（道路与铁道工程专业论文）斜坡软弱土地基路堤稳定特性分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 斜坡软弱土地基是指表面或底部呈倾斜状的软弱土地基。在潮湿多雨的山 区，由于具备地形起伏和雨水丰沛等自然环境条件，大量存在斜坡软弱土地基 这种有着其独特成因及工程特性的地基型式。随着山区铁路和公路的大规模建 设，在斜坡软土地基上填筑路堤变得十分普遍和重要，处理不好将严重影响工 程的质量和进展。全面掌握斜坡软弱土地基路堤的稳定性与变形问题是提高山 区工程建设质量，完善路基工程建造技术的重要基础。为此，本文主要从斜坡 软弱土地基路堤的稳定性和变形特性两个方面做了以下的研究： 1 ) 软基路堤稳定分析的方法有很多种，本文采用瑞典条分法、毕肖普法和 简布法研究了不同地层坡度m 、不同软土层厚度d 、不同路堤高度h 以及不同软 土层强度参数( c 、由) 等对斜坡软弱土地基路堤最小安全系数的影响以及最危险 滑面的形状、位置分布状况，得出了斜坡软弱土地基路堤稳定性评价的判别标 准，分析了影响斜坡软弱土地基路堤稳定的参数敏感性。 2 ) 传统的地基稳定分析方法在进行地基稳定性评价时，多以地基处于极限 状态下的材料与结构强度分析为主，较少考虑变形控制方面的问题。本文在斜 坡软弱土地基基本特性平面有限元计算的基础上，对斜坡软弱土地基的地层坡 度、软土层厚度、路堤高度以及软土层强度与变形系数以及相应的位移、应力、 应变等力学响应的相互关系进行了分析，并将变形系数引入了地基稳定性的评 价，其对传统的安全系数法是一种有益的补充，更加完善了地基稳定性的评价。 安全系数法是目前采用的评价地基稳定性的主要评价标准，由于其主要以 地基抗剪强度因素为主进行分析评价，并未较好地考虑地基变形特性对地基稳 定性的影响。尤其是当地基的变形对上部构筑物或建筑物的影响较大，或上部 建筑物或构筑物对地基的变形要求较高时，地基仅满足基于强度的安全系数要 求是不够的，还应考虑地基的变形影响。因此，在斜坡软弱土地基稳定性的评 价标准中，需在传统安全系数的基础上，引入变形因素的评价。 关键词：斜坡软弱土地基路堤，稳定分析，安全系数，变形系数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t s l o p es o f t s o i lf o u n d a t i o ni sak i n do fi n c l i n e ds o f t s o i lf o u n d a t i o no nt h es u r f a c eo rb o t t o m s u r f a c e s l o p es o f t - s o i lf o u n d a t i o nr i c hi nt h ed a m pr a i n ym o u n t a i na r e a b e c a m s eo fn a t u r a l c o n d i t i o n ss u c ha st o p o g r a p h i cr e l i e fa n dp l e n t i f u lr a i n f a l l w i t ht h el a r g es c a l ec o n s t r u c t i o no f r o a da n dr a i l w a yi nt h ed a m pr a i n ym o u n t a i na r e a ，s u b g r a d eo nt h es l o p es o f t - s o i lf o u n d a t i o n b e c o m e sg e n e r a la n di m p o r t a n t b a dt r e a t m e n tw i l ls e r i o u s l ya f f e c te n g i n e e r i n gq u a l i t ya n d p r o g r e s s i no r d e rt or a i s ee n g i n e e r i n gq u a l i t ya n di m p r o v es u b g r a d ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s ，t h e b a s i si st oc o m p r e h e n s i v e l ym a s t e rs t a b i l i t ya n dd e f o r m a t i o np r o b l e m so fs u b g r a d eo ns l o p e s o f t s o i l f o u n d a t i o n