第3章 側(cè)壓力(第2節(jié)課2學(xué)時+第3節(jié)課2學(xué)時)

1、第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.1第3章 側(cè) 壓 力第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.2土的側(cè)壓力土的側(cè)壓力靜水壓力及流水壓力靜水壓力及流水壓力冰冰 荷荷 載載習(xí)題與思考題習(xí)題與思考題本章內(nèi)容本章內(nèi)容第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.3 擋土墻是防止土體坍塌的構(gòu)筑物，廣泛應(yīng)用于房屋建筑、擋土墻是防止土體坍塌的構(gòu)筑物，廣泛應(yīng)用于房屋建筑、水利、鐵路以及公路和橋梁工程中。水利、鐵路以及公路和橋梁工程中。土的側(cè)壓力土的側(cè)壓力是指擋土墻后是指擋土墻后的填土因自重或外荷載作用對墻背產(chǎn)生的側(cè)向壓力。由于土壓的填土因自重或外荷載作用對墻背產(chǎn)生的側(cè)向壓力。由于土壓力是擋土墻的主要荷載，因此，設(shè)計擋土墻時首先要確定土壓力是擋土

2、墻的主要荷載，因此，設(shè)計擋土墻時首先要確定土壓力的性質(zhì)、大小、方向和作用點。力的性質(zhì)、大小、方向和作用點。土的側(cè)壓力土的側(cè)壓力第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.4一、土的側(cè)向壓力分類 1.靜止土壓力靜止土壓力 擋土墻在土壓力作用下，不產(chǎn)生任何位移或轉(zhuǎn)動，墻后土擋土墻在土壓力作用下，不產(chǎn)生任何位移或轉(zhuǎn)動，墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)，此時墻背所受的土壓力稱為靜止土壓力，體處于彈性平衡狀態(tài)，此時墻背所受的土壓力稱為靜止土壓力，一般用一般用E0表示。表示。土的側(cè)壓力土的側(cè)壓力第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.5 2.主動土壓力主動土壓力 當(dāng)擋土墻在土壓力的作用下，背離墻背方向移動或轉(zhuǎn)動時，當(dāng)擋土墻在土壓力的作用下，

3、背離墻背方向移動或轉(zhuǎn)動時，作用在墻背上的土壓力從靜止土壓力值逐漸減少，直至墻后土作用在墻背上的土壓力從靜止土壓力值逐漸減少，直至墻后土體出現(xiàn)滑動面?；瑒用嬉陨系耐馏w將沿這一滑動面向下向前滑體出現(xiàn)滑動面?；瑒用嬉陨系耐馏w將沿這一滑動面向下向前滑動，墻背上的土壓力減小到最小值，滑動楔體內(nèi)應(yīng)力處于主動動，墻背上的土壓力減小到最小值，滑動楔體內(nèi)應(yīng)力處于主動極限平衡狀態(tài)，此時作用在墻背上的土壓力稱為主動土壓力，極限平衡狀態(tài)，此時作用在墻背上的土壓力稱為主動土壓力，一般用一般用Ea表示。表示。土的側(cè)壓力土的側(cè)壓力第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.6 3. 被動土壓力被動土壓力 如果擋土墻在外力作用下向土體方向移

4、動或轉(zhuǎn)動時，墻體如果擋土墻在外力作用下向土體方向移動或轉(zhuǎn)動時，墻體擠壓墻后土體，作用在墻背上的土壓力從靜止土壓力值逐漸增擠壓墻后土體，作用在墻背上的土壓力從靜止土壓力值逐漸增大，墻后土體也會出現(xiàn)滑動面，滑動面以上土體將沿滑動方向大，墻后土體也會出現(xiàn)滑動面，滑動面以上土體將沿滑動方向向上向后推出，墻后土體開始隆起，作用在擋土墻上的土壓力向上向后推出，墻后土體開始隆起，作用在擋土墻上的土壓力增加到最大值，滑動楔體內(nèi)應(yīng)力處于被動極限平衡狀態(tài)。此時增加到最大值，滑動楔體內(nèi)應(yīng)力處于被動極限平衡狀態(tài)。此時作用在墻背上的土壓力稱為被動土壓力，一般用作用在墻背上的土壓力稱為被動土壓力，一般用Ep表示。表示。土

5、的側(cè)壓力土的側(cè)壓力第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.7 一般情況下，在相同的墻高和填土條件下，主動土壓力一般情況下，在相同的墻高和填土條件下，主動土壓力小于靜止土壓力，而靜止土壓力又小于被動土壓力，即：小于靜止土壓力，而靜止土壓力又小于被動土壓力，即：Ea E0 Ep (5-1) 土的側(cè)壓力土的側(cè)壓力 (a) 靜止土壓力靜止土壓力 (b) 主動土壓力主動土壓力 (c) 被動土壓力被動土壓力擋土墻的擋土墻的3種土壓力種土壓力第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.8二、 土壓力的基本原理 土壓力的計算是一個比較復(fù)雜的問題。實驗研究表明，影土壓力的計算是一個比較復(fù)雜的問題。實驗研究表明，影響土壓力大小的因素主要有：

