《F6路基稳定性分析》PPT课件.ppt

第 六 章,路基稳定性分析 Analyse the stablization of subgrade,一、须做路基稳定性分析的路基类型：,1、高路堤（陡坡路堤）；2、深路堑；3、浸水路基；4、软基上路堤,二、方法：,1、工程地质类比法；,2、力学验算法：,1）极限平衡法（安全系数法）-条分法（简单条分法、毕肖普法、传递系数法）,2）数值分析法（FEM,BEM,）,6.1 基本分析方法,一、工程地质类比法：,参照当地已有的类似工程地质条件而处于极限状态稳定的自然山坡和稳定的人工边坡来判定路基的设计断面是否稳定。如路基挖方边坡的坡度常用这种方法定。因为影响挖方边坡稳定的因素很多，难以进行理论分析。,在分析岩石挖方边坡的稳定性时，应注意岩体中结构面（地质界面）的情况与结构面的延展性、规模、形状和密集程度、充填与胶结情况、产状和组合等有关，最关键的还是结构面与边坡面的关系。当结构面的走向与路线夹角40时，且摩擦角m 坡角，又有地下水浸湿时很易产生顺层滑坍，可通过调查分析进行力学验算来判定其稳定性。当结构面走向同路线的夹角较大或背离路线时，可按岩石的种类和风化程度查表5-6定边坡。,二、力学验算法：极限平衡法（常用方法）,1.将岩土看成本身无变形的塑性材料；,2.破坏面上的剪应力等于下滑力与岩土体所能提供的抗滑力之比：,安全系数：,抗剪强度：,根据条块侧面的边界条件简化，将条分法分为：,1.简单条分法：,2.毕肖普法（Bishop)：,3.传递系数法：,6.2 条分法的解,路基是一线型结构物，常沿路纵向截取1m进行稳定性分析，且不考虑前后两竖直截面上的力（偏于安全），把路基作为平面问题来研究。,条分法是将滑动体用n-1个竖直面分为 n个条块。作用在任取条块上的力有：,1.已知的竖向力Wi（重力、车辆荷载）和水平力Qi（地震力）;,2.未知的条间力Fi（Ti、Ei）及滑动底面反力（Si、Ni）,假定各条块取同一安全系数Ks（即假设各条块一起滑动）。,由极限平衡条件：,Ci、f i为条块滑动底面处岩土的粘聚力和摩擦系数，f i = tgi,l i 为条块滑动底面的长度。,每一条块有3个独立静力平衡条件共3n个，而未知量有一个安全系数K，n个底面法向力N i，（n-1）个条间切向力T i 和条间法向力E i及其作用位置，共（4n-2）个未知量。因此存在（n-2）次超静定。,所以，若不考虑岩土的应力应变关系，则必须对条间力作些假设或另加条件，才能解答。,一、简单条分法：Fellenius法（瑞典法）,考虑滑动面为一圆弧面，且不计条间力的作用。,由各条块同时达到极限平衡假设。,考虑M。= 0 , SiR=Wi Xi+Qi Zi,一般情况下，Qi与Wi相比很小，或Zi与Yi相差不大，则Qi Zi/R近似用Qicosi代替。,此法因为未考虑条间力，故算出的Ks偏小。偏低可达10%20%，过于保守，但计算简单，故广泛采用，不过仅适用于园弧滑动面情况。,考虑条间力简化为一水平推力Ei，而忽略Ti影响，其误差仅为27%.此时：,因为坡体处于平衡状态，Ei =0，,二、毕肖普法（Bishop法）：,根据Y=0，,上式推导不受滑动面形状的限制。适用于任何滑动面。,当为圆弧滑动面时，将Ni代入简单条分法，则,三、传递系数法（推力传递法）：,设条间力Fi的作用方向为上侧条块滑动面的方向。即Ti/Ei=tgi，称为滑动面方向推力法。,由平衡方程,由于安全系数中含有mi，而mi有包含Ks，只能用试算法（叠代法）求解Ks。一般情况下，收敛很快。,称i-1为传递系数。,求算时，先定一个Ks，用上式从上而下计算其剩余下滑力。若算得某一块剩余下滑力为负时，则不列入下一块的计算，如算得最后一块剩余下滑力Fn0须重新设Ks，如Fn0，Ks减小；如Fn0，Ks增大；直到Fn=0为止，此时Ks值则为所求安全系数。,这种方法常用于折线滑动面情况的稳定性验算，验算时，可不必求Ks，只须按所规定Ks求Fn。当Fn0时，认为是稳定的；反之，Fn0则不稳定，可采取支挡措施（将下滑力作为推力）。,当滑动面为直线时，i=i-1=，则 i-1=0 ，,将条块的F i - F i-1相加，且设Fn=0,此外，还有一些其它方法如扬布法、分块极限平衡法、最危险滑弧圆心位置确定法（4.5H法，36法）等。