路基穩(wěn)定性分析計(jì)算(同名624)課件

第四章路基穩(wěn)定性分析計(jì)算主要內(nèi)容第一節(jié)概述第二節(jié)直線滑動(dòng)面的邊坡穩(wěn)定性分析第三節(jié)曲線滑動(dòng)面的邊坡穩(wěn)定性分析第四節(jié)軟土地基的路基穩(wěn)定性分析第五節(jié)浸水路堤的穩(wěn)定性分析第六節(jié)路基邊坡抗震穩(wěn)定性分析第一節(jié)概述1、邊坡種類：天然邊坡、人工邊坡。邊坡：具有傾斜坡面的巖土體。土坡：具有傾斜坡面的土體。天然邊坡：江、河、湖、海岸坡

山、嶺、丘、崗、天然坡人工邊坡：挖方：溝、渠、坑、池

填方：堤、壩、路基、堆料2、什么是滑坡?邊坡喪失其原有穩(wěn)定性，一部分土體相對(duì)與另一部分土體滑動(dòng)的現(xiàn)象稱滑坡。土坡滑坡前征兆：坡頂下沉并出現(xiàn)裂縫，坡腳隆起。3、路基失穩(wěn)的原因內(nèi)部原因（1）土質(zhì)：各種土質(zhì)的抗剪強(qiáng)度、抗水能力是不一樣的，如鈣質(zhì)或石膏質(zhì)膠結(jié)的土、濕陷性黃土等，遇水后軟化，使原來的強(qiáng)度降低很多。（2）土層結(jié)構(gòu)：如在斜坡上堆有較厚的土層，特別是當(dāng)下層土層(或巖層)不透水時(shí)，容易在交界上發(fā)生滑動(dòng)。（3）邊坡形狀：突肚形的斜坡由于重力作用，比上陡下緩的凹形坡易于下滑；由于粘性土有粘聚力，當(dāng)土坡不高時(shí)尚可直立，但隨時(shí)間和氣候的變化，也會(huì)逐漸塌落。外部原因（1）降水或地下水的作用：持續(xù)的降雨或地下水滲入土層中，使土中含水量增高，土中易溶鹽溶解，土質(zhì)變軟，強(qiáng)度降低；還可使土的重度增加，以及孔隙水壓力的產(chǎn)生，使土體作用有動(dòng)、靜水壓力，促使土體失穩(wěn)，故設(shè)計(jì)斜坡應(yīng)針對(duì)這些原因，采用相應(yīng)的排水措施。（2）振動(dòng)的作用：如地震的反復(fù)作用下，砂土極易發(fā)生液化；粘性土，振動(dòng)時(shí)易使土的結(jié)構(gòu)破壞，從而降低土的抗剪強(qiáng)度；車輛運(yùn)動(dòng)、施工打樁或爆破，由于振動(dòng)也可使鄰近土坡變形或失穩(wěn)等。（3）人為影響：由于人類不合理地開挖，特別是開挖坡腳；或開挖基坑、溝渠、道路邊坡時(shí)將棄土堆在坡頂附近；在斜坡上建房或堆放重物時(shí)，都可引起斜坡變形破壞。3、路基失穩(wěn)的原因根本原因:邊坡中土體內(nèi)部某個(gè)面上的剪應(yīng)力達(dá)到了它的抗剪強(qiáng)度。具體原因：（1）滑面上的剪應(yīng)力增加；（2）滑面上的抗剪強(qiáng)度減小。3、路基失穩(wěn)的原因4、邊坡穩(wěn)定性分析的計(jì)算參數(shù)土的計(jì)算參數(shù)：容重γ(kN/m3)內(nèi)摩擦角φ(°)粘聚力c(kPa)路塹或天然邊坡：原狀土；路堤邊坡：與現(xiàn)場壓實(shí)度一致的壓實(shí)土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

多層土體：加權(quán)平均法邊坡取值：可取綜合坡度值，也可用坡頂與坡腳連線近似表達(dá)。荷載當(dāng)量高度

在邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，將車輛按最不利情況排列，將車輛的設(shè)計(jì)荷載換算成當(dāng)量土柱高(即以相等壓力的土層厚度來代替荷載)，以h0表示。

