高路堤工程抗震优化设计毕业论文.doc

西南交通大学本科毕业设计（论文） 毕业设计（论文）高路堤工程抗震优化设计摘要：近年来我国西部山区地震频发，路堤工程面临严峻考验，高路堤工程在地震作用下的稳定性问题也日益突出。由汶川地震路基工程震害调查发现，山区高路堤一般采用阶梯型边坡，主要震害模式有路基边坡开裂、臌胀或局部坍塌，但能保持整体稳定；未铺设土工格栅的高路堤边坡易发生坍塌破坏，而铺设土工格栅的高路堤仅发生局部变形。因此本文主要研究内容就是在地震工况下对路堤进行优化设计，使路堤的稳定性系数能满足规范要求。优化设计有两种方法：（1）放缓路堤边坡坡度；（2）在路堤内部铺设土工合成材料即加筋土路堤。本文利用理正软件分别计算两种方案在正常工况下和地震工况（地震烈度为7、8、9度）时的稳定性系数，确定优化设计方案。通过分析两种方法的优缺点，可以发现铺设土工格栅的高路堤工程适应土体自身变形能力强，能抵消地震能量，有良好的抗震性能，占用土地面积少，节省填料，减少对生态环境的破坏。加筋土路堤在目前虽然属于新技术，但是实用性强，前景较好，因此在综合考虑各种因素后，确定路堤抗震优化设计方案时采用铺设土工合成材料的路堤。关键词： 地震；高路堤；土工格栅；优化设计AbstractIn recent years, the embankment in earthquake-prone mountain areas in western China, is facing a severe challenge, the stability of the high embankment under earthquake is a prominent problem. Damage from the earthquake subgrade survey, the high embankment slope in the mountain areas commonly used ladder-type, The main damage mode include the slope of the main embankment cracking damage, tympanites or partial collapse, but maintain the overall stability; The damage in the high embankment without laying geogrid prone slope collapse, while laying geogrid embankment occurred only local deformation. The main research content in this article is to optimize the design so that the stability of embankment can meet the regulatory requirements . Optimization design have two kinds of methods (1) Slow down embankment slope （2）Laying geosynthetics in the internal embankment. LLZHENG program is used to calculate the stability factor of the two methods in normal operating conditions and seismic conditions (seismic intensity for the 7,8,9 degrees), to determine the optimal design. By analyzing the advantages and disadvantages