路基路面工程第4章-路基稳定性分析

关于路基路面工程第4章-路基稳定性分析四、路基稳定性分析1.概述2.直线滑动面的边坡稳定性分析3.曲线滑动面的边坡稳定性分析4.软土地基的路基稳定性分析5.浸水路堤的稳定性分析6.路基边坡抗震稳定性分析第2页,共66页，2024年2月25日，星期天问题：路基稳定性分析是要确定什么？判断路基是否稳定的指标是什么？什么叫行车荷载换算高度？直线滑动面法和圆弧滑动面法各自适应什么情况？直线滑动面法的滑动面如何确定？圆弧滑动面法的滑动面如何确定？第3页,共66页，2024年2月25日，星期天

1.概述

路基边坡滑坍是公路上常见的破坏现象之一。必须对可能比现失稳或已出现失稳的路基进行稳定性分析，保证路基设计既满足稳定性要求，又满足经济性要求。稳定性分析的对象：

水文和地质条件复杂、高填、深挖或特殊需要的路基，进行边坡稳定性分析，由此确定合理的边坡坡度及相应的工程技术措施。第4页,共66页，2024年2月25日，星期天第5页,共66页，2024年2月25日，星期天第6页,共66页，2024年2月25日，星期天1、土体强度破坏2、受水侵蚀3、设计施工不当4、荷载过大5、地震或其它自然因素均由剪切破坏引起。边坡破坏的机理稳定系数

分析失稳土体沿滑动面的下滑力T与抗滑力R的比值K，称为稳定系数。工程上一般规定采用K大于等于1.20-1.25，作为路基边坡稳定性分析的界限值。第7页,共66页，2024年2月25日，星期天

按照失稳土体的滑动面特征，可以归纳为直线、曲线和折线三大类。另外还可以分为工程地质法、力学分析法和图解法。土坡稳定性分析的方法工程地质法根据不同土类及其所处的状态，经过长期生产实践和大量的资料调查，拟定边坡稳定值参考数据，在设计时，将影响边坡稳定的因素作比拟，采用类似条件下的稳定边坡值。第8页,共66页，2024年2月25日，星期天力学分析法1.数解法：假定几个不同的滑动面，按力学平衡原理对每个滑动向进行边坡稳定性分析，从中找出极限滑动面．按此极限滑动面的稳定程度来判断边坡的稳定性。此法较精确，促计算较繁，建议学生自编随机搜索计算机程序进行数值计算。2.图解或表解法：在计算机和图解分析的基础上，制定成图或表，用查图或查表法进行边坡稳定性分析。此法简单，但不如数解法精确。第9页,共66页，2024年2月25日，星期天行车荷载换算高度路基除承受自重作用外，同时还承受行车荷载的作用。在边坡稳定性分析时，需要将车辆按最不利情况排列，并将车辆的设计荷载换算成当量土柱高(即以相等压力的土层厚度采代替荷载)，以h0表示：第10页,共66页，2024年2月25日，星期天1．滑动面形状——与土质有关粘性土——圆柱形、碗形砂性土及砂土——平面2．力学求解问题单一平面问题——静力平衡问题两个破坏面问题——超静定问题多个破坏面问题——多次超静定问题边坡稳定性分析原理a)直线破坏面

b)折线破坏面

C)曲线破坏面

第11页,共66页，2024年2月25日，星期天1.在用力学边坡稳定性分析法进行边坡稳定性分析时，为简化计算．通常都按平面问题来处理。2．松散的砂性土和砾(石)土具有较大的内摩擦角和较小的粘聚力，边坡滑坍时，破裂面近似平面，在边坡稳定性分析时可采用直线破裂面法。3．粘性土具有较大的粘聚力，而内摩擦角较小，破坏时滑动面有时象圆栓形，有时象碗形，通常近似于圆曲面，故可采用圆弧破裂面法。假设第12页,共66页，2024年2月25日，星期天使求解静不定问题变为静定问题，采用以下近似：1.滑动土体沿滑动面整体滑动（刚塑体）,不考虑土体的相对运动（不考虑内应力）；2.土体在滑动面上达到极限平衡，滑动面唯一；3.最不利滑动面，位置通过计算确定；4.滑动面通过坡脚近似第13页,共66页，2024年2月25日，星期天路基稳定性分析的计算参数1.土的计算参数1.对于路堑天然边坡或地基部分，取原状土，测其容重γ，内摩擦角Φ，粘聚力c，根据实际情况采用原位剪切试验、直剪试验或三轴试验。2.对路堤边坡：取与现场压实度一致的压实土试验数据（1）施工期稳定分析：采用cu、Φu（直剪快剪或三轴不排水剪）（2）运营期稳定分析（长期稳定性分析）：采用ccu、Φcu（直剪固结快剪或三轴固结不排水剪）;

