第03章_侧压力

1、1第第3 3章章 侧向力侧向力 土的侧向压力土的侧向压力 水压力及流水压力水压力及流水压力 波浪荷载波浪荷载 冻胀力冻胀力 冰压力冰压力 撞击力撞击力23.1 土的侧向压力土的侧向压力3.1.1 基本概念及土压力的分类基本概念及土压力的分类 定义：土的侧向压力是指挡土墙后的填土因自重定义：土的侧向压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用而对墙背所产生的侧向压力。（土压力）或外荷载作用而对墙背所产生的侧向压力。（土压力） 土压力是挡土墙的主要外荷载，设计挡土墙时首土压力是挡土墙的主要外荷载，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，其计先要确定土压力的性质、大小、方向和作用点，其计

2、算是一个比较复杂的问题。土压力的大小及分布规律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、填土面受到墙体可能的移动方向、墙后填土的性质、填土面形式、墙的截面刚度和地基的变形等一系列因素影响。形式、墙的截面刚度和地基的变形等一系列因素影响。3土压力的分类土压力的分类分类：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静止土压力、主动土压力主动土压力和被动土压力被动土压力。静止土压力静止土压力：当挡土墙静止不动，土体处于弹性平衡状态时，土对墙的压力称为静止土压力，用E0表示。 静止土压力静止土压力 主动土压力主动土压力 被动土压力被动

3、土压力D0D 静止土压力 主动土压力。53.1.2 3.1.2 基本原理基本原理 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。 朗肯土压力理论朗肯土压力理论由朗肯1857年根据半空间体的应力状态应力状态和土的极限平衡理论和土的极限平衡理论得出的土压力计算理论。此理论假设墙背直立、光滑，墙后填土面水平，这时墙背与填土界面上的剪应力为零，当挡土墙的变位符合上述主动或被动极限平衡条件时，作用在挡土墙墙背上的土压力即为朗肯主动土压力或朗肯被动土压力。 库仑土压力理论库仑土压力理论由库仑在1773年提出。此理论假设挡土墙是刚性的，墙后填土为无粘性土。挡墙受主动土压力或被动土压力时，墙后土体均

4、处于整体极限平衡状态，按刚体极刚体极限平衡条件限平衡条件算出主动土压力及被动土压力值。6 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极限平衡状态时的受力，提出了土压力计算方法。朗肯土压力理论朗肯土压力理论朗肯土压力理论的基本假设如下： 研究对象为弹性半空间土体； 不考虑挡土墙及回填土的施工因素； 挡土墙墙背竖直、光滑，填土面水平、无超载。 根据以上假设可知，墙背与填土之间无摩擦力，因而无剪应力，即墙背为主应力面主应力面。7土的抗剪强度与法向应力的关系土的抗剪强度与法向应力的关系tgcf土的抗剪强度与法向应力的关系为8土的极限平衡条件土的极限平衡条件sin RDAD土

5、的极限平衡条件：强度曲线与莫尔圆相切根据图中的几何关系，有对于粘性土2/ )(31ADcctgRD2/ )(31整理后得：对于无粘性土，取c=0)245(2)245(231tgctg)245(2)245(213tgctg或91.1.弹性静止状态弹性静止状态 当挡土墙后无位移时，墙后土体处于弹性静止状态，如图3-2(a)示，则作用在墙背上的应力状态与弹性半空间土体应力状态相同，即在距填土面深度z处各应力状态为：竖向应力：z=1=g z水平应力：x=3=K0g z 式中0静止土压力强度。水平和竖直向的剪应力均为零。用1和3作成的摩尔应力圆与土的抗剪强度曲线不相切，如3-2(d)中圆所示。10被动被

6、动主动主动静止静止被动被动主动主动112.2.塑性主动状态塑性主动状态 当挡土墙向远离土体方向移动时，墙后土体有伸张趋势，如图3-2(b)示，此时z不变，x随墙体位移增加而逐渐减小，直到墙后土体达到塑性极限平衡状态，水平应力达到最小值，为主动土压力强度a，此时墙背上土的应力状态为：竖向应力：z=1=常数水平应力：x=3= a 用1和3作成的摩尔应力圆与土的抗剪强度曲线相切，如图3-2(d)中圆所示。土体形成一系列剪裂面，面上各点都处于极限状态，这种状态为主动朗肯状态。滑裂面方向与大主应力作用面（水平面）成角a245a123.3.塑性被动状态塑性被动状态当挡土墙在外力作用下挤压土体时，墙后土体处