of the two methods can find that the highembankment laying geogrid soil works to adapt its deformation ability, offset the seismic energy, good seismic performance, take up less land area, saving packing, reduce the ecological environment damage. Reinforced embankment at present although belonging to the new technologies, but the practicability and prospect is good, and therefore, after comprehensive consideration of various factors to determine the optimum design of embankment program using the Embankment installation of geosynthetics.Key words: earthquake; high embankment; geogrid; optimal design目录第1章 绪论81.1 汶川地震交通工程震害概论81.1.1 交通工程震害总述81.1.2 公路工程典型震害91.1.3 桥梁典型震害111.1.4 隧道典型震害131.2 高路堤工程震害特征与分析141.3 小结16第2章 路堤工程稳定性分析与抗震设计原理172.1 概述172.2 砂性土坡的稳定性分析172.3 黏性土坡的稳定性分析182.3.1 条分法182.3.2 瑞典条分法202.3.3 毕肖普法222.3.4 简布普遍条分法232.3.5 极限平衡的其他计算方法252.3.6 几种方法的简单比较262.3.7 最危险滑弧圆心位置的确定272.4 抗震设计原理292.5 典型案例分析312.6 小结34第3章 路堤工程抗震优化设计初探353.1 理正软件简介353.2 高路堤工程初步设计363.2.1 高路堤工程设计参数与计算简图363.2.2 高路堤工程稳定性分析结果383.3 边坡坡度对高路堤工程稳定性影响分析423.4 加筋长度对路堤工程抗震性能的影响463.4.1 铺设8m土工格栅后稳定性分析463.4.2 铺设10m土工格栅后稳定性分析523.4.3 地震烈度为9度时路堤稳定性分析573.5 高路堤工程抗震优化设计建议60结论62致谢64参考文献65第1章 绪论1.1 汶川地震交通工程震害概论2008 年5 月12 日四川汶川发生8.0 级特大地震，震惊世界。地震起始破裂点在汶川县映秀镇的龙门山中央断裂，并在短时间内沿龙门山断裂带的中央断裂和前山断裂迅速向北东方向破裂，形成长达近300km 的破裂带。这是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最广、救灾难度最大的一次地震，重灾区的范围超过13万平方公里，其震动的强度、烈度均超过了唐山大地震，死亡和失踪人数达87000多人。汶川地震使四川省交通基础设施损毁十分严重，损失十分巨大。通往灾区的公路基础设施遭受巨大破坏，道路中断，给抗震救灾带来极大困难，而且地震引发的崩塌、滑坡、泥石流以及落石、飞石等次生灾害，数量之多，分布之广、类型之复杂、破坏之巨大，举世罕见。1.1.1 交通工程震害总述汶川地震对四川交通基础设施尤其是公路交通系统的损毁是空前的，它具有下列特点：一是受损范围广。四川省20 个市(州)、139 个县(市、区)的高速公路、国省干线、农村公路以及码头、客运站点和养护设施不同程度受损，其中重灾区的阿坝、广元、绵阳、成都、德阳、雅安等市(州)、39 个县(市)的各类交通设施严重受损。