t h e r e f o r e ，t h i st e x tm a i n l ys t u d i e so nt h es t a b i l i t ya n dd e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sc o v e r i n gt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 ) t h e r ea r em a n ym e t h o d sa n a l y z i n go ns t a b i l i t yo fs o f t s o i lf o u n d a t i o n 1 1 1 i st e x tu s i n g s w e d e na r cm e t h o d ，s w e d i s hs l i c em e t h o da n db i s h o pm e t h o ds t u d i e so nm i n i m u m s a f e t yf a c t o r a n dt h es h a p ea n dp o s i t i o no fm o s td a n g e r o u ss l i d i n gs u r f a c ew i t hv a r i o u sf o r m a t i o ns l o p em ， d i f f e r e n ts o f t - s o i lt h i c k n e s sd ，d i f f e r e n te m b a n k m e n th e i g h th ，a n dd i f f e r e n ts o f t s o i l s t r e n g t hp a r a m e t e r ( c ，矽) b a s e do nt h ea b o v es t u d yr e s u l t s ，t h i st e x to b t a i n sp a r a m e t e r s e n s i t i v i t ya n a l y s i sa n di d e n t i f i c a t i o ns t a n d a r de v a l u a t i n gs t a b i l i t yo fs l o p es o f t s o i lf o u n d a t i o n s u b g r a d e 2 ) t r a d i t i o n a ls t a b i l i t ya n a l y s i so ff o u n d a t i o nm o s t l yu s em a t e r i a la n ds t r u c t u r a ls t r e n g t ho f s u b g r a d eu n d e rl i m i ts t a t e h a r d l yc o n s i d e r i n gd e f o r m a t i o nc o n t r o l l i n gp r o b l e m t 1 1 i st e x tb a s e s o nt h e p l a n ef i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o no nb a s i cp r o p e r t i e so fs l o p e s o f t s o i lf o u n d a t i o n , a n a l y z i n gr e l a t i o n s h i p s o ff o r m a t i o ns l o p e ，s o f t - s o i lt h i c k n e s s ，e m b a n k m e n th e i g h t ，a n d f o r m a t i o ns t r e n g t hw i t hd e f o r m a t i o nc o e f f i c i e n ta n dr e l e v a n td i s p l a c e m e n t ，t r e s s ，s t r a i n ；a l s o i n t r o d u c e dd e f o r m a t i o nc o e f f i c i e n ti n t of o u n d a t i o n s t a b i l i t y e v a l u a t i o n i t s u p p l e m e n t s t r a d i t i o n a ls a f e t yf a c t o rm e t