6、響土壓力大小的因素主要有：土壓力的大小及分布、墻身的位土壓力的大小及分布、墻身的位移、填土的性質(zhì)、墻體的截面剛度、地基的土質(zhì)移、填土的性質(zhì)、墻體的截面剛度、地基的土質(zhì)等。由于缺乏等。由于缺乏系統(tǒng)的觀測資料和大規(guī)模的實驗研究，在設(shè)計中通常采用古典系統(tǒng)的觀測資料和大規(guī)模的實驗研究，在設(shè)計中通常采用古典的庫侖理論或朗金理論，通過修正、簡化來確定土壓力。的庫侖理論或朗金理論，通過修正、簡化來確定土壓力。土的側(cè)壓力土的側(cè)壓力第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.9(a) z深度處應(yīng)力狀態(tài)深度處應(yīng)力狀態(tài)(b) 主動朗金狀態(tài)主動朗金狀態(tài)(c) 被動朗金狀態(tài)被動朗金狀態(tài)(d) 摩爾應(yīng)力圓表示的朗金狀態(tài)摩爾應(yīng)力圓表示的朗

7、金狀態(tài) 1. 朗金土壓力理論朗金土壓力理論 朗金土壓力理論是通過研究彈性半空間土體、應(yīng)力狀態(tài)和朗金土壓力理論是通過研究彈性半空間土體、應(yīng)力狀態(tài)和極限平衡條件導(dǎo)出的土壓力計算方法。朗金土壓力理論的基本極限平衡條件導(dǎo)出的土壓力計算方法。朗金土壓力理論的基本假設(shè)如下：假設(shè)如下： 對象為彈性半空間土體；對象為彈性半空間土體； 不考慮擋土墻及回填土的施工因素；不考慮擋土墻及回填土的施工因素； 擋土墻墻背豎直、光滑，填土面水平無超載。擋土墻墻背豎直、光滑，填土面水平無超載。半空間的極限平衡狀態(tài)半空間的極限平衡狀態(tài)第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.10 1) 彈性靜止?fàn)顟B(tài)彈性靜止?fàn)顟B(tài) 當(dāng)擋土墻無位移時，墻后土體處

8、于彈性平衡狀態(tài)，作用在當(dāng)擋土墻無位移時，墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)，作用在墻背上的應(yīng)力狀態(tài)與彈性半空間土體應(yīng)力狀態(tài)相同，墻背豎直墻背上的應(yīng)力狀態(tài)與彈性半空間土體應(yīng)力狀態(tài)相同，墻背豎直面和水平面均無剪應(yīng)力存在。在填土面深度面和水平面均無剪應(yīng)力存在。在填土面深度z處，取出一單元處，取出一單元體，其上作用的應(yīng)力狀態(tài)為：體，其上作用的應(yīng)力狀態(tài)為： 豎向應(yīng)力豎向應(yīng)力 ： 水平應(yīng)力水平應(yīng)力 ： 式中式中K0為靜止土壓力系數(shù)，是土體水平應(yīng)力與豎向應(yīng)力的為靜止土壓力系數(shù)，是土體水平應(yīng)力與豎向應(yīng)力的比值。用比值。用 和和 作出的摩爾應(yīng)力圓與土的抗剪強(qiáng)度曲線不相切作出的摩爾應(yīng)力圓與土的抗剪強(qiáng)度曲線不相切 土的側(cè)壓力

9、土的側(cè)壓力zx1zz30 xKz第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.11 2) 塑性主動狀態(tài)塑性主動狀態(tài) 當(dāng)擋土墻離開土體向背離墻背方向移動時，墻后土體有當(dāng)擋土墻離開土體向背離墻背方向移動時，墻后土體有伸張趨勢，此時墻后豎向應(yīng)力伸張趨勢，此時墻后豎向應(yīng)力 不變，水平應(yīng)力不變，水平應(yīng)力 逐漸減小，逐漸減小，隨著擋土墻位移減小到土體達(dá)到塑性極限平衡狀態(tài)，此時水隨著擋土墻位移減小到土體達(dá)到塑性極限平衡狀態(tài)，此時水平應(yīng)力平應(yīng)力 達(dá)最低值，稱為主動土壓力強(qiáng)度達(dá)最低值，稱為主動土壓力強(qiáng)度 豎向應(yīng)力豎向應(yīng)力 ： = 常數(shù)常數(shù) 水平應(yīng)力水平應(yīng)力 ： 此時此時 和和 的摩爾應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線相切，土體的摩爾應(yīng)力圓與