通往汶川、茂县、北川、青川等重灾县以及254 个乡镇公路交通一度完全中断。灾害造成21 条高速公路、16 条国省干线公路、2.4104 km 农村公路的路基路面、桥梁隧道等结构物不同程度受损，受损里程近2.8104 km(其中高速公路近200 km、国省干线公路约3 800 km、农村公路2.41104 km)，损坏国省干线桥梁670 座，总长45 323 m；其中隧道24 座，总长20 417 m，受损的客运站为395 个，其中国家级枢纽9 个、县级站44 个。二是损害程度重。许多经过多年努力才建成的交通设施毁于一旦，一些路段全面损毁，造成毁灭性、根本性破坏。据不完全统计，四川省交通基础设施直接经济损失按原值价测算达人民币580 亿元以上。三是抢通难度大。震后3 个月仍有3 条国省主干线未抢通(国道213 线映秀汶川段，省道303 线映秀至耿达段，省道302 线茂县北川公路擂鼓镇禹里乡段)。四是保通工作艰巨。山体滑坡、崩塌、泥石流等次生灾害频繁发生，还将会造成交通基础设施新的破坏，给恢复重建工作带来新的困难。1.1.2 公路工程典型震害汶川地震大面积、大规模的山体滑坡造成灾区公路交通瘫痪，其中道路受阻、桥梁损毁的想象尤为严重。地震灾区受破坏的国道有3条：G317、G213、G212。灾区破坏较重的省道有5条：S105、S205、S210、S302和S303。同时，数量众多的县道、乡道也遭受严重破坏。公路系统的典型震害表现为：次生地质灾害（滑坡、崩塌、泥石流、落石）掩埋、摧毁道路；下面详细介绍汶川地震典型震害模式：（1）汶川地震使得原都汶公路某段一侧山体在山脊处发生大型岩崩、滑坡，将公路完全掩埋，破坏严重。由于掩埋严重，都汶公路交通完全中断。见图1-1：图1-1 都汶公路的大型崩塌（2）地震引发的落石砸坏道路路面，引起交通阻断。见图1-2：图1-2 落石阻断公路（3）地震断层造成的断层引起公路隆起破坏，见图1-3图1-3 断层造成公路破坏（4）公路路基滑塌，见图1-4： 图1-4 彭州银厂沟景区外的路基滑塌，路面悬空1.1.3 桥梁典型震害 桥梁震害按照表现的形式分为直接震害和间接震害。桥梁直接震害主要有桥梁倒塌、落梁及梁体移位(横移、纵移、平面转动以及三者的组合)等。桥梁间接震害主要有山体崩塌、滑坡、堰塞湖等次生灾害导致桥梁损毁。具体震害形式有： （1）百花大桥第五联520m连续梁完全倾覆倒塌，见图1-5 图1-5 百花大桥第五联倒塌（2）墩柱破坏图1-6 墩柱破坏（3）滑坡掩埋桥梁图1-7 滑坡掩埋桥梁（5）地震造成桥梁移位图1-8 桥梁移位（6）地震造成落梁图1-9 地震引起落梁1.1.4 隧道典型震害隧道震害主要表现为：隧道洞口被山体滑坡崩塌掩埋、洞门开裂、结构破损；衬砌开裂掉块甚至坍塌、施工缝开裂错台、衬砌开裂后渗漏水；排水系统遭到堵塞和破坏、积水严重，路面及仰拱隆起、错台等。具体震害有：（1）震区隧道洞门典型的震害特征为墙身开裂、结构倾斜、断裂、沉陷、洞门结构破坏等情况。见图1-10图1-10 隧道洞门破坏（2）隧道洞身结构破坏地震引起衬砌支护结构破坏主要表现为震区的既有隧道存在衬砌开裂、碎裂、剥落、掉块、坍塌、错断、错台、渗漏水等情况；在建隧道初期支护变形、掉块以及钢支撑扭曲变形，围岩坍塌等情况。见图1-11图1-11 二衬破坏大面积坍塌（3）地震引起的隧道初衬、二衬破坏见图1-12、1-13 图1-12 二衬掉块 图1-13 初支变形1.2 高路堤工程震害特征与分析四川是一个多山地区，山区面积大约占全部面积的三分之二，在这些地区修建铁路和公路比平原地区更见困难。山区工程地质条件非常复杂，地形地貌变化大，水量丰富，且地震活动频繁，因此对线路修建维修造成很大影响。并且线路工程属于带状结构物，一条线路少则十几公里，多则几百公里，甚至上千公里，很多线路都不得不通过地震断裂带。