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1、LOGO第第5 5章章 侧压力侧压力荷载与结构可靠度荷载与结构可靠度兰州大学土木工程与力学学院兰州大学土木工程与力学学院兰州大学土木工程与力学学院兰州大学土木工程与力学学院 王亚军王亚军王亚军王亚军20132013年年年年2 2月月月月本章内容本章内容5.1 土的侧向压力土的侧向压力5.2 水压力及流水压力水压力及流水压力5.3 波浪荷载波浪荷载5.4 冻胀力冻胀力5.5 冰压力冰压力5.6 撞击力撞击力 5.1 土的侧向压力土的侧向压力v土土的的侧侧向向压压力力是是指指挡挡土土墙墙后后的的填填土土因因自自重重或或外外荷荷载载作作用用对对墙墙背背产产生生的的土土压压力力。土土的的侧压力是挡土墙
2、承受的主要外荷载。侧压力是挡土墙承受的主要外荷载。5.1.1 5.1.1 基本概念及土压力分类基本概念及土压力分类 挡土墙的分类挡土墙的分类v按结构形式的不同挡土墙可分为:v重力式挡土墙（）v轻型挡土墙（）v悬臂式v扶壁式v锚杆式v加筋挡土墙重力式挡土墙重力式挡土墙悬臂式悬臂式扶壁式扶壁式锚杆式土墙锚杆式土墙加筋挡土墙加筋挡土墙加筋挡土墙加筋挡土墙n n按按照照挡挡土土墙墙的的位位移移情情况况和和墙墙后后土土体体所所处处的的应应力力状状态态，土土压压力力可可分分为为静静止止土土压压力力、主主动土压力和被动土压力。动土压力和被动土压力。 土压力的分类土压力的分类1 1、静止土压力、静止土压力v如
3、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 5.1.2 土压力的概念及计算方法土压力的概念及计算方法 2 2、主动土压力、主动土压力v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，用表示。无粘性土：无粘性土：粘性土：粘性土： （临界深度）（临界深度）（主动土压力系数）（主动土压力系数） 3 3、被动土压力、被动土
4、压力v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，用表示。无粘性土：无粘性土：粘性土：粘性土： （被动土压力系数）（被动土压力系数） 4 4、填土面有均布荷载的土压力计算、填土面有均布荷载的土压力计算v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v填土表面土压力强度为:v墙底的土压力强度为：5 5、墙后填土为成土层的土压力、墙后填土为成土
5、层的土压力v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。6 6、填土中有地下水的土压力、填土中有地下水的土压力v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。v v 库仑土压力理论库仑土压力理论v基本假定：基本假定：v挡土墙是刚性的，墙后填土
6、是无粘性土；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；滑动土楔体视为过墙踵的平面发生滑动；滑动土楔体视为刚体。刚体。v适用于：墙背倾斜、墙后填土不水平。适用于：墙背倾斜、墙后填土不水平。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
7、压力。v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。5.2.1 静水压力v水深处为的任意一点的水压强为：v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：5.2.2 流水压力切应力：只有在水高速流动时，才表现出来；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；构件形状而改变；所以在确定结构物表面上的某点压力时，用静水压力所以在确定结构物表
8、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：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：此上式还可改写成：平均动压力平均动压力脉动压力脉动压力作用于桥墩上的流水压力计算作用于桥墩上的流水压力计算 流水压力合力的作用点：流水压力合力的作用点： 假定在设计水位线以下假定在设计水位线以下0.30.3倍水深处倍水深处v 设计水位v 0.3Hv Hv 桥墩 v桥墩上的流水压力作用点位置示意5.3 5.3 波浪荷载波浪荷载5.3.1 5.3.1 波浪的性质波浪的性质成波原因：风、潮汐、干扰
9、。成波原因：风、潮汐、干扰。波浪特性：波长波浪特性：波长l、周期、周期t、波幅、波幅h 。影响波浪特性的主要因素：影响波浪特性的主要因素： 风速风速v、风的持续时间、风的持续时间t、水深、水深H、吹程、吹程Dv影响波浪性质的因素多种多样且多为不确定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：的分类方法如下：v1）海洋表面的波浪按频率（或周期）排列）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、行来分类的；（毛细
