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對邊坡穩(wěn)定性進行力學(xué)分析時，為簡化計算，都按平面問題處理；將滑動體視為剛體。1.無黏性土滑動面近似為平面。2.黏性土滑動面近似為圓柱面。（二）滑動面形狀的假定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對于路塹天然邊坡或地基部分，取原狀土，測其重度γ，內(nèi)摩擦角Φ，黏聚力c，根據(jù)實際情況采用原位剪切試驗、直剪試驗或三軸試驗。二、邊坡穩(wěn)定性分析的計算參數(shù)Parametersintheanalysisofslopestability（一）所需土的試驗資料對路堤邊坡：取與現(xiàn)場壓實度一致的壓實土試驗數(shù)據(jù)。

※路堤各層填料性質(zhì)不同時，近似按均質(zhì)土坡計算，均勻土的物理力學(xué)指標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)計荷載換算成相當于土層厚度h0。詳見P69近似分布于路基全寬上.1.當量土柱高度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)時的滑動面上土體為剛體，而且將其視為脫離體，在極限平衡條件下對其進行各種力的分析，安全系數(shù)則是滑動面上抗滑力或者抗滑力矩與滑動力或則滑動力矩之比值，一般計算方法是任意假定滑動面來找到最小的安全系數(shù)，假定滑動面是否合理則決定了計算的準確性。12非嚴格條分法：

瑞典法（費倫紐斯條分法）

簡化Bishop法

簡化Janbu法

陸軍工程師團法

羅厄法Sarma（I）法

不平衡推力法(傳遞系數(shù)法)等嚴格條分法: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土體視為剛體，不考慮滑動土體的變形，這是不符合實際的。有限元法把土坡當成變形體，按照土的變形特性，計算出土坡內(nèi)的應(yīng)力分布，然后再引入圓弧滑動面的概念，驗算滑動土體的整體抗滑穩(wěn)定性。

3、有限元強度折減法利用土的彈塑性有限元計算程序，通過不斷降低邊坡土體的抗剪強度參數(shù)直至達到極限破壞狀態(tài)自動形成滑動面，此時的強度折減系數(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)過長期的生產(chǎn)實踐和大量的資料調(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）滑動法methodforplaneslide1.路堤情況的最危險滑動面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)，其他符號意義同前三）圓弧滑動面的條分法Slicemethodforcircularslipsurface計算精度與分段數(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,以簡化計算。1）將圓弧滑動面上土體劃分為若干豎直土條；2）依次計算每一土條的滑動力矩和抗滑力矩；3）疊加計算整個土體的穩(wěn)定性。黏性土坡滑坡時破裂面近似為圓弧滑動面。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.簡單條分法假定assumptionsofsimplifiedslicemethods簡化Bishop條分法與Janbu條分法的區(qū)別：前者假定滑動面為圓弧面，滑動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面，而不僅限于圓弧面。4）分別計算各土條對滑弧圓心O點的滑動力矩之和、抗滑力矩之和。4.條分法基本步驟procedureofslicemethod2）計算每個土條重Gi（土重、荷載重）沿滑動面法向分力Ni1）通過坡腳任意選定可能的圓弧滑動面AB，半徑為R，縱向取單位長度，滑動土體分條（手算時可取5~8條）3）計算每一段滑動面摩阻力Ni*tanΦ（內(nèi)摩擦力）和黏聚力ci*Li