山区很多地方都要进行高填土路基和深挖路堑的施工，其中高填土路基大多很高，从几米到几十米不等，因此研究地震作用下高填土路基的稳定性和抗震加固措施就至关重要。下面介绍高路堤工程在地震作用下的震害特征：（1）普通高路堤 图1-14所示的边坡位于进入银厂沟景区的公路边路基外侧由条石堆砌而成，地震中条石滚落，发生较大规模的坍塌，防护栏等遭到严重破坏，掉入了深谷。图1-14 路基坍塌普通高路堤边坡在地震作用下很容易失稳破坏，尤其是在河岸或地下水丰富的沙质地层上填筑路堤时，在强地震力作用下会发生沙土液化现象，从而造成路堤边坡失稳（2）都汶公路一高路堤工点，处于高烈度区，距汶川震中15.25公里。最高路堤填土高度达42米，长约179米，见图1-15图1-15 42米加筋土路堤本路堤为高填方路堤，最高填方42米，边坡进行多次放坡，路堤顶部与底部均放置土工格栅，保证路堤本体稳定。路堤整体在5.12大地震完好，局部路面有拉裂、鼓起现象。两边坡局部有裂缝出现。由此可见铺设土工格栅的高路堤抗震性能良好。（3）都汶公路落石工点，位置距汶川震中11.1公里。路堤高16米，长约42米，汶川地震后路堤边坡角附近有轻微鼓起，见图1-16：图1-16 落石工点处加筋土路堤本段路堤的特点也是在路堤内铺设土工格栅，间隔0.5米。护坡采用浆砌片石，加土工膜防水设计。（3）牛圈沟震源工点本段路堤位于牛圈沟震源处，在5.12地震作用下，路肩墙与路堤本体发生分离，路堤本体沿圆弧形滑面发生破坏。见图1-17、1-18图1-17 路肩墙与路堤本体发生分离 图1-18 路堤本体沿圆弧形滑面滑动1.3 小结由于高路堤工程大多都是几十米高，因此稳定性就比普通路堤差，尤其是在地震作用下，极易失稳。从汶川地震中就可以发现加筋土路堤大多未受到严重破坏，而普通高路堤在地震作用下坍塌很多。由此可见加筋土路堤在抵抗地震方面确实有着普通路堤无法比拟的优势。发现问题做什么（报数量）怎么做技术路线第2章 路堤工程稳定性分析与抗震设计原理2.1 概述天然土坡或人工填筑的堤坝，在一定条件、地质条件下，由于各种自然因素及人为因素的影响，破坏了土体内部应力的平衡，不稳定土体在自重或外力作用下，沿途中某个面滑动而导致土坡的破坏。它严重影响了铁路、公路、河道的正常运行及其他建筑工程的安全，因而研究土坡稳定性是很重要的。影响土坡稳定性的因素很多，有地形、地质、水文、气象等因素，而边坡愈高、愈陡，其稳定性愈差。土坡稳定性丧失，是由于土体内部发生剪切作用并形成了贯通的滑动面，使土体沿此面滑动而破坏。这是因为作用在该面上的剪切力达到并超过了该面上由抗剪强度而形成的抵抗土体滑动的能力。土体稳定程度通常用安全系数Fs表示。它表明土坡在预计的最不利条件下具有的安全保障。土坡安全系数定义为：可能出现的破裂面上，阻抗土体滑动的力系与土体沿该面滑动力系之比。大量观察及量测证明：砂性土坡的滑动面近似一平面，在横断面上近似一直线；而黏性土坡的滑动面近似一圆柱面，在横断面上近似为圆弧状。因而在分析土坡稳定性时，常假定土坡破坏时是沿着平面或圆柱面破坏，从而简化了土坡稳定性检算的计算方法。2.2 砂性土坡的稳定性分析 由砂性土构成的土坡，包括黏聚力较小的黏砂土、砂土、砾石、碎石等边坡，经大量观测发现，边坡破坏时其破裂面近似平面，在断面上近似直线，为了简化计算这类土坡稳定性分析采用直线破裂面法，并假定土坡破坏时，不稳定土体沿平面破裂面整体滑动。在无粘性土坡表面取一小块土体来进行分析(图2-1)，设该小块土体的重量为W，其法向分力N = Wcos，切向分力T = Wsin。法向分力产生摩擦阻力，阻止土体下滑，称为抗滑力，其值为R = Ntgcostg。切向分力T是促使小土体下滑的滑动力。则土体的稳定安全系数Fs为：Fs (2-1)式中： 土的内摩擦角()； 土坡坡角()。 图2-1砂性土土坡为了保证土坡的安全性，Fs 值必须满足设计规范的要求。