7、于塑性被动状态 ，如图3-2(c)示，此时z不变，x随墙体位移增加而逐渐增大，直到墙后土体达到塑性极限平衡状态，水平应力达到最大值，为被动土压力强度p，此时应力状态为：竖向应力：z=3=常数水平应力：x=1=p 用1和3作成的摩尔应力圆与土的抗剪强度曲线相切，如图3-2(d)中圆所示。土体形成一系列剪裂面，面上各点都处于极限状态，这种状态为被动朗肯状态。滑裂面方向与大主应力作用面（水平面）成角a245a133.1.3 3.1.3 土压力的计算土压力的计算1.静止土压力式中K0静止土压力系数； 土的有效内摩擦角； 墙后填土的重度， 地下水位以下取有 效重度，kN/m3。zKKzxg000sin1

8、0KKHE02021g14zKaxag245tan2KaKHEaa221gKczKaaxa2gggcKcHKHEaaa222221Kczag20式中式中Ka 主动土压力系数；主动土压力系数； c c 填土的粘聚力，填土的粘聚力，kPakPa无粘性土：无粘性土：有粘性土：有粘性土：2.2.主动土压力主动土压力15zKpxpg245tan2KpKHEpp221gKczKppxp2gKcHKHEppp2212g式中式中Ka 主动土压力系数；主动土压力系数； c c 填土的粘聚力，填土的粘聚力，kPakPa无粘性土：无粘性土：有粘性土：有粘性土：2.2.被动土压力被动土压力Ep16【例【例3-1】已知

9、某挡土墙高】已知某挡土墙高H=8.0m，墙背竖直、光滑，墙，墙背竖直、光滑，墙后填土表面水平，为无粘性中砂，重度后填土表面水平，为无粘性中砂，重度=18.0kN/m3，内，内摩擦角摩擦角 ，试计算作用在该挡土墙上的静止土压力，试计算作用在该挡土墙上的静止土压力E0和主动土压力和主动土压力Ea。【解】【解】1.静止土压力静止土压力 作用点：距墙底作用点：距墙底H/3=2.67m处。处。 2.主动土压力主动土压力 作用点：距墙底作用点：距墙底H/3=2.67m处。处。kN/m0 .19223045tan0 . 80 .182121222KHEaagkN/m0 .28830sin10 . 80 .1

10、821212020KHEg03017库仑土压力理论库仑土压力理论基本假设：挡墙刚性，墙后为无粘性土；墙后沿墙踵形成滑动楔体，且滑面为平面。主动土压力计算简图推导过程：假定滑面与水平面得夹角为q；根据滑动楔体ABC的静力平衡，可得到主动土压力E（ q 的函数）。根据函数的极值理论可得到对应的q 代入中公式即可得到主动土压力E18一、主动土压力一、主动土压力KHEaa221g222)cos()cos()sin()sin(1)cos(cos)(cosaaaaaKaKHEpp221g222)cos()cos()sin()sin(1)cos(cos)(cosaaaaaKp二、被动土压力二、被动土压力0,

11、 0当当 时，结果与朗肯土压力相同时，结果与朗肯土压力相同 0, 0当当 时，结果与朗肯土压力相同时，结果与朗肯土压力相同 19两种土压力理论的比较两种土压力理论的比较朗肯土压力理论朗肯土压力理论依据：半空间的应力状态和土的依据：半空间的应力状态和土的极限平衡条件极限平衡条件概念明确、计算简单、使用方便概念明确、计算简单、使用方便直接适用于粘性土和无粘性土直接适用于粘性土和无粘性土挡土墙背面竖直；墙背光滑；墙挡土墙背面竖直；墙背光滑；墙后填土面水平后填土面水平由于忽略了墙背与填土之间的摩由于忽略了墙背与填土之间的摩擦，主动土压力偏大，被动土压力擦，主动土压力偏大，被动土压力偏小。偏小。库伦土压

