4- 第四章 路基穩(wěn)定性分析

第四章路基穩(wěn)定性分析

Analysisofsubgradestability針對(duì)問題：1.邊坡失穩(wěn)collapseofslope

2.陡坡路堤的失穩(wěn)collapseofembankmentonsteepgroundsurface

3.地基失穩(wěn)collapseoffoundation2011年3月11日本福島大地震破壞的路基，15日搶修完工。

第一節(jié)邊坡穩(wěn)定性分析Analysisofslopestability對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，都按平面問題處理；將滑動(dòng)體視為剛體。1.無黏性土滑動(dòng)面近似為平面。2.黏性土滑動(dòng)面近似為圓柱面。（二）滑動(dòng)面形狀的假定Assumptionofslidingsurface一、邊坡穩(wěn)定性分析原理principle——靜力平衡staticbalance（一）力學(xué)模型的基本假定Assumptionsofthemechanicalmodel對(duì)于路塹天然邊坡或地基部分，取原狀土，測(cè)其重度γ，內(nèi)摩擦角Φ，黏聚力c，根據(jù)實(shí)際情況采用原位剪切試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)或三軸試驗(yàn)。二、邊坡穩(wěn)定性分析的計(jì)算參數(shù)Parametersintheanalysisofslopestability（一）所需土的試驗(yàn)資料對(duì)路堤邊坡：取與現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度一致的壓實(shí)土試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

※路堤各層填料性質(zhì)不同時(shí)，近似按均質(zhì)土坡計(jì)算，均勻土的物理力學(xué)指標(biāo)取各土層厚度的加權(quán)平均值。（二）路堤上汽車荷載的換算將車輛布置于路堤上，車輛的設(shè)計(jì)荷載換算成相當(dāng)于土層厚度h0。詳見P69近似分布于路基全寬上.1.當(dāng)量土柱高度equivalentdepthofsoillayer2.荷載分布方式

（單車道）（三）邊坡坡率的取值determinationofsloperatio三、邊坡穩(wěn)定性分析方法Analysismethodsofslopestability（一）力學(xué)分析法Mechanicalmethods1、極限平衡法一）分析方法分類假定失穩(wěn)時(shí)的滑動(dòng)面上土體為剛體，而且將其視為脫離體，在極限平衡條件下對(duì)其進(jìn)行各種力的分析，安全系數(shù)則是滑動(dòng)面上抗滑力或者抗滑力矩與滑動(dòng)力或則滑動(dòng)力矩之比值，一般計(jì)算方法是任意假定滑動(dòng)面來找到最小的安全系數(shù)，假定滑動(dòng)面是否合理則決定了計(jì)算的準(zhǔn)確性。12非嚴(yán)格條分法：

瑞典法（費(fèi)倫紐斯條分法）

簡(jiǎn)化Bishop法

簡(jiǎn)化Janbu法

陸軍工程師團(tuán)法

羅厄法Sarma（I）法

不平衡推力法(傳遞系數(shù)法)等嚴(yán)格條分法:Morgenstern-Price法：條間力函數(shù)為常數(shù)、半正弦、半余弦、梯形或離散數(shù)據(jù)點(diǎn)等。

Spencer法:條間力函數(shù)為常數(shù)。Janbu法Sarma(II)法Sarma(III)法Correia法等EX

2、有限元法前面介紹的方法均將滑動(dòng)土體視為剛體，不考慮滑動(dòng)土體的變形，這是不符合實(shí)際的。有限元法把土坡當(dāng)成變形體，按照土的變形特性，計(jì)算出土坡內(nèi)的應(yīng)力分布，然后再引入圓弧滑動(dòng)面的概念，驗(yàn)算滑動(dòng)土體的整體抗滑穩(wěn)定性。

3、有限元強(qiáng)度折減法利用土的彈塑性有限元計(jì)算程序，通過不斷降低邊坡土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)直至達(dá)到極限破壞狀態(tài)自動(dòng)形成滑動(dòng)面，此時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)就是邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。根據(jù)不同土類及其所處的狀態(tài)，經(jīng)過長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐和大量的資料調(diào)查，采用類似條件下的穩(wěn)定邊坡值。（二）工程地質(zhì)類比法Analogybasedontheengineeringgeology