h o da n di m p r o v e sf o u n d a t i o ns t a b i l i t ye v a l u a t i o n s a f e t yf a c t o rm e t h o di st h ep r i n c i p a lm e t h o du s e dn o w i tm a i n l ya n a l y s e ss h e a rs t r e n g t ho f f o u n d a t i o n ，h a r d l yc o n s i d e r i n gf o u n d a t i o nd e f o r m a t i o np r o p e r t i e s e f f e c to nf o u n d a t i o ns t a b i l i t y e s p e c i a l l yw h e nf o u n d a t i o nd e f o r m a t i o ne f f e c tg r e a t l yo nu p p e rb u i l d i n go ru p p e rb u i l d i n g r e q u i r e sf o u n d a t i o nd e f o r m a t i o ns t r i c t l y , m e r e l ys a t i s t f y i n gs t r e n g t hs a f e t yf a c t o ri si n a d e q u a t e ， a n ds h o u l dc o n s i d e rf o u n d a t i o nd e f o r m a t i o n t h u s i d e n t i f i c a t i o ns t a n d a r d se v a l u a t i n gs t a b i l i t y o fs l o p es o f t s o i lf o u n d a t i o ns u b g r a d ei n c l u d en o to n l yt r a d i t i o n a l s a f e t y f a c t o rb u ta l s o f o u n d a t i o n sd e f o r m a t i o n k e yw o r d s ：s l o p es o f t s o i l f o u n d a t i o ne m b a n k m e n t ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ，s a f e t yf a c t o r , d e f o r m a t i o nc o e f f i c i e n t 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 采用传统的针对水平地基的稳定判别标准( 安全系数值) 来判断斜坡 软弱土地基的稳定性将趋于危险。根据实际的斜坡软弱土地基的坡度，应相应 提高安全系数的限值，才能保证斜坡软弱土地基的稳定程度与水平地基基本相 同。本文通过运用土工专用商业软件g e o - - s l o p e ，针对不同路堤填筑高度、不 同软弱土层厚度、不同地层坡度条件下的路堤填筑，进行了斜坡软弱地基的稳 定特性及变化规律分析。 ( 2 ) 传统的地基稳定分析方法在进行地基稳定性评价时，多以地基处于极 限状态下的材料与结构强度分析为主，较少考虑变形控制方面的问题。本文在 斜坡软弱土地基基本特性平面有限元计算的基础上，对斜坡软弱土地基的地层 坡度、软土层厚度、路堤高度以及软土层强度与变形系数以及相应的位移、应 力、应变等力学响应的相互关系进行了分析，并将变形系数引入了地基稳定性 的评价，其对传统的安全系数法是一种有益的补充，更加完善了地基稳定性的 评价。 ，2 羔 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密阢使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：孔秒群 日期：川7 ，7 圹仫 ?钿9 驴9 名 矽 躲 缈 师老 ： 导 期 指 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究的背景、目的及意义 我国幅员辽阔，地质情况复杂多变，其中软土在我国分布相当广泛，给铁 路、公路工程建设和人工构筑物带来较大的影响和隐患，成为工程建设关键问 题之一。铁路、公路选线应尽可能避开软土地区，但有时不得不将线路选在明 知是相当软弱的软土地基地区【l 】。