支挡结构设计中土作用力计算浅析

刘燕

摘要：支档结构是用来支撑填土或自然坡体，防止填土或坡体变形失稳的一种构造物。支档结构物支撑着土体，使其不致坍塌，因而支档结构经常承受着土体的侧压力作用。本文结合不同土压力理论，介绍土作用力的计算方法，以及不同土压力理论的适用情况。

关键词：支档结构土作用力土压力理论

Abstract: a file structure is used to support the filled soil or natural slope, prevent the filled soil slope deformation or instability of a kind of structures. A file structures supported the soil, make it not to collapse, and thus a file structure under the soil often the lateral pressure effect. This paper combines different earth pressure theory is introduced, and the calculation method of earth forces, as well as the different soil pressure and the application of the theory.

Key words: a file structure soil force earth pressure theory

中图分类号：TU318文献标识码：A 文章编号：

一、概述

支档结构是用来支撑填土或自然坡体，防止填土或坡体变形失稳的一种构造物。它在各种土建工程中得到广泛的应用，如公、铁路的挡土墙和桥台，河港工程中的岸墙，工业与民用建筑中的地下连续墙及开挖支撑等。

支档结构的工作对象为不稳定的或可能丧失稳定性的建（构）造物或建筑环境，对于工程而言主要为人工边坡（路堤边坡和路堑边坡）、自然山坡和桥梁下部结构的深基坑。

其主要作用为：

（1）降低挖方边坡的高度，减少挖方数量；

（2）收缩路堤坡脚，减少拆迁和占用土地；

（3）避免挤占河床，防止临水路基的边坡被水流冲刷；

（4）防止岩堆、滑坡地段的岩土体下滑；

（5）便于桥梁和路堤相接（的桥头挡墙）；

（6）防止隧道洞口坍方（的洞口挡墙）

支档结构的选型与结构构造设计是否合理，将直接影响到主体工程的安全与经济性，而结构构造设计的关键是土作用力计算。

二、土压力的类别

公路工程中的支档结构物支撑着土体，使其不致坍塌，因而支档结构经常承受着土体的侧压力作用。故工程设计中需确定土作用力的大小、方向、合力作用点和分布规律。根据挡土墙的移动情况和墙后土体所处的应力状态，土压力可分为：

（1） 静止土压力

（2） 主动土压力

（3） 被动土压力

（一）静止土压力E0

当墙体保持原来的位置不发生任何位移时，土内应力小于其抗剪强度，土体处于弹性应力平衡状态，此时的土压力称静止土压力E0 。E0可根据弹性半无限体的应力状态求解，其分布规律为三角形。

σ0 = K0rh

E0 = 1/2rH2

式中：

σ0 ―― 静止土压力分布强度；

E0 ―― 静止土压力的合力；

K0 ―― 静止土压力系数；

r―― 填土的容重；

H ―― 墙背的高度。

静止土压力系数K0与填土的性质、密实程度等因素有关，宜由试验确定。当无试验条件时，对砂土可取0.34～0.45，对粘性土取0.5～0.7。（建筑边坡工程技术规范）

（二）主动土压力Ea和被动土压力Ep

主动土压力Ea：当挡土墙由于墙后土体侧向压力过大或地基变形向外滑移、倾斜时，土体产生侧向拉伸。土内拉应力随墙的位移增加而增加，土体对墙体的侧压力则随之而相应减小，直至土内应力与其抗剪强度相等时，土体达到向下滑动的平衡状态，此时作用于墙背的侧压力最小，即为主动土力压力Ea 。

被动土压力Ep：当墙体在外力作用或基础变形等原因向后移动或转动，土体产生侧向压缩。土内的压应力随墙的位移增加而增加，土体对墙的侧压力随之而相应增加，直至土内应力与其抗剪强度相等时，土体即达到向上滑动的极限平衡状态，此时作用于墙背的侧压力达到最大值，即为被动土力压力Ep 。

（三）主动土压力Ea和被动土压力Ep计算常用理论

在主动土压力和被动土压力计算过程中常用到朗金土压力理论和库伦土压力理论。

三、土压力理论浅析

（一）朗金土压力理论

朗金土压力理论由英国的朗金于1857年提出，它从研究弹性半无限体内的应力状态出发，假定土体为松散介质，根据土中一点的极限平衡条件（塑性状态）来计算土压力强度和破裂面方向。其在理论上较为严谨，但由于它只能考虑比较简单的边界条件，故在应用上受到限制。朗金理论多适用于填土为一平面的垂直墙背的挡土墙。

1主动土力压力

以较简单的挡土墙墙背垂直光滑、填土表面水平为例：

砂性土：σa = Karh

Ea= 1/2 rH 2 Ka

粘性土：σa = Karh － 2c (Ka) 1/2

Ea= 1/2 rH 2 Ka - 2cH (Ka) 1/2 ＋2c2/ r

式中：σa ―― 主动土压力分布强度；

Ea―― 主动土压力的合力；

Ka―― 主动土压力系数，Ka = tan2 (45º - φ/2)；

r――填土的容重；

H――墻背的高度；

Φ ―― 填土的内摩擦角；

c―― 填土的粘聚力。

由上式可知，砂性土的主动土压力沿高度呈三角形分布。粘性土的主动土压力由土的自重引起的土压力（Karh）和粘聚力引起的土压力[ 2c (Ka) 1/2 ]两部分叠加组成，由于土体不能承受拉力，当填土表面无荷载作用时，设计中需注意临界深度hc范围的土压力应忽略。

2被动土力压力

以较墙背垂直光滑、填土表面水平为例：

砂性土：σp = Kprh

Ep= 1/2 rH 2 Kp

粘性土：σp = Kprh + 2c (Kp) 1/2

Ep= 1/2 rH 2 Kp + 2cH (Kp) 1/2

其中： Kp = tan2 (45º +φ/2)； Ep 为被动土压力的合力。砂性土的被动土压力沿高度呈三角形分布；粘性土的被动土压力由土呈梯形分布。

3重要特点

填土表面为折线形，墙背为仰斜时，朗金土压力理论不适用。朗金土压力理论计算条件和范围受一定的限制，计算结果与实际有出入，所得主动土压力值偏大，被动土压力值偏小。

（二）库伦土压力理论

库伦理论库是200多年（1773年）前提出的计算土压力的一种经典理论，随着生产和科学技术的发展，它得到了很大程度的丰富与改进。