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Ｋｅｙ

Ｗｏｒｄｓ：ｒｅｔａｉｎｉｎｇ

ｗａｌｌ

ｒｅｃｌｉｎｉｎｇ

ｏｎ

ｔｈｅ

ｓｌｉｇｈｔ

ｓｌｏｐｅ；ｓｏｉｌ

ｐｒｅｓｓｕｒｅ；Ｆｉｎｉｔｅ

Ｅｌｅｍｅｎｔ

Ｍｅｔｈｏｄ；ＡＢＡＱＵＳ．

Ｉｌｌ

Ｉ绪论

１

绪论

１．１研究背景

挡土墙是防止天然斜坡或人工斜坡坍塌或者截断土坡延伸的构筑物，被广

泛应用于水利、水电、铁路、公路、房屋、桥梁、船坞、码头等重要的工程建

设中。例如：水利水电工程中的水闸、船闸的边墙，堤防和渠道工程中的防冲

墙，矿山工程中地下廊道的边墙，桥梁的桥墩，基坑开挖边坡的护墙以及码头

的岸墙，以上这些工程都要用到挡土墙。可以说，只要是存在工程建设的地方，

几乎都会存在修建挡土墙的任务。

挡土墙在各类建设工程中，所起的主要作用是安全防护，这种防护作用主

要包括两大类：一类作用是岸坡以及边坡防护，如岸墙及边墙；另一类作用是

结构物自身的防护，如各类侧墙以及防冲墙。此外，有些挡土墙还可起到节约

工程投资、减少建筑物占地的作用ｆ１】。大多数情况下，挡土墙的安全与建筑工程

的安全是息息相关的，因此，设计者在进行工程设计时，首要目的就是保证挡

土墙的稳定与安全。

挡土墙按照其墙背的形状可以划分为四类：直立式挡土墙、俯斜式挡土墙、

仰斜式挡土墙和台阶式挡土墙１２１。直立式挡土墙在计算墙背土压力时，可忽略墙

背与填土之间由于存在摩擦角所产生的竖直土压力，认为总土压力作用在挡土

墙墙背上的方向是水平的，该情况下土压力计算较简单，且施工方便，适用于

高度较低或重要性较小的挡土墙形式；俯斜式挡土墙，墙背在垂直状态下绕墙

背顶点做逆时针旋转形成斜墙背，墙背与垂直线形成口角，通常口＝１０。一２０６，

土压力计算时需分解成水平土压力和竖直土压力，土压力计算较麻烦，但施工

方便；仰斜式挡土墙的墙背在垂直状态下绕墙背顶点做顺时针旋转，墙背与垂

直线形成．口角，通常口＝８。一１５“，计算土压力较小，利于稳定，但施工麻烦；

台阶式挡土墙的墙背是台阶形，当俯斜式挡土墙墙背过缓或地形适宜时，宜做

成此种形式。

我国每年所立项开展的水利工程很多，其中有相当大的比例是维护和改建

工程，这其中又有许多项目涉及到边坡稳定问题，如坝肩及水库库岸的稳定等

等。造成挡土墙破坏的原因主要有以下几点：（１）挡土墙截面厚度不够，无法

完全承受土压力；（２）边坡排水不畅，造成土压力增大导致裂缝的产生；（３）

１绪论

由于地基承载力不足或不均匀沉降而引起的开裂。挡土墙的安全不仅关系到经

济效益问题，甚至还直接威胁到人民生命安全。因此，有必要对作用在挡土墙

上的土压力以及边坡的稳定进行深入的分析研究。

计算挡土墙稳定的关键问题是，如何更准确地计算墙背及墙前的土压力。

挡土墙设计规范中并没有给出适用于仰斜式挡土墙土压力的计算方法，仰斜式

挡土墙属于重力式挡土墙的一种形式，规范中建议参照重力式挡土墙土压力计

算方法计算其土压力。查阅相关文献可知，在计算挡土墙墙背土压力时，所采

用的土压力计算理论方法主要有两种：朗肯土压力理论和库仑土压力理论。这

两种理论方法的假设条件不完全适用于仰斜式挡土墙墙背的土压力计算，只能

采取简化条件的方法来计算，所计算出的土压力值偏大或偏小；规范中建议墙

前的土压力按主动土压力计算，由主动土压力计算所得的安全系数偏大，将造

成资源的浪费。综上所述，由于土压力计算不准确，会造成挡土墙的安全隐患

或资源浪费，因此有必要对如何准确计算仰斜式挡土墙所受的土压力及如何控

制安全系数这两个问题作进一步的探讨和研究。

１．２国内外研究现状

目前国内外对于挡土墙设计问题的研究，主要集中在土压力计算、挡土墙

设计优化、稳定分析等方面。近年来随着计算机技术的发展，越来越多的人采

用数值模拟方法研究挡土墙的稳定问题，并在一定的领域做出一些成果，但技

术及分析方法并不成熟，还需要迸一步探讨研究。前文中提到，根据挡土墙墙

背形式不同，可分为直墙式、仰斜式、俯斜式和台阶式四类，这四种挡土墙的

受力机理和土压力计算方法也截然不同。实际工程当中，影响挡土墙水平土压

力的因素众多，如：挡土墙的断面形式，基础埋设处地形、地基土材料特性、

墙背后填土材料特性、墙体坡度、墙高、断面尺寸，施工工艺、施工条件及施

工环境等。挡土墙的失稳主要是由墙体、墙后土体和地基三者共同作用的结果ｐ】。

土压力计算理论主要有两大类：经典的土压力理论和古典土压力理论。经

典土压力理论假定土体是理想刚塑性体，服从摩尔一库仑准则，并将挡土结构

视为刚性体，处于极限平衡状态下的土压力是直线分布的；古典土压力理论假