（Li為1小段弧長）5）求穩(wěn)定系數(shù)(瑞典條分法）4.5H法36o法6）再假定幾個可能的滑動面（可根據(jù)輔助線確定滑弧位置），計算相應(yīng)的K值，再確定Kmin1.簡化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Oi的等勢線與浸潤線交點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至條底中點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。）。近似認為土條兩側(cè)動水壓力相等，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)力強度指標。瑞典條分法公式：簡化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)力強度指標。當滑弧深入下游水位以下時，下游水位以下的土體按浮重度計算重力，而作用在cd面上的滲壓水頭改為Oi′點至下游水位的垂直高度。當滑弧深入下游水位，條塊中部分土體浸沒在下游水位以下時（下圖），滑弧cd上的水壓力為上式右邊第1項相當于下游水位的靜水壓力，第2項相當于上下游水位差導(dǎo)致的滲流引起的動水壓力。容易證明，當滑弧深入下游水位以下時這樣處理即可（解釋見下頁，參見《交通土建軟土地基工程手冊》P246-247）：下游水位以下的土體按浮重度計算重力，而作用在cd面上的滲壓水頭改為Oi′點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。當以滑動土體（包括土體骨架和其中的孔隙水）作為脫離體時，EF面下土體應(yīng)按飽和重度計算重力，即上式右邊后面一項剛好與作用在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，所以對下游水位以下部分土體按按浮重度計算其重力即相當于考慮了滑動土體周界上的孔隙水壓力作用。對于上游水位高于下游，土體中有滲流發(fā)生的情況，此時任一土條底面的孔隙水測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，所以此時以下游水位為界，將滑動土體中的水壓力作用分為上、下兩個部分，下部水壓力的作用按上述方法（即土重按浮重度計）考慮，上部水壓力按測壓管水面至下游水面的水頭高度計算其大小，作用于土條底面。當滑動面為多個坡度的折線傾斜面時，可將滑動面上土體折線段劃分為若干條塊，自上而下分別計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：用于驗算陡坡地段路堤沿原地面滑動穩(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土條傳來的不平衡推力對于第1個土條，有通過試算確定Fs，條件是算出最后一個土條的剩余下滑力En接近0式中：WQi——第i個土條的重力與外加豎向荷載之和(kN/m)；

αi—第i個土條底面與水平面的夾角（度）；

ci、φi—第i個土條底的黏聚力（kPa）和內(nèi)摩擦角（度）；

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

當原地面為單一平面時，可簡化為平面滑動法當基底為單一坡面，土體沿直線滑動面整體下滑時，可用直線滑動面法進行邊坡穩(wěn)定性分析?；瑒用嬉陨贤馏w的穩(wěn)定性可按下式計算式中：Q——對于以基底接觸面為滑動面者，等于路堤自重；對于以基底以下軟弱面為滑動面者，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——滑動面對水平面的傾斜角，°；——滑動面上軟弱土體的內(nèi)摩擦角，°；C——滑動面上軟弱土體的黏聚力，kPa；L——滑動面的全長，m。五）抗震穩(wěn)定性驗算

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

按擬靜力法計入地震力，地震力作用于條塊重心。1.路基抗震穩(wěn)定驗算的范圍項目基本地震動峰值高速、一、二級公路三、四級公路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粒土（粉性土、有機質(zhì)土除外）填筑不驗算H>20驗算H>15驗算H>20驗算用粗粒土（極細砂、細砂除外）填筑不驗算H>12驗算H>6驗算H>12驗算浸水用滲水性土填筑不驗算HW>3驗算HW>2驗算水庫地區(qū)HW>3驗算地面橫坡度大于1:3的路基不驗算驗算驗算驗算路塹黏性土、黃土、碎石類土一般不驗算H>20驗算H>15驗算H>20驗算注：H為路基高度（m）；HW為路基浸水常水位的深度（m）。2.基本地震動峰值加速度根據(jù)《中國地震動參數(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)計基本地震動峰值加速度對照表地震基本烈度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且位于基本地震動峰值加速度大于等于0.20g地區(qū)時，需同時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，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)計基本地震動峰值加速度，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公路等級構(gòu)筑物重要程度Ci高速、一級公路抗震重點工程1.7一般工程1.3二級公路抗震重點工程1.3一般工程1.0三級公路抗震重點工程1.0一般工程0.8四級公路抗震重點工程0.8注：抗震重點工程指隧道和破壞后搶修