邊坡穩(wěn)定性的設(shè)計

1、第四章 邊坡穩(wěn)定性的設(shè)計,內(nèi)容提要,本章介紹路基滑動穩(wěn)定性的分析原理與驗算方法。 學(xué)習(xí)要求： 了解路基穩(wěn)定性分析的基本方法 明確路基穩(wěn)定性分析的計算參數(shù)的確定原則 掌握路基穩(wěn)定性驗算方法及其應(yīng)用 能正確選用路基失穩(wěn)的防治措施,基本內(nèi)容,41邊坡穩(wěn)定性分析原理與方法 42陡邊路堤穩(wěn)定性 43浸水路堤穩(wěn)定性,重點： 1. 土參數(shù)的取值 2. 危險滑動面的初步判定 3. 邊坡穩(wěn)定性分析方法的適用條件 4. 浸水路堤邊坡穩(wěn)定性的受力分析 難點： 1. 邊坡穩(wěn)定性分析的原理 2. 邊坡穩(wěn)定性分析的簡化問題 基本概念： 1. 直線法 2. 園弧法 3. 動水壓力法,41邊坡穩(wěn)定性分析原理與方法,一邊坡失穩(wěn)

2、時滑動體的形狀 滑動面的形狀與土質(zhì)有關(guān)。 單面狀松散的砂性土及砂土（ 大，c小） 園柱狀（碗狀）粘性土（c大， 小,滑動面的受力分析,對于平面問題的靜力平衡條件： 力的三要素：大小、作用點、方向 對于一個破壞面，是靜定問題即力的未知數(shù)是三個，靜力平衡條件三個。 對于兩個或多個破裂面，是超靜定問題，力的未知數(shù)多于靜力平衡條件,一個破裂面時：切向力的方向已知，作用點已知，大小未知；法向力的方向已知，大小和作用點未知；即未知數(shù)為三個。 按靜力學(xué)，可建立三個平衡方程：法向力之和為零；切向力之和為零及對任一點的力矩之和為零,對于兩個破裂面的問題：有五個未知量：兩個法向力的大小和作用點，安全系數(shù)； 只能建

3、立三個平衡方程。為一超靜定問題,二邊坡穩(wěn)定原理：極限平衡理論,基本假設(shè)： 1）不考慮滑動土體本身的內(nèi)應(yīng)力分布即滑動土體為剛體 2）平衡只在滑動面上達到，達極限時滑動面上的 3）最危險的滑動面位置，通過試算來確定 極限平衡法，近似地把下滑的土體視作本身無變形的剛體，求算下滑體沿剪切面的下滑力同剪切面上材料的抗剪強度達到平衡時的安全系數(shù)，剪切面可以是已知，也可以是未知的。對于后者，可采用假設(shè)幾個剪切面的辦法，分別求算各自的安全系數(shù)，選用其中最小的一個作為其實有的安全系數(shù)。 求算安全系數(shù)時，是使材料的強度逐漸降低到開始失穩(wěn)為止，強度下降的倍數(shù)即為安全系數(shù)（具有材料強度儲備系數(shù)的概念）。 缺點：不能分

4、析下滑體的中的真實內(nèi)力和反力，不能得到其中的應(yīng)力和變形。只有一個安全系數(shù),1,三邊坡穩(wěn)定分析時的簡化,1 形狀簡化 平面狀直線 園柱狀（碗狀）圓曲面（投影）園?。ㄍǔ？紤]通過坡腳） 2力的簡化：超靜定靜定（如圖,對于分析圓弧形或非圓弧形破壞面上的土體平衡問題的一個有用的方法是條分法。 破壞面上的土體劃分為n個土條。取第I條為隔離體，則作用在此條上的力如圖。 一個土條可以列出三個平衡方程，n個土條可列出3n個平衡方程。未知量為安全系數(shù)F（1個），作用在土條底面的法向力N（n個），作用在土條側(cè)面的切向力V（n1個），作用在土條側(cè)面的法向力E（n1個）及其作用點的豎向位置h（n1個），總計（4n2個

