪荷载2)远区破碎波的压力远区破碎波在直墙上的压强分布283.3波浪荷载293.3波浪荷载303.3波浪荷载3)近区破碎波的压力远区破碎波在直墙上的压强分布(Minikin)313.3波浪荷载近区破碎波会对墙体产生一个瞬时的动压力，动压力数值可能很大，但持续时间很短。最大动压强323.3波浪荷载动压力抛物线分布，总动压力为：波浪作用在墙上时，因水位上升而增加的静水压力为：333.3波浪荷载3mbmphR24bbtmghhRRH三、圆柱体上的波浪荷载（1）小圆柱体（L/l≤0.2）的波浪荷载计算343.3波浪荷载（2）大圆柱体（L/l0.2）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，但如果圆柱体尺寸相对于波浪来说较大时，当波浪流过圆柱体时就会发生绕射现象，其波浪荷载的计算非常复杂353.3波浪荷载36补充材料：波浪三要素波高2hl—从波峰到波谷的高差波长2Ll—从波峰到波峰的距离波浪中心线高度h0—波浪中心线距静水面的高度37补充材料：水面波的分类根据坝前水深与波长的关系可以分为以下三类：深水波——坝前水深大于半波长，HLl，波长运动不受库底约束浅水波——坝前水深小于半波长而大于临界水深H0，即LlHH0，这时波浪运动受库底影响破碎波——坝前水深小于临界水深，HH0，波浪发生破碎38补充材料：波浪要素的计算影响波浪的因素较多，主要是吹程和风速。我国重力坝规范规定用官厅水库公式计算波浪三要素，适用于山区峡谷水库，库缘地势高峻，水库吹程1～13Km，风速1～16m/s的情况。2hl＝0.0166V1.25D0.33——单位：m2Ll＝10.4（2hl）0.8——单位：m式中，V——计算风速，m/sD——吹程，km，通常为在库水面高程，沿着风向，从坝到对岸的最大直线距离。当库面特别狭窄时，则不超过水面平均宽度的5倍。39补充材料：波浪要素的计算（续）关于风速对于正常蓄水位和设计洪水时，采取相应洪水期多年平均最大风速的1.5～2.0倍；对于校核水位，采用相应洪水期多年平均最大风速。40补充材料：波浪水压力计算深水波情况如图所示，HLl，分布见图，用下式计算41补充材料：波浪水压力计算（续）浅水波情况，如图所示，0lHHL42补充材料：波浪的破坏力—海啸海啸是由于大规模海水水下骚动而产生的一系列巨大的波浪。海啸的范围通常不大，但其转移速度确可快至每小时500英里，海浪也可高达100英尺。海啸发生在大量海水突然被置换或转移时。海啸形成的原因主要有三个：地震活动，海下的山崩，以及宇宙的影响地震活动：地震活动是海啸最主要的原因。在海洋中或在海洋附近，在地震的形成或减弱时都会发生海啸。在地震发生时，海底板变形，造成海水移位。在地震减弱时，地壳板块之间相互滑动，造成大量的旋流，而引发了大量海水的置换和转移。43补充材料：波浪的破坏力—海啸44补充材料：波浪的利用—TLD调谐液体阻尼器（TunedLiquidDamper,TLD）属于被动控制装置中的吸振器减振体系。TLD主要分为两大类，第一类TLD是一种矩形或圆柱形截面的水箱，第二类TLD是一种具有U型形状的管状水箱。TLD的原理：TLD实际上是一种固定在结构上的半充满液体的水箱，它主要利用水箱中液体的晃动和部分耗能来减轻结构的振动反应。TLD的减振原理是，结构在外部动力荷载作用下发生振动时带动水箱一起运动，水箱运动又导致其中的液体发生晃动并对水箱侧壁产生动压力差，该动压力差反作用于结构上就成为TLD对结构的控制力或减振力，同时，液体的晃动也消耗了一部分能量，从而达到减小结构振动反应的目的。453.4冻胀力一、冻土的概念、性质及与结构物的关系冻土的概念：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。含有水的松散岩石和土体，当温度降低到0°C和0°C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冻土基本成分：固态的土颗粒、冰、液态水、气体和水汽冻土性质：冻土是一种复杂的多相天然复合体，结构构造上也是一种非均质、各相异性的多孔介质。其中，冰与土颗粒之间的胶结程度及其性质是评价冻土性质的重要因素。当冻土被作为结构物的地基或材料时，冻土的含冰量及其所处的物理状态尤为重要。