B=Nb+(N-1)m+dh0=

NQγBLmdd5、假定1）基本假定①不考慮滑動(dòng)土體本身內(nèi)應(yīng)力分布；②認(rèn)為平衡狀態(tài)只在滑動(dòng)面上達(dá)到，滑動(dòng)時(shí)成整體下滑；③最危險(xiǎn)的破裂面位置通過試算確定。

2）滑動(dòng)面的形狀6、土坡穩(wěn)定性分析方法1）按失穩(wěn)土體的滑動(dòng)面特征劃分：直線曲線折線2）穩(wěn)定性分析計(jì)算方法：工程地質(zhì)法（比擬法）力學(xué)分析法圖解法第二節(jié)直線滑動(dòng)面的邊坡穩(wěn)定性分析1、適用范圍

直線法適用于砂土和砂性土（兩者合稱砂類土），土的抗力以內(nèi)摩擦力為主，粘聚力甚小。邊坡破壞時(shí)，破裂面近似平面。直線滑動(dòng)面示意圖a)高路堤b)深路塹c)陡坡路堤2、試算法下滑力：抗滑力：

T=Q?sinωR=Q?cosω

?tg?+cL安全系數(shù)：K=RQ?cosω

?tg?+cLTQ?sinω通過坡腳A點(diǎn)，假定3—4個(gè)可能的破裂面，求出相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)Ki值，得出Ki與ωi的關(guān)系曲線。在關(guān)系曲線上找到最小穩(wěn)定系數(shù)值Kmin，及對(duì)應(yīng)的極限破裂面傾斜角ω值。

純砂土路基情況分析C=03.解析法直線破裂的路塹或已知破裂面需要反求邊坡的情況分析hΘΦA(chǔ)BCa——參數(shù)，f——土體內(nèi)摩擦系數(shù)，其他符號(hào)意義同前αωRα－ωcscαααα上式可用來求路基邊坡角α值，亦可在其他條件固定時(shí)，反求穩(wěn)定的坡腳α或H。第三節(jié)曲線滑動(dòng)面的邊坡穩(wěn)定性分析1、適用范圍土的粘力使邊坡滑動(dòng)面多呈現(xiàn)曲面，通常假定為圓弧滑動(dòng)面。圓弧法適用于粘土，土的抗力以粘聚力為主，內(nèi)摩擦力較小。邊坡破壞時(shí)，破裂面近似圓柱形。適用于邊坡有不同的土層、均質(zhì)土邊坡，部分被淹沒、均質(zhì)土壩，局部發(fā)生滲漏、邊坡為折線或臺(tái)階形的粘性土的路堤與路塹。

2、分析方法

圓弧滑動(dòng)面的條分法（瑞典法）

簡化的Bishop法 傳遞系數(shù)法1）假定假定土為均質(zhì)和各向同性；滑動(dòng)面通過坡腳；不考慮土體的內(nèi)應(yīng)力分布及各土條之間相互作用力的影響，土條不受側(cè)向力作用，或雖有側(cè)向力，但與滑動(dòng)圓弧的切線方向平行。

2）基本原理將圓弧滑動(dòng)面上的土體劃分為若干豎向土條，依次計(jì)算每一土條沿滑動(dòng)面的下滑力和抗滑力，然后疊加計(jì)算出整個(gè)滑動(dòng)土體的穩(wěn)定性。圓弧法的計(jì)算精度主要與分段數(shù)有關(guān)。分段愈多則計(jì)算結(jié)果愈精確，一般分8～10段。小段的劃分，還可結(jié)合橫斷面特性，如劃分在邊坡或地面坡度變化之處，以便簡化計(jì)算。3圓弧滑動(dòng)面的條分法（瑞典法）3）確定圓心輔助線

4.5H法36°法4）條分法基本步驟Θi有正負(fù)之分θiy瑞典圓弧滑動(dòng)條分法總示意圖Ti＝Qisinαi,有正負(fù)之分，αi=arcsin(xi/R),y軸之右側(cè)取正值，左側(cè)取負(fù)值。(式4-8)

條分法是一種試算法，應(yīng)選取不同圓心位置和不同半徑進(jìn)行計(jì)算，求最小的安全系數(shù)。條分法計(jì)算步驟KiK4簡化的Bishop法（1955）②按滑動(dòng)體整體力矩平衡：忽略成對(duì)條間力產(chǎn)生的力矩③迭代法求Ks通常迭代3~4次就可滿足精度要求.。

