第四节 土压力和淤沙压力

一、土压力

水工建筑物中常需设边墩、岸墙、翼墙等兼具挡土功能的结构（主要是挡土墙），这些结构承受土体对其背面施加的土压力。根据挡土墙相对于墙后填土的位移方向和大小，土压力可分为主动土压力、静止土压力和被动土压力三类。当挡土墙有背向填土的位移并达到一定量，且墙后填土达到极限平衡状态时，作用于墙背面的土压力为主动土压力；当挡土墙相对背后填土没有位移，且土体处于弹性平衡状态时，作用于墙背面的土压力为静止土压力；当挡土墙有朝向填土的位移并达到一定量，且墙后填土达到极限平衡状态时，作用于墙背面的土压力为被动土压力。

静止土压力产生的条件很明确，它是在挡土墙静止不动时，填土作用于墙背面的土压力；而主动土压力和被动土压力分别在什么情况下产生，则是尚未完全解决的、有争论的问题。一般认为，两种极限土压力的发生条件与墙体位移、墙体结构型式、地基条件、填土种类、填土密实度等众多因素有关，但其中最主要的且可适当定量表征的因素是墙体相对填土的位移。美国的《基础工程手册》给出了产生主动和被动土压力所需的墙顶位移值，见表2-6，可供参考。

表2-6中的数值显示，产生主动土压力所需位移量较小，而产生被动土压力所需的位移量大得多。对多数挡土墙来说，在墙后填土压力或其他荷载作用下，往往会产生背离填土方向的位移或偏转，其位移量常可达到形成主动土压力所需的数值，因而我国现行建筑物设计规范要求对挡土墙大多采用主动土压力进行设计。至于被动土压力，由于工程中很少遇到挡土结构向填土方向位移的情形，且被动土压力一般对建筑物的稳定有利，又不易准确计算，故工程设计中常不予考虑，而将其作为安全储备。

应注意的是，水工设计中采用静止土压力的情况不罕见。虽然严格说来，在土压力或其他荷载作用下，挡土结构完全静止不动的情况是不存在的，总会有点位移或偏转，只不过墙体位移较小或设计墙体位移较小时，墙背所受土压力接近静止土压力，可采用静止土压力来设计挡土墙。例如，我国水工设计中，对岩基上水闸的挡土墙土压力一般采用静止土压力。

土力学指出，主动土压力可按朗肯理论或库仑理论计算。由于库仑方法能考虑较多的影响因素，相对有较高的准确性，工程上多用此法计算凝聚力c=0的砂土土压力。我国工程科技人员还基于库仑理论的平面破裂面假设，进一步导出了可考虑凝聚力作用的主动土压力计算公式，DL 5077—1997也规定采用此完整公式计算单位长度挡土墙背上的主动土压力标准值［图2-4（a）］。

图2-4 挡土墙的土压力计算图

1—第一破裂面；2—第二破裂面

式中：F_ak为主动土压力标准值，kN/m，作用于距墙底H/3墙背处，与水平面呈δ+ε夹角；γ_0ω为挡土墙后填土重度，kN/m³；H为挡土墙高度，m；K_a为主动土压力系数；ε为挡土墙背面与铅垂面的夹角；β为挡土墙后填土表面坡角；δ为挡土墙后填土对挡土墙背的外摩擦角，可按表2-7采用；φ为填土内摩擦角；c为填土凝聚力，kPa；μ_φ为填土内摩擦角平均值；σ_φ为填土内摩擦角标准差；μ_c为填土凝聚力平均值，kPa；λ为计算系数，可据φ、c的均值μ_φ、μ_c及其变异系数δ_φ、δ_c由规范的表F4计算系数值λ查取。

式（2-12）显示，主动土压力与墙后填土重度γ_0ω、墙高H和主动土压力系数K_a有关，但实际工程中几何尺寸H变异性很小，可视为常量；γ_0ω经统计分析，变异性也小，变异系数小于0.05，也可视为常量。故主动土压力的变异性实际上由K_a来体现。而式（2-13）又显示，K_a是φ、c、δ、ε、β的函数，其中几何形态参数ε、β可视为常量，经验算，δ在允许取值范围内取不同值对K_a的影响小，也可视为常量，于是K_a的变异性主要由φ、c的变异性决定。

