侧压力

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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与 直墙不同,在计算中按圆柱的几何尺寸把圆柱分为 两类①当圆柱的直径D与波长λ之比D/ λ <0.2时, 称为小圆柱体,②当圆柱的直径D与波长λ之比D/ λ >0.2时,称为大圆柱体: 1)小圆柱体的波浪荷载计算: 小圆柱体的荷载计算采用Morision的计算公式, Morision认为在非恒定流中的圆柱体,其受力有两 部分组成:阻力和惯性力。阻力和惯性力的大小之 比随条件的不同而变化,在某种条件下,阻力是主 要的,而在另外条件下,惯性力是主要的。计算公 式为:
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。
根据冻土存在的时间可将其分为以下三类: 多年冻土(或称永冻土)——冻结状态持续两年或 两年以上的土层; 季节冻土——每年冬季冻结,夏季全部融化的 土层; 瞬时冻土——冬季冻结状态仅持续几个小时至 数日的土层。
冻土对结构物的影响: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环。主 要表现在冬季低温时结构物开裂、断裂,严重者造 成结构物倾覆等;春融期间地基沉降,对结构产生 形变作用的附加荷载。
(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。 Ea<E0<Ep
2.2.3 波浪荷载
近区破碎波的压强分布如图2-22所示。

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
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σp为:
无粘性土:
粘性土: 式中:Kp——被动土压力系数。Kp=tan2(450+υ/2)
其余符号意义同前。
2、土的冻胀原理 土体产生冻胀的三要素是水分、土质和负温度,即土 中含有足够的水分、水结晶成冰后能导致土颗粒发生位移、 有能够使水变成冰的负温度。水分由下部土体向冻结峰面迁 移,使在冻结面上形成了冰夹层和冰透镜体,导致冻层膨胀, 地层隆起。含水量越大,地下水位越高(在毛细管上升高度 内),越有利于聚冰和水分的迁移。这种现象通常发生在颗 粒较细的土中。 建筑在冻胀土上的结构物,使地基上的冻胀变形受到 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。
2.2.4冻胀力

1、冻土的概念、性质及与结构物的关系

冻土的概念: 凡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,使 土体抗外力的强度提高。因此,把具有负温度或零 温度,其中含有冰,且胶结着松散固体颗粒的土, 称为冻土。



பைடு நூலகம்
冻胀力分类: 一般根据土体冻胀力对结构物的不同作用方向和作用效果, 冻胀力分为切向冻胀力、法向冻胀力和水平冻胀力(图2— 25)。 (1)切向冻胀力:垂直于冻结峰面,平行作用于结构物基础 侧表面,通过基础与冻土间的冻结强度,使基础随着土体的 冻胀变形而产生向上的拔起力,这种作用于基础表面的冻胀 力称为切问冻胀力,如图中的‘στ’。 (2)法向冻胀力:垂直于基底冰结面和基础底面,当土冻结 时,产生把基础向上抬起的冻结力,我们把这种垂直作用于 基础底面的冻结力称为法向冻结力,如图中的σn。 (3)水平冻胀力:垂直作用于基础或结构物侧表面,当基础 周围的土体冻结时,会对基础产生水平方向的挤压力或推力, 使基础产生水平方向的位移,这种力称为水平冻胀力,如图 中的σh0。
2、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 层上的外部压力,以及受冻胀作用和影响的结构物 抗变形能力等,因此法向冻胀力随诸多因素变化而 变化,不是固定不变的值,至今尚没有一个能全面 体现诸因素的方法。 下面仅介绍日本的一种计算方法。日本木下 诚一根据冻胀力跟冻胀率成正比的关系,提出经验 公式:
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。
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0.5m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2— 9),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发生破碎的波。 ①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/λ介于 0.135——0.20之间,波陡h/ λ<= 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.
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 在离墙底H/3处; 由式(3—4)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γzKa,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。
w dxdy
γ-——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=γhA 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+γhA 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,考虑较多的是正应力:p=p静+p动 瞬时动水压力:p= p静+p动+P’
pd C p p'
v2 2

v2 2
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λ、周期τ、波幅h(波浪力学中称为浪高),如图 3—7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
作用在直墙上的最大压强为:
2.2.3 波浪荷载
λ1: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
③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:
(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
②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Z=h1时,波压力变为零,其分布如图3—9所示:
2.2 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。
静止土压力的计算: 任意深度处的土压力: σ0=K0γZ K0——为土的侧压力 系数。取K0=1-sinυ’ Φ’—土的有效 内摩擦角。 γ——土的重度, 地下水位以下 取有效重度。 则:E0=1/2 γH2K0
2、主动土压力: 如:基础开挖中的围护结构。如图所示
无粘性土的主动土压力分布
粘性土的主动土压力分布
但在计算中选定恰当的CD、CM值是非常困难的,我国海港水 文规范规定,对圆柱形体不考虑雷诺数的影响, CD均取1.2, CM取2.0,一般讲,惯性力系数CM比阻力系数CD稳定.
2)大圆柱体的波浪荷载计算 圆柱体尺寸较小时,波浪流过柱体时 除产生漩涡外,波浪本身的性质并不发生变 化,但如果圆柱尺寸相对于波浪来说较大时, 当波浪流过圆柱时就会发生绕射现象,因此 大圆柱体的受力不同于小圆柱体,其计算理 论自然也不同于小圆柱体,而需按绕射理论 来确定。
2.2.4冻胀力
1、切向冻胀力的计算:T=στ×U ×H
式中 T——总的切向冻胀力(kK);
U——与冻土接触的基础周长(m)
H——与基础接触的冻深(m)。
关于单位切向冻胀力στ的取值,国内外许多学者都进行了 大量试验研究,已积累了许多经验值,如2008年颁布的 《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)规定的‘στ ’。
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