邊坡穩(wěn)定性計算

1、邊坡穩(wěn)定性計算邊坡穩(wěn)定性計算方法第一節(jié)概述邊坡穩(wěn)定性問題一直是邊坡工程中的一個重要研究內(nèi)容。它涉及鐵道工程、公 路工程、水電丁程、礦山工程等諸多工程領(lǐng)域，能否正確評價其穩(wěn)定性直接關(guān)系到 建設(shè)的資金投入和人民的生命財產(chǎn)安全。邊坡穩(wěn)定性分析方法很多，不同的方法又各具特點，有一定的適用條件。根據(jù) 具體的邊坡工程地質(zhì)條件，具體地分析目的與精度要求，合理有效地選用與之相適 應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法，是一項很重要的工作。邊坡穩(wěn)定性分析的一般步驟為 實際邊坡一力學(xué)模型一數(shù)學(xué)模型一計算方法一結(jié)論。其楊心內(nèi)容是力學(xué)模型、數(shù)學(xué) 模型和計算方法的研究，即邊坡穩(wěn)定性分析方法的研究 ？一般來說，邊坡穩(wěn)定性分 析方法可分為

2、三大類：定量分析方法、定性分析方法和非確定性分析方法，定量分 析方法主要包括極限平衡分析法、有限單元法、無單元法、離散單元法、快速拉格 朗日法、DDAt、流形元法、遺傳進(jìn)化算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法等 ；定性分析方 法主要包括范例推理評價法、專家系統(tǒng)等；非確定分析方法主要包括模糊綜合評價 法、可靠度評價法、灰色系統(tǒng)評價法等。其中，定量分析方法中的極限平衡分析法 是目前較為常用的方法，該方法具有模型簡單、計算公式簡捷、可以解決各種復(fù)雜 削面形狀、能考慮各種加載形式的優(yōu)點，因此得到廣泛的應(yīng)用。一、邊坡穩(wěn)定性的基本概念邊坡系指具有傾斜坡面的土體。由于土坡表面傾斜，在本身重量及其他外力作 用下，整個土體

3、都有從高處向低處滑動的趨勢，如果土體內(nèi)部某一個面上的滑動力 超過土體抵抗滑動的能力，就會發(fā)生滑坡。在工程建設(shè)中，常見的邊坡失穩(wěn)破壞有 兩種類型：一種是天然邊坡由于水流沖刷、地殼運動或人類活動破壞了它原來的地質(zhì)條件而產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，通常用地質(zhì)條件對比法來衡量其穩(wěn)定的程度；另一種是人工開挖或填筑的人工土坡，由于設(shè)計的坡度太陡，或工作條件的變化改變了土體內(nèi) 部的應(yīng)力狀態(tài)，使局部地區(qū)的剪切破壞，發(fā)展成一條連貫的剪切破壞面，土體的穩(wěn) 定平衡狀態(tài)遭到破壞，因而發(fā)生邊坡失穩(wěn)破壞，本章主要討論后一種邊坡的穩(wěn)定性 問題。在工程設(shè)計中，判斷邊坡穩(wěn)定性的大小習(xí)慣上采用邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)來衡量。最初的安全系數(shù)概念來源于極

4、限平衡法中的條分法，是用滑裂面上全部抗滑力矩與 滑動力矩之比來定義的，20世紀(jì)50年代，畢肖普等明確了土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的定 義，將土坡穩(wěn)定安全系數(shù)產(chǎn)，定義為沿整個滑裂面的抗剪強度r f與實際產(chǎn)生的剪應(yīng)力，之比，即Fs, r 1/ r (2 1)這不僅使安全系數(shù)的物理意義更加明確，而且使用范圍更加廣泛。按照上述邊 坡穩(wěn)定第9頁性概念，F(xiàn)s>1時，邊坡穩(wěn)定；Fs<l時，邊坡失穩(wěn)；Fs,l時，邊坡處于臨界狀0二、邊坡穩(wěn)定性分析的基本理論邊坡穩(wěn)定分析的方法很多，本章主要介紹應(yīng)用較多的極限平衡理論中的條分法。條分法以極限平衡理論為基礎(chǔ)，由瑞典人彼得森 (K(E(Petterson)在1916

