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土压力

作用于结构物上的天然土或人工填土的压力。在设计挡土结构或地下埋管时,必须知道土压力的大小、方向和作用点。土压力主要是由于土本身重量所产生的,在地下结构物的水平面上作用着竖向压力,在挡土结构物的垂直面上作用着横向压力。但是也可能由于地下水、土的膨胀、地面上的荷载和动荷,以及地震等因素引起土压力。随着挡土结构物静止不动或水平方向移动,横向土压力可分为静止、主动和被动三种土压力(见图1)。

作用于结构物上的天然土或人工填土的压力。在设计挡土结构或地下埋管时,必须知道土压力的大小、方向和作用点。

土压力主要是由于土本身重量所产生的,在地下结构物的水平面上作用着竖向压力,在挡土结构物的垂直面上作用着横向压力。但是也可能由于地下水、土的膨胀、地面上的荷载和动荷,以及地震等因素引起土压力。随着挡土结构物静止不动或水平方向移动,横向土压力可分为静止、主动和被动三种土压力(见图1)。当挡土结构物静止不能移动时(例如来自左右两侧的土压力大小几乎相等),填土作用于结构上的力称为静止土压力(P0)。当来自较高地面的土压力,使结构向前移动,刚好使墙后填土达到破坏时的土压力,称为主动土压力(Pa);如有某一外力(例如拱桥作用于桥台上的推力)作用于挡土结构物,使该结构向填土移动,刚好使墙后填土达到破坏时的土压力,即为被动土压力(Pp)。产生被动土压力所需要墙顶移动距离△,要比产生主动土压力所需要的移动距离△′要大得多(图1)。

图1 挡土墙位移对土压力的影响

静止土压力P0依靠静止侧压力系数K0来推求,即

土压力

式中 γ为土的容重;H为墙的高度;静止侧压力系数K0可由试验测定,但不容易测得正确。主动和被动土压力可以根据土的破坏状态由朗肯或库伦理论来计算,图2和图3分别表明这两种理论求砂性土主动土压力的破坏极限状态及公式。

朗肯公式

土压力

库伦公式

土压力

式中 γ为土的容重;H为墙高:φ为土的摩擦角

图2表示出朗肯主动极限平衡状态时土的两簇破裂线及填土面上的匀布荷载,但必须假定墙背垂直而且光滑,填土面为水平。图3为库伦假定破裂面为直线的推求主动土压力方法,墙背可倾斜或粗糙,填土面不一定水平。这两种古典土压力理论目前仍在实践中普遍采用,自从20世纪60年代开始有限元法逐步运用到求解土工问题以来,可以用接触单元法来求得挡土墙底部与基土接触的摩擦力,该力的大小对于墙后土压力的大小有着决定作用,而古典土压力理论却不能解决这问题。

图2 均布荷载下的朗肯方法图

图3 库伦方法力系图

日本物部长穗与冈部所提出的计算地震作用下砂质填土的土压力老方法,经过美国西特(H.B.Seed)与惠特曼(R.V.Whitman)20世纪70年代的论证,认为目前还是比较实际可用的。小理查德(R.Richards.Jr.)进一步精辟地论述在计算结构物由于地震所引起的土压力时,应该考虑结构物本身由于地震所引起的向前后晃动的影响。

上述诸理论,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。关于较薄的柔性板桩支撑墙,因为局部板桩的挠度太大,使用上述土压力理论时还需要按板桩的位移情况加以修正。为了减少板桩的入土深度,可以在靠近板桩顶部处加拉杆,以分担部分土压力。对于堤坝下的埋管,计算作用于埋管上的土压力时,要注意是沟埋管还是地面管。沟埋管是在地基中先开挖一条沟,放下管道,再复土在地基上建造坝或堤,作用于这种管道上的土压力,如沟埋甚浅,即等于上复土重;如沟埋甚深,则应考虑沟的两侧边表面对回填土的摩擦力,使减轻上复压力的重量。地面管是在地基表面上敷设,上建堤坝,这样,由于管道部分较两边填土的沉降较少,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。

隧洞埋管是在原地岩石或土中用穿洞法埋设的,是常用的引水或交通建筑物。根据内部有无水压力,可分为有压与无压隧洞两大类。前者多做成圆形,后者多做成马蹄形或其他形状,隧洞内常设有衬砌,以承受外部的岩土压力及外水压力,通常用普罗托季亚科诺夫压力拱理论或太沙基棱柱体理论计算土压力。