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1、第三章 侧压力,内容提要 第一节 土的侧压力 第二节 水压力和流水压力 第三节 波浪荷载 第四节 冻胀力 第五节 冰压力 第六节 撞击力,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 Ep,1、静止土压力(earth pressure at rest)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
2、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(active earth pressure)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(passive earth pressure)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,4、挡土墙土压力演示 5
3、、E0、Ea、Ep三者的关系（如图）试验研究表明：在相同条件下，主动土压力Ea小于静止土压力E0，而静止土压力E0又小于被动土压力Ep，即 EaE0 Ep，而且产生被动土压力所需的位移量p大大超过产生主动土压力所需的位移量a。,E Ea E0 Ep a p 墙体位移与土压力的关系,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。,大 小：,方 向:,作用点：,静止土压力
4、沿墙高为三角形分布,竖向的土自重应力 z=z 静止土压力强度 0=k0 z=k0 z z z M 0 Hdz E0 1/3H k0 H 静止土压力0的分布,2、主动土压力Ea、被动土压力Ep 朗金土压力理论（Rankines earth pressure theory）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,塑性主动状态 当挡土墙离开土体向远离墙背方向移动时
5、，墙后土体M有伸张的趋势，此时单元在水平截面上的法向应力z不变而竖向截面上的法向应x却逐渐减少（），直至满足极限平衡条件为止（称为主动朗金状态），此时x 达最低限值a，因此，a是小主应力，而z是大主应力，并且莫尔圆与抗剪强度包线相切。挡土墙土压力演示此时滑动面的方向与大主压力z的作用面（即水平面）成=450+/2,塑性被动状态 当挡土墙在外力作用下挤压土体，水平截面上的法向应力z 不变，x不断增加（），直至满足极限平衡条件（称为被动朗金状态）时x达最大限值p，这时，x=p是大主应力，而z是小主应力，并且莫尔圆与抗剪强度包线相切。挡土墙土压力演示 此时滑动面的方向与小主压力z的作用面（即水平面）
6、成=450-/2,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=z tg2(450-/2)或 a=z ka 粘 性 土 a=z tg2(450-/2)-2C tg(450-/2),ka主动土压力系数，ka=tg2(450-/2)；墙
7、后填土的容重，kN/m3，地下水位以下用浮容重；C 填土的内聚力，kN/m2；z 所计算的点离填土面的深度。,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）：,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：,2C z z0H a Ea a z dz H/3 Ea b(H-z0)/3 Hka H ka(a)主动土压力的计算(b)无粘性土（c)粘性土 主动土压力强度a分布,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
8、，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,如取单位墙长计算，则主动土压力Ea为：,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=z tg2(450+/2)=z kp 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),其余符号
9、同前。,z zH p dz H kp 2C H kp(a)被动土压力的计算(b)无粘性土（c)粘性土 被动土压力强度p分布,无粘性土,有粘性土,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：,粘 性 土：,被动土压力Ep 通过三角形或梯形分布图的形心,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 w z 水深的直线函数 竖向分
10、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,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）。,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,设计水位 0.3H Fw H 桥墩 桥墩上的流水压力作用点位置示意,第 三 节 波 浪 荷 载,波峰 波顶 计算水位 h/2 浪高h h/2 平均水位 波谷 波底 波长,1、波浪荷载 有波