5、年提 出，20世紀(jì)3040年代經(jīng)過費倫紐斯(WFellennius)和泰勒(D(W(taylor)等人的不 斷改進(jìn)，直至1954年簡布(凡Janbu)提出了普遍條分法的基本原理，1955年畢肖 普明確了土坡穩(wěn)定安全系數(shù)，使該方法在目前的工程界成為普遍采用的方法。極限平衡理論的主要思想是將滑動土體進(jìn)行條分，根據(jù)極限狀態(tài)下土條受力和力矩平衡來分析邊坡的穩(wěn)定性。根據(jù)對平衡方程組增設(shè)的邊界條件不同，又分為如 下幾種方法：瑞典條分法，簡化畢肖普（Bishop）法，簡布普遍條分法等。條分法的基本理論如下：將滑動土體豎向分為n個土條，在其中任取1條記為第i條，如圖2-1所示，其上作用的已知力有：土條本身重量

6、 Wi,水平彳用力（例如地震慣性力）Q,作 用于土條兩側(cè)的孔隙壓力（水壓力）UJ及U,以及作用于土條底部的孔隙壓力 Ui。另外，當(dāng)滑裂面形狀確定以后，土條的有關(guān)幾何尺寸如底部坡角ai ,底長八以及滑裂面上的強度指標(biāo)ci、tail社也都是定值。因此，對整個滑動土體來說，為了達(dá)到力的平衡，我們所要求的未知量如下：1（每一土條底部的有效法向反力 Mi,共n個；2（安全系數(shù)F,（按安全系數(shù)的定義，每一土條底部的切向力 Ti可用法向力Ni及Fs求出），1個；3（兩相鄰?fù)翖l分界面上的法向條問力且，共 n-1個；乙兩相鄰?fù)翖l分界面上的切向條間力 Xi（或Xi與Ei的交角9 i）,共n 1個;5（每一土條底部

7、TI及Ni合力作用點位置ai ,共n個；6（兩相鄰?fù)翖l條間力Xi及Ei合力作用點位置zi ,共n-1個。這樣，共計有5n-2個未知量，而我們所能得到的只有各土條水平向及垂直向力的平衡以及力矩平衡3n個方程，因此，土坡的穩(wěn)定分析問題實際上是一個高次 超靜定問題。如果把土條取得極薄，土條底部Ti ,及Ni合力作用點可近似認(rèn)為作用于土條底部的中點，土壓力的計算第一節(jié)概述一、支擋結(jié)構(gòu)上的士壓力和滑坡推力作用在支擋結(jié)構(gòu)上的荷載主要是土壓力和滑坡推力。對于填方工程而言（圖3-ld）,作用于支擋結(jié)構(gòu)上的主要荷載是填土和填土表面上的外荷載給墻背或墻面系 所產(chǎn)生的側(cè)向土壓力E;對于挖方工程而言（圖31b）,若在

8、土體或碎裂狀或散體結(jié) 構(gòu)巖體中開挖低矮邊坡時，作用于支擋結(jié)構(gòu)（例如土釘墻）上的主要荷載仍然是土壓 力；對于用抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁等支擋結(jié)構(gòu)加固的高陡邊坡，其主要荷載是 部分坡體沿滑面所產(chǎn)生的滑坡推力戶，這種滑面可能是坡體內(nèi)原有的軟弱結(jié)構(gòu)面或 開挖誘發(fā)的潛在滑面。正確、合理地確定土壓力和滑坡推力的大小、方向、作用點 以及對支擋結(jié)構(gòu)作用的規(guī)律，這是支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題。國3 J上壓力與滑地精力件加Ii/jj也?。航闵系?用瞑并訂二、土壓力類型和性質(zhì)土壓力的計算是一個復(fù)雜的問題，它涉及到填料、墻身和地基三者之間的共同 作用。土壓力的性質(zhì)和大小與墻身的位移、墻高和墻后填土的性質(zhì)等有關(guān)。根據(jù)墻 的