土体的冻胀及其特性既受到土颗粒大小的影响，也受到土颗粒外形的影响463.4冻胀力冻土的分类(按冻结状态持续时间长短分)1)多年冻土（或称永冻土）——冻结状态持续三年以上的土层；2)季节冻土——每年冬季冻结，夏季全部融化的土层；3)瞬时冻土——冬季冻结状态仅持续几个小时至数日的土层；每年冬季冻结，夏季融化的地表（浅层土体），在多年冻土地区称之为季节融化层；在季节冻土地区称之为季节冻结层（即季节冻土层）冻土与结构物的关系ü冻土抵抗外力的强度提高；ü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坏。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473.4冻胀力二、土的冻胀原理土冻胀三要素：水分、土质、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锋面迁移，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，冻胀程度越大土体冻结时，土颗粒之间相互隔离，产生位移，使土体体积产生不均匀膨胀在封闭体系中，由于土体初始含水量冻结，体积膨胀产生向四面扩张的内应力，这个力称为冻胀力，冻胀力随着土体温度的变化而变化在开放体系中，分凝冰的劈裂作用，使地下水源源不断的补给孔隙水而侵入到土颗粒中间，使土颗粒被迫移动而产生冻胀力。当冻胀力使土颗粒扩展受到束缚时这种反束缚的冻胀力就表现出来，束缚力越大，冻胀力也就越大。当冻胀力达到一定界限时，就不产生冻胀，这时的冻胀力就是最大冻胀力483.4冻胀力建筑在冻胀土上的结构物，使地基土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。三、冻胀力的分类及其计算土体冻结时，体积膨胀产生向四周扩张的内应力，这个力称为冻胀力。冻胀力的分类：①切向冻胀力;②法向冻胀力;③水平向冻胀力。493.4冻胀力作用在结构物基础上的冻涨力分类示意图503.4冻胀力1.切向动胀力的计算513.4冻胀力2.法向动胀力的计算式中—法向冻胀力(kPa)—冻胀量(cm)—冻结深度(cm)—冻力的弹性模量(kPa)0nhEH0nhHE523.4冻胀力2.水平动胀力的计算细粒土：100~150kPa粗粒土：50~100kPa533.5冰压力一、冰压力概念及分类冰压力：位于冰凌河流和水库中的结构物,如桥梁墩台,由于冰层的作用对结构产生一定的压力,称此压力为冰压力。动冰压力：流冰的冲击作用。静冰压力：1)冰堆整体推移的静压力。当大面积冰层以缓慢的速度接触结构物时，受阻于结构而停滞，形成冰层或冰堆现象，结构物受到挤压，并在冰层破碎前的一瞬间对结构物产生最大压力。其值按极限冰压合力公式计算2)由于风和水流作用于大面积冰层产生的静压力。由于风和水流的作用，推动大面积冰层移动对结构物产生静压力，可根据水流方向及风向，考虑冰层面积来计算3)冰覆盖层受温度影响膨胀时产生的静压力543.5冰压力二、冰压力的计算55补充材料—静冰压力(staticicepressure)寒冷地区，水库表面在冬季会结成冰盖，当气温回升时，冰盖发生膨胀，因而对挡水建筑物表面产生压力，称为静冰压力。静冰压力值与冰盖厚度、长度、气温上升率以及开始升温时冰盖的温度等有关。目前，尚无合理的公式用来计算静冰压力，一般参照下表采用。56比如，-25℃开始以2.5℃/h升温时，静冰压力为(20～28)×104Pa冰压力对于重力坝并不重要，而对于低坝、闸墩、胸墙等结构物，往往成为比较重要的荷载。为避免过大的冰压力，可采用防冰、破冰措施。57补充材料—动冰压力(dynamicicepressure)冰块破碎后，受风或者流水的作用而漂移，撞击在坝面或闸墩上时，产生冲击压力，称为动冰压力。58补充材料—动冰压力的计算公式当冰的运动方向垂直或接近垂直于铅直坝面时，动冰压力值Pbd（kN）可按下式计算：Kb——系数，决定于流冰的抗碎强度Rb值Kb＝4.3，Rb＝1MPa；Kb＝3.0，Rb＝0.5MPa；Kb＝2.36，Rb＝0.3MPaVb——冰块流速，一般不大于0.6m/s；db——冰块厚度（m）；Ab——冰块面积（m2）59