邊坡穩(wěn)定性的設計

邊坡穩(wěn)定性的設計第1頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四內(nèi)容提要本章介紹路基滑動穩(wěn)定性的分析原理與驗算方法。學習要求：了解路基穩(wěn)定性分析的基本方法明確路基穩(wěn)定性分析的計算參數(shù)的確定原則掌握路基穩(wěn)定性驗算方法及其應用能正確選用路基失穩(wěn)的防治措施第2頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四基本內(nèi)容§4－1邊坡穩(wěn)定性分析原理與方法§4－2陡邊路堤穩(wěn)定性§4－3浸水路堤穩(wěn)定性第3頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四重點：1.

土參數(shù)的取值2.

危險滑動面的初步判定3.

邊坡穩(wěn)定性分析方法的適用條件4.

浸水路堤邊坡穩(wěn)定性的受力分析難點：1.

邊坡穩(wěn)定性分析的原理2.

邊坡穩(wěn)定性分析的簡化問題基本概念：1.

直線法2.

園弧法3.

動水壓力法

第4頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四§4－1邊坡穩(wěn)定性分析原理與方法一．邊坡失穩(wěn)時滑動體的形狀滑動面的形狀與土質(zhì)有關(guān)。單面狀－－松散的砂性土及砂土（大，c?。﹫@柱狀（碗狀）－－粘性土（c大，小）第5頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四滑動面的受力分析對于平面問題的靜力平衡條件：力的三要素：大小、作用點、方向?qū)τ谝粋€破壞面，是靜定問題即力的未知數(shù)是三個，靜力平衡條件三個。對于兩個或多個破裂面，是超靜定問題，力的未知數(shù)多于靜力平衡條件。第6頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四一個破裂面時：切向力的方向已知，作用點已知，大小未知；法向力的方向已知，大小和作用點未知；即未知數(shù)為三個。按靜力學，可建立三個平衡方程：法向力之和為零；切向力之和為零及對任一點的力矩之和為零。第7頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四對于兩個破裂面的問題：有五個未知量：兩個法向力的大小和作用點，安全系數(shù)；只能建立三個平衡方程。為一超靜定問題。第8頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四二．邊坡穩(wěn)定原理：極限平衡理論基本假設：1）不考慮滑動土體本身的內(nèi)應力分布即滑動土體為剛體2）平衡只在滑動面上達到，達極限時滑動面上的3）最危險的滑動面位置，通過試算來確定極限平衡法，近似地把下滑的土體視作本身無變形的剛體，求算下滑體沿剪切面的下滑力同剪切面上材料的抗剪強度達到平衡時的安全系數(shù)，剪切面可以是已知，也可以是未知的。對于后者，可采用假設幾個剪切面的辦法，分別求算各自的安全系數(shù)，選用其中最小的一個作為其實有的安全系數(shù)。求算安全系數(shù)時，是使材料的強度逐漸降低到開始失穩(wěn)為止，強度下降的倍數(shù)即為安全系數(shù)（具有材料強度儲備系數(shù)的概念）。缺點：不能分析下滑體的中的真實內(nèi)力和反力，不能得到其中的應力和變形。只有一個安全系數(shù)。1．

第9頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四三．邊坡穩(wěn)定分析時的簡化1．

形狀簡化平面狀→直線園柱狀（碗狀）→圓曲面（投影）→園?。ㄍǔ？紤]通過坡腳）2．力的簡化：超靜定→靜定（如圖）第10頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四對于分析圓弧形或非圓弧形破壞面上的土體平衡問題的一個有用的方法是條分法。破壞面上的土體劃分為n個土條。取第I條為隔離體，則作用在此條上的力如圖。一個土條可以列出三個平衡方程，n個土條可列出3n個平衡方程。未知量為安全系數(shù)F（1個），作用在土條底面的法向力N（n個），作用在土條側(cè)面的切向力V（n－1個），作用在土條側(cè)面的法向力E（n－1個）及其作用點的豎向位置h（n－1個），總計（4n－2個）。第11頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四（2）根據(jù)不同簡化方法：Fellenius法：假設破壞面為圓弧，將圓弧面上的滑動土體劃分為n個豎向土條，不考慮作用在土條兩側(cè)的作用力(不記Vi,Ei)。計算得到的安全系數(shù)偏?。ㄆ诎踩?；計算的誤差約為10~20%。第12頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四Bishop法將土條間的作用力簡化為水平推力Ei，而不考慮其作用點的位置和豎向剪力Vi的影響。(不記Vi)，第13頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四Janbu(條塊間作用力的位置)，Spencer（假設條塊間的力量平行的），傳遞參數(shù)法（把Vi和Ei合力看成平行于上側(cè)土條的切線方向）。隨計算機的發(fā)展，出現(xiàn)有限元法，概率法第14頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四四．滑動面形狀和位置的初步判定

