第7章土压力计算.doc

第7章 土压力计算 7.1概 述 挡土结构物是土木、水利、建筑、交通等工程中的一种常见的构筑物，其目的是用来支挡土体的侧向移动，保证土结构物或土体的稳定性。典型的例子如道路工程中路堑段用来支挡两侧人工开挖边坡而修筑的挡土墙以及用来支挡路堤稳定的挡土墙、桥梁工程中连接路堤的桥台、港口码头以及基坑工程中的支护结构物(图7.1)。此外，高层建筑物地下室、隧道和地铁工程中的衬砌以及涵洞和输油管道等地下结构物中遇到的各种型式的挡土结构物也是一类典型的形式。 (a) 码头 (b) 隧道 (c) 路堑挡土墙 (d) 桥台 (e) 基坑支护 (f) 加筋土挡墙 图7.1 各种型式的挡土结构物 各类挡土结构物在支挡土体的同时必然会受到土体的侧向压力的作用，此即所谓土压力问题。土压力的计算是挡土结构物断面设计和稳定验算的主要依据，而形成土压力的主要荷载一般包括土体自身重量引起的侧向压力、水压力、影响区范围内的构筑物荷载、施工荷载、交通荷载等。在某些特定的条件下，还需要计算地震荷载作用下在挡土墙上可能引起的侧向压力，即动土压力。 挡土结构物按其刚度和位移方式可以分为刚性挡土墙和柔性挡土墙两大类，前者如由砖、石或混凝土所构筑的断面较大的档土墙，对于该类档土墙而言，由于其刚性较大，在侧向土压力作用下仅能发生整体平移或转动，墙身的挠曲变形可以忽略；而后者如结构断面尺寸较小的钢筋混凝土桩、地下连续墙或各种材料的板桩等，由于其刚度较小，在侧向土压力作用下会发生明显的挠曲变形。本章将重点讨论针对刚性档土墙的古典土压力理论，对于柔性挡土墙则在后面只作简要说明。 学完本章后应掌握以下内容： 土压力的概念及静止土压力、主动土压力和被动土压力发生的条件。 朗肯土压力理论的基本假定和计算方法。 库仑土压力理论的基本假定和计算方法。 朗肯土压力理论和库仑土压力理论的区别和联系。 学习中应注意回答的问题： 1. 什么是刚性挡土墙和柔性挡土墙? 2. 为什么说主动状态和被动状态均是一种极限平衡状态? 3. 朗肯土压力理论与库仑土压力理论有什么不同? 4. 如何计算挡土墙后填土为成层情况下的土压力分布? 5. 如何计算挡土墙后填土中有地下水存在时的土压力分布? 6. 挡土结构物的刚度及位移对土压力的大小有什么影响? 一般而言，土压力的大小及其分布规律同挡土结构物的侧向位移的方向、大小、土的性质、挡土结构物的高度等因素有关。根据挡土结构物侧向位移方向和大小可分为三种类型的土压力。 （1）静止土压力。如图7.2(a)所示，若刚性的挡土墙保持原来位置静止不动，则作用在挡土墙上的土压力称为静止土压力。作用在每延米挡土墙上静止土压力的合力用E0(kN/m)表示，静止土压力强度用p0(kPa)表示。 （2）主动土压力。如图7.2(b) 所示，若挡土墙在墙后填土压力作用下，背离填土方向移动，这时作用在墙上的土压力将由静止土压力逐渐减小，当墙后土体达到极限平衡状态，并出现连续滑动面而使土体下滑时，土压力减到最小值，称为主动土压力。静止土压力合力和强度分别用Ea(kN/m)和pa(kPa)表示。 （3）被动土压力。如图7.2(c) 所示，若挡土墙在外力作用下，向填土方向移动，这时作用在墙上的土压力将由静止土压力逐渐增大，一直到土体达到极限平衡状态，并出现连续滑动面，墙后土体将向上挤出隆起，这时土压力增至最大值，称为被动土压力。被动土压力合力和强度分别用Ep(kN/m)和pp(kPa)表示。 可见，在挡土墙高度和填土条件相同的条件下，上述三种土压力之间有如下的关系： Ea? E0?Ep (a)静止土压力 (b)主动压力 (c)被动土压力 7.2 土压力的三种类型 图7.3 土压力与挡土墙位移关系 在影响土压力大小及其分布的诸因素中，挡土结构物的位移是其中的关键因素之一。图7.3中给出土压力与挡土结构水平位移之间的关系。可以看出，挡土结构物要达到被动土压力所需的位移远大于导致主动土压力所需的位移。根据大量试验观测和研究，可给出砂土和粘土中产生主动和被动土压力所需的墙顶水平位移参考值，见表7.1（表7.1中，H表示挡土墙高度）。 表7.1 产生主动和被动土压力所需的墙顶水平位移 土 类 应力状态 运动形式 所需位移 砂土 主动 平行于墙体 0.001H 主动 绕墙趾转动 0.001H 被动 平行于墙体 0.05H 被动 绕墙趾转动 >0.1H 粘土 主动 平行于墙体 0.004H 主动 绕墙趾转动 0.004H 事实上，挡墙背后土压力是挡土结构物、土及地基三者相互作用的结果，实际工程中大部分情况均介于上述三种极限平衡状态之间，土压力值的实际大小也介于上述三种土压力之间。目前，根据土的实际的应力-应变关系，利用数值计算的手段，可