巖土力學(xué)教案第8章

PAGEPAGE172第八章土坡穩(wěn)定性分析§8.1概述一、土坡1．定義：是指臨空面為傾斜坡面的土體。簡單土坡各部位名稱如下圖所示。2．分類（1）天然土坡：由于地質(zhì)作用自然形成的土坡，如山坡、岸坡等；（2）人工土坡：由人工填挖而形成的土坡，如路塹、路堤、土壩、基坑等土工建筑物的邊坡。二、邊坡失穩(wěn)（滑坡破壞）坡面局部土體下滑稱為邊坡失穩(wěn)或叫滑坡破壞。土坡失穩(wěn)的原因由于坡面傾斜，在自重或其它外力作用下，近坡面的部分土體有向下滑動的趨勢。土坡失穩(wěn)常常是在外界不利因素影響下一觸即發(fā)的，其根本原因在于土體內(nèi)的剪應(yīng)力在某時刻大于土的抗剪強度。土中剪應(yīng)力和土體的抗剪強度隨時間是變化的。1．促使剪應(yīng)力增加的原因有：（1）土坡變陡；（2）滲透水流的動水壓力過大；（3）坡頂有超載作用；（4）打樁、爆破、地震、火車、汽車等動荷載作用均會增加剪應(yīng)力。2．造成土抗剪強度降低的原因有：（1）凍脹再融化；（2）振動液化；（3）浸水后土的結(jié)構(gòu)崩解；（4）土中含水量增加等。土坡失穩(wěn)一般多發(fā)生在雨天，因為水滲入土中一方面使土中剪應(yīng)力增加了；另一方面又使土的抗剪強度降低了，特別是坡頂出現(xiàn)豎向大裂縫時，水進入豎向裂縫對土坡產(chǎn)生側(cè)向壓力，從而導(dǎo)致土坡失穩(wěn)。因此，土坡產(chǎn)生豎向裂縫常常是土坡失穩(wěn)的預(yù)兆之一。四、影響土坡穩(wěn)定性的主要因素（1）邊坡坡角。坡角越小愈安全，但是采用較小的坡角，在工程中會增加挖填方量，不經(jīng)濟。（2）坡高。H越大越不安全。（3）土的性質(zhì)。、和大的土坡比、和小的土坡更安全。（4）地下水的滲透力。當(dāng)邊坡中有地下水滲透時，滲透力與滑動方向相反時，土坡則更安全；如兩者方向相同時，土坡穩(wěn)定性就會下降。（5）震動作用的影響。如地震、工程爆破、車輛震動等。（6）人類活動和生態(tài)環(huán)境的影響?！?.2無粘性土坡穩(wěn)定分析由粗顆粒土（c=0）所堆筑的土坡稱為無粘性土坡。無粘性土坡的穩(wěn)定分析比較簡單，下面分兩種情況進行討論。一、無滲流作用時的無粘性土坡在分析無粘性土的土坡穩(wěn)定時，根據(jù)實際觀測結(jié)果，通常均假設(shè)滑動面為平面。上圖為一簡單土坡，土坡高為，坡角為，土的重度為，土的抗剪強度。若假定滑動面是通過坡角A的平面AC，AC的傾角為，并沿土坡長度方向截取單位長度進行分析，則其滑動土楔體ABC的重力為：則沿滑動面向下的滑動力為：抗滑力為摩擦力，即：土坡滑動穩(wěn)定安全系數(shù)為：當(dāng)時，滑動穩(wěn)定安全系數(shù)最小，即由上式可得如下結(jié)論：（1）當(dāng)坡角，，即土坡處于極限平衡狀態(tài)，此時稱為天然休止角；（2）只要坡角（），土坡就穩(wěn)定，而且與坡高無關(guān)；（3）為了保證土坡有足夠的安全儲備，一般要求。二、有滲流作用的無粘性土坡當(dāng)降暴雨時，土坡斜面上有平行于坡面的滲流水（水位與土坡坡面基本一致），此時土坡坡面一層土體受力情況如下圖所示。坡面上A點的水位為：作用于AB面上的孔隙水壓力為：土體單元ABCD的重度為，其重力為：作用于AB面上的垂直壓應(yīng)力和下滑剪切力分別為：在斜面上的有效應(yīng)力為：土坡穩(wěn)定安全系數(shù)為：上式中比值一般在0.4～0.5范圍內(nèi)，變小，可知土坡更易于滑動，這就是為什么遇暴雨時粗顆粒土坡較干燥情況下易滑動的原因?！?.3粘性土坡穩(wěn)定分析一、粘性土坡滑動面的形式根據(jù)一些實測的資料，粘性土坡的滑動面常常為曲面。土坡滑動前一般在坡頂先產(chǎn)生張力裂縫，繼而沿某一曲面產(chǎn)生整體滑動。為便于理論分析，可以近似地假設(shè)滑動面為一圓弧面。