11、浪时水对结构物产生的附加应力,2、波浪是一种波 具有波的特性（图示）,3、波浪荷载计算（当波高h0.5m时考虑波浪对构筑物的作用力）波浪的特性；构筑物类型；当地的地形地貌；海底坡度等 根据经验确定 构筑物的分类（L/=构筑物水平轴线长度/浪高波长）P24，表3-1 L/0.2 1.0 桩柱 墩柱 直墙或斜坡,直墙(L/1.0)上的波浪荷载计算 考虑三种波浪：立波 近区破碎波 构筑物附近半个波长范围内（/2）发生破碎的波 远区破碎波 距直墙半个波长以外（/2）发生破碎的波,内侧 p/1 p1 外侧 海平面 h+h0 h-h0 H p/2 p2,（1）立波的压力-Sainflow方法（最古老、最简
12、单）,有限水深立波的一次近似解,适用范围：H(水深)/=0.1350.20；h(浪高)/0.035,波谷压强,波峰压强,海平面 Z=h1(波高)pmax h1/3 H db(db 波浪破碎时的水深)b Pmax/2,(2)远区破碎波的压力-距直墙半个波长以外（/2）发生破碎,破碎波对直墙的作用力相当于一股水流冲击直墙时产生的波压力,h1远区破碎波的波高；,db波浪破碎时的水深。,作用于直墙上的最大压墙：,（P26，3-25）,K试验确定，一般取1.7；,波浪冲击直墙的水流速度（一般很难确定）,水的密度，kg/m3；,g重力加速度（9.81m/s2）。,（3）近区破碎波的压力 构筑物附近半个波长
13、范围内（/2）发生破碎 破碎波对直墙的作用力 瞬时动水压力 近区破碎波的压力计算方法 Minikin法 Minikin法 最大动水压力发生在静水面；近区破碎波的压强=动水压强+静水压强 动水压力分布 呈抛物线分布，在 hb/2静水面范围内，最大动水压强pm在静水面处。,其中，hb破碎波的波高；对应于水深为D处的波长,y pm hb/2 动压强分布 x hb/2 静水面 静压强分布ps H D 堆石基床,静水压强分布 ps,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
14、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,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 春季融化期间引起地基沉降，对结构产生变形作用四、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）,冰夹层、冰透镜层（聚冰现象）冰夹层、冰透镜层
15、(聚冰现象)冻层膨胀 冻结峰面（水分迁移）水分 土的冻胀原理,H,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,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）,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
16、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（P31，3-36）h冻胀量；H冻结深度；E冻土弹性模量,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,第五节 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,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,
17、取解冻期最低冰温。,冰压力的合力作用于计算结冰水位以下0.3倍冰厚处。,第六节 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。,当缺乏实际调查资料时，海轮撞击作用标准值可按下表采用。,可能遭受大型船舶撞击作用的桥墩，应根据桥墩的自身抗撞击能力、桥墩的位置和外形、流水流速、水位变化、通航船舶类型和碰撞速度等因素做桥墩设施的设计。当设有与墩台分开的防撞击的防护结构时，桥墩可不计船舶的撞
18、击作用。,漂流物横桥向撞击力标准值,撞击作用点 内河船舶的撞击作用点，假定为计算通航水位线以上2m的桥墩宽度或长度的中点。海轮船舶撞击作用点需视实际情况而定。漂流物的撞击作用点假定在计算通航水位线上桥墩宽度的中点 桥梁结构必要时可考虑汽车的撞击作用 汽车撞击力标准值在车辆行使方向取1000kN，在车辆垂直方向取500kN，两个方向的撞击力不同时考虑，撞击力作用于行车道以上1.2m处，直接分布于撞击涉及的构件上。对于设有防撞设施的结构构件，可视防撞设施的防撞能力，对汽车撞击力标准值予以折减，但折减后汽车撞击力标准值不应低于上述规定取值的1/6。,知识点（1994年2月21日水利部水管1994106号通知）河道的等级划分，主要依据河道的自然规模及其对社会、经济发展影响的重要程度等因素确定。河道划分为五个等级，即一级河道、二级河道、三级河道、四级河道、五级河道。河道等级划分程序：一、二、三级河道由水利部认定；四、五级河道由省、自治区、直辖市水利（水电）厅（局）认定。,在河道分级指标表中满足（1）和（2）项或（1）和（3）项者，可划分为相应等级；不满足上述条件，但满足（4）、（5）、（6）项之一，且（1）、（2）或（1）、（3）项不低于下一个等级指标者，可划为相应等级。,
