第一章 概述

第一节 挡土墙的形式及土压力

一、挡土墙的基本形式

挡土墙是土木建筑、水利水电、铁路、公路、航运、矿山等工程建设中广泛应用的一种结构物。例如，房基侧面的挡墙，路基两旁的护墙，地下建筑物的边墙，边坡的挡墙，水工建筑物进出口处的翼墙和两侧的边墙，铁路、公路两侧的护墙和挡墙，桥梁的桥台，河道两岸的护岸墙，港池的护墙、码头，矿井的边墙、侧墙和护墙等均为挡土墙。

但刚性挡土墙是应用最广的挡土墙形式，所谓刚性挡土墙，就是在荷载作用下墙体变形很小或基本不变形的挡土墙。如用砖、石、混凝土、少筋混凝土建筑的重力式挡土墙、悬臂式挡土墙和扶壁式挡土墙等，如图1-1所示。

挡土墙的类型很多，根据其结构特点可分为重力式挡土墙［图1-1(a)］、悬臂式挡土墙［图1-1(b)］、扶壁式挡土墙［图1-1(c)］。

二、作用在挡土墙上的土压力

作用在挡土墙上的主要荷载是土压力，土压力的大小和分布与许多因素有关，例如：

挡土墙的形式和墙体的刚度；挡土墙表面的倾斜度及其粗糙程度；填土的性质（如土的均匀性，土的物理力学性质等）；填土表面荷载的情况；地下水的情况；挡土墙的变形和位移。

挡土墙形式不同，作用在其上的土压力的大小和分布也不相同，刚性挡土墙由于墙体本身的刚度较大，墙体在荷载作用下基本不变形或变形很小，故可用库仑土压力理论和朗肯土压力理论等来计算作用在其上的土压力。而柔性挡土墙由于受到墙体本身变形的影响，土压力及其分布与刚性挡土墙有很大区别。

挡土墙表面的粗糙度和倾斜度将直接影响到作用在墙面上的土压力的大小和作用方向，作用在光滑墙面上的土压力要比作用在粗糙墙面上的土压力小，前者土压力的作用方向与墙面的法线一致，而后者则与墙面法线成某一角度（等于墙面与填土的摩擦角）。此外，墙面的俯仰角越大，则作用在墙面上的土压力也越大。对于填土为砂土，填土表面水平，墙面竖直的挡土墙，分析结果表明，填土与墙面的摩擦角δ对主动土压力系数K_a的影响比较小，但对被动土压力系数K_p的影响就比较大。当填土与墙面的摩擦角δ逐渐增大时，主动土压力系数K_a逐渐减小。例如，当土的内摩擦角φ=20°时，若δ=0°，K_a=0.49；若δ=7°，K_a=0.46；若δ=14°，K_a=0.44。当土的内摩擦角φ=25°时，若δ=0，K_a=0.41；若δ=8°，K_a=0.38；若δ=16°，K_a=0.36。而当填土与墙面的摩擦角δ逐渐增大时，被动土压力系数K_p则逐渐增大。例如，当土的内摩擦角φ=20°时，若δ=0，K_p=2.0；若δ=7°，K_p=2.41;若δ=14°，K_p=2.89。当土的内摩擦角φ=25°时，若δ=0°，K_p=2.46;若δ=8°，K_p=3.12；若δ=16°，则K_p=4.08,与δ=0°时相比，增大了65%。

填土的不均匀性不仅影响到墙面上土压力的大小，而且也影响到土压力沿墙面的分布。填土的物理力学性质对土压力的大小有很大影响，而且也影响到土压力沿墙高的分布。土的凝聚力c越大，主动土压力越小，而被动土压力则越大，故黏性土的主动土压力一般较砂土的主动土压力要小，而黏性土的被动土压力则较砂土的被动土压力大。土的内摩擦角φ越大，则主动土压力系数越小，而被动土压力系数越大。对于填土为砂土，填土表面水平，挡土墙墙面竖直、表面光滑的情况，当土的内摩擦角φ=15°时，主动土压力系数K_a=0.59,被动土压力系数K_p=1.70;当φ=20°，K_a=0.49,K_p=2.04；当φ=25°时，K_a=0.40,K_p=2.46;当φ=30°时，K_a=0.33,K_p=3.00;当φ=35°时，K_a=0.27,K_p=3.69;当φ=40°时，K_a=0.22,K_p=4.60。由此可见，当土的内摩擦角φ由15°增大到40°时，主动土压力系数K_a减小约45%，而被动土压力系数K_p则增大约171%。

填土的容重（重力密度）越大，主动土压力和被动土压力也越大，在一般性情况，主动土压力和被动土压力将随填土容重（重力容度）γ的增大而按比例增大，并随填土容重（重力密度）γ的减小而按比例减小。

填土表面作用荷载时，将在挡土墙墙面上产生一个附加的土压力。附加土压力的大小及其沿墙面的分布，与荷载的大小及其在填土表面的分布有直接关系。荷载大，附加土压力也大，荷载在填土表面分布不同，附加土压力在墙面上的分布也不同。