在软土地区修建铁路、公路，高路堤往往稳 定性差、沉降较大，由于软土存在含水量大、压缩性高、强度低、透水性差、 覆盖层厚的特点，因此在荷载作用下，它将产生很大的沉降，而且沉降的时间 也很长；又由于软土的强度低，其承载力和稳定性也远远不能满足工程要求。 2 0 多年来，在高速铁路和公路建设中，软土地基问题己成为影响工程造价和工 程质量的突出矛盾之一，解决软土地基影响的关键是在正确认识软土的物理力 学性质和危害性的基础上。借鉴已有的软土勘察成果和资料，结合工程现场实 际，进行经济技术的比较，合理选择一种或几种组合的软土地基处理方法，使 处理后的地基满足工程建设各项指标的要求【l 】。地基处理方法是否选择适当对 工程的质量、工期、维修保养及经济效益均有重大影响。目前在工程建设中由 于地基处理不当所造成的工程事故层出不穷，所以在工程建设领域中，地基处 理及其处理方法逐渐受到重视。斜坡软弱土地基是指地表土层或硬土层底部呈 定倾斜的软弱土地基，它是针对工程实际提出的，在潮湿多雨的丘陵山区较 为常见。在斜坡软弱土地基上修筑路堤，稳定性问题与变形问题值得关注。 1 2 国内外研究现状 斜坡软弱土地基主要指地表或基岩层面有一定坡度的软弱土地基，在其上 修筑路堤，常出现变形过大，甚至失稳等工程事故。在线路选线需经山间谷地 软土时，应尽可能避免从基底横向坡度较陡处通过。铁路特殊路基设计规范 对软土地基上路基位置的选择也仅是：在山间谷地宜避免设在软土底面横坡较 陡地段【l6 1 。铁路路基设计规范对稳定斜坡上填筑路堤，要求：地面坡率缓 于l ：5 时，路堤可直接填筑；地面坡率为l ：5 1 ：2 5 时，原地面应挖台阶， 地面横坡陡于l ：2 5 地段的陡坡路堤，必须进行路堤整体沿基底及基底下软弱 层滑动的稳定性【l 引。公路路基设计规范的规定与铁路路基设计规范相 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 同。斜坡软弱土地基不能看成是软弱土地基和斜坡地基的简单综合，有其独特 的成因及工程特性。目前为止，涉及斜坡地基和软弱土地基路堤的研究基本上 都是各自独立进行的，规范未将斜坡软土作为一个对象说明，而将斜坡软弱土 地基作为一个研究对象的也不多见。 1 2 1 软土及软土地基 早在1 9 5 7 年，铁道部第四勘测设计院就在杭甬铁路两江桥头与铁道部科学 研究院合作进行了软土地基路堤的填筑试验，从而开创了铁路软土路基现场试 验的先河，首次成功地获得了地基变形和孔隙水压力的实测数据，为软土的试 验研究摸索了经验。经过多年的工程实践、试验研究和理论分析，对软土的成 因、界定与分类、工程特性及物理力学性质、地基的变形和失稳等工程病害及 对应的整治措施、整治处理后软土地基的稳定性评价等已有了较为成熟的认识， 形成了理论。 软土一般是指在静力或缓慢流水环境中以细颗粒为主的近代沉积物，其直 径小于0 1 m m 的颗粒一般占土样重量的5 0 以上。软土天然含水量大、压缩性 高、承载力低、渗透性小，是一种呈软塑到流塑状态的饱和黏性土。软土的天 然含水量w 大于液限嘭；天然孔隙比e 大于或等于1 0 ，压缩系数a 。：大于 0 5 胛a ；不排水剪强度c 小于2 0 k p a 。当软土由生物化学作用形成，并含有机 质，天然含水量大于液限。当天然孔隙比大于1 5 时，称为淤泥；天然孔隙比 小于1 5 而大于1 0 时，称为淤泥质土【2 j 。当土的有机质含量大于5 而小于5 0 ， 而天然孔隙比大于1 5 时称为有机质土；有机质含量大于5 0 时，天然孔隙比 大于5 0 的称为泥炭。 软土为滨海、湖泊、谷地、河滩等处天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪 强度低、压缩性高的细粒土层，可将其分为软粘性土、淤泥质土、淤泥、泥炭 质土及泥炭五种类型。软土的物理力学特征如下表。习惯上把前三种总称为软 土【19 1 。 表1 1 软土类型及物理力学特征 天然弈 含水 有机 快剪指标 重y 孔隙比质含 压缩系数渗透系标准贯 类型 量w a o i 加2 数 c o巾u 入值 ( k n m 3c 量 ) ( ) ( m p a 。1 ) ( c m s ) ( k p a )( 度) n 6 3 5 ( 软黏 l “1 9 w l w 性i ： 1 0 0 5 1 0 1 6 3l o 5 0 2 o 1 0 5 0 。b =彬+，= ，+ z幺 ( 一) l 一 厶 根据满足安全系数为b 时的极限平衡条件，互= ( c i ，+ n ，留办) ，经整理 代入式( 3 6 ) 得： ：；c形+ah，一争sin0，c37sinoitg矽i ，= 二l = 二f ，形+ 一二上1( ) c o s p 二+ 垅a v1 。 。 f 。 式中，聊a ：c 。s 已+ s i n f # i t g 咖。 