10、抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線相切，土體形成一系列剪裂面，面上各點都處于極限平衡狀態(tài)，稱為主形成一系列剪裂面，面上各點都處于極限平衡狀態(tài)，稱為主動朗金狀態(tài)。此時滑裂面的方向與大主應(yīng)力作用的水平面交動朗金狀態(tài)。此時滑裂面的方向與大主應(yīng)力作用的水平面交角角 =45+ /2( 為土的內(nèi)摩擦角為土的內(nèi)摩擦角)。 土的側(cè)壓力土的側(cè)壓力zx1z3axxa13第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.12 3) 塑性被動狀態(tài)塑性被動狀態(tài) 當(dāng)擋土墻在外力作用下沿水平方向擠壓土體時，當(dāng)擋土墻在外力作用下沿水平方向擠壓土體時， 仍不發(fā)仍不發(fā)生變化，生變化， 隨著墻體位移增加而逐漸增大，當(dāng)擋土墻擠壓土體隨著墻體位移增加而逐漸增大，當(dāng)擋土墻擠壓土

11、體使其達(dá)到極限平衡狀態(tài)，此時水平應(yīng)力超過豎向應(yīng)力達(dá)到最使其達(dá)到極限平衡狀態(tài)，此時水平應(yīng)力超過豎向應(yīng)力達(dá)到最大值，稱為被動土壓力強(qiáng)度大值，稱為被動土壓力強(qiáng)度 豎向應(yīng)力豎向應(yīng)力 ： 水平應(yīng)力水平應(yīng)力 ： 此時此時 和和 的莫爾應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線相切，土體的莫爾應(yīng)力圓與抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線相切，土體形成一系列測控裂面，并處于極限平衡狀態(tài)，稱為被動朗金形成一系列測控裂面，并處于極限平衡狀態(tài)，稱為被動朗金狀態(tài)?；衙娴姆较蚺c小主應(yīng)力作用的水平面交角狀態(tài)。滑裂面的方向與小主應(yīng)力作用的水平面交角 =45-/2。土的側(cè)壓力土的側(cè)壓力3z1pxzxp31第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.13 2.土體極限平衡應(yīng)力狀態(tài)土

12、體極限平衡應(yīng)力狀態(tài) 當(dāng)土體中某點處于極限平衡狀態(tài)時，由土力學(xué)的強(qiáng)度理論當(dāng)土體中某點處于極限平衡狀態(tài)時，由土力學(xué)的強(qiáng)度理論可導(dǎo)出大可導(dǎo)出大主應(yīng)力主應(yīng)力1 和小主應(yīng)力和小主應(yīng)力 3應(yīng)滿足地關(guān)系式：應(yīng)滿足地關(guān)系式： 粘性土：粘性土： 無粘性土：無粘性土： 土的側(cè)壓力土的側(cè)壓力213tan (45)2tan(45)22coo231tan (45)2tan(45)22coo213tan (45)2o231tan (45)2o第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.14三、土的側(cè)壓力計算 1. 靜止土壓力靜止土壓力 靜止土壓力可按下述方法計算。在填土表面以下任意深度靜止土壓力可按下述方法計算。在填土表面以下任意深度z

13、處取一微小處取一微小單元體，其上作用著豎向土體自重單元體，其上作用著豎向土體自重 ，如前所述，土體在豎直面和水平面均，如前所述，土體在豎直面和水平面均無剪應(yīng)力，該處的靜止土壓力強(qiáng)度為：無剪應(yīng)力，該處的靜止土壓力強(qiáng)度為： 式中，式中，K0土的靜止土壓力系數(shù)，又稱土的側(cè)壓力系數(shù)，與土的性質(zhì)、密土的靜止土壓力系數(shù)，又稱土的側(cè)壓力系數(shù)，與土的性質(zhì)、密實程度等因素有關(guān)，對正常固結(jié)上可按表實程度等因素有關(guān)，對正常固結(jié)上可按表5-1取值，也可近似按取值，也可近似按(1-sin )( 為土的有效內(nèi)摩擦角為土的有效內(nèi)摩擦角)計算；計算； 墻后填土的重度墻后填土的重度(kN/m3)，地下水位以下采用有效重度。，地

