本帖最后由 一介书生第二 于 2014-6-12 09:24 编辑 1、挡土结构 说到挡土结构，我们首先想到的是“挡土墙”。挡土墙的形式很多，如重力式、半重力式、衡重式、悬壁式、扶壁式、空箱式、锚杆式、自嵌式、锚定板式、加筋土挡墙等。在论坛的相关帖子中有介绍，也有图片，这里就不再细说了。 其实挡土结构并不只限于挡土墙，从广义的角度上讲，像砌石护坡之类也可称为挡土结构。此外，如抗滑桩、基坑支护中的土钉墙、地下工程中的隧道侧墙，给排水工程中的沉井结构，埋地管道等等，也是一种挡土结构。在不同的工程中，挡土墙也会被赋予不同的名称，如交通桥梁中的U型桥台、水利工程中的水闸边墩与翼墙等，实质上就是挡土墙。所以，挡土结构在土木工程中是非常多见的，虽然有时并不将其作为主要建筑物，但其重要性也是需要密切关注的。
1、挡土结构
说到挡土结构，我们首先想到的是“挡土墙”。挡土墙的形式很多，如重力式、半重力式、衡重式、悬壁式、扶壁式、空箱式、锚杆式、自嵌式、锚定板式、加筋土挡墙等。在论坛的相关帖子中有介绍，也有图片，这里就不再细说了。
其实挡土结构并不只限于挡土墙，从广义的角度上讲，像砌石护坡之类也可称为挡土结构。此外，如抗滑桩、基坑支护中的土钉墙、地下工程中的隧道侧墙，给排水工程中的沉井结构，埋地管道等等，也是一种挡土结构。在不同的工程中，挡土墙也会被赋予不同的名称，如交通桥梁中的U型桥台、水利工程中的水闸边墩与翼墙等，实质上就是挡土墙。所以，挡土结构在土木工程中是非常多见的，虽然有时并不将其作为主要建筑物，但其重要性也是需要密切关注的。
2、土压力
在挡土结构所受的荷载中，最重要的就是土压力，土压力的计算是挡土结构设计中的必要一环。按由小而大排列，包括主动土压力、静止土压力和被动土压力。土压力的分类是按挡土结构与土之间是否发生相对位移而定的，当土向挡土结构位移时就产生主动土压力，当挡土结构向土产生位移时就产生被动土压力，当两者之间无相对位移时就属于静止土压力。
在实际工程中，静止土压力的情况比较少见，典型的有地下室外墙、岩基上的挡土墙等。被动土压力的情况比较多见，但在设计中往往不考虑其有利作用。挡土墙都会有一定的埋置深度，在墙背主动土压力作用下，墙身会产生一定的位移，从而在墙前埋入地基中的部位将产生被动土压力。由于被动土压力与主动土压力相比所占比例一般不大，故往往予以忽略，并将其作为安全储备。但有一些情况是必须考虑被动土压力的作用的，如桥梁工程中拱桥的桥台，由于拱是一种推力结构，会对桥台施加水平推力，此时桥台背侧产生的就属于被动土压力。又如给排水工程中顶管的工作井后背，在管道顶进过程中，后背墙将承受较大的被动土压力。
均匀回填土的土压力强度分布一般为三角形，其合力作用线经过三角形的形心。静水压力也有这个特性，但为何没有主动水压力与被动水压力之称呢？关于这个问题，有兴趣的朋友不妨思考一下。（注：动水压力与动土压力是另外一个概念，属于动力学问题。）
当填土不均匀时，因土质不同，其土压力分布将变为折线，转折点即位于土层交界面上。当墙后有地下水时，无论采用水土分算还是水土合算（“水土分算”是将土压力和水压力分别计算后再叠加，比较适合渗透性大的砂性土；“水土合算”是在计算土压力时将地下水位以下的土体重度取为饱和重度，水压力不再单独计算叠加，比较适合渗透性小的黏性土），在水面处土压力分布必然出现转折。如下图所示：