仍一 寻一 等彬一彬 生 心一一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 图3 - 6 毕肖普法计算原理图 考虑整个滑动土体的整体力矩平衡条件，各土条的作用力对圆心力矩之和 为零。此时条间力p 和日，成对出现，大小相等，方向相反，对圆心不会产生力 矩。滑动面上的正压力m 通过圆心，也不产生力矩。只有重力形和滑动面上的 切向力z 对圆心产生力矩，即： 形矾= l r ( 3 - 8 ) 将极限平衡条件式，代入式( 3 8 ) 得： - w , r s i n o i = 寺( q t + n , t g q k ，) r ( 3 - 9 ) 代入式( 3 7 ) 计算值，安全系数的简化计算公式为： 辟三垫竺w is i n ：0 竺i 竺 式( 3 - 1 0 ) 为毕肖普法的土坡稳定一般计算公式。但是，式中蝇= h i + 。一e 是未知数，必须引进其他简化假定，才能求解。毕肖普进一步假定脯，= 0 ，也 就是认为条块间只有水平作用力而不存在切向力。于是式( 3 1 0 ) 进一步简化 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 c ；b 。+ e t g 矽i 】 f = 二翟手一 ( 3 1 1 ) 4 乞w es i n 包 式( 3 1 1 ) 称为简化的毕肖普公式。 简化毕肖普法是在不考虑条块切向力的前提下，满足力多边形闭合条件， 即隐含着条块间有水平力的作用。 毕肖普法的特点是： 满足整体力矩平衡条件； 满足各条块力的多边形闭合条件，但不满足条块的力矩平衡条件； 假设条块作用力只有法向力没有切向力； 满足极限平衡条件。 由于考虑了条块水平力的作用，得到的安全系数较瑞典条分法略高一些。 毕肖普法与严格的极限平衡分析法，即满足全部静力平衡条件得方法( 如简布 法) 相比，结果非常接近。计算不很复杂，精度较高。 4 简布( j a n b u ) 条分法 在实际工程中常常会遇到非圆弧滑动面的土坡稳定分析，如土坡下面有软 弱夹层，或土坡位于倾斜岩层面上，滑动面形状受到夹层或硬层影响而呈非圆 弧形状。此时前述圆弧滑动面分析方法就不再适用了。为了解决这一问题简布 ( n j a n b u ，1 9 7 2 ) 提出了非圆弧普遍条分法，简称简布法。简布法计算黏性 土坡稳定性时的坡体结构与土条受力分布情况如图3 7 所示。 b 滑动面 ( q ) e j | i l 图3 7 简布法土坡计算原理图 ( b ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 ( 1 ) 计算原理 假定一：滑动面上的切向力矗等于滑动面上土所发挥的抗剪切强度的合力 f 疗，i ，即 f t i - - 孚= 型警盟 ( 3 - 1 2 ) 式中：r ，滑动面上的平均抗剪强度，k p a ： ，第i 土条的底边弧长( 当土条划分足够细，也可简化为直线长度) ，m ； a 第i 土条的粘聚力，k p a ； 9 ，第i 土条的内摩擦角，( 。) ： f 土坡的安全系数。 假定二：土条两侧法向力的作用点位置为已知，且一般假定作用于土条低 面以上1 3 高度处，这些作用点的连线成为推力线。分析表明，条间力作用点 的位置对土坡稳定安全系数影响不大。 取任一土条如图3 7 ( b ) 所示，h ，为条问力作用点的位置，口，为推力线与 水平线的夹角。峨，= e 一冗，岷= e 川一e ，可通过对每一土条力和力矩 平衡建立个方程求解。 对每一土条取竖向力的平衡，则 民c o s a f = 彬+ 瓦一s i n 口f ( 3 1 3 ) 或 = ( 彬+ 岷) s e e c t f 一t a n a f ( 3 1 4 ) 再取水平向力的平衡，有 峨f = 氏s i n a f 一c o s a f ( 3 1 5 ) 将式( 3 1 4 ) 代入式( 3 1 5 ) 后，可得 a f h f = ( 嘭+ 哦i ) t a n a f 一死s e e a f ( 3 1 6 ) 然后，对土条中点取力矩平衡，并略去高阶微量，可得 f , , i b i = 一无f 反t a n a f + 吃吒f ( 3 1 7 ) 或 瓦：一瓦，t a na ，+ 峨。争 ( 3 1 8 ) 呸 根据土条的平衡条件及式( 3 1 8 ) ，可得 ( 形一皈，t a n a ，一s e c 。= 0 ( 3 1 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 根据安全系数的定义和莫尔一库仑破坏准则，可得 ：掣：盈塑芝姆 ( 3 2 0 ) t s上s 联合求解式( 3 1 6 ) 和式( 3 2 0 ) ，可得 r ：喜盟坐奠啦 ( 3 - 2 1 ) 量sm i 式中，m i ：c o s 口i + 坐塑堡。 