10、波、重力波、惯性波、行星波）星波）v2）根据干扰力来分类的，如风成波、潮汐）根据干扰力来分类的，如风成波、潮汐波、船行波等；波、船行波等；v3）把波分成自由波和强迫波；）把波分成自由波和强迫波；v4）根据波浪前进时是否有流量产生把波分）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；为输移波和振动波；v5）根据水深的不同将波浪划分为深水波、）根据水深的不同将波浪划分为深水波、中水波和浅水波。中水波和浅水波。5.3.2 5.3.2 波浪荷载的计算波浪荷载的计算直墙上的波浪形式直墙上的波浪形式1）立波）立波原始推进波冲击垂直墙面后与反射波互相叠加原始推进波冲击垂直墙面后与反射波互相叠加形成的一
11、种干涉波。形成的一种干涉波。2）近区破碎波）近区破碎波即构筑物附近半个波长范围内（即构筑物附近半个波长范围内（/2）发生）发生破碎的波。破碎的波。3）远区破碎波）远区破碎波即距直墙半个波长以外（即距直墙半个波长以外（ /2）发生破碎的波。）发生破碎的波。33圆柱体上的波浪荷载5.4 冻胀力冻胀力5.4.1 5.4.1 冻土的概念、性质及与结构物的关系冻土的概念、性质及与结构物的关系1 1、冻土的概念、冻土的概念 具具有有负负温温或或零零温温度度（00），其其中中含含有有冰冰，且且胶胶结结着着松松散散固体颗粒的土体固体颗粒的土体 冻土的分类（按冻土存在的时间）冻土的分类（按冻土存在的时间） 多年
12、冻土（或永冻土）多年冻土（或永冻土） 冻结持续时间冻结持续时间3 3年的土层年的土层 约占全国总面积的约占全国总面积的21.5%21.5% 季节冻土季节冻土 每年冬季冻结，夏季全部融化的土层每年冬季冻结，夏季全部融化的土层 约占全国总面积的约占全国总面积的75%75% 瞬瞬时时冻冻土土 冬冬季季冻冻结结状状态态仅仅持持续续几几个个小小时时至至数数日日的的土层土层5.4 冻胀力冻胀力5.4.1 5.4.1 冻土的概念、性质及与结构物的关系冻土的概念、性质及与结构物的关系2 2、冻土的性质、冻土的性质 冻土的基本成分冻土的基本成分 固固态态的的土土颗颗粒粒 + + 冰冰 + + 液液态态水水 +
13、+ 气气体体、水水气气复复杂杂的的多多相相天然复合体天然复合体结构构造：非均质、各相异性的多孔介质结构构造：非均质、各相异性的多孔介质3 3、季节冻土与结构的关系、季节冻土与结构的关系 冬冬季季低低温温时时结结构构物物冻冻胀胀破破坏坏 开开裂裂、断断裂裂、严严重重者者造造成成结构物倾覆等结构物倾覆等 春季融化期间引起地基沉降，对结构产生变形作用春季融化期间引起地基沉降，对结构产生变形作用 土体冻胀三要素：水分土体冻胀三要素：水分 + + 土质土质 + + 负温度负温度 冰夹层、冰透镜层（聚冰现象）冰夹层、冰透镜层（聚冰现象） 土土体体冻冻结结不不均均匀匀膨膨胀胀向向四四面面扩扩张张的的内内应应
14、力力（即冻胀力）（在封闭体系中）（即冻胀力）（在封闭体系中）5.4.2 5.4.2 土的冻胀原理土的冻胀原理5.4.3 5.4.3 冻胀力的分类及其计算冻胀力的分类及其计算切向冻胀力切向冻胀力作用于结构物基础侧面使基础产生向上拔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法向冻胀力垂直于基底冰结面和基础底面垂直于基底冰结面和基础底面水平冻胀力水平冻胀力垂直于基础或结构物侧表面垂直于基础或结构物侧表面5.4.3 5.4.3 冻胀力的分类及其计算冻胀力的分类及其计算1 1、切向冻胀力、切向冻胀力 按单位切向冻胀力取值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单位切向冻胀力：平均
15、单位切向冻胀力 （）（） 相对平均单位冻胀力相对平均单位冻胀力()() 一般按平均单位切向力计算（按建筑桩基技术规范一般按平均单位切向力计算（按建筑桩基技术规范94-94-9494） 与基础接触的冻深（与基础接触的冻深（m m） 总的切向冻胀力总的切向冻胀力 U U H H 与冻土接触的基础周长（与冻土接触的基础周长（m m） 5.4.3 5.4.3 冻胀力的分类及其计算冻胀力的分类及其计算2 2、法向冻胀力、法向冻胀力 影响因素复杂，随诸因素变化而变化影响因素复杂，随诸因素变化而变化 影响因素：冻土的各种特性；影响因素：冻土的各种特性； 冻土层底下未冻土的压缩性；冻土层底下未冻土的压缩性；
16、作用于冻土层上的外部压力；作用于冻土层上的外部压力； 结构物抗变形能力等结构物抗变形能力等 日本：日本： E E （P32P32，3-363-36） h h冻胀量；冻胀量； H H冻结深度；冻结深度； E E冻土弹性模量冻土弹性模量 5.4.3 5.4.3 冻胀力的分类及其计算冻胀力的分类及其计算3 3、水平冻胀力、水平冻胀力 没没有有确确定定的的计计算算公公式式，按按基基于于现现场场或或室室内内测测试试给给出出的的经经验验值值 细粒土的最大冻胀力：细粒土的最大冻胀力： 100 100 150150 粗粒土的最大冻胀力：粗粒土的最大冻胀力： 50 50 1001005.5 冰压力冰压力5.5.1 冰压力的概念及分类v一般说来冰荷载分为：一般说来冰荷载分为：v1 1）河流流冰产生的冲击冰压力；）河流流冰产生的冲击冰压力；v2 2）冰堆整体推移的静压力；）冰堆整体推移的静压力；v3 3）由于风和水流作用大面积冰层而产生的静）由于风和水流作用大面积冰层而产生的静压力；压力；v4 4）冰覆盖层受温度影响膨胀时产生的静压力；）冰覆盖层受温度影响膨胀时产生的静压力；v5 5）冰层因水位升降产生的竖向作用力；）冰层因水位升降产生的竖向作用力；5.5.2 冰压力的计算（极限冰荷载）5.6 撞击力撞击力LOGOThank You !兰州大学兰州大学http:/LOGO演讲完毕，谢谢观看！
