路基路面工程課件：第六章路基穩(wěn)定性分析

1、 對(duì)特殊路基的穩(wěn)定性分析主要指： 高路堤、深路塹的邊坡穩(wěn)定 陡坡路堤的整體穩(wěn)定 軟土地基上的路堤穩(wěn)定 浸水路堤穩(wěn)定 第六章 路基穩(wěn)定性分析 邊坡穩(wěn)定性概念 邊坡一般是指具有傾斜坡面的土體或巖體，由于坡表面傾斜，在坡體本身重力及其他外力作用下，整個(gè)坡體有從高處向低處滑動(dòng)的趨勢(shì)，同時(shí)，由于坡體土(巖)自身具有一定的強(qiáng)度和人為的工程措施，它會(huì)產(chǎn)生阻止坡體下滑的抵抗力。一般來說，如果邊坡土(巖)體內(nèi)部某一個(gè)面上的滑動(dòng)力超過了土(巖)體抵抗滑動(dòng)的能力，邊坡將產(chǎn)生滑動(dòng)，即失去穩(wěn)定；如果滑動(dòng)力小于抵抗力，則認(rèn)為邊坡是穩(wěn)定的。在工程設(shè)計(jì)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。l955年，畢肖

2、普(A.W.Bishop)明確了土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的定義： (2.1)式中： 沿整個(gè)滑裂面上的平均抗剪強(qiáng)度； 沿整個(gè)滑裂面上的平均剪應(yīng)力； 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。 按照上述邊坡穩(wěn)定性概念，顯然，1，土坡穩(wěn)定；1，土坡失穩(wěn)；=1，土坡處于臨界狀態(tài)。 畢肖普的土坡穩(wěn)定安全系數(shù)物理意義明確，概念清楚，表達(dá)簡(jiǎn)潔，應(yīng)用范圍廣泛，在邊坡工程處治中也廣泛應(yīng)用。其問題的關(guān)鍵是如何尋求滑裂面，如何尋求滑裂面上的平均抗剪強(qiáng)度和平均剪應(yīng)力。 邊坡的穩(wěn)定是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，影響邊坡穩(wěn)定性的因素較多，簡(jiǎn)單歸納起來有以下幾方面： (1)邊坡體自身材料的物理力學(xué)性質(zhì) 邊坡體材料一般為土體、巖體、巖土及其他材料混合堆積或混合填筑

3、體(如工業(yè)廢渣、廢料等)，其本身的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響很大，如抗剪強(qiáng)度(內(nèi)摩擦角，凝聚力)、容重(包括天然容重和飽和容重等)。 (2)邊坡的形狀和尺寸 這里指邊坡的斷面形狀、邊坡坡度、邊坡總高度等。一般來說，邊坡越陡，邊坡越容易失穩(wěn)，坡度越緩，邊坡越穩(wěn)定；高度越大，邊坡越容易失穩(wěn)，高度越小，邊坡越穩(wěn)定。 (3)邊坡的工作條件 邊坡的工件條件主要是指邊坡的外部荷載，包括邊坡和邊坡頂上的荷載、邊坡后傳遞的荷載，如公路路堤邊坡頂上的汽車荷載、人行荷載等，水壩后方水壓力等。 邊坡體后方的水流及邊坡體中水位變化情況是影響邊坡穩(wěn)定的一個(gè)重要因素，它除自身對(duì)邊坡產(chǎn)生作用外，還影響邊坡體材料的物理力

4、學(xué)指標(biāo)。 (4)邊坡的加固措施 邊坡的加固是采取人工措施將邊坡的滑動(dòng)傳送或轉(zhuǎn)移到另一部分穩(wěn)定體中，使整個(gè)邊坡達(dá)到一種新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，加固措施的種類不同，對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響和作用也不相同，但都應(yīng)保證邊坡的穩(wěn)定。本章的主要內(nèi)容6-1、基本分析方法6-2、條分法的解6-3、穩(wěn)定性驗(yàn)算 6-4、路基穩(wěn)定性的整治措施6-1 路基穩(wěn)定性基本的分析下列情況應(yīng)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性的驗(yàn)算： 填土總高度超過18.0m 填石超過20.0m的路堤 挖方路基土質(zhì)邊坡高度超過20m 石質(zhì)土邊坡高度超過2030mm路基穩(wěn)定性分析常用驗(yàn)算的方法 1、工程地質(zhì)比擬法 經(jīng)過長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐和大量的經(jīng)驗(yàn)的積累 2、力學(xué)驗(yàn)算法 建立模