f ： 将式( 3 2 1 ) 代入式( 3 1 9 ) 后，可得 扣+ ( 彬+ 岷) t (3-22)b- b ia n q , i 。1 厩i 瓦面f 一 式( 3 - 2 2 ) 即为简布法计算土坡安全系数的公式。 ( 2 ) 用简布( j a n b u ) 法计算安全系数的迭代步骤 在用n j a n b u 法计算过程中，如果要同时计算出安全系数，侧向土条间力 l 和乞i 需要用迭代法，其计算步骤如下： 确定安全系数c 的迭代精度要求，即首先确定峨嘶。； 假定越，= 0 ，相当于简化的毕肖普方法，并假定f = 1 0 ，算出研i 中， 再用公式( 3 2 2 ) 计算安全系数f ，与假定的f 值进行比较。如果二者相差较 大，则用值重新计算m i 和新的安全系数，反复逼近至满足精度要求，求出只 的第一次近似值。 根据上述相应公式分别计算每一土条的r 、峨，、e 。、r ，并计算岷。 将新求出的妒，代入式( 3 2 2 ) ，计算f 第二次安全系数的近似值，并 依次重复上述的步骤，直到前后两次计算的f 值达到规定精度为止。需 要注意的是，对边坡的真正安全系数还要通过计算很多滑动面，进行分析比较， 找出最危险的滑动面，此时所对应的安全系数才是真正的安全系数。由于计算 工作量很大，一般需要编制程序并通过计算机完成。 各种条分法的基本点都是假定土体是理想塑性材料，把土条作为个刚性 体，按极限平衡的原则进行力的分析，完全不考虑土体本身的应力一应变关系。 不同之处仅在于对相邻土条的内力作何种假定，即如何增加已知条件使超静定 问题变为静定问题。这些假定的物理意义是不一样的，所满足的平衡条件也不 相同j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 表3 1 不同条分法比较 所满足的平衡条件 计算方法滑裂面形式 整体力矩土条力矩垂直力水平力 o r d i n a r y _ 圆弧 简化b i s h o p 、毒 0 圆弧 j a n b u000任意 土体强度指标的选用对土坡的稳定验算影响较大。在确定土的强度指标时， 应使试验室的模拟条件尽量符合实际受力情况，使试验指标具有一定的代表性， 避免使验算结果与实际情况出入太大 1 1 1 。 3 2 斜坡软弱土地基路堤的稳定分析 在一般情况下，路堤的堤身、路堤和地基的整体滑动面接近圆弧。路堤的 堤身稳定性、路堤和地基的整体稳定性在公路路基设计规范中推荐了b i s h o p 法，在铁路路基设计规范推荐了o r d i n a r y 法。从理论上讲，处于极限平衡 状态的路堤工程边坡稳定安全系数应等于l 。若设计边坡的稳定系数大于l ，理 应能满足稳定要求。但在实际工程中，有些边坡的安全稳定系数虽然大于l ， 还是发生了滑坡。这是因为影响稳定系数的因素很多，如抗剪强度指标的选用、 计算方法和计算条件的选择等。 稳定安全系数的取值涉及到技术经济因素，要确定出完全合理的稳定安全 系数比较困难。目前，对于边坡稳定要求的安全系数，尚无统一标准，各个部 门有不同的规定。铁路特殊路基设计规范规定：软土地基上的路基，应通过 滑动稳定检算、沉降计算或地基承载力验算分析，进行相应的地基加固设计。 软土地基上路堤滑动稳定性，可采用圆弧法分析检算，稳定系数在不考虑轨道 及列车荷载的条件下应不小于1 2 0 怕j 。 在山区公路路堤设计中，处于沟谷相软弱地基上的路堤，常按公路软土 地基路堤设计与施工规范，采用瑞典法、快剪指标及其相应的稳定系数1 1 进 行设计。对于斜坡上的路堤，稳定系数采用1 2 5 。 对于斜坡软弱地基路堤的稳定性评价的研究，从松软地基变形机理分析出 发，认为应从以下几方面进行论证： ( 一) 计算松软倾斜地基内填土产生的附加应力及剪应力，并与地基土的 容许剪应力相比较，初步判断是否产生横向剪切变形。 ( 二) 对斜坡软土地基路堤用传统的方法( 极限平衡法) 计算稳定系数来 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 对其进行稳定性评价。 在松软倾斜地基上填土引起的应力，在下方侧坡脚附近集中，而松软水平 地基在地基中部集中，且在相同填方总荷载情况下，倾斜地基的应力值高于水 平地基，因此，倾斜地基较之水平地基，在填土荷载作用下地基失稳的可能性 更大。 3 2 1g e o - s l o p e 软件简介 g e 0 s l o p e 软件是g e o s l o p ei n t e r n a t i o n a ll t d 出品的土工软件，有多 个功能模块：s l o p e w 、s e e p w 、s i g m w 、c t r a n w 、t e m p w 和 q u a k e w ，其中s l o p e w 模块是边坡稳定分析模块；s e e p w 是渗流模拟模 块：s i g m m w 是应力变形分析模块；c t r a n w 是污染物迁移分析模块： t e m p w 是地热分析模块；q u a k e w 是地震动态分析模块。 