什么是土压力?

[拼音]：tuyali

[外文]：earth pressure

土压力理论主要研究挡土结构（挡土墙、桥台、码头板桩墙、基坑护壁墙等）所受土体侧压力的大小和分布规律。在土与结构的相互作用下，挡土结构所受侧压力的总值，随着结构与土相对位移的方向和位移量而变化，侧压力的分布图形则随着结构的柔性变形和施工程序的不同而变化。因此，土压力必须针对各种挡土结构的不同特性而采用不同的计算方法（见路基挡土结构）。

经典的土压力解析方法远自 C.-A.de库仑于1776年和W.J.M.兰金于1857年开始，基于以刚塑性模型为前提的极限平衡理论，至今仍广泛应用。20世纪60年代以后，随着计算机和数值分析方法的发展，对土压力进行的分析探讨逐渐采用非线性模型和d塑性模型，并考虑土与结构的共同作用，但至今仍处于研究阶段。

天然土层中的竖直压应力等于其上覆地层的有效压应力σv＝γz，式中 σv为任何一点的竖直压应力；γ为容重；z为该点距地面的深度。土层内部在未受任何干扰时的水平压应力称为静止土压力σ0。静止土压力与竖直压应力的比值称为静止土压力系数K0＝σ0/σv。正常固结土层的K0小于1，在砂土层中K0≈0.4，在粘土中 K0介于0.4至0.8之间，在正常压密土层中可以用K0＝1－sinφ′(φ′为土的有效内摩擦角)作为经验估算式。但在超固结土层和用机械压实的填土层中，静止土压力系数可能大于1，甚至达到2以上，须另作具体的试验研究。

如果土层表面为水平的，挡土结构的背面垂直光滑并向离开土体的方向移动，则土与结构之间的侧压力逐渐减小。当侧压力减至极限平衡状态时，土体开始剪裂，此时的侧压力为最小值，称为主动土压力σa。与此相反，如果挡土结构向土体推挤，则土与结构之间的侧压力逐渐增大。当侧压力增至极限平衡状态时，土体亦开始剪裂，此时的侧压力为最大值，称为被动土压力σp。

对于土中任一点的应力状态，其主动土压力、被动土压力和极限平衡条件的公式如下：

主动土压力

(1)

被动土压力

(2)

极限平衡条件

(3)

式中σ1、σ3分别为最大和最小主应力；с、φ 分别为土的粘聚力和内摩擦角。公式(1)和(2)称为兰金应力状态的土应力。

用库仑土压理论计算。若墙背AB在土压力作用下向左方移动，则墙后产生滑动土楔体ABC，此时墙背受主动土压力EA的作用，如图1a。

如果墙背向右推动，从而?a href='http://www.baiven.com/baike/223/310011.html' target='_blank' style='color:#136ec2'>骨胶笸撂宀欢裂沽衙妫飧鐾屏Τ票欢裂沽?I>EP，如图1b。实际裂面是曲线形状的，但为了简化计算起见，库仑假设滑裂面BC为直线，从而推导求得刚性挡土墙的土压力计算公式如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中Ea、Ep分别为主动和被动的总土压力；Ka和 Kp分别为主动和被动土压力系数；H为墙高；α为墙背AB的倾斜角；β为填土顶面坡角；δ为墙背摩擦角，填料为砂土。库仑理论假定土压力的分布图式为三角形，其合力作用点在墙背三分之一高度处。

码头板桩墙（图2）下端插入天然土层，上端用拉杆和锚定板维持平衡。这种挡土结构在土压力作用下的位移量一般相当于其高度的百分之一左右，它所受土压力的总值与库仑土压理论的计算值相近似，但压力的分布图形不是三角形。板桩在侧压力的作用下，本身产生很大的柔性变形。土体中由于相邻部位的不同变形而产生拱作用，因而使锚杆附近和板桩底部的主动土压力增大，板桩中部的主动土压力减小，在板桩前方靠近港池底面处的被动土压力增大。

施工中的基坑护壁墙，要求尽量防止坑壁变形和地面沉降。因此，施工时先将板桩打入地下（或灌注地下连续墙），然后从地面逐层开挖基坑，每挖一层便及时设置预应力锚杆。这种结构的土压力受施工方法的影响，一般均大于库仑主动土压力，也不是三角形分布。K.泰尔扎吉（一译太沙基）和R.B.佩克在他们所著的《实用土力学》（1967年再版）中，曾提出计算基坑土压力的经验图式可供参考。这种护壁土压力合力的作用点，一般约在墙背二分之一高度处。

虽然库仑和兰金土压力理论已被广泛应用许多年，但实际土压力还受许多其他因素的影响。由于挡土墙在设计时均采用较大的安全系数，理想的极限状态实际不会发生。挡土墙施工过程中的填土夯实以及完工后填土继续沉降和水分变化的影响，均可能增大侧压力。车辆震动、温度和湿度对土压力的影响在某些情况下颇为复杂，当墙背填料为粘性土时，强度指标不易精确测定；蠕变作用对土压力也可能有所影响；这些都正在进行研究。