土壓力理論主要研究擋土結構(擋土牆、橋臺、碼頭板樁牆、基坑護壁牆等)所受土體側壓力的大小和分佈規律。在土與結構的相互作用下,擋土結構所受側壓力的總值,隨著結構與土相對位移的方向和位移量而變化,側壓力的分佈圖形則隨著結構的柔性變形和施工程式的不同而變化。因此,土壓力必須針對各種擋土結構的不同特性而採用不同的計算方法(見路基擋土結構)。

  經典的土壓力解析方法遠自 C.-A.de庫侖於1776年和W.J.M.蘭金於1857年開開始,基於以剛塑性模型為前提的極限平衡理論,至今仍廣泛應用。20世紀60年代以後,隨著計算機和數值分析方法的發展,對土壓力進行的分析探討逐漸采用非線性模型和彈塑性模型,並考慮土與結構的共同作用,但至今仍處於研究階段。

  靜止、主動和被動土壓力 天然土層中的豎直壓應力等於其上覆地層的有效壓應力σvγz,式中σv為任何一點的豎直壓應力;γ為容重;z為該點距地面的深度。土層內部在未受任何幹擾時的水平壓應力稱為靜止土壓力σ0。靜止土壓力與豎直壓應力的比值稱為靜止土壓力系數K0σ0/σv。正常固結土層的K0小於1,在砂土層中K0≈0.4,在粘土中K0介於0.4至0.8之間,在正常壓密土層中可以用K0=1-sinφ′(φ′為土的有效內摩擦角)作為經驗估算式。但在超固結土層和用機械壓實的填土層中,靜止土壓力系數可能大於1,甚至達到2以上,須另作具體的試驗研究。

  如果土層表面為水平的,擋土結構的背面垂直光滑並向離開土體的方向移動,則土與結構之間的側壓力逐漸減小。當側壓力減至極限平衡狀態時,土體開始剪裂,此時的側壓力為最小值,稱為主動土壓力σa。與此相反,如果擋土結構向土體推擠,則土與結構之間的側壓力逐漸增大。當側壓力增至極限平衡狀態時,土體亦開始剪裂,此時的側壓力為最大值,稱為被動土壓力σp

  對於土中任一點的應力狀態,其主動土壓力、被動土壓力和極限平衡條件的公式如下:

  主動土壓力

   (1)

  被動土壓力

   (2)

  極限平衡條件

   (3)

式中 σ 1σ 3分別為最大和最小主應力; сφ分別為土的粘聚力和內摩擦角。公式(1)和(2)稱為蘭金應力狀態的土應力。

  剛性擋土墻的土壓力 用庫侖土壓理論計算。若墻背AB在土壓力作用下向左方移動,則墻後產生滑動土楔體ABC,此時墻背受主動土壓力EA的作用,如圖1a。

如果墻背向右推動,從而使墻後土體產生被動土壓裂面,這個推力稱被動土壓力 E P,如圖1b。實際裂面是曲線形狀的,但為瞭簡化計算起見,庫侖假設滑裂面 BC為直線,從而推導求得剛性擋土墻的土壓力計算公式如下:

     (4)

     (5)

   

(6)

(7)

式中 E aE p分別為主動和被動的總土壓力; K aK p分別為主動和被動土壓力系數; H為墻高; α為墻背 AB的傾斜角; β為填土頂面坡角; δ為墻背摩擦角,填料為砂土。庫侖理論假定土壓力的分佈圖式為三角形,其合力作用點在墻背三分之一高度處。

  柔性擋土墻的土壓力 碼頭板樁墻(圖2)下端插入天然土層,上端用拉桿和錨定板維持平衡。這種擋土結構在土壓力作用下的位移量一般相當於其高度的百分之一左右,它所受土壓力的總值與庫侖土壓理論的計算值相近似,但壓力的分佈圖形不是三角形。板樁在側壓力的作用下,本身產生很大的柔性變形。土體中由於相鄰部位的不同變形而產生拱作用,因而使錨桿附近和板樁底部的主動土壓力增大,板樁中部的主動土壓力減小,在板樁前方靠近港池底面處的被動土壓力增大。

  施工中的基坑護壁墻,要求盡量防止坑壁變形和地面沉降。因此,施工時先將板樁打入地下(或灌註地下連續墻),然後從地面逐層開挖基坑,每挖一層便及時設置預應力錨桿。這種結構的土壓力受施工方法的影響,一般均大於庫侖主動土壓力,也不是三角形分佈。K.泰爾紮吉(一譯太沙基)和R.B.佩克在他們所著的《實用土力學》(1967年再版)中,曾提出計算基坑土壓力的經驗圖式可供參考。這種護壁土壓力合力的作用點,一般約在墻背二分之一高度處。

  影響土壓力的各種因素 雖然庫侖和蘭金土壓力理論已被廣泛應用許多年,但實際土壓力還受許多其他因素的影響。由於擋土墻在設計時均采用較大的安全系數,理想的極限狀態實際不會發生。擋土墻施工過程中的填土夯實以及完工後填土繼續沉降和水分變化的影響,均可能增大側壓力。車輛震動、溫度和濕度對土壓力的影響在某些情況下頗為復雜,當墻背填料為粘性土時,強度指標不易精確測定;蠕變作用對土壓力也可能有所影響;這些都正在進行研究。