圓弧滑動面的形式一般有下述三種：（1）坡腳圓：圓弧滑動面通過坡腳點（見下圖a）；（2）坡面圓：圓弧滑動面通過坡面上點（見下圖b）；（3）中點圓：圓弧滑動面發(fā)生在坡腳以外的點（見下圖c）。二、泰勒法-簡單土坡對于簡單邊坡，D.W.Taylor認為圓弧滑動面的3種形式與土的內(nèi)摩擦角值、坡角以及硬層的埋置深度等因素有關(guān)。Taylor經(jīng)過大量計算分析后得出：（1）當(dāng)時，滑動面為坡腳圓，其最危險滑動面圓心位置，可根據(jù)及角值，從P201圖7-5中的曲線查得及值作圖求得，如下圖所示；（2）當(dāng)時，且時，滑動面也是坡腳圓，其最危險滑動面圓心位置，同樣可從圖7-5中的及值作圖求得；（3）當(dāng)時，且時，滑動面可能是中點圓，也有可能是坡腳圓或坡面圓，它取決于硬層的深度系數(shù)，需試算確定。當(dāng)＞4時，則都為中點圓。三、整體圓弧滑動法1915年，瑞典彼得森（K．E．Petterson）首先用圓弧滑動法分析邊坡的穩(wěn)定性，稱為瑞典圓弧法。上圖表示一個均質(zhì)粘性土坡，滑動面為弧，其弧長為，圓弧的半徑為。把滑動土體當(dāng)成一個剛體，滑動土塊的重量為，土體粘聚力為，內(nèi)摩擦角。滑塊滑動時相當(dāng)于繞圓心轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動力矩為；另一項是抗滑力矩。反力的大小和方向應(yīng)該與土的內(nèi)摩擦角有關(guān)，但對于時，滑動面是一個光滑面，反力的方向必垂直于滑動面，即通過圓心，不產(chǎn)生力矩。穩(wěn)定安全系數(shù)為：上式即是整體圓弧滑動法計算邊坡穩(wěn)定的公式，它只適用于的情況。四、瑞典條分法上述的泰勒分析方法，只適用于均質(zhì)的簡單土坡；而整體圓弧滑動法只適用于的均質(zhì)土坡。對于非均質(zhì)土坡或比較復(fù)雜的土坡（如土坡形狀比較復(fù)雜、或土坡上有荷載作用，或土坡中有水滲流時，或考慮動荷載作用）均不適用，費倫紐斯提出的條分法是解決這一問題的基本方法，至今仍得到廣泛應(yīng)用。1．基本原理首先將土坡剖面按比例劃出，可能的滑動面是一圓弧，圓心為，半徑為?，F(xiàn)將該滑塊分成若干個豎向土條。取第個土條分析，該土條底面中點的法線與豎直線的夾角為，寬度為，高度為，作用在土條上的力有：（1）重力，作用于土條的中垂線上，可分解為滑動力和法向力（2）法向反力（式中為土條滑裂面上法向應(yīng)力，為滑弧段長度），且有：（3）抗滑力，為土條園弧面上抗剪強度總和，即：（4）條間力（為土條之間側(cè)面作用力）假設(shè)大小相等方向相反，即：則穩(wěn)定安全系數(shù)為：上述分析過程是對某一假定滑動面而求得的穩(wěn)定安全系數(shù)，實際上它并不一定是真正的滑動面位置，而真正的滑動面是對應(yīng)于最小穩(wěn)定安全系數(shù)的滑動面，因此欲求解其真正滑動面位置，必須按上述方法反復(fù)試算求取。2．試算法確定最危險的滑動面選擇多個不同位置的圓心，分別通過坡角做弧園，用上述方法分別求出相應(yīng)的穩(wěn)安全系數(shù)。穩(wěn)定安全系數(shù)最小的圓弧就是最危險的滑裂面。用這種試算法，如手算，其工作量很大，可利用計算機通過相應(yīng)的計算程序確定。對于簡單土坡，高為H，首先確定B點，然后依據(jù)、（查P204表7-1）確定A點。作直線AB，費里紐斯指出，最危險滑動面的圓心在AB線上的A點附近。當(dāng)時，最危險滑動面的圓心在A點上；當(dāng)時，最危險的圓心在A點以上，為確定出該點，首先在AB線上A點以上取若干點1、2、3、4，過坡腳分別作圓弧，用上述條分法分別計算各自的穩(wěn)定安全系數(shù)，并畫出穩(wěn)定安全系數(shù)曲線，由分布曲線可得到最小穩(wěn)定安全系數(shù)的圓心點。危險圓心是在AB線附近，不一定在直線AB上。因此，再通過作AB線的垂直線，并在此垂直線CD上再定幾個圓弧中心，求出若干個，仿照在AB線上的做法得出CD線上最小的穩(wěn)定安全系數(shù)對應(yīng)圓心O2，此