5、,2）根據(jù)不同簡化方法： Fellenius法：假設(shè)破壞面為圓弧，將圓弧面上的滑動土體劃分為n個豎向土條，不考慮作用在土條兩側(cè)的作用力(不記Vi,Ei)。 計算得到的安全系數(shù)偏?。ㄆ诎踩?；計算的誤差約為1020,Bishop法將土條間的作用力簡化為水平推力Ei，而不考慮其作用點的位置和豎向剪力Vi的影響。(不記Vi,Janbu (條塊間作用力的位置)， Spencer（假設(shè)條塊間的力量平行的）， 傳遞參數(shù)法（把Vi和Ei合力看成平行于上側(cè)土條的切線方向）。 隨計算機的發(fā)展，出現(xiàn)有限元法，概率法,四滑動面形狀和位置的初步判定,1土的類別 2基底的情況 3邊坡有無夾層 4地面的橫坡 5施工時的

6、方法,五邊坡穩(wěn)定分析時的參數(shù),1、土工計算參數(shù) 邊坡穩(wěn)定分析的計算參數(shù)滑動土體的容重r、滑動面上的抗剪強度參數(shù)內(nèi)聚力c和內(nèi)摩阻角。 參數(shù)的選取原則：進行土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)時，取樣、試驗條件和方法應(yīng)盡可能同路基的實際工作情況相一致。 對挖方路基和天然坡體，應(yīng)考慮最不利的濕度狀況和受力狀態(tài)等因素，取原狀土樣試驗數(shù)據(jù)。 填方路基，則取壓實土樣（按規(guī)定壓實要求制備）試驗的數(shù)據(jù)。 多層土體精確法：分塊分條計算采用 近似法：加權(quán)平均值（以層的厚度為權(quán)重,抗剪強度參數(shù)測定方法,野外試驗（如標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗）抗剪強度的間接方法，需要通過試驗在測定結(jié)果同強度參數(shù)之間建立一定的相關(guān)關(guān)系，而后利用所建立的關(guān)系，將測定

7、結(jié)果轉(zhuǎn)換為強度參數(shù)值。 室內(nèi)試驗直剪試驗（快剪、固結(jié)快剪、慢剪）、三軸試驗（不固結(jié)不排水、固結(jié)不排水、固結(jié)排水）和無側(cè)限壓縮試驗確定,總應(yīng)力與有效應(yīng)力分析,總應(yīng)力分析法（不考慮孔隙水壓力） 依據(jù)不排水抗剪強度進行分析 有效應(yīng)力分析法（考慮孔隙水壓力） 依據(jù)排水剪切強度進行分析,對于由水飽和細粒土填筑或在水飽和地基上修筑的路堤邊坡，較危險的是短期穩(wěn)定性，應(yīng)選用總應(yīng)力法分析，因孔隙水壓力由于加載而增加，并隨時間而下降（或有效應(yīng)力隨時間而增長） 對于水飽和的挖方邊坡，較危險的是長期穩(wěn)定性，宜選用有效應(yīng)力法分析，因孔隙水壓力由于卸載而減小，并隨時間而增加（或有效應(yīng)力隨時間而減少）。 對于破壞面部分通過