1．土的類別

2．基底的情況

3．邊坡有無夾層

4．地面的橫坡

5．施工時的方法第15頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四五．邊坡穩(wěn)定分析時的參數(shù)1、土工計算參數(shù)邊坡穩(wěn)定分析的計算參數(shù)－－滑動土體的容重r、滑動面上的抗剪強度參數(shù)內(nèi)聚力c和內(nèi)摩阻角φ。參數(shù)的選取原則：進行土的物理力學性質(zhì)指標時，取樣、試驗條件和方法應盡可能同路基的實際工作情況相一致。對挖方路基和天然坡體，應考慮最不利的濕度狀況和受力狀態(tài)等因素，取原狀土樣試驗數(shù)據(jù)。填方路基，則取壓實土樣（按規(guī)定壓實要求制備）試驗的數(shù)據(jù)。多層土體－－精確法：分塊分條計算采用近似法：加權(quán)平均值（以層的厚度為權(quán)重）第16頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四抗剪強度參數(shù)測定方法野外試驗（如標準貫入試驗）－－抗剪強度的間接方法，需要通過試驗在測定結(jié)果同強度參數(shù)之間建立一定的相關(guān)關(guān)系，而后利用所建立的關(guān)系，將測定結(jié)果轉(zhuǎn)換為強度參數(shù)值。室內(nèi)試驗－－直剪試驗（快剪、固結(jié)快剪、慢剪）、三軸試驗（不固結(jié)不排水、固結(jié)不排水、固結(jié)排水）和無側(cè)限壓縮試驗確定。第17頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四總應力與有效應力分析總應力分析法（不考慮孔隙水壓力）依據(jù)不排水抗剪強度進行分析有效應力分析法（考慮孔隙水壓力）依據(jù)排水剪切強度進行分析第18頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四對于由水飽和細粒土填筑或在水飽和地基上修筑的路堤邊坡，較危險的是短期穩(wěn)定性，應選用總應力法分析，因孔隙水壓力由于加載而增加，并隨時間而下降（或有效應力隨時間而增長）對于水飽和的挖方邊坡，較危險的是長期穩(wěn)定性，宜選用有效應力法分析，因孔隙水壓力由于卸載而減小，并隨時間而增加（或有效應力隨時間而減少）。對于破壞面部分通過透水的土層，部分通過不透水的土層，一部分破壞面采用有效應力分析，選用相應的孔隙水壓力，而另一部分破壞面采用總應力分析，選用選用的總應力分析。第19頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第20頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四有效應力分析：慢剪、固結(jié)排水剪試驗可獲得有效抗剪強度指標，進行有效應力分析－用于長期的穩(wěn)定分析。不固結(jié)不排水剪指標、固結(jié)不排水剪指標通常用于確定施工期間或期末的穩(wěn)定分析采用總應力法進行分析時（直剪試驗指標）：對正常使用情況進行穩(wěn)定性分析采用固結(jié)快剪對于分析路基施工期的穩(wěn)定性時宜采用快剪試驗，但還要參照填土速度同固結(jié)速率的關(guān)系對于處于正常固結(jié)狀態(tài)的天然坡體，宜采用固結(jié)快剪強度指標。對于陡坡路堤的穩(wěn)定分析，選取填土與地基土的參數(shù)中較低的一組。第21頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四

2、邊坡穩(wěn)定性分析邊坡的取值近似法:對折線式邊坡,取平均坡度值對階形邊坡,將坡腳和坡頂連接起來精確法:在邊坡改變處分段

3、汽車菏載當量換算①

公路橋涵的方法將車輛按最不利情況排列，并將車輛的設計荷載換算成當量土柱高（以相等壓力的土層厚度來代替荷載）。橫向荷載：汽車離路基邊緣0.5m；掛車離路基邊緣1.0m；縱向：重車

L-前后軸的總距,查規(guī)范,手冊；B=Nb+(N-1)d,其中b,d查表

N-橫向車輛數(shù)；Q-每一輛車的重力；②均布菏載法:查規(guī)范,手冊q；h0=q/rh0厚的當量土層分布在整個路基寬度上第22頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第23頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四六、路基邊坡穩(wěn)定性驗算路基穩(wěn)定性驗算的目的：為可能的破壞面確定其安全系數(shù)，判斷路基坡體是否穩(wěn)定和是否要采取相應措施。穩(wěn)定性驗算的步驟：選擇可能破壞面的形狀和位置選擇合適的分析方法將破壞面上的土體劃分為若干土條計算作用在土條上的各項力選擇抗剪強度參數(shù)的試驗方法，由試驗確定參數(shù)值計算破壞面上土體的安全系數(shù)分別為幾個可能破壞面進行驗算后確定最危險破壞面的安全系數(shù)值，并同要求的安全系數(shù)值進行比較，以判斷路基的穩(wěn)定性。第24頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四直線法直線法適用于：砂土和砂性土等的路堤，路塹（土的抗力為內(nèi)摩擦力為主，粘結(jié)力甚?。┯薪浦本€的軟弱夾層的路堤，路塹單坡的陡坡上的路堤數(shù)學表達式：

第25頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第26頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第27頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四

1.