二）平面（直線）滑動(dòng)法methodforplaneslide1.路堤情況的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面2.純砂土路基情況分析3.直線破裂的路塹邊坡穩(wěn)定性分析——解析法hωαABCa——參數(shù)，f——土體內(nèi)摩擦系數(shù)，其他符號(hào)意義同前三）圓弧滑動(dòng)面的條分法Slicemethodforcircularslipsurface計(jì)算精度與分段數(shù)有關(guān),分段越多越精確，一般為8～10段。結(jié)合橫斷面特性，劃分在邊坡或地面坡度變化處,以簡(jiǎn)化計(jì)算。1）將圓弧滑動(dòng)面上土體劃分為若干豎直土條；2）依次計(jì)算每一土條的滑動(dòng)力矩和抗滑力矩；3）疊加計(jì)算整個(gè)土體的穩(wěn)定性。黏性土坡滑坡時(shí)破裂面近似為圓弧滑動(dòng)面。1.基本原理basicprinciples

①土體均質(zhì)，各向同性②任一土條兩側(cè)豎向力大小相等,方向相反，作用在同一條直線上。1）簡(jiǎn)化條分法simplifiedslicemethods①瑞典條分法（Fellenius條分法）：不考慮條塊間的作用力。②簡(jiǎn)化Bishop條分法：只考慮條塊間的水平作用力，不考慮條塊間的豎向作用力。2）嚴(yán)格條分法strictslicemethods

Janbu普遍條分法：假定條塊間水平作用力的位置。

2.條分法分類typesofslicemethods3.簡(jiǎn)單條分法假定assumptionsofsimplifiedslicemethods簡(jiǎn)化Bishop條分法與Janbu條分法的區(qū)別：前者假定滑動(dòng)面為圓弧面，滑動(dòng)土體滿足整體力矩平衡條件導(dǎo)出安全系數(shù)公式，后者利用力的多邊形閉合和極限平衡條件，最后從所有土條間的水平作用力之和等于零的條件導(dǎo)出安全系數(shù)公式，適用于任何形狀的滑動(dòng)面，而不僅限于圓弧面。4）分別計(jì)算各土條對(duì)滑弧圓心O點(diǎn)的滑動(dòng)力矩之和、抗滑力矩之和。4.條分法基本步驟procedureofslicemethod2）計(jì)算每個(gè)土條重Gi（土重、荷載重）沿滑動(dòng)面法向分力Ni1）通過坡腳任意選定可能的圓弧滑動(dòng)面AB，半徑為R，縱向取單位長(zhǎng)度，滑動(dòng)土體分條（手算時(shí)可取5~8條）3）計(jì)算每一段滑動(dòng)面摩阻力Ni*tanΦ（內(nèi)摩擦力）和黏聚力ci*Li

（Li為1小段弧長(zhǎng)）5）求穩(wěn)定系數(shù)(瑞典條分法）4.5H法36o法6）再假定幾個(gè)可能的滑動(dòng)面（可根據(jù)輔助線確定滑弧位置），計(jì)算相應(yīng)的K值，再確定Kmin1.簡(jiǎn)化Bishop法：用于路堤堤身穩(wěn)定性、路堤和地基的整體穩(wěn)定性分析。式中：Qi—坡頂車輛荷載，Wi—土條重力四）公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范JTGD30-2015方法有滲流的邊坡穩(wěn)定性用有效應(yīng)力法分析穩(wěn)定滲流情況下，流網(wǎng)是唯一且不變的。下面分別是兩種有效應(yīng)力分析方法。以土條整體（含骨架和孔隙水） 為脫離體分析

