荷载与结构设计原理之侧压力

第5章侧压力荷载与结构可靠度兰州大学土木工程与力学学院王亚军2013年2月目前一页\总数六十二页\编于十七点本章内容§5.1土的侧向压力§5.2水压力及流水压力§5.3波浪荷载§5.4冻胀力§5.5冰压力§5.6撞击力目前二页\总数六十二页\编于十七点§5.1土的侧向压力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。土的侧压力是挡土墙承受的主要外荷载。5.1.1基本概念及土压力分类目前三页\总数六十二页\编于十七点挡土墙的分类按结构形式的不同挡土墙可分为:重力式挡土墙（PIC）轻型挡土墙（PIC）悬臂式扶壁式锚杆式加筋挡土墙目前四页\总数六十二页\编于十七点重力式挡土墙目前五页\总数六十二页\编于十七点悬臂式目前六页\总数六十二页\编于十七点扶壁式目前七页\总数六十二页\编于十七点锚杆式土墙目前八页\总数六十二页\编于十七点加筋挡土墙目前九页\总数六十二页\编于十七点加筋挡土墙目前十页\总数六十二页\编于十七点按照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。土压力的分类目前十一页\总数六十二页\编于十七点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或转动而保持原有位置，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，用E0表示。5.1.2土压力的概念及计算方法目前十二页\总数六十二页\编于十七点目前十三页\总数六十二页\编于十七点2、主动土压力如果挡土墙在土压力作用下，背离墙背方向移动或转动时，墙后土压力逐渐减小，当达到某一位移量值时，墙后土体开始下滑，作用在挡土墙上的土压力达到最小值，滑动楔体内应力处于主动极限平衡状态，此时作用在墙背的土压力称为主动土压力，用Ea表示。目前十四页\总数六十二页\编于十七点目前十五页\总数六十二页\编于十七点目前十六页\总数六十二页\编于十七点无粘性土：粘性土：（临界深度）（主动土压力系数）目前十七页\总数六十二页\编于十七点3、被动土压力如果挡土墙在土压力作用下，向墙背方向移动或转动时，墙体挤压土体，墙后土压力逐渐增大，当达到某一位移时，墙后土体开始上隆，作用在挡土墙上的土压力达到最大值，滑动楔体内应力处于被动极限平衡状态，此时作用在墙背的土压力称为被动土压力，用Ep表示。目前十八页\总数六十二页\编于十七点目前十九页\总数六十二页\编于十七点目前二十页\总数六十二页\编于十七点无粘性土：粘性土：（被动土压力系数）目前二十一页\总数六十二页\编于十七点4、填土面有均布荷载的土压力计算当挡土墙后的填土面上有均布荷载作用时，常将均布荷载换算成当量的土重，即将均布荷载用假想的土重代替。设当量土层厚度为h，则填土表面土压力强度为:墙底的土压力强度为：目前二十二页\总数六十二页\编于十七点目前二十三页\总数六十二页\编于十七点5、墙后填土为成土层的土压力墙后填土由性质不同的土层组成时，土压力将受到不同填土性质的影响，计算土压力时，第一层的土压力按匀质土计算，计算第二层的土压力时，将第一层土按重度换算成与第二层重度相同的当量土层来计算，然后按匀质土计算第二层土的土压力。各层土计算所采用的土压力系数是不同的。目前二十四页\总数六十二页\编于十七点6、填土中有地下水的土压力挡土墙后填土中有地下水时，地下水位以下填土重将因受到水的浮力而减小，计算时应该用有效重度（浮重度）g`，对粘性填土，地下水将使c、f值减小，从而使土压力增大，同时，地下水对墙背产生静水压力作用。目前二十五页\总数六十二页\编于十七点