边坡稳定性分析模块( s l o p e w ) 主要用途是用极限平衡法计算土质和岩质 边坡的稳定系数。其涵盖范围广泛，能用各种方法计算稳定系数，这些计算方 法主要有：o r d i n a r y 法、b i s h o p 法、简化的j a n b u 法、工程师团法、摩根斯坦 一普赖斯法、有限元应力法等。它建模极为方便，可以建立各种类型土、复杂 地层情况和复杂滑动面几何形状的模型，还可以通过自由选择土的模型来实现 对不同孔隙水压力情况下的建模。它可以通过输入参数，选择确定性分析或概 然性分析来完成分析，稳定系数将以概然密度的形式给出。此外，用有限元应 力分析计算出的应力可以应用于大多数稳定性分析方法的极限平衡计算。以上 因素结合起来使得s l o p e 肌能用来分析几乎任何一种边坡稳定性问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 设置t 作区间、比例、坐标l j 、 勾画草图、命名识别问题、指定分析和控制类型 j 。j 定义土的特性参数 画土层线、水压力线 l f ，画滑动面的半径及圆心删格 l 画滑动面的半径及圆心删格i l i 在图上标示十的特性参数及类型 厂、 检验 否 陌訇 图3 8s l o p e w 软件定义问题流程图 应用该模块分三个步骤： ( 1 ) 定义问题。定义问题在定义窗口( s l o p e w d e f i n e ) 完成，其定义问题 的步骤如图3 8 所示。图3 9 是本文用于计算边坡稳定分析，完成问题定义后 的一个例子。 ( 2 ) 求解问题。调用定义问题的数据文件求解边坡的稳定系数。 ( 3 ) 观察结果。边坡稳定分析模块可把求解结果以图示的形式表达出来： 带有相应安全系数的任意滑动面、安全系数轮廓线( 图3 - 1 3 所示) 、最危险滑 动面任意滑块受力及其力多边形( 图3 一1 0 所示) 等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 012 3 4 5 e 7 8 ot o1 11 2 1 3 1 4 1 51 6 7 81 92 02 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 72 82 93 03 t 踅3 33 43 5 3 73 83 04 04 f 4 24 34 44 54 84 74 84 95 0 d i s t a n c e ( m ) 图3 - 9s l o p e w 软件定义问题示例图 s l i c e13 一b i s h o pm e t h o d 3 1 0 卜 图3 一l o 最危险滑动面任意滑块受力及其力多边形( b i s h o p 法) 边坡稳定性分析模块( s l o p e w ) 是用网格法来搜索危险滑动面的。其方法 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 是，首先在边坡上方确定一个范围，然后把这个范围划分成网格，网格上每个 结点都是有待试算的搜索圆心，即图中的旋转中心。再在坡体内确定一系列的 直线，即控制半径切线。以每一个旋转中心作为圆心作与控制半径切线相切的 圆弧，对它们进行稳定计算，求出其中最小安全系数所对应的圆心位置及滑弧。 如果该圆心在网格周边的结点上，则所求即是危险滑移面及其安全系数，否则， 需要重新调整旋转中心或控制半径的范围。开始时可以把搜索范围划得大一些， 然后再根据计算的结果缩小、细化搜索的范围，以提高搜索的效果。 3 2 2 稳定分析的基本条件 1 稳定分析断面 路堤边坡坡度为1 ：1 5 ，路基面宽7 5 m ，其它断面参数及土层编号如图3 11 所示。其中，土层l 为路堤填料，土层2 为软弱土，土层3 和土层4 为硬塑土( 各 厚2 m ) ，土层5 为稳定基岩，l ：m 为地层坡度，d 为软弱土层厚度；h 为路堤 中心高度。 2 稳定分析参数 图3 11 计算断面及断面参数 表3 2 斜坡软弱地基稳定特性分析参数 土层编号 强度模型苇度( k n m 3 )粘聚力( k p a )内摩擦角( 。) lm o h r - c o u l o m b l92 52 5 2 m o h r - c o u l o m b1 81 01 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 3m o h r - c o u l o m b2 010 04 0 4m o h r - c o u l o m b2l15 04 5 5 m o h r - c o u l o m b2 22 0 05 0 3 稳定分析方法：o r d i n a r y 法、b i s h o p 法、j a n b u 法： 4 滑动方向：向下坡一侧滑动； 5 基本假设：不考虑孔隙水压力，张拉裂缝；不使用概率统计分析；不考 虑基面荷载( 换算土柱重) ；最危险滑动面的形状、位置按b i s h o p 法给出。 