2.2侧压力.ppt
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1、2.2 侧压力侧压力2.2.1 土的侧向压力1.基本概念及土压力分类 土的侧压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用,对墙背所产生的压力。土压力可分为静止土压力、主动土压力和被动土压力如图所示。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和转动,则墙后土体处于弹性平衡状态,此时,挡土墙所受的土压力为静止土压力,用E0表示。如地下室的外墙。(2)主动土压力 如挡土墙受到墙后填土的作用绕墙踵向外转动或平行移动,作用在墙背上的土压力从静止土压力逐渐减少,当墙的移动或转动达到某一数量时,填土内出现滑动面,土体出于极限平衡状态。此时墙背上的土压力称为主动土压力,用Ea表示。(3)被动土
2、压力 挡土墙受外力作用向着填土方向移动或转动,挤压墙后填土,填土对墙身的土压力,从静止土压力值开始逐渐增大,当墙的移动或转动量足够大时,填土内出现滑动面。土体内的应力处于被动极限平衡状态。此时墙背上的土压力称为被动土压力,用Ep表示。EaE0Ep 静止土压力的计算:任意深度处的土压力:0=K0ZK0为土的侧压力系数。取K0=1-sin土的有效 内摩擦角。土的重度,地下水位以下 取有效重度。则:E0=1/2 H2K02、主动土压力:如:基础开挖中的围护结构。如图所示粘性土的主动土压力分布无粘性土的主动土压力分布以上各式中:取1m长挡土墙:无粘性土的土压力的合力:Ea通过三角形的形心,即作用在离墙
3、底H3处;由式(34)可知,粘性土的主动上压力包括两部分:一部分是由土自重引起的土压力zKa,另一部分是由粘聚力引起的负侧压力2c,这两部分土压力叠加的结果如图所示,其中ade部分对墙体是拉力,计算时可略去不计,因此粘性土的土压力的分布仅是abc部分。3、被动土压力如果挡土墙在外力作用下,向墙背向移动或转动时,墙体挤压土体,墙后土逐渐增大,达到某一位移时,墙后土体上隆。此时土压力最大。土体达到被动状态时,可根据极限平衡理论得到被动土压力强度p为:无粘性土:粘性土:式中:Kp被动土压力系数。Kp=tan2(450+/2)其余符号意义同前。单位墙长,被动土压力的合力为:无粘性土:粘性土:被动土压力
4、计算 无粘性土被动土压力计算 粘性土 2.2.2 水压力及流水压力1、静水压力 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。静水压力的分布符合阿基米德定律。可将静水压力分成水平及垂直分力。垂直分力等于结构物承压面和经过承压面底部的母线到自由水面所做的垂直面之间的“压力体”体积的水重。-水的重度(KN/m2)2.2.2水压力及流水压力静水压力的水平分力:pA=hA当液体表面作用有压强p0时,结构物上任意一点A的强为:pA=p0+hA几种水压力的在结构上的分布模式:2.2.2 水压力及流水压力2、流水压力 在水流过结构物表面时,会对结构产生切应力和正应力。在一般的荷载计算中,考虑
5、较多的是正应力:p=p静+p动瞬时动水压力:p=p静+p动+P 动压力的作用还可能引起结构的振动,甚至使结构产生自激振动或共振,这对结构是非常有害的,结构设计时,必须加以考虑,以确保结构安全。2.2.3 波浪荷载1、波浪的分类 当风持续地作用在水面上时,就会产生波浪。有波浪时,水质点做复杂的旋转、前进运动。对结构物产生的附加应力称为波浪压力(波浪荷载)。波浪作为一种波,它具有波的一切特性,如波长、周期、波幅h(波浪力学中称为浪高),如图37所示。影响波浪的形状和各参数值的因素有:风速v、风的持续时间t、水深H和吹程D(吹程等于岸边到构筑物的直线距离)。风速和风的持续时间都是随机变量。很难准确测
6、定,因此在计算浪高时按暴风的风速和吹程的最不利组合来确定。2.2.3 波浪荷载1、波浪的分类 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:第一种分类方法是海洋表面的波浪按频率(或周期)排列来分类的。第二种分类方法是根据干扰力来分类的,如风波、潮汐波等。第三种分类方法是把波分成自由波和强迫波。自由波是指波动与干扰力无关而只受水性质的影响,当干扰力消失后,波的传播和演变照常进行;强迫波的传播既受干扰力的影响又受水性质的影响。第四种分类方法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。输移波指波浪传播时伴随有流
7、量,而振动波传播时则没有流量产生。振动波根据波前进的方向又可分为推进波和立波,推进波有水平方向的运动,立波没有水平方向的运动。2、波浪荷载的计算 波浪对构筑物的荷载不仅和波浪的特性有关还和构筑物的型式和受力特性有关,而且当地的地形地貌、海底坡度等也对其有很大影响,现行确定波浪荷载的方法还带有很大的经验性。根据经验,一般情况下当波高超过05m时,应考虑波浪对构筑物的作用力。对不同型式的构筑物(参见表29),波荷载的计算方法也不同。表2-9 构筑物的分类直墙上的波浪荷载应按三种波浪进行设计:(1)立波;(2)近区破碎波,即构筑物附近半个波长范围内发生破碎的波。(3)远区破碎波,即距直墙半个波长以外
8、发生破碎的波。立波的压力 计算直墙上立波荷载最古老,最简单的方法是sainflow方法,sainflow的解是有限水深立波的一次近似解,它的适用范围为相对水深只H介于0.1350.20之间,波陡h=035。如果水深增大,计算结果偏大。下面介绍简化的sa1nflow的压强计算公式,同时给定一安全系数得到下列计算公式.(1)波峰压强:(2)波谷压强:式中符号如图2-20所示:表2-20 简化的sainflow压强分布远区破碎波的压力:如果直墙处海底有斜坡,使直墙水深减小,则波浪将在抵达直墙以前发生破碎。如果波浪发生破碎的位置距离直墙半个波长以外,这种破碎波就称为远区破碎波。破碎波对直墙的作用力相当
9、于一股水流冲击直墙时产生的波压力。实验表明,这种压力的最大值出现在静水面以上1/3h1处,h1为远区破碎波的波高。其沿直墙的压力分布为:向下,从最大压力开始按直线法则递减,到墙底处压力减为最大压力的1/2;向上,也是按直线法则递减,到静水位面以上Zh1时,波压力变为零,其分布如图39所示:2.2.3 波浪荷载作用在直墙上的最大压强为:2.2.3 波浪荷载1:直墙前远区破碎波的波长(m),假定波破碎前周期不变,则:2.2.3 波浪荷载 近区破碎波的压力 波浪在墙前半个波长范围内破碎时会对墙体产生一个瞬时的动压力,动压力的数值可能很大,但持续时间很短。Bagnold曾对破碎波进行了实验研究,发现只
10、有当破碎波夹杂着空气冲击直墙时,才会发生强烈的冲击压力。近区破碎波压力计算方法为Minikin法,Minikin提出最大压强发生在静水面,并由动静两部分压强组成。最大动压强的计算公式为:2.2.3 波浪荷载近区破碎波的压强分布如图2-22所示。n动水压强形成的总动压力Rm为:在确定作用在构筑物上的总的作用力时,还必须考虑因水位上升而引起直墙上的静水压强,静水压强的计算公式为:其中y为静水面到计算点的高度,规定向上为正,所以,作用在直墙上的总压力为:(2)圆柱体上的波浪荷载 近海构筑物如采油平台等,常有许多圆柱形的构件组成因此,波浪对圆柱体的作用在结构设计中必须严重关注,波浪对圆柱的荷载作用理论
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