8、透水的土層，部分通過不透水的土層，一部分破壞面采用有效應(yīng)力分析，選用相應(yīng)的孔隙水壓力，而另一部分破壞面采用總應(yīng)力分析，選用選用的總應(yīng)力分析,有效應(yīng)力分析： 慢剪、固結(jié)排水剪試驗可獲得有效抗剪強度指標(biāo)，進行有效應(yīng)力分析用于長期的穩(wěn)定分析。 不固結(jié)不排水剪指標(biāo)、固結(jié)不排水剪指標(biāo)通常用于確定施工期間或期末的穩(wěn)定分析 采用總應(yīng)力法進行分析時（直剪試驗指標(biāo)）： 對正常使用情況進行穩(wěn)定性分析采用固結(jié)快剪 對于分析路基施工期的穩(wěn)定性時宜采用快剪試驗，但還要參照填土速度同固結(jié)速率的關(guān)系 對于處于正常固結(jié)狀態(tài)的天然坡體，宜采用固結(jié)快剪強度指標(biāo)。 對于陡坡路堤的穩(wěn)定分析，選取填土與地基土的參數(shù)中較低的一組,2、邊

9、坡穩(wěn)定性分析邊坡的取值 近似法:對折線式邊坡,取平均坡度值 對階形邊坡,將坡腳和坡頂連接起來 精確法:在邊坡改變處分段 3、汽車菏載當(dāng)量換算 公路橋涵的方法 將車輛按最不利情況排列，并將車輛的設(shè)計荷載換算成當(dāng)量土柱高（以相等壓力的土層厚度來代替荷載）。 橫向荷載：汽車離路基邊緣0.5m；掛車離路基邊緣1.0m； 縱向：重車 L-前后軸的總距,查規(guī)范,手冊；B=Nb+(N-1)d, 其中b,d查表 N-橫向車輛數(shù)；Q-每一輛車的重力； 均布菏載法:查規(guī)范,手冊q ； h0=q/r h0厚的當(dāng)量土層分布在整個路基寬度上,六、路基邊坡穩(wěn)定性驗算,路基穩(wěn)定性驗算的目的：為可能的破壞面確定其安全系數(shù)，判

10、斷路基坡體是否穩(wěn)定和是否要采取相應(yīng)措施。 穩(wěn)定性驗算的步驟： 選擇可能破壞面的形狀和位置 選擇合適的分析方法 將破壞面上的土體劃分為若干土條 計算作用在土條上的各項力 選擇抗剪強度參數(shù)的試驗方法，由試驗確定參數(shù)值 計算破壞面上土體的安全系數(shù) 分別為幾個可能破壞面進行驗算后確定最危險破壞面的安全系數(shù)值，并同要求的安全系數(shù)值進行比較，以判斷路基的穩(wěn)定性,直 線 法,直線法適用于： 砂土和砂性土等的路堤，路塹（土的抗力為內(nèi)摩擦力為主，粘結(jié)力甚小） 有近似直線的軟弱夾層的路堤，路塹 單坡的陡坡上的路堤 數(shù)學(xué)表達式,1.試算法計算步驟： 1)先假設(shè)幾個破裂面,求其對應(yīng)的Ki 2) 畫圖Wi-Ki的曲線圖

11、， 3)在K=f（W)關(guān)系曲線上（圖中）確定最小Kmin及對應(yīng)的極限破裂面傾角W值。 4)判定KminKo=1.251.5,2.解析法計算步驟： 1)求重力G與破裂角W的關(guān)系G=F(W) 2)求安全系數(shù)K與破裂角W的解析表達式K=f（W,3)對K=f（W）求導(dǎo) 4)令dk/dw0，求得最危險的破裂角w0和Kmin,園 弧 法,適用條件:粘性土的路堤,路塹 數(shù)學(xué)表達式,步驟 1.按比例作路基橫斷面圖 2.確定園心的大致位置和園弧的形狀(坡腳,坡面,坡腳以外) 確定園心輔助線的方法： 1)4.5H法 a)由坡腳向下引豎線，截取高度為H+h0（及邊坡高度和荷載換算土層高度）或邊坡高度H得到F點 b)