3 2 3 斜坡软弱土地基稳定特性及变化规律分析 本文试图利用稳定分析分别计算其它条件一定，斜坡软弱地基坡度m 、软 土层厚度d 、路堤高度h 以及软土层强度( c 、咖) 等参数分别变化，对最小安全 系数，s m i n 的影响以及最危险滑面的形状、位置，确定各个参数对，s m i n 变化的敏 感性。 1 路堤高度增加对斜坡软弱地基稳定特性的影响 在地层坡度1 ：1 0 ，软弱土层厚度6 m 的条件下，路堤高度由2 m ，增加到 4 m 、6 m 、8 m 、1 0 m 时，斜坡软弱地基最小安全系数只。i 。的计算值如表3 - 3 所列， e 。；。的变化曲线如图3 1 2 所示，最危险滑动面形状及位置变化如图3 1 3 图 3 一1 6 所示。 表3 3 地基最小安全系数随路堤高度h 增加变化值 最小安全系数( m i n i m u mf a c t o ro fs a f e t y ) 路堤高度h o r d i n a r yb i s h o p j a n b u ( m ) m o m e n tf o r c em o m e n tf o r c em o m e n tf o r c e 21 8 2 41 8 9 81 8 1 4 31 5 0 2 1 5 7 3 1 5 0 6 4 1 3 0 71 。3 6 91 3 1 1 5 1 1 8 51 2 5 21 1 9 5 61 0 9 0 1 1 5 61 0 9 9 7 1 0 1 5 1 0 8 4 1 0 2 5 8 0 9 5 81 0 2 60 9 7 l 90 9 1 5 0 ，9 8 90 9 3 0 l o0 8 8 4 0 9 5 80 8 9 9 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 图31 2 地基最小安全系数随路堤高度变化曲线 图3 一1 3 路堤高度4 m 时最危险滑动面形状位置( b i s h o p 法) 卢 卢 尸 产 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 尸 图3 1 6 路堤高度l o m 时最危险滑动面形状位置( b is h o p 法) 根据计算结果，可以看出： 1 ) 不同分析方法计算获得的地基最小安全系数乓。i 。略有出入。o r d i n a r y 法和j a n b u 法计算得到的安全系数非常接近，误差在1 7 之内。b i s h o p 法由于 忽略了切向条间力的影响，计算得到的安全系数略大一些，对安全系数的影响 与o r d i n a r y 法误差在3 9 - - 一7 7 之间，并且随着路堤高度的增加误差有增大 的趋势。但地基最小安全系数乓。i 。随路堤高度变化的总体趋势是一致的，即地 基最小安全系数只。讷随路堤高度增加而相应减小。 2 ) 堤高度由8 m 增加到l o m 时，地基最小安全系数最。变化不大，充分说 明了在工程实践中削坡减载( 平台过渡、折线过渡等) 对增强路堤地基稳定性 的重要作用。 3 ) 当路堤填筑高度接近或超过8 m 时，地基最小安全系数b 。i 。接近或小于 1 0 ，地基由稳定状态变为极限状态，进一步发展为破坏状态。 4 ) 不同分析方法计算获得的最危险滑动圆弧略有所不同( 如图3 1 5 ( a ) 、 ( b ) 、( c ) ，但随着路堤高度增加，最危险滑动圆弧半径相应增大，滑动面 底部逐渐接近软弱土层底部。同时，滑动面有向上坡方向扩展的趋势。 2 软弱土层厚度增加对斜坡软弱地基稳定特。眭的影响 在地层坡度1 ：1 0 ，路堤高度8 m 的条件下，软弱土层厚度由1 m ，增加到2 m 、 3 m 、4 m 、5 m 、6 m 、7 m 、8 m 时，斜坡软弱地基最小安全系数c 。i 。的计算值如表 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 3 - 4 所列，b 。的变化曲线如图3 - 1 7 所示，最危险滑动面形状及位置变化如图 3 一1 8 图3 - 2 1 所示。 表34 最小安全系数随软弱土层厚度d 增加变化值 软弱土层厚度 最小安争系数( m i n i m u m f a c t o r o f s a f e t y ) o r d j a r v b i s h o p j a n b u d ( m ) m