5、型，受力分析。 兩種相輔相成，可互相核對(duì)，作出正確合理的評(píng)價(jià)。路基穩(wěn)定性分析的力學(xué)驗(yàn)算方法 極限平衡法的基本的假設(shè)條件：* 平面問題的假設(shè)；* 滑動(dòng)體整體下滑，極限平衡狀態(tài)之發(fā)生在滑動(dòng)面上；* 滑動(dòng)土體視作本身無變形的剛體，內(nèi)應(yīng)力不考慮。 6-2 條分法的解邊坡穩(wěn)定分析的方法比較多，但總的說來可分為兩大類，即以極限平衡理論為基礎(chǔ)的條分法和以彈塑性理論為基礎(chǔ)的數(shù)值計(jì)算方法。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年提出，20世紀(jì)3040年代經(jīng)過費(fèi)倫紐斯(W.Fellenius)和泰勒(D.W.Taylor)等人的不斷改進(jìn)，直至l954年簡(jiǎn)布(N.Janb

6、u)提出了普遍條分法的基本原理，l955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。條分法實(shí)際上是一種剛體極限平衡分析法。其基本思路是：假定邊坡的巖土體坡壞是由于邊坡內(nèi)產(chǎn)生了滑動(dòng)面，部分坡體沿滑動(dòng)面而滑動(dòng)造成的?；瑒?dòng)面上的坡體服從破壞條件。假設(shè)滑動(dòng)面已知，通過考慮滑動(dòng)面形成的隔離體的靜力平衡，確定沿滑面發(fā)生滑動(dòng)時(shí)的破壞荷載，或者說判斷滑動(dòng)面上的滑體的穩(wěn)定狀態(tài)或穩(wěn)定程度。 該滑動(dòng)面是人為確定的，其形狀可以是平面、圓弧面、對(duì)數(shù)螺旋面或其他不規(guī)則曲面。隔離體的靜力平衡可以是滑面上力的平衡或力矩的平衡。隔離體可以是一個(gè)整體，也可由若干人為分隔的豎向土條組成。由于滑動(dòng)面是人

7、為假定的，我們只有通過系統(tǒng)地求出一系列滑面發(fā)生滑動(dòng)時(shí)的破壞荷載，其中最小的破壞荷載要求的極限荷載與之相應(yīng)的滑動(dòng)面就是可能存在的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。 條分法的基本假定如下： 把滑動(dòng)土體豎向分為n個(gè)土條，在其中任取1條記為i，在該土條上作用的已知力有：土條本身重力Wi，水平作用力Qi(如地震產(chǎn)生的水平慣性力等)，未知的條間力及條塊滑動(dòng)底面反力。當(dāng)滑面形狀確定后，土條的有關(guān)幾何尺寸也可確定，如底部坡角ai，底弧長(zhǎng)li，滑面上的土體強(qiáng)度，也已確定。條分法的解 基本分析方法： （1）假設(shè)可能的滑動(dòng)圓弧的位置； （2）對(duì)滑動(dòng)土體進(jìn)行分條； （3）分析各土條的受力； （4）分析整個(gè)滑動(dòng)土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)的安全

