侧压力

张丽丁以兵安徽工业大学工程结构荷载与设计方法（侧压力）Chapter31侧压力234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Ep51、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6土的侧压力7二、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8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92、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10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11ka—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—填土的粘聚力，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12土的侧压力13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14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。1516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17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18水压力和流水压力静水压力静水压力是指静止液体对其接触面产生的压力，在建造水闸、堤坝、桥墩、围堰和码头等工程时，必须考虑水在结构物表面产生的静水压力。静水压强具有两个特征：一是静水压强指向作用面内部并垂直于作用面；二是静止液体中任一点处各方向的静水压强都相等，与作用面的方位无关。静止液体任意点的压强由两部分组成：一部分是液体表面压强，另一部分是液体内部压强，在重力作用下，静止液体中任一点的静水压强p等于液面压强加上该点在液面以下深度h与液体重度的乘积，即任意点静水压强可用静止液体的基本方程表示：说明，静止液体某点的压强p与该点在液面以下的深度成正比。0pph19二、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20水压力和流水压力流体流动特征在某等速平面流场中，如图1一组流线互相平行的水平线，若在流场中放置一个固定的圆柱体，则流线在接近圆柱体时流动受阻，流速减小，压强增大。在到达圆柱体表面时，该流线流速为零，压强达到最大；随后从a点开始形成边界层内流动，即继续流来的流体质点在a点较高压强作用下，改变原来流动方向沿圆柱面两侧向前流动；在圆柱面a点到点b区间，柱面弯曲导致该区段流线密集，边界层内流动处于加速减压状态。过b点后流线扩散，边界层内流动呈现相反势态，处于减速加压状态。过c点后继续流来的流体质点脱离边界向前流动，出现边界层分离现象。边界层分离后，c点下游水压较低，必有新的流体反向回流，出现漩涡区，如图2所示。(a)截面突变(b)遭遇桥墩图1边界层分离图2漩涡区的产生21三、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K22设计水位0.3HFwH桥墩桥墩上的流水压力作用点位置示意gVKAFw2223波浪的破坏力-海啸24波浪的破坏力-海啸25波浪荷载26波浪荷载27波浪荷载28波浪荷载29波浪荷载30波浪荷载31波浪荷载32波浪荷载33波浪荷载34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35三、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，由于冰层及冰透镜体分布的不均匀，形成土层不均匀沉降是导致各类建筑物变形和破坏的重要原因。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）36H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冻胀力37六、冻胀力的计算1、切向冻胀力--按单位切向冻胀力取值单位切向冻胀力：平均单位切向冻胀力（kpa）相对平均单位冻胀力Tk(kN/m)一般按平均单位切向力计算（按《建筑桩基技术规范》JGJ94-94）与基础接触的冻深（m）总的切向冻胀力T=•U•H与冻土接触的基础周长（m）冻胀力382、法向冻胀力no--影响因素复杂，随诸因素变化而变化影响因素：冻土的各种特性；冻土层底下未冻土的压缩性；作用于冻土层上的外部压力；结构物抗变形能力等日本：no=E•=E•h/Hh—冻胀量；H—冻结深度；E—冻土弹性模量冻胀力393、水平冻胀力ho--没有确定的计算公式，按基于现场或室内测试给出的经验值细粒土的最大冻胀力：100150kpa粗粒土的最大冻胀力：50100kpa冻胀力40冰压力一、冰压力的概念位于冰凌河流和水库中的结构物（如桥墩等），由于冰层的作用对结构产生的压力二、冰压力的计算对具有竖向前棱的桥墩，冰压力可按下述规定取用：冰对桩或墩产生的冰压力标准值iktibtRmCFm—桩或墩迎冰面形状系数尖角形的迎冰面角度迎冰面形状系数平面圆弧形45度60度75度90度120度m1.00.900.540.590.640.690.7741tC-冰温系数冰温C0-10及以下tC1.02.0注(1)列表冰温系数可线性内插；(2)对海冰，冰温取结冰期最低冰温；对河冰,取解冻期最低冰温。b~桩或墩迎冰面投影宽度t~计算冰厚（m），可取实际调查的最大冰厚；ikR~冰的抗压强度标准值（2mkN），可取当地冰温C0时的冰抗压强度；当缺乏实测资料时，对海冰可取2750mkNRik；对河冰，流冰开始时2750mkNRik，最高流冰水位时可取2450mkNRik。冰压力的合力作用于计算结冰水位以下0.3倍冰厚处。冰压力42撞击力位于通航河流或有漂流物的河流中的桥梁墩台,设计时应考虑船舶或漂流物的撞击作用撞击作用标准值取用或计算当缺乏实际调查资料时，内河上船舶撞击作用标准值可按下表采用；四、五、六、七级航道内的钢筋混凝土桩墩，顺桥向撞击作用标准值可按下表所列数值的50%考虑。内河船舶撞击作用标准值内河航道等级船舶吨位DWT（t）横桥向撞击作用（kN）顺桥向撞击力（kN）一300014001100二20001100900三1000800650四500550450五300400350六100250