第5章側(cè)壓力荷載與結(jié)構(gòu)可靠度蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院王亞軍2013年2月當(dāng)前第1頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)本章內(nèi)容§5.1土的側(cè)向壓力§5.2水壓力及流水壓力§5.3波浪荷載§5.4凍脹力§5.5冰壓力§5.6撞擊力當(dāng)前第2頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)§5.1土的側(cè)向壓力土的側(cè)向壓力是指擋土墻后的填土因自重或外荷載作用對墻背產(chǎn)生的土壓力。土的側(cè)壓力是擋土墻承受的主要外荷載。5.1.1基本概念及土壓力分類當(dāng)前第3頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)擋土墻的分類按結(jié)構(gòu)形式的不同擋土墻可分為:重力式擋土墻（PIC）輕型擋土墻（PIC）懸臂式扶壁式錨桿式加筋擋土墻當(dāng)前第4頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)重力式擋土墻當(dāng)前第5頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)懸臂式當(dāng)前第6頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)扶壁式當(dāng)前第7頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)錨桿式土墻當(dāng)前第8頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)加筋擋土墻當(dāng)前第9頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)加筋擋土墻當(dāng)前第10頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)按照擋土墻的位移情況和墻后土體所處的應(yīng)力狀態(tài)，土壓力可分為靜止土壓力、主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力。土壓力的分類當(dāng)前第11頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)1、靜止土壓力如果擋土墻在土壓力作用下，不產(chǎn)生任何方向的位移或轉(zhuǎn)動(dòng)而保持原有位置，則墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)，此時(shí)墻背所受的土壓力稱為靜止土壓力，用E0表示。5.1.2土壓力的概念及計(jì)算方法當(dāng)前第12頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)當(dāng)前第13頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)2、主動(dòng)土壓力如果擋土墻在土壓力作用下，背離墻背方向移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，墻后土壓力逐漸減小，當(dāng)達(dá)到某一位移量值時(shí)，墻后土體開始下滑，作用在擋土墻上的土壓力達(dá)到最小值，滑動(dòng)楔體內(nèi)應(yīng)力處于主動(dòng)極限平衡狀態(tài)，此時(shí)作用在墻背的土壓力稱為主動(dòng)土壓力，用Ea表示。當(dāng)前第14頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)當(dāng)前第15頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)當(dāng)前第16頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)無粘性土：粘性土：（臨界深度）（主動(dòng)土壓力系數(shù)）當(dāng)前第17頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)3、被動(dòng)土壓力如果擋土墻在土壓力作用下，向墻背方向移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，墻體擠壓土體，墻后土壓力逐漸增大，當(dāng)達(dá)到某一位移時(shí)，墻后土體開始上隆，作用在擋土墻上的土壓力達(dá)到最大值，滑動(dòng)楔體內(nèi)應(yīng)力處于被動(dòng)極限平衡狀態(tài)，此時(shí)作用在墻背的土壓力稱為被動(dòng)土壓力，用Ep表示。當(dāng)前第18頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)當(dāng)前第19頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)當(dāng)前第20頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)無粘性土：粘性土：（被動(dòng)土壓力系數(shù)）當(dāng)前第21頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)4、填土面有均布荷載的土壓力計(jì)算當(dāng)擋土墻后的填土面上有均布荷載作用時(shí)，常將均布荷載換算成當(dāng)量的土重，即將均布荷載用假想的土重代替。設(shè)當(dāng)量土層厚度為h，則填土表面土壓力強(qiáng)度為:墻底的土壓力強(qiáng)度為：當(dāng)前第22頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)當(dāng)前第23頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)5、墻后填土為成土層的土壓力墻后填土由性質(zhì)不同的土層組成時(shí)，土壓力將受到不同填土性質(zhì)的影響，計(jì)算土壓力時(shí)，第一層的土壓力按勻質(zhì)土計(jì)算，計(jì)算第二層的土壓力時(shí)，將第一層土按重度換算成與第二層重度相同的當(dāng)量土層來計(jì)算，然后按勻質(zhì)土計(jì)算第二層土的土壓力。各層土計(jì)算所采用的土壓力系數(shù)是不同的。當(dāng)前第24頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)6、填土中有地下水的土壓力擋土墻后填土中有地下水時(shí)，地下水位以下填土重將因受到水的浮力而減小，計(jì)算時(shí)應(yīng)該用有效重度（浮重度）g`，對粘性填土，地下水將使c、f值減小，從而使土壓力增大，同時(shí)，地下水對墻背產(chǎn)生靜水壓力作用。當(dāng)前第25頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)