目前二十六页\总数六十二页\编于十七点库仑土压力理论基本假定：挡土墙是刚性的，墙后填土是无粘性土；当墙身向前或向后移动时，产生主动或被动土压力的滑动楔体，沿着墙背和一个通过墙踵的平面发生滑动；滑动土楔体视为刚体。适用于：墙背倾斜、墙后填土不水平。目前二十七页\总数六十二页\编于十七点§5.2水压力及流水压力修建在河流、湖泊或在含有地下水和溶洞的地层中的结构物常受到水流的作用，水对结构物既有物理作用又有化学作用，化学作用表现在水对结构物的腐蚀或侵蚀作用，这里主要讨论物理作用。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。目前二十八页\总数六十二页\编于十七点目前二十九页\总数六十二页\编于十七点静水压力随水深按比例增加与水深呈线性关系；并总是作用在结构物表面的法线方向，水压力分布与受压面形状有关。目前三十页\总数六十二页\编于十七点5.2.1静水压力水深处为hA的任意一点的水压强为：如果液体不具有自由表面，而是在液体表面作用有压强p0，则：目前三十一页\总数六十二页\编于十七点5.2.2流水压力切应力：只有在水高速流动时，才表现出来；正应力：是由于水的重量和水流速度方向发生改变而产生，当水流过结构物时，水流方向会因结构物的构件形状而改变；目前三十二页\总数六十二页\编于十七点所以在确定结构物表面上的某点压力时，用静水压力和流水引起的动水压力之和来表示：瞬时的动水压力为时段平均动压力和脉动压力之和，因此上式还可改写成：平均动压力脉动压力目前三十三页\总数六十二页\编于十七点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倍水深处目前三十四页\总数六十二页\编于十七点

设计水位

0.3H

FwH

桥墩

桥墩上的流水压力作用点位置示意目前三十五页\总数六十二页\编于十七点§5.3波浪荷载5.3.1波浪的性质成波原因：风、潮汐、干扰。波浪特性：波长l、周期t、波幅h

。影响波浪特性的主要因素：风速v、风的持续时间t、水深H、吹程D目前三十六页\总数六十二页\编于十七点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。按波浪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：1）海洋表面的波浪按频率（或周期）排列来分类的；（毛细波、重力波、惯性波、行星波）2）根据干扰力来分类的，如风成波、潮汐波、船行波等；3）把波分成自由波和强迫波；4）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；5）根据水深的不同将波浪划分为深水波、中水波和浅水波。目前三十七页\总数六十二页\编于十七点5.3.2波浪荷载的计算目前三十八页\总数六十二页\编于十七点直墙上的波浪形式1）立波原始推进波冲击垂直墙面后与反射波互相叠加形成的一种干涉波。2）近区破碎波即构筑物附近半个波长范围内（/2）发生破碎的波。3）远区破碎波即距直墙半个波长以外（>/2）发生破碎的波。目前三十九页\总数六十二页\编于十七点目前四十页\总数六十二页\编于十七点33目前四十一页\总数六十二页\编于十七点目前四十二页\总数六十二页\编于十七点目前四十三页\总数六十二页\编于十七点目前四十四页\总数六十二页\编于十七点目前四十五页\总数六十二页\编于十七点目前四十六页\总数六十二页\编于十七点目前四十七页\总数六十二页\编于十七点圆柱体上的波浪荷载目前四十八页\总数六十二页\编于十七点目前四十九页\总数六十二页\编于十七点§5.4冻胀力5.4.1冻土的概念、性质及与结构物的关系1、冻土的概念

具有负温或零温度（0℃），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目前五十页\总数六十二页\编于十七点§5.4冻胀力5.4.1冻土的概念、性质及与结构物的关系2、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3、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目前五十一页\总数六十二页\编于十七点

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）

土的冻胀原理目前五十二页\总数六十二页\编于十七点5.4.3冻胀力的分类及其计算切向冻胀力—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目前五十三页\总数六十二页\编于十七点5.4.3冻胀力的分类及其计算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）

目前五十四页\总数六十二页\编于十七点目前五十五页\总数六十二页\编于十七点5.4.3冻胀力的分类及其计算2、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/H

（P32，3-36）

h—冻胀量；H—冻结深度；E—冻土弹性模量

目前五十六页\总数六十二页\编于十七点5.4.3冻胀力的分类及其计算3、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：100150kpa

粗粒土的最大冻胀力：50100kpa目前五十七页\总数六十二页\编于十七点§5.5冰压力5.5.1冰压力