挡土结构物上的土压力

第八章挡土结构物上的土压力

第一节概述

第五章已经讨论了土体中由于外荷引起的应力，本章将介绍土体作用在挡土结构物上的土压力，讨论土压力性质及土压力计算，包括土压力的大小、方向、分布和合力作用点，而土压力的大小及分布规律主要与土的性质及结构物位移的方向、大小等有关，亦和结构物的刚度、高度及形状等有关。

一、挡土结构类型对土压力分布的影响

定义：挡土结构是一种常见的岩土工程建筑物，它是为了防止边坡的坍塌失稳，保护边坡的稳定，人工完成的构筑物。

常用的支挡结构结构有重力式、悬臂式、扶臂式、锚杆式和加筋土式等类型。

挡土墙按其刚度和位移方式分为刚性挡土墙、柔性挡土墙和临时支撑三类。

1．刚性挡土墙

指用砖、石或混凝土所筑成的断面较大的挡土墙。

由于刚度大，墙体在侧向土压力作用下，仅能发身整体平移或转动的挠曲变形则可忽略。墙背受到的土压力呈三角形分布，最大压力强度发生在底部，类似于静水压力分布。

2．柔性挡土墙

当墙身受土压力作用时发生挠曲变形。

3．临时支撑

边施工边支撑的临时性。

二、墙体位移与土压力类型

墙体位移是影响土压力诸多因素中最主要的。墙体位移的方向和位移量决定着所产生的土压力性质和土压力大小。

1.静止土压力（E0）

墙受侧向土压力后，墙身变形或位移很小，可认为墙不发生转动或位移，墙后土体没有破坏，处于弹性平衡状态，墙上承受土压力称为静止土压力E0。

2.主动土压力（E A）

挡土墙在填土压力作用下，向着背离填土方向移动或沿墙跟的转动，直至土体达到主动平衡状态，形成滑动面，此时的土压力称为主动土压力。

3.被动土压力（E P）

挡土墙在外力作用下向着土体的方向移动或转动，土压力逐渐增大，直至土体达到被动极限平衡状态，形成滑动面。此时的土压力称为被动土压力E P。

同样高度填土的挡土墙，作用有不同性质的土压力时，有如下的关系：

E P >E0> E A

在工程中需定量地确定这些土压力值。

Terzaghi（1934）曾用砂土作为填土进行了挡土墙的模型试验，后来一些学者用不同土作为墙后填土进行了类似地实验。

实验表明：当墙体离开填土移动时，位移量很小，即发生主动土压力。该位移量对砂土约0.001h，（h为墙高），对粘性土约0.004h。

当墙体从静止位置被外力推向土体时，只有当位移量大到相当值后，才达到稳定的被动土压力值Ep，该位移量对砂土约需0.05h，粘性土填土约需0.1h，而这样大小的位移量实际上对工程常是不容许的。本章主要介绍曲线上的三个特定点的土压力计算，即E0、Ea和Ep。

三、研究土压力的目的

研究土压力的目的主要用于：

1．设计挡土构筑物，如挡土墙，地下室侧墙，桥台和贮仓等；

2．地下构筑物和基础的施工、地基处理方面；

3．地基承载力的计算，岩石力学和埋管工程等领域。

第二节 静止土压力的计算

设一土层，表面是水平的，土的容重为γ，设此土体为弹性状态，如图（见教材P200），在半无限土体内任取出竖直平面A ′B ′，此面在几何面上及应力分布上都是对称的平面。对称平面上不应有剪应力存在，所以，竖直平面和水平平面都是主应力平面。

在深度Z 处，作用在水平面上的主应力为：z v ⋅=νσ

在竖直面的主应力为： z k h ⋅⋅=νσ0

式中：k 0——土的静止侧压力系数。

γ——土的容重

σh 即为作用在竖直墙背AB 上的静止土压力，即：与深度Z 呈线性直线分布。 可见：静止土压力与Z 成正比，沿墙高呈三角形分布。

单位长度的挡土墙上的静压力合力E 0为：

0202

1K H E ⋅⋅=ν 可见：总的静止土压力为三角形分布图的面积。

式中，H ：挡土墙的高度。

E 0的作用点位于墙底面以上H/3处。

静止侧压力系数K 0的数值可通过室内的或原位的静止侧压力试验测定。其物理意义：在不允许有侧向变形的情况下，土样受到轴向压力增量△σ1将会引起侧向压力的相应增量△σ3，比值△σ3/△σ1称为土的侧压力系数§或静止土压力系数k 0。

ν

νσσξ-=∆∆==1130K 室内测定方法：

（1）、压缩仪法：在有侧限压缩仪中装有测量侧向压力的传感器。

（2）、三轴压缩仪法：在施加轴向压力时，同时增加侧向压力，使试样不产生侧向变形。 上述两种方法都可得出轴向压力与侧向压力的关系曲线，其平均斜率即为土的侧压力系数。

对于无粘性土及正常固结粘土也可用下式近似的计算：

'sin 10ϕ-=K

式中：'ϕ——为填土的有效摩擦角。

对于超固结粘性土：m C N c o OCR K K )()()(00+=••

式中：c o K •)(0——超固结土的0K 值

C N K •)(0——正常固结土的0K 值