14、下水位以下采用有效重度。 表表5-1 壓實填土的靜止土壓力系數(shù)壓實填土的靜止土壓力系數(shù)土的側(cè)壓力土的側(cè)壓力00Kz土的名稱K0土的名稱K0礫石、卵石0.20亞粘土(粉質(zhì)粘土)0.45砂土0.25粘土0.55亞砂土(粉土)0.35第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.15靜止土壓力與深度成正比，沿墻高呈三角形分布，如圖所示。靜止土壓力與深度成正比，沿墻高呈三角形分布，如圖所示。如取單位墻長，則作用在墻上的靜止土壓力為：如取單位墻長，則作用在墻上的靜止土壓力為： 式中，式中，H擋土墻高度擋土墻高度(m)；其余符號同前；其余符號同前； E0作用在距墻底作用在距墻底H/3處的壓力。處的壓力。土的側(cè)壓力土的側(cè)壓力

15、 靜止土壓力分布靜止土壓力分布20012EH K第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.16 2.主動土壓力主動土壓力 假設(shè)墻背光滑直立，填土面水平，當(dāng)擋土墻偏離土體處于主動朗金狀態(tài)假設(shè)墻背光滑直立，填土面水平，當(dāng)擋土墻偏離土體處于主動朗金狀態(tài)時，墻背土體離地表任意深度時，墻背土體離地表任意深度z處豎向應(yīng)力處豎向應(yīng)力 為大主應(yīng)力為大主應(yīng)力 ，水平應(yīng)力，水平應(yīng)力 為小主為小主應(yīng)力應(yīng)力 ，由極限平衡條件，可得主動土壓力強(qiáng)度，由極限平衡條件，可得主動土壓力強(qiáng)度 為：為： 粘性土：粘性土： 無粘性土：無粘性土： 式中，式中， 主動土壓力系數(shù)，主動土壓力系數(shù)， ； 墻后填土的重度墻后填土的重度(kN/m3)，地下水

16、位以下采用有效重度；，地下水位以下采用有效重度； c填土的粘聚力填土的粘聚力(kPa)； 填為土的內(nèi)摩擦角；填為土的內(nèi)摩擦角； z所計算的點離填土面的距離所計算的點離填土面的距離(m)。 由式可知，無粘性土的主動土壓力強(qiáng)度與由式可知，無粘性土的主動土壓力強(qiáng)度與z成正比，成正比，沿墻高的壓力分布為三角形，如圖所示，如取沿墻高的壓力分布為三角形，如圖所示，如取單位墻長計算，則主動土壓力為：單位墻長計算，則主動土壓力為：(5-14)土的側(cè)壓力土的側(cè)壓力aaa2xzKc KaazKaK(a) 主動土壓力計算主動土壓力計算 (b) 無粘性土無粘性土 (c) 粘性土粘性土圖圖 主動土壓力強(qiáng)度分布主動土壓力

17、強(qiáng)度分布2aa12EH K第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.17 Ea通過三角形的形心，其作用點在離墻底通過三角形的形心，其作用點在離墻底H/3處?？芍?，粘性土的主動處?？芍?，粘性土的主動土壓力包括兩部分：土壓力包括兩部分： 一部分是由土自重引起的土壓力一部分是由土自重引起的土壓力 ； 另一部分是由粘聚力另一部分是由粘聚力c引起的負(fù)側(cè)壓力引起的負(fù)側(cè)壓力 ， 這兩部分土壓力疊加后的作用效果如圖這兩部分土壓力疊加后的作用效果如圖 (c)所示，圖中所示，圖中ade部分對墻體部分對墻體是拉力，意味著墻與土已分離，計算土壓力時，該部分略去不計，粘性土是拉力，意味著墻與土已分離，計算土壓力時，該部分略去不計，粘

18、性土的土壓力分布實際上僅是的土壓力分布實際上僅是abc部分。部分。 a點離填土面的深度點離填土面的深度z0稱為臨界深度。稱為臨界深度。 如取單位墻長計算，則主動土壓力如取單位墻長計算，則主動土壓力Ea為：為： 主動土壓力主動土壓力Ea通過三角形壓力分布圖通過三角形壓力分布圖abc的形心，其作用點在離墻底的形心，其作用點在離墻底(H-Z0)/3處。處。土的側(cè)壓力土的側(cè)壓力0a2cZK22a0aaaa1122222cEHzHKc KH KcHKa2c K第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.18 3.被動土壓力被動土壓力 當(dāng)擋土墻在外力作用下擠壓土體出現(xiàn)被動朗金狀態(tài)時，墻背填土離地當(dāng)擋土墻在外力作用下擠壓土