8、儲(chǔ)備 ； （5）就多個(gè)可能的滑動(dòng)面進(jìn)行分析后，檢驗(yàn) 是否滿足要求。 條分法的解 取用同一安全系數(shù)KS（即假定各條塊一起滑動(dòng)），由極限平衡條件得： 式中： -條塊滑動(dòng)底面處巖土的粘聚力和摩擦系 數(shù)； 為巖土的內(nèi)摩擦角； -條塊滑動(dòng)底面的長(zhǎng)度。 要使整個(gè)土體達(dá)到力的平衡，其未知力有：每一土條底部的有效法向反力，共n個(gè)；兩相鄰?fù)翖l分界面上的法向條間力Ei，共n-1個(gè)，切向條間力Ti，共n-1個(gè)；兩相鄰?fù)翖l間力Xi及Ei合力作用點(diǎn)位置Zi，共n-1個(gè)；每一土條底部切向力Si及法向力Ni的合力作用點(diǎn)位置ai，共n個(gè)。另外，滑體的安全系數(shù)Ks，l個(gè)。 綜合上述分析，我們得到共計(jì)有5n-2個(gè)未知量，我們能得

9、到的只有各土條水平向及垂直向力的平衡以及土條的力矩平衡共計(jì)4n個(gè)方程。因此，邊坡的穩(wěn)定分析實(shí)際上是一個(gè)求解高次超靜定問題。如果土條比較薄(bi較小)，Si與Ni的合力作用點(diǎn)可近似認(rèn)為在土條底部的中點(diǎn)，ai變?yōu)橐阎?，未知量變?yōu)?n-2個(gè)。與已有的方程數(shù)相比，還有n-2個(gè)未知量無法求出，要使問題有唯一解就必須建立新的條件方程。 解決的途徑有兩個(gè)：一個(gè)是利用變形協(xié)調(diào)條件，引進(jìn)土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，另一個(gè)是作出各種簡(jiǎn)化假定以減少未知量或增加方程數(shù)。前者會(huì)使問題變得異常復(fù)雜，工程界基本上不采用，后者采用不同的假定和簡(jiǎn)化，而導(dǎo)出不同的方法。對(duì)土條受力的簡(jiǎn)化條件不同產(chǎn)生了不同驗(yàn)算方法： 瑞典條分法 簡(jiǎn)化BIS

10、HOP法 傳遞力系數(shù)法 瑞 典 條 分 法 * 不考慮條間力的作用 * 分析一坡體，其圓弧滑動(dòng)面的圓心為O點(diǎn) ，半徑為R，當(dāng)各條塊同時(shí)達(dá)到極限平衡狀態(tài)，可只考慮整個(gè)滑動(dòng)體繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩平衡條件，得： 即得安全系數(shù)為：將右式代入上式瑞 典 條 分 法 即得安全系數(shù)為： 式中： ，為條塊滑動(dòng)底面的傾角 未知力Ni，可由條塊在滑動(dòng)底面法線方向力的平衡條件求得：代入上式得：可近似改寫為：畢肖普（ BISHOP ）法 考慮土條間側(cè)向力，但簡(jiǎn)化土條兩側(cè)的側(cè)向力的作用相互抵消。任取第i條塊，由滑動(dòng)底面切線方向上力的平衡方程： 上試不受滑動(dòng)面形狀的限制。若為滑動(dòng)面，得：傳遞系數(shù)法傳遞系數(shù)法1、滑動(dòng)土楔分條；

11、2、取工程所規(guī)定的容許安全系數(shù)3、自上而下逐個(gè)土條計(jì)算其剩余下滑力，求得最后一個(gè)土條的剩余下滑力 。 當(dāng) 時(shí) ，此假設(shè)的滑動(dòng)面是穩(wěn)定的； 當(dāng) 時(shí)，此假設(shè)的滑動(dòng)面不穩(wěn)定。 傳遞力系數(shù)法驗(yàn)算程序：傳遞力系數(shù)法常用于折線滑動(dòng)面情況的穩(wěn)定性驗(yàn)算，如陡坡路堤或順層滑坡等。幾種驗(yàn)算方法的比較 對(duì)同一坡體，上述各種條分法采用的假設(shè)不同，求得的安全系數(shù)值也有差異。一般情況如下： * 瑞典條分法，完全忽略條間力，K值最?。? 畢肖普法，考慮條間的水平推力，K值較大；* 傳遞系數(shù)法，計(jì)及條間豎向剪力，K值更大。直線滑動(dòng)面 6-3 穩(wěn)定性驗(yàn)算路基穩(wěn)定性驗(yàn)算的基本程序如下： （1）根據(jù)路基可能出現(xiàn)的滑動(dòng)面形狀，選擇分

