水利百科

土压力

编辑
所属类别:土力学

基本信息

中文名称:土压力
外文名称:

填土作用于挡土墙上的侧向压力。被支撑的土体称为填土,用来侧向支撑土体的结构物称为挡土墙。工程中常见的挡土墙有桥台、水闸与船闸闸室的边墙、码头的岸墙以及房屋地下室的外墙等。

土压力的大小视挡土墙能否移动或变形及其方向而定。对于不能移动或变形的挡土墙(如地下室的外墙),填土施于墙上的土压力称为静止土压力(p0);当挡土墙离土向前移动,允许墙后填土伸张并使其应力达到极限平衡状态时,填土施于墙上的土压力称为主动土压力(pa);当挡土墙移向填土,迫使墙后填土压缩并使其应力达到极限平衡状态时,填土施于墙上的土压力称为被动土压力(pp)。这3种土压力的发生条件及其相互关系如图1所示。

图1 3种土压力相互关系

静止土压力可根据试验测得土的静止土压力系数计算。主动和被动土压力的计算一般都是基于极限平衡条件的古典土压力理论,即朗肯(Rankine.W.J.M.)理论与库仑(C.A.de Coulomb)理论。

朗肯土压力理论

一种古老的土压力计算方法。假定墙背铅直光滑、填土为无黏聚力的砂性土、填土表面水平,则靠近铅直挡土墙上任意深度(z)处,单元土体上的竖向压力(σ1,σ1=γz)与水平应力(σ3)应满足主动极限平衡条件,并且σ3即为任意深度(z)处的单位主动土压力(pa)。由主动极限平衡时大小主应力的关系,即可求得主动土压力为

式中,Ka为主动土压力系数;φ为土的内摩擦角;γ为土的容重。

对于墙高为H的挡土墙,墙背上总主动土压力为

由式(1)可知,pa总沿墙高呈三角形分布,故pa的作用点位于离墙底H/3处(图2)。

图2 朗肯法求主动土压力

同样,对于任意深度(z)处的单位被动土压力,根据土的被动极限平衡条件(这时σ3=γz、σ1即为被动土压力pp),得

式中,Kp为被动土压力系数。

对于墙高为H的挡土墙,墙背上总被动土压力为

pp作用于离墙底H/3处。

对于同时具有黏聚力(c)和内摩擦角的填土,同样可以根据极限平衡时大小应力的关系,分别求得作用于墙上任意深度处的单位主动土压力和单位被动土压力:

以及墙高为H上的总主动土压力与总被动土压力:

朗肯土压力理论还可以考虑填土面上有均布上覆荷载、成层填土以及填土中存在地下水的情况。

库仑土压力理论

也是一种古老的土压力计算方法。它是根据墙后无黏聚性填土在破坏状态时楔形体的平衡条件求得的(图3)。

图3 库仑法求主动土压力

楔形体为ABC,其斜边AB是假定的破坏面,相应于该破坏面的土压力为p,AB面上的反力为R,ABC的重量为W。这3个力应构成平衡力系。假定的破坏面不同,这3个力也随之改变,直至当土压力达到主动极限平衡状态的最大值或被动极限平衡状态的最小值(这时p与R均位于图中法线的另一边),即为真正的总主动土压力(pa)或总被动土压力(pp)。它们的公式与式(2)或式(4)相同,只是其中的Ka和Kp除了与φ有关外,还与墙背与土的摩擦角(α)、墙背的倾角(ε)、填土面的坡角(β)和破坏角(θ)等有关。所以这种理论适用于墙背可以是倾斜或粗糙、填土面可以是非水平的情况。

上述两种理论,适用于刚性的挡土结构,如钢筋混凝土或块石砌成的挡土墙。对于较薄的柔性板桩支撑墙,因板桩的某些部位挠度较大,使用上述土压力理论时还需按板桩的位移情况加以修正。

上述两种古典土力学理论,虽与实测值存在差异,但仍在实践中普遍采用。自从20世纪70年代开始,有限单元法逐步运用到求解各种土工问题中。有限单元法求解土压力有一很大优点,即可以用接触单元来求得挡土墙底部与基土接触面上的摩擦力。该力的大小对墙后的土压力大小有着重要的影响(参见土工数学模拟)。

20世纪70年代以来,加筋土挡土墙盛行于西方国家。它只需要一个极薄的面板和面板的底座,再将钢筋薄片或聚合材料的一端与面板连接并埋于面板后的填土中,依靠填土与埋入材料间的摩擦力来拉住面板不使其向前倾倒(图4)。

图4 加筋土挡土墙

(a)纵剖面;(b)后视剖面

加筋土挡土墙的设计,一般仍用上述朗肯或库仑土压力理论。在设计中,首先要注意这种复合材料结构的内部因素,即:①加筋的抗拉力。②加筋与填土间的摩擦力。③面板的侧向压力。还应当从下列几个方面注意整个结构的稳定性:①结构的抗倾性。②结构的水平移动。③结构与地基的整体稳定。

加筋土挡墙与传统的挡土结构相比,可节省投资,缩短工期。加筋土技术在中国已被广泛应用于工程实践。

涵洞、隧洞和埋管是另一类土压力问题。这些地下结构物除了受到侧向土压力作用外,其顶部还受到上覆土重的压力,并且这些土压力还受到施工方法的影响。例如,计算作用于埋管上的土压力时,要区分是沟埋管还是地面管。沟埋管是先在地面上挖沟,再埋设管道。如沟甚浅,作用于管道上的竖向土压力即等于上覆土重;如沟甚深,则应考虑沟的两侧面对回填土的摩擦力,将使上覆土压力减小。地面管是在地基表面上敷设,再在其上覆土(如堤坝下的涵管)。由于管道以上填土部分较两边填土的沉降小,管道以上的填土两侧受到向下的摩擦力,使管道上作用的土压力大大增加。

  
编辑认证
×
尊敬的用户:

您好,目前词条编辑功能只对实名认证的专家用户开放,若您有意向进行百科词条的编辑,请先进行专家认证。提交申请后,我社工作人员会尽快安排审核,请您耐心等候!