第14页,共66页，2024年2月25日，星期天路堤各层填料性质不同时，所采用验算数据可按加权平均法求得第15页,共66页，2024年2月25日，星期天2.边坡稳定性分析边坡的取值边坡稳定性分析时，对于折线形或阶梯形边坡，一般可取平均值，如图1取AB线，图2则取坡脚点和坡顶点的连线。第16页,共66页，2024年2月25日，星期天

2.直线滑动面的边坡稳定性分析直线法适用于砂土和砂性土(合称砂类土)，土的抗力以内摩擦力为主，粘聚力小。边坡破坏时，破裂面近似平面。适用范围第17页,共66页，2024年2月25日，星期天先假定路堤边坡值，然后通过坡脚A点假定3～4个可能的破裂面ωi，如图b，求出相应的稳定系数Ki值得出Ki与ωi的关系曲线，如图c在K=f(ω)关系曲线上找到最小稳定系数值Kmin，及对应的极限破裂面倾斜角ω值。

试算法第18页,共66页，2024年2月25日，星期天当砂类土忽略粘结力c时，有稳定系数如下：若取K=1.25，则其边坡坡角不宜大于其内摩擦角的0.8倍。第19页,共66页，2024年2月25日，星期天解析法按微分方法，当dK/dω=0可求稳定系数K最小时破裂面倾斜角ω0值

。

hΘΦABCa——参数，f——土体内摩擦系数，其他符号意义同前第20页,共66页，2024年2月25日，星期天

3.曲线滑动面的边坡稳定性分析适用于粘性土，土的抗力以粘聚力为主，内摩擦力较小。边坡破坏时，破裂面近似圆柱形。适用于边坡有不同的土层、均质土边坡，部分被淹没、均质土坝，局部发生渗漏、边坡为折线或台阶形的粘性土的路堤与路堑。适用范围假定土为均质和各向同性；滑动面通过坡脚；不考虑土体的内应力分布及各土条之间相互作用力的影响，土条不受侧向力作用，或虽有侧向力，但与滑动圆弧的切线方向平行

条分法第21页,共66页，2024年2月25日，星期天基本原理1）将圆弧滑动面上土体划分为若干竖条2）依次计算每一土条沿滑动面的下滑力和抗滑力3）叠加计算整个土体的稳定性计算精度与分段数有关越大越精确，一般为8～10段。结合横断面特性，划分在边坡或地面坡度变化处以简化计算。第22页,共66页，2024年2月25日，星期天式中：Wi——第i土条重力；

αi——第i土条底滑面的倾角；

Qi———第i土条垂直方向外力；

第23页,共66页，2024年2月25日，星期天计算步骤4）以圆心o为转动圆心，半径R为力臂。计算滑动面上各点对o点的滑动力矩和抗滑力矩。2）计算每个土条重Gi（土重、荷载重）垂直滑动面法向分力1）通过坡脚任意选定可能滑动面AB，半径为R，纵向单位长度，滑动土体分条（5~8）3）计算每一段滑动面抵抗力NitgΦ（内摩擦力）和粘聚力cLi（Li为1小段弧长）5）求稳定系数（简化Bishop法）第24页,共66页，2024年2月25日，星期天确定圆心和半径OA4.5H法假定几个可能的滑动面，计算相应k值，由辅助线求取Kmin第25页,共66页，2024年2月25日，星期天第26页,共66页，2024年2月25日，星期天例题第27页,共66页，2024年2月25日，星期天第28页,共66页，2024年2月25日，星期天第29页,共66页，2024年2月25日，星期天第30页,共66页，2024年2月25日，星期天第31页,共66页，2024年2月25日，星期天第32页,共66页，2024年2月25日，星期天条分法的表解和图解第33页,共66页，2024年2月25日，星期天第34页,共66页，2024年2月25日，星期天第35页,共66页，2024年2月25日，星期天第36页,共66页，2024年2月25日，星期天问题：软土地基的滑动面和一般路基滑动面有什么不同？浸水路堤的受力与一般路堤有什么不同？路基边坡抗震稳定性分析中如何考虑地震影响？第37页,共66页，2024年2月25日，星期天

4.

