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土力学与基础工程
1.9.1 5.1 概述
5.1 概述

在建筑、水利、道路、桥梁工程中,为了防止土体滑坡和坍塌,经常要修建各种各样的挡土结构物,如挡土墙、桥台、隧道和基坑围护结构(图5-1)等,这些挡土结构物承受着土体侧压力的作用,土压力就是这种侧压力的总称。

图5-1 挡土结构的应用

由于土压力是作用在挡土结构上的主要荷载,因此设计挡土结构时,首先要确定土压力的性质、大小、方向和作用点。

根据挡土结构物的位移和墙后填土所处的状态,土压力可分为静止土压力、主动土压力和被动土压力三种,如图5-2所示。

5.1.1 静止土压力

如图5-2(a)所示,相当于用挡土结构代替左侧那部分土体。因此,在土体作用下,挡土结构不产生任何方向的位移或转动,而保持着原来的位置静止不动,土体处于弹性平衡状态(或称静止状态),这时作用在挡土结构上的土压力称为静止土压力,用E0表示如图5-2(a)所示。

图5-2 土压力示意图

5.1.2 主动土压力

挡土结构在土体推力作用下向离开土体的方向位移(图5-2(b)),随着这种位移的增大,作用在挡土结构上的土压力将从静止土压力逐渐减小。当土体达到主动极限平衡状态时,作用在挡土结构上的土压力称为主动土压力。

5.1.3 被动土压力

挡土结构在外力作用(如拱桥的桥台(图5-1(c))受到拱桥的推力作用)下向土体方向位移,作用在其上的侧向土压力随之增加,直至土体进入极限平衡状态,形成一个滑动面,土压力达到最大值。此时,土体作用在挡土结构上的土压力称为被动土压力,用Ep表示(图5-2(c))。

图5-3 墙身位移和土压力关系

实际上,土压力是土体与挡土结构之间相互作用的结果,大部分情况下的土压力均介于上述三种极限状态土压力之间。试验结果表明,土压力的大小及分布与作用在挡土结构上的土体性质、挡土结构本身的材料及挡土结构的位移有关,其中挡土结构的位移情况是影响土压力性质的关链因素。图5-3表示的是上述三种土压力与挡土墙位移的关系。从图中可看出,产生被动土压力所需要的位移Δp比产生主动土压力所需的位移Δa要大得多。在相同条件下,主动土压力Ea小于静止土压力E0,而静止土压力E0又小于被动土压力Ep,即

Ea<E0<Ep

土压力的计算,实质上是土的抗剪强度理论的一种应用。静止土压力的计算,主要应用弹性理论方法和经验方法。计算主动土压力和被动土压力主要应用朗金和库伦土压力理论,或称为极限平衡理论,以及依据此理论发展的一些近似方法和图解法。土压力的问题一般按平面问题考虑。