挡土墙在实际运营过程中受各类荷载及环境因素影响,经常处于非极限位移状态,但工程设计大多采用基于极限平衡理论的Coulomb及Rankine线性土压力理论进行设计计算,造成工程设计结果与挡墙实际受力特征不匹配。目前关于该方面研究大多采用室内模型试验,填料多为砂土,但由于实际加载过程中砂土压实度难控制、易变形,实验结果可靠性难以保证。为了克服试验缺陷,钢棒相似土由于试验条件可控、不存在压缩变形等特点,在研究中逐渐得到了应用。因此,本文在进行充分文献调研的基础上,采用钢棒相似工作为墙后填料,考虑平动(T)、绕墙顶转动(RT)及绕墙顶上某一点转动(RTT)三种位移模式,针对非极限位移状态下刚性挡土墙土压力分布规律开展了模型试验,并引入了粒子图像测速技术(PIV)用于捕捉墙后填土位移变形及破裂面的演化过程,建立了非极限位移模式下的土压力计算模型。根据论文研究,得到如下主要结论:1)通过钢棒相似土直剪试验,得到了不同粒径组合下钢棒相似土的内摩擦角,建立了内摩擦角与钢棒平均粒径的函数关系式,并采用颗粒离散元软件pFC2D进行了试验数据的验证,为理论分析提供了基础数据。2)开展了刚性挡墙平动(T)位移模式的模型试验,揭示了非极限位移模式下墙背土压力分布规律,验证了钢棒相似土作为挡墙模型试验填料的可行性。3)开展了刚性挡墙绕墙顶转动(RT)、绕墙顶上某一点转动(RTT)非极限位移模式下的室内模型试验,分析了不同位移量下墙背土压力分布特征、合力与合力作用点及填土破裂面变化规律,建立了两种非极限位移模式下的土压力实用计算模型。