19、體出現(xiàn)被動朗金狀態(tài)時，墻背填土離地表任意深度表任意深度z處的豎向應(yīng)力處的豎向應(yīng)力 z已變?yōu)樾≈鲬?yīng)力已變?yōu)樾≈鲬?yīng)力3 ，而水平應(yīng)力以成為大主應(yīng)，而水平應(yīng)力以成為大主應(yīng)力力 1 。由極限平衡條件可得被動土壓力強(qiáng)度。由極限平衡條件可得被動土壓力強(qiáng)度 p為：為： 粘性土：粘性土： 無粘性土：無粘性土： 被動土壓力系數(shù)，被動土壓力系數(shù)， = tan2 (45+ /2)。其余符號同前。其余符號同前。可知，無粘性土的被動土壓力強(qiáng)度也與可知，無粘性土的被動土壓力強(qiáng)度也與z成正比，并沿墻高呈三角形分布，成正比，并沿墻高呈三角形分布，如圖如圖5.5(a)所示；粘性土的被動土壓力強(qiáng)度呈梯形分布。如取單位墻長，則所示

20、；粘性土的被動土壓力強(qiáng)度呈梯形分布。如取單位墻長，則被動土壓力為：被動土壓力為：無粘性土：無粘性土： 粘性土：粘性土：土的側(cè)壓力土的側(cè)壓力ppp2zKc KppzKpK(a) 被動土壓力計算被動土壓力計算 (b) 無粘性土無粘性土 (c) 粘性土粘性土2pp12EH K2ppp122EH KcHKpK第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.19靜水壓力及流水壓力靜水壓力及流水壓力一、靜水壓力 靜水壓力是指靜止液體對其接觸面產(chǎn)生的壓力，在建造水靜水壓力是指靜止液體對其接觸面產(chǎn)生的壓力，在建造水閘、堤壩、橋墩、圍堰和碼頭等工程時，必須考慮水在結(jié)構(gòu)物閘、堤壩、橋墩、圍堰和碼頭等工程時，必須考慮水在結(jié)構(gòu)物表面產(chǎn)生

21、的靜水壓力。表面產(chǎn)生的靜水壓力。 靜水壓強(qiáng)具有兩個特征：靜水壓強(qiáng)具有兩個特征：一是靜水壓強(qiáng)指向作用面內(nèi)部并垂直于作用面；一是靜水壓強(qiáng)指向作用面內(nèi)部并垂直于作用面；二是靜止液體中任一點處各方向的靜水壓強(qiáng)都相等，與作用面的方位無關(guān)。二是靜止液體中任一點處各方向的靜水壓強(qiáng)都相等，與作用面的方位無關(guān)。 靜止液體任意點的壓強(qiáng)由兩部分組成：一部分是液體表面靜止液體任意點的壓強(qiáng)由兩部分組成：一部分是液體表面壓強(qiáng)，另一部分是液體內(nèi)部壓強(qiáng)，在重力作用下，靜止液體中壓強(qiáng)，另一部分是液體內(nèi)部壓強(qiáng)，在重力作用下，靜止液體中任一點的靜水壓強(qiáng)任一點的靜水壓強(qiáng)p等于液面壓強(qiáng)等于液面壓強(qiáng) 加上該點在液面以下深度加上該點在液面

22、以下深度h與與液體重度液體重度 的乘積，即任意點靜水壓強(qiáng)可用靜止液體的基本方程的乘積，即任意點靜水壓強(qiáng)可用靜止液體的基本方程表示：表示： 說明，靜止液體某點的壓強(qiáng)說明，靜止液體某點的壓強(qiáng)p與該點在液面以下的深度成正比。與該點在液面以下的深度成正比。 0pph第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.20靜水壓力及流水壓力靜水壓力及流水壓力 一般情況下，液體表面與大氣接觸，其表面壓強(qiáng)一般情況下，液體表面與大氣接觸，其表面壓強(qiáng) 即為大氣壓強(qiáng)。即為大氣壓強(qiáng)。由于液體性質(zhì)受大氣影響不大，水面及擋水結(jié)構(gòu)物周圍都有大氣壓力由于液體性質(zhì)受大氣影響不大，水面及擋水結(jié)構(gòu)物周圍都有大氣壓力作用，處于相互平衡狀態(tài)，在確定液體壓強(qiáng)

23、時常以大氣壓強(qiáng)為基準(zhǔn)點。作用，處于相互平衡狀態(tài)，在確定液體壓強(qiáng)時常以大氣壓強(qiáng)為基準(zhǔn)點。以大氣壓強(qiáng)為基準(zhǔn)起算的壓強(qiáng)稱為相對壓強(qiáng)，工程中計算水壓力作用以大氣壓強(qiáng)為基準(zhǔn)起算的壓強(qiáng)稱為相對壓強(qiáng)，工程中計算水壓力作用時，只考慮相對壓強(qiáng)。液體內(nèi)部壓強(qiáng)與深度成正比，可表示為：時，只考慮相對壓強(qiáng)。液體內(nèi)部壓強(qiáng)與深度成正比，可表示為： 式中，式中， 自由水面下作用在結(jié)構(gòu)物任一點自由水面下作用在結(jié)構(gòu)物任一點a的壓強(qiáng)；的壓強(qiáng)； 結(jié)構(gòu)物上的水壓強(qiáng)計算點結(jié)構(gòu)物上的水壓強(qiáng)計算點a到水面的距離到水面的距離(m)； 水的重度水的重度(kN/m3)。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)物靜水壓力隨水深按比