試算法計算步驟：

1)先假設幾個破裂面,求其對應的Ki

2)

畫圖Wi-Ki的曲線圖，

3)在K=f（W)關(guān)系曲線上（圖中）確定最小Kmin及對應的極限破裂面傾角W值。

4)判定Kmin≥[Ko]=1.25～1.5第28頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四2.解析法計算步驟：1)求重力G與破裂角W的關(guān)系G=F(W)2)求安全系數(shù)K與破裂角W的解析表達式K=f（W）第29頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四3)對K=f（W）求導4)令dk/dw＝0，求得最危險的破裂角w0和Kmin第30頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四

園弧法適用條件:粘性土的路堤,路塹數(shù)學表達式：第31頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四步驟

1.按比例作路基橫斷面圖

2.確定園心的大致位置和園弧的形狀(坡腳,坡面,坡腳以外)

確定園心輔助線的方法：

1)4.5H法

a)由坡腳向下引豎線，截取高度為H+h0（及邊坡高度和荷載換算土層高度）或邊坡高度H得到F點

b)自F點向右引水平線，在水平線上截取4.5H，得M點

c)連接坡頂和坡腳SE，得到斜度i0=1/m，據(jù)此查表得到β1，β2，由坡角E引與SE成β1的直線與由坡頂S引與SE成β2的直線相交于I點

d)連接M與I點則為園心輔助線。

2)36°法－－在由荷載換算土柱高頂點（或坡頂頂點）作與水平線成36°角的線，即為園心輔助線。（對于邊坡不陡于1:1適用）

適用于邊坡坡頂水平，破裂面通過坡腳情況。第32頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四圓弧形狀：坡腳園（或坡面）－－適用于土質(zhì)均勻的路基坡腳以外園－－適用于軟土地基上的路基軟土地基上的路堤的最危險滑動面圓心位置，大致在圖中的EFDC范圍內(nèi)。CD及EF為通過邊坡中點M及坡腳A的豎向線。第33頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第34頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第35頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第36頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四

3.根據(jù)情況分段注意滑動面的形狀和土質(zhì)變化處作為條塊的界限，土條寬度為2~4m。通常分為10條左右。

4.計算分段的Gi,Ti,αi,和K1

土條的自重可按面積與容重求得，同時考慮荷載大小。

5.重復2～4,得出K2.....,作圖求出最小的Kmin6.Kmin≥[Ko]=1.25～1.5？

第37頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第38頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四§4-2陡坡路堤穩(wěn)定性驗算驗算前提:1)地面橫坡陡于1:2.5（特殊時橫坡陡于1:2）時的路堤

2)路堤下有滑動趨勢的地基陡坡路堤的滑動的形式：1)基底為巖層或穩(wěn)定山坡，因地面橫坡大，路堤整體沿與基底的接觸面產(chǎn)生滑動2)路堤隨同基底覆蓋層傾斜基巖滑動3)路堤連同下臥軟弱土層沿某一圓弧滑動面滑動4)路堤連同其下的巖層某以最弱的層面滑動第39頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第40頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四陡坡路堤穩(wěn)定性分析基本假設：（采用傳遞系數(shù)法）1）不考慮滑動體本身的內(nèi)應力分布即滑動土體為剛體2）平衡只在滑動面上達到，達極限時滑動面上的3)假定土條間的推力（土條間的豎向力Vi和水平力Ei合力）的作用方向平行于上側(cè)土條滑動面的切線方向。第41頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四土條的受力分析及計算第42頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四步驟:1.滑動面為單坡面時,計算過程同前直線法,但危險滑動面已確定

2.非單坡時:①根據(jù)橫坡分塊從上往下分②

自上往下,計算每塊的Ei直到最后一塊En③

根據(jù)En的正負判定是否穩(wěn)定

En＞0時不穩(wěn)定

En≤0時穩(wěn)定

3.注意：當中間某塊Ei<0時,此時應取Ei=0,再往下計算第43頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第44頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四第45頁，共53頁，2023年，2月20日，星期四§4-3浸水路堤穩(wěn)定性驗算

浸水路堤－－受季節(jié)性或長期浸水的河灘路堤、沿河路堤和橋頭引道等，其路堤下部每年遭受短期或長期淹沒。一、浸水路堤的特點:1.浸水后土體強度下降(c,φ↓)2.水浮力的作用：穩(wěn)定性下降

3.水位下降時，產(chǎn)生由內(nèi)向堤外的滲透時,出現(xiàn)動水壓力,穩(wěn)定性下降

4.水位上升時，產(chǎn)生由外向堤內(nèi)的滲透時,出現(xiàn)動水壓力,穩(wěn)定性增加第4