软土地基稳定性分析软土是天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土，主要有淤泥、淤泥质土及泥炭。分河海沉积、湖泊沉积、江滩沉积和沼泽沉积。软土的抗剪强度低、填土后受压，可能产生侧向滑动或较大沉降，造成路基破坏。软土定义与特性第38页,共66页，2024年2月25日，星期天对软土的定义特征与成因类型，不同的专业技术部门的解释大同小异。如铁路工程设计技术手册《桥梁地基和基础》中，对软土解释为：“软土是指在静水或缓慢的流水环境中沉积，经生物化学作用形成的饱和软弱粘性土。”对软土的主要特征描述为：“天然含水量高（接近或大于液限），孔隙比大（一般大于1.0），压缩性高［a1～2＞5（kPa）-1，或a1～3＞10（kPa）-1］，强度低（快剪的内摩擦角，φ＜5゜凝聚力c＜20kPa），渗透系数小（K＝10－7Cm／S～10-8Cm／S）。”对软土的成因类型描述为：“在沿海地区为滨海相、三角洲相；在内陆平原或山区为湖塘相等”。第39页,共66页，2024年2月25日，星期天人民交通出版社版《铁路工程地质手册》中，对软土的特征解释为：“软土含有大量亲水的胶体颗粒，具有海绵状结构，因此其孔隙比大、含水量高、透水性小、抗剪强度低、压缩性大。”

第40页,共66页，2024年2月25日，星期天中国建筑工业出版社版《工程地质手册》对软土的解释为：“软土是指天然含水量大、压缩性高、承载能力低的一种软塑到流塑状态的粘性土，如淤泥、淤泥质土以及其它高压缩性饱和粘性土、粉土等。”对淤泥和淤泥质土及其特征解释为：“淤泥和淤泥质土是指在静水或缓慢的流水环境中沉积，经生物化学作用形成的粘性土。这种粘性土含有机质，天然含水量大于液限（ω＞ωL）。当天然孔隙比e大于1.5时，称为淤泥；天然孔隙比e小于1.5而大于1.0时，称为淤泥质土。当上的烧灼量大于5％时，称有机质上；大于60％时，称泥炭。”对软土按沉积环境分为下列类型：（1）滨海沉积——滨海相、泻湖相、溺谷相及三角洲相；（2）湖泊沉积——湖相、三角洲相；（3）河滩沉积——河漫滩相、牛轭湖相；（4）沼泽沉积——沼泽相。

第41页,共66页，2024年2月25日，星期天《港口工程技术规范》（JTJ219-87）中定义，塑性指数大于3的土称为粘土，其中：第四纪晚更新世Q3及其以前形成的粘性上称为老粘土；第四纪全新世Q4形成的粘土称为一般粘土；近代水下沉积形成的天然含水量大于液限、天然孔隙比大于1.0而小于1.5的亚粘土、粘土分别称为淤泥质亚粘土、淤泥质粘土；近代水下沉积形成的天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1.5的亚粘土、粘土都称为淤泥。以往港工、建工部门则把上述淤泥、淤泥质土以及天然强度低、压缩性高、透水性小的一般粘性土统称为软土或软粘土第42页,共66页，2024年2月25日，星期天《岩土工程勘察规范》中规定：天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的细粒土应判定为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭土等，其压缩系数大于0.5Mpa-1，不排水抗剪强度小于30kPa。第43页,共66页，2024年2月25日，星期天可见国内铁路、港口、建筑部门对软土的定义都不尽相同，其实国内外对软土均无统一定义。有的把软土视为软粘土的简称，有的把软土视为整个软弱土质（高压缩性的有机上、可液化的砂土、软粘土等）的简称，有的则把软土视为软弱土基的简称。无论软土还是软土地基，它的软硬都是相对的，软硬不但对土质而且对工程而言也是相对的。软硬应与土质、工程性质两者相关。设计者不要拘泥于它们的定义，只要路堤或其它荷载在土基上有可能出现有害、过大的变形与强度不足的问题，都应认真进行沉降、稳定验算。凡不满足设计控制指标时，均应进行处治设计，决不能只凭土名来确定是否需要处治。第44页,共66页，2024年2月25日，星期天第45页,共66页，2024年2月25日，星期天第46页,共66页，2024年2月25日，星期天指天然地基状态下，不采取任何加固措施，所容许的填土高度。超过该高度，必须采取加固措施。确定方法：均质薄层软土地基可以试算法查图确定。当软土地基厚度很大时，按近似公式进行计算。临界高度第47页,共66页，2024年2月25日，星期天软土地基的滑动圆弧不一定通过坡脚，可能在坡脚之外。软土地基稳定性计算方法根据计算过程中参数选择不同，可分为总应力法、有效固结应力法、有效应力法。第48页,共66页，2024年2月25日，星期天

5.