24、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)。圖表面的法線方向，水壓力分布與受壓面形狀有關(guān)。圖5.26列出了常見的列出了常見的受壓面的壓強(qiáng)分布規(guī)律。受壓面的壓強(qiáng)分布規(guī)律。phph圖圖5.26 靜水壓力在結(jié)構(gòu)物上的分布靜水壓力在結(jié)構(gòu)物上的分布第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.21靜水壓力及流水壓力靜水壓力及流水壓力二、流水壓力 1. 流體流動特征流體流動特征 在某等速平面流場中，如圖是一組流線互相平行的水平線，若在流在某等速平面流場中，如圖是一組流線互相平行的水平線，若在流場中放置一個固定的圓柱體，則流線在接近圓柱體時流動受阻，流速減場中放置一個固定的圓柱體，則

25、流線在接近圓柱體時流動受阻，流速減小，壓強(qiáng)增大。在到達(dá)圓柱體表面時，該流線流速為零，壓強(qiáng)達(dá)到最大；小，壓強(qiáng)增大。在到達(dá)圓柱體表面時，該流線流速為零，壓強(qiáng)達(dá)到最大；隨后從隨后從a點開始形成邊界層內(nèi)流動，即繼續(xù)流來的流體質(zhì)點在點開始形成邊界層內(nèi)流動，即繼續(xù)流來的流體質(zhì)點在a點較高壓點較高壓強(qiáng)作用下，改變原來流動方向沿圓柱面兩側(cè)向前流動；在圓柱面強(qiáng)作用下，改變原來流動方向沿圓柱面兩側(cè)向前流動；在圓柱面a點到點點到點b區(qū)間，柱面彎曲導(dǎo)致該區(qū)段流線密集，邊界層內(nèi)流動處于加速減壓狀態(tài)。區(qū)間，柱面彎曲導(dǎo)致該區(qū)段流線密集，邊界層內(nèi)流動處于加速減壓狀態(tài)。過過b點后流線擴(kuò)散，邊界層內(nèi)流動呈現(xiàn)相反勢態(tài)，處于減速加壓

26、狀態(tài)。過點后流線擴(kuò)散，邊界層內(nèi)流動呈現(xiàn)相反勢態(tài)，處于減速加壓狀態(tài)。過c點后繼續(xù)流來的流體質(zhì)點脫離邊界向前流動，出現(xiàn)邊界層分離現(xiàn)象。邊點后繼續(xù)流來的流體質(zhì)點脫離邊界向前流動，出現(xiàn)邊界層分離現(xiàn)象。邊界層分離后，界層分離后，c點下游水壓較低，必有新的流體反向回流，出現(xiàn)漩渦區(qū)，點下游水壓較低，必有新的流體反向回流，出現(xiàn)漩渦區(qū)，如圖。如圖。 (a) 截面突變截面突變 (b) 遭遇橋墩遭遇橋墩圖圖5.27 邊界層分離邊界層分離 圖圖5.28 漩渦區(qū)的產(chǎn)生漩渦區(qū)的產(chǎn)生第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.22靜水壓力及流水壓力靜水壓力及流水壓力 流體在橋墩邊界層產(chǎn)生分離現(xiàn)象，還會導(dǎo)致繞流阻力對橋墩的作用。流體在橋墩邊

27、界層產(chǎn)生分離現(xiàn)象，還會導(dǎo)致繞流阻力對橋墩的作用。繞流阻力是結(jié)構(gòu)物在流場中受到流動方向上的流體阻力，由摩擦阻力繞流阻力是結(jié)構(gòu)物在流場中受到流動方向上的流體阻力，由摩擦阻力和壓強(qiáng)阻力兩部分組成。起主導(dǎo)作用的壓強(qiáng)阻力是當(dāng)邊界層出現(xiàn)分離和壓強(qiáng)阻力兩部分組成。起主導(dǎo)作用的壓強(qiáng)阻力是當(dāng)邊界層出現(xiàn)分離現(xiàn)象且分離漩渦區(qū)較大時，迎水面的高壓區(qū)與背水面的低壓區(qū)的壓力現(xiàn)象且分離漩渦區(qū)較大時，迎水面的高壓區(qū)與背水面的低壓區(qū)的壓力差形成的。根據(jù)試驗結(jié)果繞流阻力可由下式計算：差形成的。根據(jù)試驗結(jié)果繞流阻力可由下式計算： 式中，式中， 來流流速；來流流速； 繞流物體在垂直于來流方向上的投影面積；繞流物體在垂直于來流方向上的