12、析計(jì)算方法； （2）把滑動(dòng)面以上的坡體劃分為適當(dāng)數(shù)量的豎直條塊； （3）按不同的荷載組合，計(jì)算各條塊的自重及其他已知作用力； （4）考慮坡體的工作條件，選取滑動(dòng)面上的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，求算其安全系數(shù)； （5）將每種荷載組合情況下求得的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的安全系數(shù)（為最小值）與所規(guī)定的容許值相比較，以判斷路基是否穩(wěn)定。荷載組合和汽車荷載當(dāng)量換算（一）荷載組合通?？紤]下列三種可能出現(xiàn)的荷載組合情況：（1）主要組合 包括滑動(dòng)坡體的自重、汽車荷載、（浸水路基）常水位時(shí)的浮力。（2）附加組合 系將主要組合中的汽車荷載改用平板掛車或履帶車，或者考慮在最不利水位時(shí)的浮力和滲透動(dòng)水壓力。（3）地震組合 包括滑動(dòng)坡體的重

13、力和地震力以及常水位條件下水的浮力。驗(yàn)算路堤邊坡穩(wěn)定性時(shí)不同情況選用不同的荷載組合?。ǘ┢嚭奢d的換算 橫向最多可能分布的車輛數(shù)，單車道，雙車道；每一輛車的重力，kN；橫向分布車輛最左和最右輪胎外緣的間距，m；車輛荷載的縱向分布長(zhǎng)度 滑動(dòng)面的形狀和位置 由粘性差的土構(gòu)成的坡體，滑坍時(shí)破壞面往往接近于平面，常采用直線滑動(dòng)面法驗(yàn)算。 具有一定粘性的土坡，其破壞面為曲面，可假設(shè)圓弧滑動(dòng)面，采用簡(jiǎn)單條分法或畢肖普法分析。 軟土地基上修筑路堤，當(dāng)路堤高度超過極限高度時(shí)，堤身和地基常會(huì)一起滑動(dòng)，而滑動(dòng)面形狀大多接近圓弧面，因此，廣泛采用圓弧滑動(dòng)面法驗(yàn)算。 由多種材料組成或者含有結(jié)構(gòu)面或軟弱夾層的坡體，以

14、及陡坡路堤，滑動(dòng)面大多為直線或折線形，或者直線和曲線的組合型，相應(yīng)采用直線滑動(dòng)面法、推力傳遞法或者畢肖普法進(jìn)行穩(wěn)定性分析。確定可能的滑動(dòng)圓弧位置 最可能的滑動(dòng)圓弧需要試算確定。 大量分析的經(jīng)驗(yàn)，最危險(xiǎn)破壞面圓弧的圓心位置在一條輔助線附近。 * 按45H法繪出輔助線 * 簡(jiǎn)化36線法45H法45H法45H法 自坡腳E向下引垂線并截取邊坡高度H得F點(diǎn)。邊坡高度H可計(jì)入車輛荷載換算土柱高度，也可不計(jì)入換算土柱高度。 自F點(diǎn)向右引水平線并量取45H得M點(diǎn)。 連接坡腳E和坡項(xiàng)S，求ES的斜度i。=1/m，根據(jù)i。由表6-1查得1、2的角值。 自E點(diǎn)引與S成1角的直線EI，又由S點(diǎn)引與水平線成2角的直線S