5不平衡推力法（傳遞系數(shù)法、剩余推力法）

路堤沿斜坡地基或軟弱層帶滑動(dòng)的穩(wěn)定性可采用不平衡推力法進(jìn)行分析計(jì)算。適用條件：滑動(dòng)面為折線或其它形狀的邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算原地面為折線形的陡坡上的路堤層狀構(gòu)造巖土層路基邊坡滑坡剩余下滑力：滑動(dòng)力穩(wěn)定系數(shù)抗滑力滑動(dòng)面已知

5不平衡推力法

驗(yàn)算方法： ①按地面變坡點(diǎn)將滑動(dòng)面上土體垂直劃分為若干條塊；驗(yàn)算方法：②自上而下分別計(jì)算各土塊的剩余下滑力；

驗(yàn)算方法：第n塊土塊的剩余下滑力；③判斷穩(wěn)定性：En≤0，整個(gè)土坡穩(wěn)定；

En＞0，應(yīng)采取穩(wěn)定或加固措施。5）、圓弧滑動(dòng)面的圖表法及解析法1）表解法和圖解法主要是對(duì)條分法進(jìn)行簡化后的粗略估算。不計(jì)行車荷載，圓心位置用36度法確定。

表解法見P78（4-9）和圖解法P79(4-10)式。2）解析法針對(duì)高塑性土（φ=0，坡頂為水平面且不計(jì)行車荷載），具體分為坡腳圓法和中點(diǎn)圓法，坡腳圓法見P82(4-14）和中點(diǎn)圓法見P84（4-17）式。第四節(jié)軟土地基的路基穩(wěn)定性分析公路工程線長面廣，沿線地質(zhì)、水文條件復(fù)雜多變，受多種因素制約，線路不可避免要 穿越軟土區(qū)；軟土特點(diǎn)是細(xì)粒土組成的天然含水量高、壓縮性高、強(qiáng)度低和具有靈敏結(jié)構(gòu)性的土層。

軟土分布：沿海地區(qū)、內(nèi)陸湖泊和河流谷地分布著大量淤泥、淤泥質(zhì)粘土等軟土。軟土分類：河海沉積湖泊沉積江灘沉積沼澤沉積軟土地段高填方路基軟土地段高填方路基

東南大學(xué)道路與鐵道工程國家重點(diǎn)學(xué)科主要病害在軟土地基上修建高速公路會(huì)遇到路基不穩(wěn)定沉降過大不均勻沉降等問題且工程性質(zhì)惡劣，尤其在振動(dòng)荷載的作用下，易產(chǎn)生側(cè)向滑移及蠕變，對(duì)路基、構(gòu)筑物的影響較大。主要措施:薄層軟土——原則上清除換土厚層軟土——穩(wěn)定分析,達(dá)到要求;加固措施;采用其他結(jié)構(gòu)物-修筑橋梁1、臨界高度的計(jì)算臨界高度：指天然路基狀態(tài)下，不采取任何加固措施，所容許的路基最大填土高度。

計(jì)算公式1）均質(zhì)薄層軟土地基2）均質(zhì)厚層軟土路基

Hc——容許填土的臨界高度；c——軟土的快剪粘結(jié)力；γ——填土的容重；Nw——穩(wěn)定因數(shù)，其值與路堤坡角及深度因素λ=（d+H）/H有關(guān)。如后圖臨界高度的計(jì)算圖4－18α與γH/c及λ關(guān)系圖2、路基穩(wěn)定性的計(jì)算方法1）總應(yīng)力法：地基抗剪強(qiáng)度采用總強(qiáng)度(天然十字板快剪強(qiáng)度)，或采用直剪快剪指標(biāo)。（快速施工瞬時(shí)加載情況）表征穩(wěn)定性的安全系數(shù)為：

式中：

i,j——路堤填料內(nèi)的分條編號(hào)，i滑裂面在地基土層，j在路堤填料內(nèi)；

PT——各土條在滑弧切線方向的下滑力的總和；

Si——路基土內(nèi)（AB?。┑目辜袅?；

Sj——路基土內(nèi)（BC?。┑目辜袅Α?－232）有效固結(jié)應(yīng)力法可以求固結(jié)過程中任意時(shí)刻已知固結(jié)度的安全系數(shù)，但本身不計(jì)算固結(jié)度，只是將其作為已知條件。安全系數(shù)為：第五節(jié)浸水路堤的穩(wěn)定性分析◆1、浸水路堤及水的浸潤曲線浸水路堤：指受到季節(jié)性或長期浸水的沿河路堤、河灘路堤等。浸水路堤的水的浸潤曲線 由于土體內(nèi)滲水速度遠(yuǎn)慢于河水，因此，當(dāng)?shù)掏馑簧邥r(shí)，堤內(nèi)水位的比降曲線（即浸潤線）成凹形，當(dāng)?shù)掏馑幌陆禃r(shí)，堤內(nèi)水位的比降曲線成凸形。