28、投影面積； 繞流阻力系數(shù)，主要與結(jié)構(gòu)物形狀有關(guān)；繞流阻力系數(shù)，主要與結(jié)構(gòu)物形狀有關(guān)； 流體密度。流體密度。為減小繞流阻力，在實際工程中，常將橋墩、閘墩設(shè)計成流線型，以縮小邊界層分離區(qū)。為減小繞流阻力，在實際工程中，常將橋墩、閘墩設(shè)計成流線型，以縮小邊界層分離區(qū)。22DpCAADC第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.23 冰荷載按照其作用性質(zhì)的不同，可分為靜冰壓力和動冰壓力。冰荷載按照其作用性質(zhì)的不同，可分為靜冰壓力和動冰壓力。靜冰壓力包括靜冰壓力包括 冰堆整體推移的靜壓力；冰堆整體推移的靜壓力； 風(fēng)和水流作用于大面積冰層引起的靜壓力；風(fēng)和水流作用于大面積冰層引起的靜壓力； 冰覆蓋層受溫度影響膨脹時產(chǎn)生

29、的靜壓力；冰覆蓋層受溫度影響膨脹時產(chǎn)生的靜壓力； 冰層因水位升降產(chǎn)生的豎向作用力。冰層因水位升降產(chǎn)生的豎向作用力。 動冰壓力主要指河流流冰產(chǎn)生的沖擊動壓力。動冰壓力主要指河流流冰產(chǎn)生的沖擊動壓力。冰冰 荷荷 載載第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.24 一、冰堆整體推移的靜壓力一、冰堆整體推移的靜壓力 當(dāng)大面積冰層以緩慢的速度接觸墩臺時，受阻于橋墩而停滯在墩臺前，形成冰層或當(dāng)大面積冰層以緩慢的速度接觸墩臺時，受阻于橋墩而停滯在墩臺前，形成冰層或冰堆現(xiàn)象。墩臺受到流冰擠壓，并在冰層破碎前的一瞬間對墩臺產(chǎn)生最大壓力，基于作冰堆現(xiàn)象。墩臺受到流冰擠壓，并在冰層破碎前的一瞬間對墩臺產(chǎn)生最大壓力，基于作用在墩臺

30、的冰壓力不能大于冰的破壞力這一原理，考慮到冰的破壞力與結(jié)構(gòu)物的形狀、用在墩臺的冰壓力不能大于冰的破壞力這一原理，考慮到冰的破壞力與結(jié)構(gòu)物的形狀、氣溫以及冰的抗壓極限強(qiáng)度等因素有關(guān)，可導(dǎo)出極限冰壓力計算公式：氣溫以及冰的抗壓極限強(qiáng)度等因素有關(guān)，可導(dǎo)出極限冰壓力計算公式： (5-67)式中，式中， 極限冰壓力合力極限冰壓力合力(N)； 計算冰厚計算冰厚(m)，可取發(fā)生頻率為，可取發(fā)生頻率為1的冬季冰的最大厚度的的冬季冰的最大厚度的0.8倍，當(dāng)缺乏倍，當(dāng)缺乏觀測資料時，可用勘探確定的最大冰厚；觀測資料時，可用勘探確定的最大冰厚； 墩臺或結(jié)構(gòu)物在流冰作用高程處的寬度墩臺或結(jié)構(gòu)物在流冰作用高程處的寬度(

31、m)； 墩臺形狀系數(shù)，與墩臺水平截面形狀有關(guān)，可按表墩臺形狀系數(shù)，與墩臺水平截面形狀有關(guān)，可按表5-6取值；取值； 冰的抗壓極限強(qiáng)度冰的抗壓極限強(qiáng)度(Pa)，采用相應(yīng)流冰期冰塊的實際強(qiáng)度，當(dāng)缺少試驗，采用相應(yīng)流冰期冰塊的實際強(qiáng)度，當(dāng)缺少試驗資料時，取開始流冰的資料時，取開始流冰的Fy =735kPa，最高流冰水位時，最高流冰水位時Fy =441kPa； 地區(qū)系數(shù)，氣溫在零上解凍時為地區(qū)系數(shù)，氣溫在零上解凍時為1.0；氣溫在零下解凍且冰溫為；氣溫在零下解凍且冰溫為-10及及以下者為以下者為2.0；其間用插入法求得。；其間用插入法求得。 表表5-6 墩臺形狀系數(shù)墩臺形狀系數(shù) 值值冰冰 荷荷 載載y