定滑裂面为平面、土体为完全弹性体。由于采用理论方法计算时，选取的是简

化计算的方法，因此计算得到的土压力值与实际土压力值存在不同程度的偏差。

２

１绪论

工程中通常按照平面应变问题来计算土压力，只探讨墙背位移与土压力的

关系曲线。计算时假定墙背土体处于极限平衡状态，基于此假定的理论有库仑

土压力理论和朗肯土压力理论。

１．２．１理论研究

Ｄａｄｓ在１９６８年了对两个刚性滑块所组成的复杂机理【４Ｊ；Ｒｏｓｅｎｆａｒｂ［５】和陈惠

发【６】对多种破坏机理下，主动与被动土压力进行了深入研究；Ｆｉｎｎ［７１，陈惠发【８１

都采用极限分析的方法对古典的Ｃｏｕｌｏｍｂ直线破坏机理问题进行了研究。

Ｒｉｃｈａｒｄ

Ｌ．Ｈ．【９】利用水平土条极限平衡原理，研究了考虑拱效应时，作用在

刚性挡土墙上的土压力分布规律，结论表明按此种方法计算得到的水平侧压力

大于传统理论方法得到的土压力。另得到，矮墙上的土压力是土体自重的０．４２

倍。国外很多学者遵循平面滑裂面假赳ｌｏ】…】【１２】，以刚性挡土墙作为研究对象，

分别研究了主动和被动状态下的土压力，得出结论：靠近粗糙挡土墙墙背的大

主应力发生了偏转【１３】【１４１１１５１。

王鸿兴、孙大庆ｆ１６】利用变分原理推导了刚性挡土墙墙后填土滑裂面的微分

方程，并给出了简化条件下，粘性土挡土墙和无粘性土挡土墙的主动、被动滑

裂面的解析方程。

孙大庆利用变分原理【订】，在假定土体滑裂面为平面的条件下，推导了粘性

土挡土墙上主动土压力的计算公式。王渭漳和吴亚中【１８】【１９ｌ，从分析重力式挡土

墙墙背上土压力合力作用点的位置和分布入手，以理论分析和数学推导的方式

得到了适用于任意土体性质，任意坡度的挡土墙主动土压力非线性分布公式。

曹振民１２０Ｊ基于水平土条的极限平衡理论，对滑裂面为直线的墙背所产生的

被动土压力值的大小以及分布情况作了进一步研究。

赵树德【２１】在考虑挡土墙空间效应的情况下，推导了其主动土压力计算公式，

得到的计算结果略小于平面应变状态下的结果。

杨雪强ｆ２２】以土的塑性极限分析理论为基础，以分层填土的滑动变形为条件，

研究了在分层填土作用下，挡墙主动土压力的计算方法，并给出了主动土压力

的参考计算公式。

王元战等人【２３】【２４１以库仑土压力理论假定为基础，推导了墙体平动以及绕基

础转动情况下，挡土墙主动土压力分布的解析式。

Ｉ绪论

１．２．２试验研究

顾慰型２５１对挡土墙墙背填土中滑裂体的形状作了研究。该研究表明：挡土

墙背面填土中的滑裂体，是存在于平衡拱、挡土墙面和滑动面三部分之间的部

分土体，其形状随着挡土墙的长高比而发生变化。滑裂体的滑动面的形状与指

数曲线相似，轴对称于水平剖面且平行于墙面。

周应英和任美龙１２６】对墙后为不同性质的填料的刚性挡土墙在不同运动模式

下的土压力分布进行了试验研究。试验表明：砂性填料和粘性填料在主动状态

下，其土压力分布形式非常相似，认为可能由于土拱的作用，导致粘性填土在

静止状态下的土压力呈现非线性分布。

徐日庆、陈页开等【２７１研究了墙后填土为砂土，在ＲＴＴ模式（绕墙项某点转

动）、Ｔ模式（墙体平动）和ＲＴＢ模式（绕墙底某点转动）不同变位情况下刚性

挡土墙被动土压力的试验结果，并分析了被动土压力在不同变位条件下的变化

情况。

Ｓｏｖｉｎｅｌ２８】研究了剪应力松弛及土体的蠕变现象，得出如下结论：墙体在逐渐

移动的过程中，当转动到极限位置后就不再移动，在此过程中主动土压力有逐

渐增大的趋势，直至等于静止土压力，其抗剪强度发挥了６０％；在此过程中，

被动土压力呈逐渐减少的趋势，直至等于静止土压力。在墙体的平移过程中，

土压力值由静止土压力降低到主动土压力，墙体的蠕变位移以及时间分布呈对

数关系。

１．２．３数值分析

数值分析方法可以很有效地分析作用于挡土墙上的土压力。由于土体应力

变形分析是非均质、非线性的复杂问题，而有限单元法能够非常好地处理这些

复杂问题，因此，国内越来越多的学者采用这种方法来解决土体的相关问题。

Ｃｌｏｕｇｈ和Ｄｕｎｃａｎ［２９】采用非线性有限元法分析了墙背填土为砂性土的刚性挡

土墙平移和绕墙趾转动两种变位方式，并采用双曲线模型，并引入一维Ｇｏｏｄｍａｎ

单元来模拟接触面和砂土变形，得到如下结论：ＥｂＩ嗽（最大被动土压力）和ｋ。ｉｎ

（最小主动土压力）与经典土压力理论计算值基本相同；处于完全主动状态及

完全被动状态时墙体的位移量与模型试验结果基本一致。

Ｎａｋａｉ［３０】在模拟土体之间的摩擦特性时，采用弹塑性接触单元，土体模型采

用松冈元弹塑性模型，在此基础上考虑挡土墙的变位方式、接触摩擦以及土体

４

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