地下水将改变填土的物理力学性质，因而也影响到土压力的大小。通常，地下水位以下土的容重（重力密度）γ、内摩擦角φ和凝聚力c将比地下水位以上的土小，因而对于同一种土，无地下水时的土压力将比有地下水时的土压力大。但有地下水时挡土墙墙面上将增加一个孔隙水压力，这种孔隙水压力，对于砂性填土，大致等于静水压力。

挡土墙的位移和变形与土压力的大小有直接关系。挡土墙的位移方式与墙的类型和用途有关，通常有以下四种方式：

（1）墙体下端固定，上端向外（内）侧转动，如图1-2（c）、（d）所示。

（2）墙体上端固定，下端向外（内）侧转动，如图1-2（e）、（f）所示。

（3）墙体向外侧平移，如图1-2（a）、（b）所示。

（4）墙体上端向内（外）侧移动，下端向外（内）侧移动，如图1-2（g）所示。挡土墙的位移和变形方式与土压力沿墙高的分布图形有密切关系，杜勃洛娃（Дуброва）曾对高度为68cm的模型墙和墙背面填土为砂土和碎石土的情况进行了试验，实测得墙体在不同位移时作用在墙面上的土压力，其结果是当墙的上端向外侧移动，下端固定时，土压力的分布为三角形；而当墙体向外平移或墙的上端固定、下端向外侧位移时，作用在墙上的土压力均呈凸曲线形分布。

三、土压力的种类

如前所述，作用在挡土墙上的土压力与墙体的位移和变形有关，当墙体静止不动，既不产生位移，也不产生变形时，挡土墙墙背面的填土处于静止状态，此时填土对挡土墙所产生的土压力称为静止土压力。当挡土墙向背离填土方向产生微小水平位移或变形，但墙后填土仍处于弹性平衡状态，此时填土对挡土墙所产生的土压力称为主动弹性阶段土压力。若墙体向背离填土方向产生水平位移，或者墙体围绕靠近填土方向的墙顶旋转，或者墙体围绕靠近填土方向的墙踵旋转，使墙体产生背离（远离）填土方向的变形时，土压力由原来的静止土压力逐渐减小，墙后填土失去原来的弹性平衡状态，当填土达到主动极限平衡状态时，此时作用在挡土墙上的土压力称为主动土压力。若墙体向着填土方向平移和转动，但墙后填土仍处于弹性平衡状态，此时填土对挡土墙所产生的土压力称为被动弹性阶段土压力。若墙体向填土方向产生水平位移，或者墙体围绕靠近填土方向的墙顶旋转，或者墙体围绕靠近填土方向的墙踵旋转，使墙背面填土压密而失去原来的弹性平衡状态，当位移达到一定数量，即土体压密到一定程度，而使墙背面填土处于被动极限平衡状态时，此时填土作用在挡土墙上的土压力，称为被动土压力。

因此，挡土墙上的土压力可分为五类：静止土压力P₀、主动弹性（阶段）土压力P_ae、主动土压力P_a、被动弹性（阶段）土压力P_pe和被动土压力P_p。五者与墙体位移的关系如图1-3所示。

在上述五类土压力中，主动土压力最小，其次是主动弹性阶段土压力，静止土压力居中，然后是被动弹性阶段土压力，而被动土压力为最大，即

土中侧向压力P_x与竖向压力P_z的比值，即K=，称为土的侧向压力系数，也简称为土压力系数。

太沙基（K.Terzaghi）等通过试验研究了墙体位移与土压力的关系，如图1-4所示。图中纵坐标以侧向压力与竖向压力的比值，即土的侧压力系数K表示；横坐标以墙顶位移Δ与墙高H的比值，即相对位移表示；图中实线表示密实砂土的试验结果，虚线表示松砂的试验结果。试验时墙体的下端固定，上端位移，当墙顶向远离填土的方向位移时，此时的位移为正值 （+Δ），当墙顶向填土方向位移时，此时的位移为负值 （-Δ）。由图1-4可知，当墙的相对位移时，土压力为静止土压力，土压力系数K大致在0.2～0.6之间。当墙产生正向位移 （+Δ）时，土压力系数迅速减小，当相对位移达到0.001～0.005时，墙背面填土即处于主动极限平衡状态，此时填土对挡土墙的压力即为主动土压力。随着相对位移的继续增大，土压力系数也继续减小，当相对位移达到约0.01,此时土压力系数最小，随后当相对位移继续增大，土压力系数又开始缓慢地增大，而对于松砂，则土压力系数仅略有下降，但变化不大。当墙体产生负向位移 （-Δ）时，土压力系数迅速增大，当相对位移达到-0.01～-0.05时，墙背面的填土即进入被动极限平衡状态，此时填土作用在墙上的土压力为被动土压力。随着相对位移继续增大，土压力系数还将继续增大。

根据一些试验资料的分析，产生主动土压力和被动土压力所需的相对位移值如表1-1所示。