设计规范规定：“安全系数一般不小于1.25，如有充分资料或其他有利因素时，可允许减小到1.15。”安全系数如不满足要求，必须放缓边坡或采取适当的加固措施2.3 黏性土坡的稳定性分析黏性土坡的稳定性分析目前广泛采用条分法，随着条分法的提出，通过改进到发展，可以分为瑞典条分法、毕肖普法、传递系数法、分块极限平衡法、简布法等。 2.3.1 条分法条分法是以极限平衡理论为基础的一种刚体极限平衡分析法。其基本思路是：假定边坡的岩土体破坏是由于边坡内部产生了滑动面，部分坡体沿着滑动面滑动造成的，滑动面上的坡体服从破坏条件。假设滑动面已知，通过考虑滑动面形成的隔离体的静力平衡，确定沿着滑面发生滑动时的破坏荷载，或者说判断滑动面上的滑体的稳定状态或稳定程度。该滑动面为人为确定，其形状可以是平面、圆弧面、对数螺旋面或其他不规则曲面。隔离体的静力平衡可以是滑面上的力平衡或力矩的平衡。隔离体可以是一个整体，也可以由若干人为分隔的竖向土条组成。由于滑动面是假定的，因而只有通过系统地求出一系列滑面发生滑动时的破坏荷载，得出最小的破坏荷载，其中最小的破坏荷载要求的极限荷载与之相应的滑动面就是可能存在的最危险的滑动面。条分法是将滑动土体竖直分成若干土条，把土条当成刚体，分别求作用于各土条上的力对圆心的滑动力矩和抗滑力矩，然后按下式求土坡的稳定安全系数Fs： Fs=抗滑力矩滑动力矩=MRMS （2-1）受力分析如图2-1： 图2-2 条分法受力分析图从其中选出一个土条i，所受的力包括1)重力Wi ；2)条块侧面法向力Pi，Pi+1，其作用点离弧面为hi，hi+1；3)条块侧面切向力Hi，Hi+1； 4)土条底部的法向力Ni，切向力Ti，条块弧段长为li； 土条i满足平衡方程：力的平衡方程Fxi=0Fzi=0Mi=0 （2-2）极限平衡方程：Ti=Nitani+CiliFs （2-3）求解方法：（1）假定条间力的大小与方向的 毕肖普法和瑞典条分法； （2）假定条间力的作用方向的不平衡推力传递法； （3）假定条间力的作用点位置的简布法。2.3.2 瑞典条分法瑞典法亦称Fellenious法，是边坡稳定分析领域最早出现的一种方法。该方法假定滑裂面为圆弧形，在计算安全系数时，简单的将条块重量向滑面法向方向分解来求得法向力。此法构成了近代土坡稳定分析条分法的雏型。图 2-3 瑞典条分法其基本假定如下：(1)假定土坡稳定属于平面应变问题，即可取其某一剖面为代表进行分析计算。(2)假定滑裂面为圆柱面，即在横剖面上滑裂面为圆弧；弧面上的滑动土体视为刚体，即计算中不考虑滑动土体内部的相互作用。(3)定义安全系数为滑裂面上所能提供的抗滑力矩之和与外荷载及滑动土体在滑裂面上所产生的滑动力矩和之比；所有力矩都以圆心0为矩心。(4)采用条分法进行计算。不考虑条块间的推力（或假定条块间的推力是作用在一条直线上的，且大小相等，方向相反，即推力产生的合力、合力矩为0）。 由于不考虑条快间的作用力，条块i仅受到重力、切向力法向力的作用。根据径向力的平衡条件 有 ： Ni=Wcosi （2-4） 根据圆弧滑面上极限平衡有： （2-5）根据整体力矩平衡条件，外力对圆心的力矩Mi=0，法向力Ni通过圆心不产生力矩，则有： Widi-TiR=0 （2-6） di=Rsini （2-7）将(2-5)、(2-7)带入(2-6)得： WiRsini-Cili+WicositaniFSR=0 （2-8）整理得： Fs=（Cili+Wicositani）Wisini （2-9）式中： ci填料的粘聚力，kPa； li圆弧滑面断面长度，m； i各土条中心处切线与水平方向的夹角，度； i填料的内摩擦角，度； bi各土条宽度，m；瑞典条分法通过假定不同的圆弧，通过优化，从中找到最小的Fs值，即土坡的稳定安全系数。由于忽略了土条侧面的作用力，它只能满足滑动土体整体力矩平衡条件，不满足条块的精力平衡条件，因此算出的稳定安全系数比其它严格的方法可能偏低10%-20%。