,6.3 稳定性验算,稳定性验算基本程序如下：,1.根据路基可能出现的滑动面形状，选择分析方法；,2.进行适当的条块划分；,4.选取抗剪强度指标，求Ks;,3.按不同的荷载组合计算条块自重及其他已知力（Qi )；,5.将每种荷载组合下的Ks（取最小值）与容许Ks比较，判定是否稳定。,一、荷载组合：常考虑三种荷载组合,1.主要组合：重力、汽车荷载、常水位时的浮力。,2.附加组合：将主要组合中的汽车荷载该为平板挂车或履带车。或考虑最不利水位时浮力和渗流力。,3.地震组合：重力、地震力及常水位条件下的浮力。在地震基本烈度为8度以上地区需进行抗震验算。,路基失稳时，滑动面的形状和位置同路基外形、岩土性质和地层情况等有关。,1.粘性差（透水砂、碎石组成）的土构成的坡体：滑坍时破坏面接近于平面，用直线滑动面法验算。,土质均匀的路基边坡破坏时，滑动面常过坡脚或变坡点，通常都假设几个可能滑动面，求得Ks最小的滑动面为最危险滑动面。大量计算表明，最危险滑动面的圆心是在一条辅助线附近，此辅助线位置可用4.5H法定。其中1、2辅助角可见表6-1，当边坡不陡于1：1时，可用36法定。这两种方法均适用于边坡坡顶水平、滑动圆弧过边坡坡脚的情况。,2.有一定粘性的土构成的坡体：滑坍时破坏面接近于曲面，用圆弧滑动面法验算。（简单条分法、Bishop法）,二、滑动面的形状和位置：,36法:较4.5H法简单，但精度不如4.5H法。,4.5H法：过A向下作垂直AC=H，过C作水平线CD=4.5H，过A作一线AO与AB夹1角，过B作OB与水平线夹角2，交于O点，连OD作延长线，在其上取O1、O2、O3点，求K1、K2、K3，取小值。,3.软土地基上的路堤：当hH，滑动面下限切于软土底层。(h为软土层高）,当hH，滑动面深度为11.5H。,4.斜坡（陡坡）路堤：这类滑移面多为直线或折线形或曲线组合型。,当堤高超过极限高度时，堤身常和地基一起滑动，滑动面形状多为圆弧形。,三、条块的划分和自重计算：,保证：C i ，i 值同一条块是定值，对圆弧面：取宽2-6m，块数n取10左右。,划分原则：1）土层条件有变化时；2）填料有分层时；3）滑移面坡度有变化时。,自重：由面积乘土的容积而得，当由几层土组成时，应分层计算，然后叠加。,在作稳定性验算时，应将车辆荷载按最不利情况排列，并换算为相当的土层厚度h0。再计入条块面积内一起计算重力。,四、车辆荷载换算：,土柱高:,n为车道数，G为重车重（KN），B为车辆荷载的横向分布宽度，L为车辆荷载纵向分布长度，为填料容重（KN/m3)。,B=nb+(n-1)d+e,b为车两侧轮中距1.8m，d为1.3m，e为轮胎着地宽度（0.5，0.6，0.7）,汽10：G=150KN，L=4.2m； 汽15：G=200KN，L=4.2m； 汽20：G=300KN，L=5.6m； 汽超20：G=550KN，L=13m。,换算得到的土柱荷载（高h.0)可按宽度布置在道路行车部分范围内；也可分布在整个路基宽度上。定最危险滑移面圆心位置时，可将换算土柱荷载顶端作为边坡顶处理，h0计入边坡高度内。,浸水土体会受到浮力（静水压力）和渗流力（动水压力）的作用，使材料抗剪强度下降。只要将浸水部分采用浮容重计算土的自重即可。,五、浮力和渗流力的考虑：,浮容重：=m-w =d-(1-n)w m为饱和容重；w为水容重；d为干容重；n为孔隙率。,当边坡内有水位差时，就会发生渗流力现象，则有动水压力，若坡外水位较坡内低，渗流力指向坡体外，则降低坡体的稳定性。要考虑。,D = Am I I为水力坡降，A为滑动体面积。,对于透水材料（砂、石，I=0 ）或几乎不透水材料筑成的路堤，均可不计渗流力。,考虑渗流力时：,六、地震力的计算：分水平和竖向,竖向震动时对路基危害比水平震动小得多，可忽略不计。,水平震动力：Q=CiCzKhW,Ci为重要性系数，Cz为综合系数0.25；Kh水平地震系数（0.1，0.2，0.4）；W为重力。,七、土工参数的选取：,由试验或经验确定；,在使用过程中或在施工过程中，路基出现失稳征兆时，应采取整治措施。,1.清方、减重或反压。,2.排水和防护：拦截、疏干、排除滑动区域内外的地面、地下水。,八、容许安全系数：,一般在1.01.5之间