12、力理论库伦土压力理论依据：墙后土体极限平衡状态、楔依据：墙后土体极限平衡状态、楔体的静力平衡条件体的静力平衡条件仅直接适用于无粘性土仅直接适用于无粘性土考虑了墙背与土之间的摩擦力，并考虑了墙背与土之间的摩擦力，并可用于墙背倾斜，填土面倾斜的情况可用于墙背倾斜，填土面倾斜的情况假设破裂面是一平面，与按滑动面假设破裂面是一平面，与按滑动面为曲面的计算结果有出入。为曲面的计算结果有出入。203.2 水压力及流水压力水压力及流水压力3.2.1 静水压力静水压力定义：定义：静止的水体对其接触面产生的压力。静止的水体对其接触面产生的压力。 特点：特点：静水压力总是作用在水与结构物接触表面的静水压力总是作用

13、在水与结构物接触表面的法线方向。法线方向。 hppg021 为简便确定静水压力，可按为简便确定静水压力，可按先求分力再求合力先求分力再求合力的方法的方法进行，具体如下。进行，具体如下。 将静水压力看作两个相互垂直的分力的合力，两分力将静水压力看作两个相互垂直的分力的合力，两分力为：为： 竖向分力竖向分力Pz：从结构承压面上下两端分别做竖直面与水：从结构承压面上下两端分别做竖直面与水面相交，得到由结构承压面、水面、两竖直面围成的水体，面相交，得到由结构承压面、水面、两竖直面围成的水体，此水体的重量即为此水体的重量即为Pz =V（方向可能向（方向可能向上上，也可能向，也可能向下下）。）。 水平分力

14、水平分力Px：取任意竖直面，从结构承压面上下两端：取任意竖直面，从结构承压面上下两端分别做水平面与所取竖直面相交，作用在此段竖直面上的分别做水平面与所取竖直面相交，作用在此段竖直面上的静水压强的合力即为所求静水压强的合力即为所求Px。此时的静水压强分布、大小。此时的静水压强分布、大小仍然符合前述特征。仍然符合前述特征。223.2.2 动水压力动水压力当水流过结构物时，会对其表面产生切向力和法向力。切向力只有在水高速流过时，才能表现处来。正应力 = 静水压力 + 动水压力Cp压力系数，可以通过分析或用半经验公式或直接由室内试验确定；r水的密度（kg/m3）；脉动系数；v水的平均流速（m/s）。时

15、段平均动压力脉动压力233.3 波浪荷载波浪荷载成波原因：成波原因：风、潮汐、行船等风、潮汐、行船等波浪特性：波浪特性：波长、波高、波周期（波的三要素）波长、波高、波周期（波的三要素）24波浪分类：（1）按频率（或周期）排列（2）根据干扰力 表面张力波、涌浪（风成波）、海啸、内波、潮汐、行星波（3）自由波与强迫波（4）输移波与振动波，推进波与立波（5）深水波、浅水波、破碎波波浪分类波浪分类253.3.2 3.3.2 波浪荷载的计算波浪荷载的计算 影响波浪荷载影响因素多，现行计算方法有很大的经验性，一般情况下浪高超0.5m时，应考虑其对结构的作用力，对不同型式的构筑物(参见下表)，波浪荷载的计算

16、方法也不同。类型直墙或斜坡桩柱墩柱L/l10.20.2 B/L 1注：L构筑物水平轴线长度； l波浪的波长26直墙上的波荷载直墙上的波荷载直墙上的波荷载与波浪的形式有关：立波：只有上下振动没有水平方向运动的波；近区破碎波：在距直墙半个波长以内发生破碎的波；远区破碎波：在距直墙半个波长以外发生破碎的波。27立波的波浪荷载立波的波浪荷载hhHhhgHpp0021rlrHghp2ch201hhgprlrHghpp2ch22波峰压强:波谷压强:Sainflow法法llHhh2ch2028远区破碎波的压力远区破碎波的压力相当于一般水流冲击直墙时的波压力最大值出现在静水面以上h1/3处22maxuKpr其

17、中 K 实验确定的常数，一般取1.7；r 水的密度（kg/m3）;u 波浪冲击直墙的水流速度（m/s）。29波浪冲击直墙的水流速度u的计算公式其中 c 波速(m/s) ； Um0 自由表面水质点的最大水平速度(m/s)； d1 基床表面以上的水深(m)； h1 远区破碎波的波高(m)； l1 直墙前远区破碎波的波长 (m)； db 波浪破碎时的水深(m)。30近区破碎波的压力近区破碎波的压力 近区破碎波会对墙体产生一个瞬时的动压力，数值可能很大，但持续时间很短。Minikin法：最大动压发生在静水面，由动静两部分压强组成。31最大动压强式中 H 墙前基床上的水深(m)； D 墙前基床外的水深(