雙側(cè)滲水路堤水位變化示意圖單側(cè)滲水路堤水位變化示意圖2、滲透動(dòng)水壓力對(duì)浸水路堤的作用水位急速上升時(shí)，浸水路堤的浸潤曲線下凹，土體除承受豎向的向上浮力外，還承受滲透動(dòng)水壓力的作用，作用方向指向土體內(nèi)部，有利于土體穩(wěn)定，經(jīng)過一定時(shí)間的滲透，土體內(nèi)水位趨于平衡，不再存在滲透動(dòng)水壓力。水位驟然下降時(shí)，浸水路堤的浸潤曲線上凸，滲透動(dòng)水壓力的作用方向指向土體外，這將劇烈破壞路堤邊坡的穩(wěn)定性，并可能產(chǎn)生邊坡凸起和滑坡，不利于土體穩(wěn)定，但經(jīng)過一定時(shí)間的滲透，土體內(nèi)水位也會(huì)趨于平衡，不再存在滲透動(dòng)水壓力。浸水路堤邊坡穩(wěn)定的最不利情況一般發(fā)生在最高洪水水位驟然降落的時(shí)候，此時(shí)滲透動(dòng)水壓力指向路基體外。3、滲透動(dòng)水壓力對(duì)浸水路堤的作用1）浸水路堤的受力：自重、行車荷載、浮力滲透動(dòng)水壓力。2）浸水路堤的不利時(shí)刻：漲水？、落水？。3）土的滲透性：由于土中含有空隙，在水位變化過程中伴有土中含水量的變化。對(duì)砂性土——滲透性好，動(dòng)水壓力較?。粚?duì)黏性土——滲透性不好，動(dòng)水壓力也不大；對(duì)亞砂土、亞黏土——具有一定的滲透性，動(dòng)水壓力較大，邊坡容易失穩(wěn)。4）動(dòng)水壓力的計(jì)算

D＝IΩBγ0D——作用于浸潤線以下土體重心的滲透動(dòng)水壓力，kN/m；I——滲流水力坡降（取用浸潤曲線的平均坡降）；ΩB——浸潤曲線與滑動(dòng)弧之間的面積，m2；γ0——水的容重，kN/m34、滲水路堤的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法1）假想摩擦角法

基本點(diǎn)：適當(dāng)改變填料的內(nèi)摩擦角，利用非浸水時(shí)的常用方法，進(jìn)行浸水時(shí)的路堤穩(wěn)定性計(jì)算。（只適用于全浸水路堤）適用于粗略估算參考。2）懸浮法基本點(diǎn)：假想用水的浮力作用間接抵消動(dòng)水壓力對(duì)邊坡的影響，即在計(jì)算抗滑力矩中，用降低后的內(nèi)摩擦角反應(yīng)浮力的影響，而在計(jì)算滑動(dòng)力矩中，不考慮浮力作用，滑動(dòng)力矩沒有減小，用以抵償動(dòng)水壓力的不利。扣除浮力（4－25）適用于方案比較時(shí)估算參考?！?）條分法與非浸水路堤的條分法基本相同。分干燥與浸水兩部分。重力：Qi＝Filγ干+Fi2γw法向力：Ni＝Qicosαi切向力：Ti＝Qisinαi摩擦力：Nifx粘聚力：cxli動(dòng)水壓力：D=F2γ0I浸水路堤的邊坡穩(wěn)定系數(shù)：4、措施

通過調(diào)查,充分預(yù)估－浪高、洪水位； 放緩邊坡； 設(shè)置護(hù)坡道； 設(shè)置導(dǎo)流結(jié)構(gòu)物。復(fù)習(xí)思考題1、路基穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中所用各種近似方法的基本假定？2、分別指出路塹與路堤邊坡穩(wěn)定