cd面上的孔隙水壓力:設(shè)過cd中點(diǎn)Oi的等勢(shì)線與浸潤線交點(diǎn)Oi′，Oi與Oi′的垂直高度hti為cd面上平均水頭（也可近似將土條中浸潤線中點(diǎn)至條底中點(diǎn)的高差作為平均水頭，見潘家錚《建筑物的抗滑穩(wěn)定和滑坡分析》一書。）。近似認(rèn)為土條兩側(cè)動(dòng)水壓力相等，故互相抵消。浸潤線以上用濕重度；以下用飽和重度，用有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。瑞典條分法公式：簡(jiǎn)化Bishop法公式：浸潤線以上用濕重度；以下用飽和重度，用有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。當(dāng)滑弧深入下游水位以下時(shí)，下游水位以下的土體按浮重度計(jì)算重力，而作用在cd面上的滲壓水頭改為Oi′點(diǎn)至下游水位的垂直高度。當(dāng)滑弧深入下游水位，條塊中部分土體浸沒在下游水位以下時(shí)（下圖），滑弧cd上的水壓力為上式右邊第1項(xiàng)相當(dāng)于下游水位的靜水壓力，第2項(xiàng)相當(dāng)于上下游水位差導(dǎo)致的滲流引起的動(dòng)水壓力。容易證明，當(dāng)滑弧深入下游水位以下時(shí)這樣處理即可（解釋見下頁，參見《交通土建軟土地基工程手冊(cè)》P246-247）：下游水位以下的土體按浮重度計(jì)算重力，而作用在cd面上的滲壓水頭改為Oi′點(diǎn)至下游水位的垂直高度，安全系數(shù)公式仍同（A）式，但土條重為：以下游水位EF以下滑動(dòng)土體中的孔隙水為脫離體，其上作用力除滑弧面上的靜水壓力（合力為P1）和坡面上的靜水壓力（合力為P2）外，在重心位置還作用有孔隙水的重力和土粒對(duì)浮力的反作用力，二者的合力剛好為與土體EFC同體積的水重，以GW1表示。由于是靜水，這三個(gè)力構(gòu)成封閉的力矢三角形（如圖所示）。這說明P1和P2的合力的大小剛好與土體EFC同體積的水重相等，方向豎直向上。當(dāng)以滑動(dòng)土體（包括土體骨架和其中的孔隙水）作為脫離體時(shí)，EF面下土體應(yīng)按飽和重度計(jì)算重力，即上式右邊后面一項(xiàng)剛好與作用在EC面和FC面上的水壓力之合力大小相等方向相反，互相抵消了，所以對(duì)下游水位以下部分土體按按浮重度計(jì)算其重力即相當(dāng)于考慮了滑動(dòng)土體周界上的孔隙水壓力作用。對(duì)于上游水位高于下游，土體中有滲流發(fā)生的情況，此時(shí)任一土條底面的孔隙水測(cè)壓管高度可分為兩段，即下游水位以下段和下游水位以上段，所以此時(shí)以下游水位為界，將滑動(dòng)土體中的水壓力作用分為上、下兩個(gè)部分，下部水壓力的作用按上述方法（即土重按浮重度計(jì)）考慮，上部水壓力按測(cè)壓管水面至下游水面的水頭高度計(jì)算其大小，作用于土條底面。當(dāng)滑動(dòng)面為多個(gè)坡度的折線傾斜面時(shí)，可將滑動(dòng)面上土體折線段劃分為若干條塊，自上而下分別計(jì)算各土體的剩余下滑力，根據(jù)最后一塊的剩余下滑力的正負(fù)值確定其整體穩(wěn)定性。假定：每一條塊的剩余下滑力與該條塊的底面平行；條底面滿足安全系數(shù)Fs的極限平衡條件,即2.不平衡推力法：用于驗(yàn)算陡坡地段路堤沿原地面滑動(dòng)穩(wěn)定性WQi—包括條頂荷載在內(nèi)的土條重力根據(jù)右圖i土條沿條底切線方向和法線方向的靜力平衡條件可解得（詳見課本P73）本條下滑力本條抗滑力上個(gè)土條傳來的不平衡推力對(duì)于第1個(gè)土條，有通過試算確定Fs，條件是算出最后一個(gè)土條的剩余下滑力En接近0式中：WQi——第i個(gè)土條的重力與外加豎向荷載之和(kN/m)；

αi—第i個(gè)土條底面與水平面的夾角（度）；

ci、φi—第i個(gè)土條底的黏聚力（kPa）和內(nèi)摩擦角（度）；

li—第i個(gè)土條底面的長(zhǎng)度（m）；αi-1—第i-1個(gè)土條底面與水平面的夾角（度）；Ei、Ei-1—分別為第i個(gè)和第i-1個(gè)土條的剩余下滑力（kN/m）。Ψi-1—推力傳遞系數(shù)。