考虑到主动土压力的变异性取决于K_a的变异性，并最终主要取决于填土内摩擦角φ和凝聚力c的变异性，且φ、c越小，主动土压力越大。根据《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》（GB 50199—2013）关于“永久作用的标准值，可采用概率分布的较不利的某个分位值”的规定，对于主动土压力这一永久作用，DL 5077—1997规定其标准值F_ak为概率分布的0.95分位值，并依靠φ、c取概率分布的0.05分位值来实现。显然这样的φ、c取值应经由试验得到。当填土试验资料不足时，可根据实际工程试验结果统计分析所得的φ、c值（表2-8、表2-9）参照选用。

当挡土墙墙背较平缓，坡角ε大于某一临界值ε_cr时，填土将产生第二破裂面［图2-4（b）］，这时主动土压力标准值应按作用于第二破裂面上的主动土压力F_a2和墙背与第二破裂面之间土重的合力计算。F_a2可用式（2-12）、式（2-13）计算，但取δ=φ_oε_cr按下式计算：

当填土表面有均布荷载时，可将荷载换算成等效的土层厚度，计算主动土压力标准值。

当挡土墙背面铅直，墙后填土具有与墙顶同高程的水平表面时，作用于墙背的土压力应视为静止土压力［图2-4（c）］，其标准值可按下式计算：

式中：F_0k为单位长度墙背的静止土压力标准值，kN/m，作用于距墙底H/3处，水平指向墙背；K₀为静止土压力系数，可由弹性理论公式计算：

式中：ν为墙后填土泊松比，可取其概率分布的0.05分位值，使K₀及F_0k相当于概率分布的0.95分位值。

若墙后填土为正常固结黏土，亦可用Jaky公式计算静止土压力系数K₀

其中φ′为墙后填土的有效内摩擦角，同样可取其概率分布的0.05分位值，利用K₀与φ′的单调递减关系，使K₀值相当于概率分布的0.95分位值。无论用泊松比ν还是用φ′定K₀，ν或φ′都应由试验得到。ν或φ′的试验资料不足时，也可由填土种类和状态，据表2-11选取K₀值。注意表2-10中对砾类土G和砂类土S所给K₀值有一定范围，应对密实状态的K₀取小值，反之取大值。

主动土压力和静止土压力的作用分项系数皆为1.2。

二、淤沙压力

淤沙压力是混凝土坝等挡水建筑物前由于河流泥沙淤积，而在淤积厚度范围内作用于坝面的一种土压力。对于多泥沙河流上的工程，淤沙压力是很重要的作用，它直接与坝的稳定有关；但并非所有的水工建筑物都承受淤沙压力，应根据河流水文泥沙资料、枢纽布置及运行情况，分析确定是否计入建筑物的淤沙压力。根据朗肯理论主动土压力公式，作用于单位长度挡水结构上的水平淤沙压力标准值可按下式计算：

式中：P_sk为淤沙压力标准值，kN/m；γ_sb为淤沙的浮重度，kN/m³；γ_sd为淤沙的干重度，kN/m³；γ为水重度，kN/m³；n为淤沙孔隙率；φ_s为淤沙内摩擦角；h_s为坝前泥沙淤积厚度，m。

当淤积厚度范围内建筑物挡水面倾斜时，应计及竖向淤沙压力，其值应按淤沙浮重度与淤沙体积（即坝踵之铅直面与斜坡挡水面之间所夹的淤沙体积）之乘积求得。

显然，按式（2-21）确定淤沙压力的决定性数据是淤积厚度h_s，亦即归结于坝前淤积高程的计算。进而又涉及确定淤积计算年限以及坝前淤沙的二维分布。后者须由二维数学模型计算或物理模型试验，并结合已建类似工程的实测资料，经综合分析确定。

淤沙压力的变异性显然取决于h_s、γ_sb和φ_s的取值与工程实际的差异。由于影响这三个参数的因素错综复杂，其取值与工程实际必然有较大的差异。但应注意，这三个参数的变异对淤沙压力的影响是相互制约的，故最终对淤沙压力P_sk的综合影响未必很大。例如，对刘家峡大坝复核淤沙压力发现，计算取值与实际值相差情况是：h_s增加22%，γ_sb增加12.5%，φ_s增加62.5%，而最终P_s仅增加了13%。

淤沙压力的作用分项系数可采用1.2。