18、m)； hb 破碎波的波高(m)； l 对应于水深为D处的波长(m) 。动压力抛物线分布，总动压力为：波浪作用在墙上时，必须考虑因水位上升而增加的静水压力，总压力为：32圆柱体上的波浪荷载圆柱体上的波浪荷载（1）小圆柱体（ D/l 0.2 ）的波浪荷载计算F = 阻力+惯性力式中 F 单位长度的圆柱体的受力（N/m）; CD阻力系数； CM惯性力系数； D 圆柱体直径（m）; U 质点水平方向的速度分量（m/s）； U U对时间的导数，质点水平方向的加速度分量(m/s2)。 我国海港水文规范规定，对圆形柱体考虑雷诺数的影响，CD均取1.2，CM取2.0。.33 圆柱体尺寸较小时，波浪流过柱体时

19、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。（2）大圆柱体（ D/l 0.2 ）的波浪荷载计算34波浪的破坏力波浪的破坏力海啸海啸 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。 海啸形成的原因主要有三个：地震活动，火山爆发或海下的山崩，以及宇宙的影响。 海啸波长比海洋的最大深度还要大，在海底附近传播也没受多大阻滞，不管海洋深度如何，波都可以传播过去，海啸在海洋的传播速度大约每小时五百到一千公里，当海啸波进入陆棚后，由于深度变浅，波高突然增大，它的这种波浪运动所卷起的海涛，波高可达数十米，

20、并形成“水墙”。353.4 冻胀力冻胀力3.4.1 冻土的概念、性质及与结构物的关系冻土的概念冻土的概念：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。冻土的基本成分冻土的基本成分：固态的土颗粒、冰、液态水、气体和水汽。冻土的性质冻土的性质：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

21、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。36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 冻土抵抗外力的强度提高；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1）冬季低温时结构物开裂、断裂，严重者造成结构物倾覆等；2）春融期间

22、地基沉降，对结构产生形变作用的附加荷载。373.4.2 土的冻胀原理土的冻胀原理冻胀力：由于土中含水冻结，体积膨胀产生向四面扩张的内应力，这个力称为冻胀力土冻胀三要素： 水分：土中含有足够的水分 土质：水结晶成冰后能导致土颗粒发生位移 负温度：有能够使水变成冰的负温度。含水量越大，地下水位越高，冻胀程度越大。土在冻结锋面的负温梯度越大，越利于水分迁移；冻结速度越快，迁移的水量越多，冻胀也越强烈。38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

23、，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。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。393.4.3 冻胀力的分类及其计算冻胀力的分类及其计算冻胀力的分类：切向冻胀力;法向冻胀力;水平向冻胀力。40切向冻胀力的计算切向冻胀力的计算 影响切向冻胀力的因素：水分、土

24、压、负温以及基础表面的粗糙度等。一般按下式计算切向冻胀力T：HUT式中 切向冻胀力(kPa)； U 与冻土接触的基础周长(m) ； H 与基础接触的冻结深度(m)；单位切向冻胀力 (kPa) 按建筑桩基技术规范(JGJ94-94)41法向冻胀力的计算法向冻胀力的计算 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、作用在冻土层的外部压力，以及受冻土作用和影响的结构物抗变形能力等。式中 n0法向冻胀力(kPa)； h 冻胀量(cm) ； H 冻结深度(cm)； E 冻土的弹性模量(kPa) 。EHhn0日本木下诚一经验公式：42水平冻胀力的计算水平冻胀力的计算 比较复杂，一般根据现场实验确定。冻土地区建筑地基基础设计规范（JGJ 118-98）规定，无条件进行时现场实验，可如下取值：433.5 冰压力冰压力 3.5.1 冰压力概念及分类 位于冰凌河流和水库中的结构物，由于冰层的作用对结构产生一定的压力，此压力称为冰压力。在具体工程设计时，应根据工程所处当地冰凌的具体条件及结构形式，考虑有关冰荷载。 河流流冰产生的冲击动压力。在河流、湖泊及水库，由于冰块的流动对结构物产生的冲击动压力，可根据流动冰块的面积及流动速度按一般力学原理予以计算。 冰堆整体推移的静压力。当大面积冰层以缓慢的速度接