當(dāng)原地面為單一平面時(shí)，可簡(jiǎn)化為平面滑動(dòng)法當(dāng)基底為單一坡面，土體沿直線滑動(dòng)面整體下滑時(shí)，可用直線滑動(dòng)面法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析?；瑒?dòng)面以上土體的穩(wěn)定性可按下式計(jì)算式中：Q——對(duì)于以基底接觸面為滑動(dòng)面者，等于路堤自重；對(duì)于以基底以下軟弱面為滑動(dòng)面者，等于路堤連同其下不穩(wěn)定土體的自重，KN/m；P——路堤頂面的換算土柱荷載，KN/m；α——滑動(dòng)面對(duì)水平面的傾斜角，°；——滑動(dòng)面上軟弱土體的內(nèi)摩擦角，°；C——滑動(dòng)面上軟弱土體的黏聚力，kPa；L——滑動(dòng)面的全長(zhǎng)，m。五）抗震穩(wěn)定性驗(yàn)算

按《公路工程抗震規(guī)范》JTGB02-2013的規(guī)定進(jìn)行抗震驗(yàn)算。

按擬靜力法計(jì)入地震力，地震力作用于條塊重心。1.路基抗震穩(wěn)定驗(yàn)算的范圍項(xiàng)目基本地震動(dòng)峰值高速、一、二級(jí)公路三、四級(jí)公路0.1g(0.15g)0.2g(0.3g)≥0.4g≥0.4g巖石、非液化土及非軟土地基上的路堤非浸水用巖塊及細(xì)粒土（粉性土、有機(jī)質(zhì)土除外）填筑不驗(yàn)算H>20驗(yàn)算H>15驗(yàn)算H>20驗(yàn)算用粗粒土（極細(xì)砂、細(xì)砂除外）填筑不驗(yàn)算H>12驗(yàn)算H>6驗(yàn)算H>12驗(yàn)算浸水用滲水性土填筑不驗(yàn)算HW>3驗(yàn)算HW>2驗(yàn)算水庫地區(qū)HW>3驗(yàn)算地面橫坡度大于1:3的路基不驗(yàn)算驗(yàn)算驗(yàn)算驗(yàn)算路塹黏性土、黃土、碎石類土一般不驗(yàn)算H>20驗(yàn)算H>15驗(yàn)算H>20驗(yàn)算注：H為路基高度（m）；HW為路基浸水常水位的深度（m）。2.基本地震動(dòng)峰值加速度根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306規(guī)定的工程所在區(qū)域地震基本烈度，按表3-20確定。表3-20地震基本烈度與設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)峰值加速度對(duì)照表地震基本烈度6789水平向Ah≥0.05g0.10g0.15g0.20g0.30g≥0.40g豎向Av000.10g0.17g0.25g3.是否考慮豎向地震作用的規(guī)定路堤高度大于20m且位于基本地震動(dòng)峰值加速度大于等于0.20g地區(qū)時(shí)，需同時(shí)考慮水平地震作用和豎向地震作用，其余只考慮水平向地震作用。4.地震力的計(jì)算水平地震作用豎向地震作用式中：Ehsi—作用于條塊重心的水平向地震作用（kN/m），與路基橫向平行，指向滑動(dòng)方向；Evsi—作用于條塊重心的豎向地震力（kN/m），作用方向取不利于穩(wěn)定的方向，向上為負(fù)，向下為正；Ci—抗震重要性修正系數(shù)，見表3-21；

Cz—綜合影響系數(shù)，取0.25；

ψj—水平地震作用沿路堤邊坡高度增大系數(shù)，按下式取值A(chǔ)h，Av—分別為路基所處地區(qū)的水平向和豎向設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)峰值加速度，按表3-20確定；Gsi—i

土條重力（kN/m）；

hi—i土條的高度（m）；

H—邊坡高度（m）。表3-21路基抗震重要性修正系數(shù)Ci公路等級(jí)構(gòu)筑物重要程度Ci高速、一級(jí)公路抗震重點(diǎn)工程1.7一般工程1.3二級(jí)公路抗震重點(diǎn)工程1.3一般工程1.0三級(jí)公路抗震重點(diǎn)工程1.0一般工程0.8四級(jí)公路抗震重點(diǎn)工程0.8注：抗震重點(diǎn)工程指隧道和破壞后搶修