9、位移方向和大小，作用在墻背上的土壓力可分為主動土壓力、靜止土壓力和被動 土壓力三種。其中主動土壓力最小，被動土壓力最大，靜止土壓力則介于兩者之 問。它們與墻身位移之間的關(guān)系如圖 3-2所示。下面以重力式擋土墻為例討論墻 體的位移、剛度與土壓力的關(guān)系。（一）墻體變位與土壓力擋土墻所受土壓力的大小和分布規(guī)律與墻體可能移動的方向和大小有很大關(guān)系。根據(jù)墻的移動情況和墻后土體所處的應(yīng)力狀態(tài)，靜止土壓力、主動土壓力和被 動土壓力與墻體位移的關(guān)系如下：1（靜止土壓力與墻體位移的關(guān)系若擋土墻靜止不動，墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)時，土對墻的壓力稱為靜止土 壓力，用Eo表示。此時墻體變形量J,o。靜止土壓力可能存在

10、于某些建筑物支撐 著的土體中，如地下室外墻、地下水池側(cè)壁、涵洞側(cè)壁和船閘邊墻等，可近似視為 受靜止土壓力作用。靜止土壓力可按直線變形體無側(cè)向變形理論求出。第29頁2（主動土壓力與墻體位移的關(guān)系如圖32,若擋土墻受后墻填土作用，離開土體方向發(fā)生一8的偏離量，同時土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時，作用在墻背上的土壓力稱為主動土壓力，用 za表示。土體內(nèi)相應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài) 稱為主動極限平衡狀態(tài)。3（被動土壓力與墻體位移的關(guān)系如圖32,若擋土墻受外力作用使墻身發(fā)生向土體方向 +8的偏離量，同時土 體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時，作用在擋土墻的土壓力稱為被動土壓力，用 Jp表示。土 體內(nèi)相應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)稱為被動極限平衡狀態(tài)。般擋

11、土墻因其長度遠(yuǎn)大于高度，屬平面問題，故在計算土壓力時可沿長度方 向取每延米考慮。還應(yīng)注意擋土墻所受土壓力并不是一個常數(shù)，隨著擋土墻位移量 的變化，墻后土體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)不同，因而土壓力值也在變化，土壓力的大小可 能變化于兩個基本點極限值之間，其方向隨之變化?，F(xiàn)有土壓力理論，主要是研究 極限狀態(tài)的土壓力。主動土壓力是墻后填土處于兩種不同極限平衡狀態(tài)的土壓力， 至于介于兩個極限平衡狀態(tài)間的情況，除靜止土壓力這一特殊情況外，由于填土處 于彈性或彈塑性平衡狀態(tài)，是一個超靜定問題。這種擋土墻在任意位移條件下土壓 力計算還比較復(fù)雜，涉及擋土墻、填土和地基三者變形、強度特性和共同作用，目 前還不易計算其相應(yīng)的土壓力。不過，隨著土工計算技術(shù)的發(fā)展，在某些情況下可 以根據(jù)土的實際應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，利用有限元來確定墻體位移量與土壓力大小的定 量關(guān)系。由于這一計算技術(shù)在發(fā)展中，本章只介紹常用于工程中的極限平衡狀態(tài)的 土壓力理論。（二）墻體剛度與土壓力土壓力是土與擋土結(jié)構(gòu)之間相互作用的結(jié)果，它不僅與擋土墻的位移有關(guān)，而 且還與墻體的剛度密切相關(guān)。一般用磚、石或混凝土修建的重力式擋土墻，依靠墻 身自重抵抗或平衡墻后填土產(chǎn)生的土壓力，因其斷面較大、剛度較大，在側(cè)向土壓 力作用下僅能發(fā)生平移或