當(dāng)前第26頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)庫侖土壓力理論基本假定：擋土墻是剛性的，墻后填土是無粘性土；當(dāng)墻身向前或向后移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生主動(dòng)或被動(dòng)土壓力的滑動(dòng)楔體，沿著墻背和一個(gè)通過墻踵的平面發(fā)生滑動(dòng)；滑動(dòng)土楔體視為剛體。適用于：墻背傾斜、墻后填土不水平。當(dāng)前第27頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)§5.2水壓力及流水壓力修建在河流、湖泊或在含有地下水和溶洞的地層中的結(jié)構(gòu)物常受到水流的作用，水對結(jié)構(gòu)物既有物理作用又有化學(xué)作用，化學(xué)作用表現(xiàn)在水對結(jié)構(gòu)物的腐蝕或侵蝕作用，這里主要討論物理作用。水對結(jié)構(gòu)物的力學(xué)作用表現(xiàn)在對結(jié)構(gòu)物表面產(chǎn)生靜水壓力和動(dòng)水壓力。當(dāng)前第28頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)當(dāng)前第29頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)靜水壓力隨水深按比例增加與水深呈線性關(guān)系；并總是作用在結(jié)構(gòu)物表面的法線方向，水壓力分布與受壓面形狀有關(guān)。當(dāng)前第30頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)5.2.1靜水壓力水深處為hA的任意一點(diǎn)的水壓強(qiáng)為：如果液體不具有自由表面，而是在液體表面作用有壓強(qiáng)p0，則：當(dāng)前第31頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)5.2.2流水壓力切應(yīng)力：只有在水高速流動(dòng)時(shí)，才表現(xiàn)出來；正應(yīng)力：是由于水的重量和水流速度方向發(fā)生改變而產(chǎn)生，當(dāng)水流過結(jié)構(gòu)物時(shí)，水流方向會(huì)因結(jié)構(gòu)物的構(gòu)件形狀而改變；當(dāng)前第32頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)所以在確定結(jié)構(gòu)物表面上的某點(diǎn)壓力時(shí)，用靜水壓力和流水引起的動(dòng)水壓力之和來表示：瞬時(shí)的動(dòng)水壓力為時(shí)段平均動(dòng)壓力和脈動(dòng)壓力之和，因此上式還可改寫成：平均動(dòng)壓力脈動(dòng)壓力當(dāng)前第33頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)作用于橋墩上的流水壓力計(jì)算流水壓力合力的作用點(diǎn)：假定在設(shè)計(jì)水位線以下0.3倍水深處當(dāng)前第34頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)

設(shè)計(jì)水位

0.3H

FwH

橋墩

橋墩上的流水壓力作用點(diǎn)位置示意當(dāng)前第35頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)§5.3波浪荷載5.3.1波浪的性質(zhì)成波原因：風(fēng)、潮汐、干擾。波浪特性：波長l、周期t、波幅h

。影響波浪特性的主要因素：風(fēng)速v、風(fēng)的持續(xù)時(shí)間t、水深H、吹程D當(dāng)前第36頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)影響波浪性質(zhì)的因素多種多樣且多為不確定因素，波浪大小不一，形態(tài)各異。按波浪發(fā)生的位置不同可分為表面波和內(nèi)波?，F(xiàn)行波的分類方法如下：1）海洋表面的波浪按頻率（或周期）排列來分類的；（毛細(xì)波、重力波、慣性波、行星波）2）根據(jù)干擾力來分類的，如風(fēng)成波、潮汐波、船行波等；3）把波分成自由波和強(qiáng)迫波；4）根據(jù)波浪前進(jìn)時(shí)是否有流量產(chǎn)生把波分為輸移波和振動(dòng)波；5）根據(jù)水深的不同將波浪劃分為深水波、中水波和淺水波。當(dāng)前第37頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)5.3.2波浪荷載的計(jì)算當(dāng)前第38頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)直墻上的波浪形式1）立波原始推進(jìn)波沖擊垂直墻面后與反射波互相疊加形成的一種干涉波。2）近區(qū)破碎波即構(gòu)筑物附近半個(gè)波長范圍內(nèi)（/2）發(fā)生破碎的波。3）遠(yuǎn)區(qū)破碎波即距直墻半個(gè)波長以外（>/2）發(fā)生破碎的波。當(dāng)前第39頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)當(dāng)前第40頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)33當(dāng)前第41頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)當(dāng)前第42頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)當(dāng)前第43頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)當(dāng)前第44頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)當(dāng)前第45頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)當(dāng)前第46頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)當(dāng)前第47頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)圓柱體上的波浪荷載當(dāng)前第48頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)當(dāng)前第49頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)§5.4凍脹力5.4.1凍土的概念、性質(zhì)及與結(jié)構(gòu)物的關(guān)系1、凍土的概念