浸水路堤的稳定性分析浸水路堤：受到季节性或长期浸水的沿河路堤、河滩路堤等均称浸水路堤。河滩路堤除承受普通路堤所承受的外力及自重力外，还要承受浮力及渗透动水压力的作用。浸水路堤特点第49页,共66页，2024年2月25日，星期天沿河路基是指公路走向与河流基本平行，且受设计水位浸淹的路基;河滩路堤是指公路走向与河流基本垂直，且横跨河滩的路堤。池塘路堤一般只是受静水浸泡，水位涨落缓慢，除填料抗剪强度因浸水有所降低外，受其他因素如流速、动水压力等的影响甚微。沿河及河滩路基则不同，除受水浸淹使土体抗剪强度降低外，还受水流的冲刷和水位涨落时路基内形成的渗透动水压力以及管涌等因素的影响.第50页,共66页，2024年2月25日，星期天一、河滩及沿河路基的特点及设计要求(一)特点1.填方边坡和坡脚容易受到水流的冲刷和淘刷.2.有时远会遇到软弱的地基，处理不当，则会造成路基沉陷.3.路堤填料受水浸后强度下降。4.水位骤然降落，使路堤受到附加的渗透动水压力,以致降低了路堤边坡的稳定性。第51页,共66页，2024年2月25日，星期天(二)设计要求1.按就地取材的原则，尽可能选用水稳性能较好的填料。2.根据填料性质、水位变化情况和其它不利条件，合理设计路基断面，保证填方边坡的稳定。3.针对水流的冲刷情况，选用适当的防护措施，以防边坡冲毁。4.遇有基底土质不良时，应考虑采取加固措施，或改用其它方案通过(如延长桥梁或修建校桥等)。5.当路堤上下游两侧水位相差悬殊时，应按土坝要求进行设计。第52页,共66页，2024年2月25日，星期天(二)填料选择河滩路堤的填料，应按就地取材的原则和路堤浸水的条件选择。路堤的浸水部分或受水位涨落影响的部分，宜尽可能选用渗水性较好的材料，如具有天然级配的砂砾，卵石、粗、中砂，石质坚硬不易风化的片、碎石等。这类材料，浸水后强度变化不大，当堤外水位变化时，堤身内的水可以自由渗出，不致产生渗透压力而影响边坡稳定。若就近无渗水性材料时，也可用粘性土填筑，但最好用粘土。粘土的透水性小，堤外水位变化对路堤内部的影响较小.采用来粘性土作填料时，应严格控制填土在最佳含水量时的压实，压实度要求达到0.90-0.95第53页,共66页，2024年2月25日，星期天路堤边坡河滩路堤不受水流影响的填土部分，其边坡的坡度与一般路堤的边坡相同。河滩路基浸水部分的边坡，除了考虑土体自重和行车荷载的作用外，还要考虑水的浮力和渗透动水压力的不利影响。应通过稳定性验算确定其坡度，一般可较普通边坡放缓一级。第54页,共66页，2024年2月25日，星期天管涌现象的防治(一)管涌现象河滩路堤两侧水位差过大，会使路堤土体内及基底土内产生渗透现象，当渗透水流足以使土粒移动时，就有一部分土粒被水流带走，这种冲移现象逐渐扩大，就产生管涌现象。管涌发展的结果将导致路堤明塌破坏。管涌现象与渗透水流的比降、士的颗粒组成及其不均匀系数有关。图2-1-4的曲线可用以判断土在某一水力坡降下是否会发生管涌。从图中可以看出土的不均匀系数字越大，管涌现象就愈容易发生；图中曲线的下方是不会发生管涌的安全区域，曲线的上方是发生管涌的破坏区域。第55页,共66页，2024年2月25日，星期天第56页,共66页，2024年2月25日，星期天(二)管涌防治措施1.放缓下游一侧边坡，以延长渗水流的通路，减小水流坡降，因而可以保持边坡土粒的稳定;或在下游边坡的水下部分设滤水趾，并设反滤层，可以防止路堤中的细小颗粒被渗透水流带走，如图所示。第57页,共66页，2024年2月25日，星期天第58页,共66页，2024年2月25日，星期天2.若路堤土体渗透性小，而基底土层的渗透性大，则渗透水流就会通过基底土层渗出，也可能产生管涌现象。在路堤下游坡脚以外的基底土层上，铺设滤水护坦或在上游铺设粘土隔渗层及在坡脚或基底下设置隔渗墙、止水水幕等，都可以延长渗透水流的通路，降低渗透水头的压力。第59页,共66页，2024年2月25日，星期天浸水路堤的稳定性按最不利的情况分析：最高洪水位骤然降落时；几乎不透水的粘土路堤，水位涨落对土体内部影响较小，可不考虑动水压力；透水性较强的土填筑，虽可发生横穿路堤的渗透，但其作用力一般较小；若路堤采用不透水材料填筑，则不会发生横穿渗透现象，故也可不计算；当路堤用普通土填筑，浸水后土体内产生动水压力。

动水压力的考虑第60页,共66页，2024