3、土压力计算理论
土压力经典计算理论有两个，即郎肯土压力理论和库仑土压力理论。这两个理论都有各自的假定条件，所以其适用情况有所不同。从计算角度上看，郎肯理论相对比较简单，这从计算公式即可看出来。砂性土的主动与被动土压力系数如下，只与土的内摩擦角有关，且只用了一个正切函数：
比较一下库仑土压力系数，显然要复杂得多，涉及的参数有四个，且需要用正弦与余弦：
实际上从本质来看，郎肯理论应是库仑理论的特例，即当墙背垂直（α=0）、光滑（δ=0）、填土面水平（β=0），且无超载（填土与挡土墙顶平齐）时，两者结果便完全相同。
郎肯理论根据土的抗剪强度理论，按弹性半空间土的应力状态和极限平衡条件，分析确定土压力，概念明确，对粘性土、无粘性土、成层土都适用。不过计算的主动土压力偏大，被动土压力偏小，其结果偏于保守。因假定墙背竖直、光滑，填土面水平，所以其使用范围受到一些限制。
库仑理论假定墙背可倾斜、粗糙，填土面可倾斜，地表可有开裂，所以其使用范围较广。但假定墙后填土滑动面是通过墙踵的一个平面，而实际上破坏面为一曲面。被动土压力计算结果误差过大，基本不能应用。
4、挡土结构设计
挡土结构的设计计算视其具体形式的不同而各有侧重。此处我们不关注具体尺寸的选用问题，仅就计算方面说可以将其归结为“两种稳定”与“两个应力”。两种稳定指的是抗滑稳定与抗倾稳定，两个应力指的是基底应力与墙体应力。
抗滑稳定与抗倾稳定是挡土结构设计中的共性问题，滑动与倾覆都属于整体破坏，也是设计中必须着重考虑的问题。尤其对墙后填土为黏性土的挡土墙，当排水不畅时更易引起这些问题。稳定计算方法相对比较简单（圆弧滑动除外），重点在土压力的计算，而要点在于对墙后填土物理力学指标的合理选取，如重度、内摩擦角、黏聚力等。
基底应力验算类同于地基承载力，以判断地基的稳定性。当地基土性质很差时，也需要进行必要的地基加固，如复合地基、换填、桩基等等。墙体应力计算中，对浆砌石之类的重力式挡土墙一般不突出，也不是控制因素。对用混凝土建造的悬臂式与扶壁式挡土墙等，其墙体应力计算则是重点，实质上就是一种钢筋混凝土构件的计算，而且一般由弯矩控制，因为断面相对较大，其剪力往往不是控制因素。
挡土结构设计中需注意两个易被忽视的问题：一是对墙后填土的选择有条件时尽量选用非黏性土回填；二是必须对墙后排水引起高度重视，对易积蓄地下水的挡土墙，排水不畅是引起其倒塌的重要原因。与排水相对应的还有反滤，即既要满足排水通畅，又要防止土颗粒被带走。
在水工挡土墙设计中，我们还考虑了一种特殊工况，这个在规范与教材中一般不会被提及。这个特殊工况我们称之为“旱期暴雨”，即在长期不下雨的情况下，填土比较干燥，当突然遭遇暴雨时，短时间雨量较大，雨水入渗后来不及在短时间排出，导致墙后地下水位快速上升，从而致使墙后水压力突然增大，这对挡土墙的稳定将造成极为不利的影响。
说明：本系列帖子第一篇“《土力学》学习笔记（1）——土力学的特殊性”于2月23日发表，至今已过去差不多四个月了。期间主要是由于其他事情的干扰，再加上需要进行一些必要的思考，所以就一直搁放在那儿了。今天发第二篇，顺序与教材不同，可以说是成熟一个就发一个。只是自己的一些感想与体会，挂一漏万是肯定的。欢迎各位批评指正。