具有負(fù)溫或零溫度（0℃），其中含有冰，且膠結(jié)著松散固體顆粒的土體

凍土的分類（按凍土存在的時(shí)間）多年凍土（或永凍土）~凍結(jié)持續(xù)時(shí)間3年的土層

—約占全國總面積的21.5%

季節(jié)凍土~每年冬季凍結(jié)，夏季全部融化的土層

—約占全國總面積的75%

瞬時(shí)凍土~冬季凍結(jié)狀態(tài)僅持續(xù)幾個(gè)小時(shí)至數(shù)日的土層當(dāng)前第50頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)§5.4凍脹力5.4.1凍土的概念、性質(zhì)及與結(jié)構(gòu)物的關(guān)系2、凍土的性質(zhì)

凍土的基本成分

固態(tài)的土顆粒+冰+液態(tài)水+氣體、水氣復(fù)雜的多相天然復(fù)合體結(jié)構(gòu)構(gòu)造：非均質(zhì)、各相異性的多孔介質(zhì)3、季節(jié)凍土與結(jié)構(gòu)的關(guān)系

冬季低溫時(shí)結(jié)構(gòu)物凍脹破壞開裂、斷裂、嚴(yán)重者造成結(jié)構(gòu)物傾覆等春季融化期間引起地基沉降，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形作用當(dāng)前第51頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)

土體凍脹三要素：水分+土質(zhì)+負(fù)溫度

冰夾層、冰透鏡層（聚冰現(xiàn)象）土體凍結(jié)不均勻膨脹向四面擴(kuò)張的內(nèi)應(yīng)力（即凍脹力）（在封閉體系中）

土的凍脹原理當(dāng)前第52頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)5.4.3凍脹力的分類及其計(jì)算切向凍脹力—作用于結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)側(cè)面使基礎(chǔ)產(chǎn)生向上拔力法向凍脹力no—垂直于基底冰結(jié)面和基礎(chǔ)底面水平凍脹力ho—垂直于基礎(chǔ)或結(jié)構(gòu)物側(cè)表面當(dāng)前第53頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)5.4.3凍脹力的分類及其計(jì)算1、切向凍脹力

--按單位切向凍脹力取值單位切向凍脹力：平均單位切向凍脹力（kPa）相對平均單位凍脹力Tk(kN/m)

一般按平均單位切向力計(jì)算（按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94-94）

與基礎(chǔ)接觸的凍深（m）

總的切向凍脹力

T=

?U?H

與凍土接觸的基礎(chǔ)周長（m）

當(dāng)前第54頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)當(dāng)前第55頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)5.4.3凍脹力的分類及其計(jì)算2、法向凍脹力no--影響因素復(fù)雜，隨諸因素變化而變化影響因素：凍土的各種特性；凍土層底下未凍土的壓縮性；作用于凍土層上的外部壓力；結(jié)構(gòu)物抗變形能力等

日本：no=E?

=E?h/H

（P32，3-36）

h—凍脹量；H—凍結(jié)深度；E—凍土彈性模量

當(dāng)前第56頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)5.4.3凍脹力的分類及其計(jì)算3、水平凍脹力ho

--

沒有確定的計(jì)算公式，按基于現(xiàn)場或室內(nèi)測試給出的經(jīng)驗(yàn)值細(xì)粒土的最大凍脹力：100150kpa

粗粒土的最大凍脹力：50100kpa當(dāng)前第57頁\共有62頁\編于星期三\14點(diǎn)§5.5冰壓力5.5.1冰壓力的概念及分類