15、I，EI與SI交于I點(diǎn)。 連接M與I，并向左上方延長(zhǎng)，即得輔助線。 如土僅有粘聚力，而o，則最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧的圓心就是I點(diǎn)； 如土除粘聚力外還具有摩擦力，則最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的圓心將隨值的增加在輔助線上向外移動(dòng)。45H法邊坡坡度1：0.51：0.751：11：1.251：1.51：1.751：2.邊坡坡角63265308453840334129452634.12930292827262625.24039373530353535.輔助角1和2值簡(jiǎn)化36線法 36線法較簡(jiǎn)便，但精確度較4.5H法為差，兩種方法對(duì)于滑動(dòng)面通過坡腳的情況均適用。兩種方法均可以不計(jì)車輛荷載換算的土層厚度，計(jì)算結(jié)果出入不大。 對(duì)滑

16、動(dòng)坡體分條，注意劃分邊界的確定。 條塊寬度一般取2-6m，條塊常數(shù)取10左右，過少則 精度差。條塊劃分和自重計(jì)算各條塊自重可按其面積乘以土的容重求得。由幾層土組成的條塊，應(yīng)分層計(jì)算其重力，相加得該條塊總重。物理力學(xué)參數(shù)的確定 土的物理力學(xué)參數(shù)對(duì)分析的結(jié)果影響有時(shí)會(huì)超過力學(xué)模型和假設(shè)條件帶來的誤差影響，所以，參數(shù)的選取應(yīng)能反映實(shí)際情況。 注意以下問題： * 對(duì)挖方路基和天然坡體，取原狀土樣試驗(yàn)的數(shù)據(jù)；* 填方路基應(yīng)取現(xiàn)場(chǎng)土樣并按規(guī)定壓實(shí)要求制件試驗(yàn)； * 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值，試驗(yàn)條件要考慮實(shí)際可能發(fā)生的最不利情況浮力和滲透力的考慮 普通路堤外力、自重、浮力（受水浸泡產(chǎn)生浮力）、滲透動(dòng)水壓力（路堤兩側(cè)

17、水位高低不同時(shí)，水從高的一側(cè)滲透到低的一側(cè)產(chǎn)生動(dòng)水壓力）. 最不利情況：水位降落時(shí)動(dòng)水壓力指向河灘兩側(cè)邊坡，尤其當(dāng)水位緩慢上漲而集聚下降時(shí)，對(duì)路堤最不利。浮力和滲透力的考慮 浸水土體會(huì)受到浮力(靜水壓力)和滲透力(動(dòng)水壓力)的作用,使材料抗剪強(qiáng)度下降.只要將浸水部分采用浮容重計(jì)算土的自重即可. 浮容重:浮力和滲透力的考慮 當(dāng)邊坡內(nèi)有水位差時(shí),就會(huì)發(fā)生滲流力現(xiàn)象,則有動(dòng)水壓力,若坡外水位較坡內(nèi)低,滲流力指向坡體外,則降低坡體的穩(wěn)定性,要考慮. 浮力和滲透力的考慮 考慮滲流力時(shí): 注意情況：1、礫石、片石等無粘性透水材料填筑的路堤水位變化時(shí)，不發(fā)生動(dòng)水壓力D=02、用不透水或透水極小的粘性土填筑的路堤水位變化時(shí)，不發(fā)生動(dòng)水壓力D=03、用一般粘性土（亞粘土、亞砂土）填筑的路堤水位變化時(shí)，堤身產(chǎn)生動(dòng)水壓力必須繪制浸潤(rùn)曲線（假定為直線，坡度為降落曲線的平均坡度）4、河灘路堤的安全系數(shù)，一般規(guī)定不小于1.25，按最大洪水位驗(yàn)算時(shí)，其安全系數(shù)可采用k1.15地震力的計(jì)算 豎向震動(dòng)時(shí)對(duì)路基危害比水平震動(dòng)小得多,可忽略不計(jì). 水平震動(dòng)力: 式中: Kh:水平地震系數(shù)，分別為0.1,0.2,0.4； Cz:綜合影響系數(shù),一般采用0.25； Ci:重要性修正系數(shù)，按表取用 安全系數(shù)引入 -考慮眾多不確定因素對(duì)涉及所帶來的風(fēng)險(xiǎn)； -考慮設(shè)計(jì)失敗可能造成的后果。容許安全系數(shù)考慮工程的安全與經(jīng)濟(jì)，規(guī)定