12、自F點向右引水平線，在水平線上截取4.5H，得M點 c)連接坡頂和坡腳SE，得到斜度i0=1/m，據(jù)此查表得到1，2，由坡角E引與SE成1的直線與由坡頂S引與SE成2的直線相交于I點 d)連接M與I點則為園心輔助線。 2)36法在由荷載換算土柱高頂點（或坡頂頂點）作與水平線成36角的線，即為園心輔助線。（對于邊坡不陡于1:1適用） 適用于邊坡坡頂水平，破裂面通過坡腳情況,圓弧形狀： 坡腳園（或坡面）適用于土質(zhì)均勻的路基 坡腳以外園適用于軟土地基上的路基 軟土地基上的路堤的最危險滑動面圓心位置，大致在圖中的EFDC范圍內(nèi)。 CD及EF為通過邊坡中點M及坡腳A的豎向線,3.根據(jù)情況分段 注意滑動面

13、的形狀和土質(zhì)變化處作為條塊的界限，土條寬度為24m。通常分為10條左右。 4.計算分段的Gi,Ti,i,和K1 土條的自重可按面積與容重求得，同時考慮荷載大小。 5.重復(fù)24,得出K2. . . . .,作圖求出最小的Kmin 6.KminKo=1.251.5,4-2陡坡路堤穩(wěn)定性驗算,驗算前提: 1)地面橫坡陡于1:2.5（特殊時橫坡陡于1:2）時的路堤 2)路堤下有滑動趨勢的地基 陡坡路堤的滑動的形式： 1)基底為巖層或穩(wěn)定山坡，因地面橫坡大，路堤整體沿與基底的接觸面產(chǎn)生滑動 2)路堤隨同基底覆蓋層傾斜基巖滑動 3)路堤連同下臥軟弱土層沿某一圓弧滑動面滑動 4)路堤連同其下的巖層某以最弱的

14、層面滑動,陡坡路堤穩(wěn)定性分析,基本假設(shè)： （采用傳遞系數(shù)法） 1）不考慮滑動體本身的內(nèi)應(yīng)力分布即滑動土體為剛體 2）平衡只在滑動面上達到，達極限時滑動面上的 3) 假定土條間的推力（土條間的豎向力Vi和水平力Ei合力）的作用方向平行于上側(cè)土條滑動面的切線方向,土條的受力分析及計算,步驟: 1.滑動面為單坡面時,計算過程同前直線法,但危險滑動面已確定 2.非單坡時:根據(jù)橫坡分塊從上往下分 自上往下,計算每塊的Ei直到最后一塊En 根據(jù)En的正負判定是否穩(wěn)定 En0 時不穩(wěn)定 En0 時穩(wěn)定 3.注意：當(dāng)中間某塊Ei0 時,此時應(yīng)取Ei=0,再往下計算,4-3浸水路堤穩(wěn)定性驗算,浸水路堤受季節(jié)性或

15、長期浸水的河灘路堤、沿河路堤和橋頭引道等，其路堤下部每年遭受短期或長期淹沒。 一、浸水路堤的特點: 1.浸水后土體強度下降( c,) 2.水浮力的作用：穩(wěn)定性下降 3.水位下降時，產(chǎn)生由內(nèi)向堤外的滲透時,出現(xiàn)動水壓力,穩(wěn)定性下降 4.水位上升時，產(chǎn)生由外向堤內(nèi)的滲透時,出現(xiàn)動水壓力,穩(wěn)定性增加,二、滲透動水壓力的計算,靜水位條件下：土條塊周圍孔隙水壓力的合力（即浮力）與其浸水部分體積的水重必定取得平衡。 穩(wěn)定性分析時，浸水部分采用浮容重計算土的自重，就可以不再考慮條塊界面上水的作用力,當(dāng)有水位差時，產(chǎn)生滲流，使土體受到滲透動水壓力作用。 1.公式:D=Iro 2.方向、作用點：作用在浸潤線以下土體的重心處,平行于I的方向 3.產(chǎn)生滲透動水力的條件: 土的滲透性，水位差（特別是急劇形成的水位差） 粘性土路堤（壓實