32、pFbhpphbyF第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.25 二、大面積冰層的靜壓力二、大面積冰層的靜壓力 由于水流和風(fēng)的作用，推動大面積浮冰移動對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生靜壓力，可根據(jù)水流方向由于水流和風(fēng)的作用，推動大面積浮冰移動對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生靜壓力，可根據(jù)水流方向和風(fēng)向，考慮冰層面積來計算，如圖和風(fēng)向，考慮冰層面積來計算，如圖5.37所示。所示。 (5-68)式中，式中， 作用于結(jié)構(gòu)物的正壓力作用于結(jié)構(gòu)物的正壓力(N)； 浮冰冰層面積浮冰冰層面積(m2)，取有史以來有記載的最大值；，取有史以來有記載的最大值； 水流對冰層下表面的摩阻力水流對冰層下表面的摩阻力(Pa) ； 水流對浮冰邊緣的作用力水流對浮冰邊緣的作用

33、力(Pa) ； 由于水面坡降對冰層產(chǎn)生的作用力由于水面坡降對冰層產(chǎn)生的作用力(Pa) ； 風(fēng)對冰層上表面的摩阻力風(fēng)對冰層上表面的摩阻力(Pa) ； 結(jié)構(gòu)物迎冰面與冰流方向間的水平夾角；結(jié)構(gòu)物迎冰面與冰流方向間的水平夾角； 結(jié)構(gòu)物迎冰面與風(fēng)向間的水平夾角。結(jié)構(gòu)物迎冰面與風(fēng)向間的水平夾角。冰冰 荷荷 載載1234()sinsinPpppp P1p2p3p4p圖圖5.37 大面積冰層靜壓力示意圖大面積冰層靜壓力示意圖第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.26 三、冰覆蓋層受到溫度影響膨脹時產(chǎn)生的靜壓力三、冰覆蓋層受到溫度影響膨脹時產(chǎn)生的靜壓力 確定冰與結(jié)構(gòu)物接觸面的靜壓力時，其中冰面初始溫度、冰溫上升速率、冰

34、覆蓋層確定冰與結(jié)構(gòu)物接觸面的靜壓力時，其中冰面初始溫度、冰溫上升速率、冰覆蓋層厚度及冰蓋約束體之間的距離，由下式確定：厚度及冰蓋約束體之間的距離，由下式確定： (5-69)式中，式中， 冰覆蓋層升溫時，冰與結(jié)構(gòu)物接觸面產(chǎn)生的靜壓力冰覆蓋層升溫時，冰與結(jié)構(gòu)物接觸面產(chǎn)生的靜壓力(Pa)； 冰層初始溫度冰層初始溫度()，取冰層內(nèi)溫度的平均值，或取，取冰層內(nèi)溫度的平均值，或取0.4t，t為升溫開始時的為升溫開始時的氣溫；氣溫； 冰溫上升速率冰溫上升速率(/h)，采用冰層厚度內(nèi)的溫升平均值；，采用冰層厚度內(nèi)的溫升平均值； 冰蓋層計算厚度冰蓋層計算厚度(m)，采用冰層實際厚度，但不大于，采用冰層實際厚度，

35、但不大于0.5m； 墩臺寬度墩臺寬度(m)；系數(shù)，視冰蓋層的長度系數(shù)，視冰蓋層的長度L而定，見表而定，見表5-7。表表5-7 系數(shù)系數(shù) 冰冰 荷荷 載載1.670.3300.8810(1)3.1tphbtp0tbh第第3章章 側(cè)壓力側(cè)壓力1.27 四、冰層因水位升降產(chǎn)生的豎向作用力四、冰層因水位升降產(chǎn)生的豎向作用力 當(dāng)冰覆蓋層與結(jié)構(gòu)物凍結(jié)在一起時，若水位升高，水通過凍結(jié)在橋墩、樁群等結(jié)構(gòu)當(dāng)冰覆蓋層與結(jié)構(gòu)物凍結(jié)在一起時，若水位升高，水通過凍結(jié)在橋墩、樁群等結(jié)構(gòu)物上的冰蓋對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生上拔力?？砂凑諛蚨账闹鼙鶎佑行е睆綖槲锷系谋w對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生上拔力。可按照橋墩四周冰層有效直徑為50倍冰層厚度的平板倍冰層厚度的平板應(yīng)力來計算：應(yīng)力來計算： (5-70)式中，式中，V上拔力上拔力(N)； h冰層厚度冰層厚度(m)； d樁柱或樁群直徑樁柱或樁群直徑(m)，當(dāng)樁柱或樁群周圍有半徑不小于，當(dāng)樁柱或樁群周圍有半徑不小于20倍冰層厚度的連續(xù)倍冰層厚度的連續(xù)冰層，且樁群中各樁距離在冰層，且樁群中各樁距離在l