这种误差随着滑弧圆心角和孔隙水压力的增大而增大，严重时可使算出的安全系数比其它较严格的方法小一半。瑞典法通常使用总应力强度指标，因此是一种总应力分析方法，虽然也可以用于有效应力分析，但因误差较大，工程上很少使用。2.3.3 毕肖普法此法是在瑞典法的基础上提出的一种简化方法，它仍然保留滑裂面的形状为圆弧形和通过力矩平衡条件求解这些特点，毕肖普法与瑞典法实际上是属于同一类型的方法，但毕肖普法在公式推导时考虑了土条两侧的作用力。毕肖普体提出的土坡安全系数的定义为：沿土体内部，滑动面上的抗剪强度Fs=sT，并考虑了各土条侧面存在着条间力。图 2-4 毕肖普条分法考虑条块侧面力，取条块i进行分析，在条块i上作用的力如下：（1） 土条重Wi引起的切向反力Ti和法向反力Ni，分别作用在该分条圆弧的中心处。（2） 土条侧面作用的力Hi，Hi+1，Pi，Pi+1。根据圆弧滑面上竖向力平衡方程Fzi=0有：Wi+Hi+1-Hi-Tisini-Nicosi=0 （2-10）当土坡未破坏时，滑弧上土的抗剪强度只发挥了一部分，毕肖普假定其值与滑面上的切向力T相平衡，即Ti=fili=1Fs（Nitan+cli） （2-11）将式（2-11）代入式（2-10），得Ni表达式为： Ni=Wi+Hi+1-Hi-cliFssini1mi （2-12）式中 mi=cosi+sinitanFs （2-13） 在极限平衡时，各土条对圆心的力矩之和应为零，此时，条间力的作用将相互抵消，得： Widi-TiR=0 （2-14）将式（2-11）、式（2-12）式（2-14），且di=Rsini，假设Hi=0，即条块间只存在水平作用力Pi,而不存在切向力Hi，假设Hi=0，即条块间只存在水平作用力Pi，不存在切向力Hi经整理得毕肖普的土坡稳定安全系数的普遍公式为： （2-15）毕肖普方法的特点：(1) 假设条块间作用力只有法向力没有切向力；(2) 满足滑动土体整体力矩平衡条件，满足各条块力的多边形闭合条件，不满足条块的力矩平衡条件；(3) 满足极限平衡条件；(4) 得到的安全系数比瑞典条分法略高一点。2.3.4 简布普遍条分法 简布普遍条分法将最初的圆弧法推广到任意土坡滑动面的情，通过假设土条间推力的作用点位置，合理解决问题。 简布普遍条分法等基本假定（1）假定整个滑裂面上的稳定安全系数是一样的；（2）假定土条上所有垂直荷载的合力W作用线和滑裂面的交点与N的作用点相同；（3）假定滑体中各土条间推力的作用点的连线为直线分布，即推力作用线的位置假定已知。如果坡面没有超载，对于非粘性土，推力线选在土条下三分点处；对于粘性土C 0时，推力作用点位置稍高于三分点处在被动区(滑体出口部分)，或稍低于三分点主动区(滑体上端部位)；如果坡面有超载，侧向推力成梯形分布，推力线应通过梯形的形心。简布普遍条分法的计算公式图2-5 简布普遍条分法图2-6 有渗透孔隙水压力的分布取第i号土条作为对象分析，如图所示。以底部作用点为矩心，建立力矩平衡条件方程有： （2-16） （2-17）当分界面上有渗透压力时，假定接触压力E的作用位置，建立平衡方程时，将作为外力处理，如图2-4所示，安全系数可以表示为 （2-18）70年代末，我国水利电力部西北勘测设计院土复来对简布条分法作出改进条划分为m条，土复来假设土条侧的水平土压力呈三角形分布，其合力作在界面高度的下三分点处，解题时可用试算法或迭代法。整理得出安全系数公式为 （2-19）此方法的基本出发点与普遍条分法一致，精度也相当，但使用起来却更方便。2.3.5 极限平衡的其他计算方法 （1）斯宾塞法斯宾塞假定相邻土条之间的法向条间力E与切向条间力X之间有一固定的常数关系，即 （2-20）因此，各条间力合力的方向是互相平行的。美国陆军工程师团法与斯宾塞法相似，但假定条间力合力方向是一个定值，等于土坡的平均坡度，可直接通过力的平衡方程来求得Fs。（2）摩根斯坦一普赖斯法摩根斯坦一普赖斯法对任意曲线形状的滑裂面进行了分析，导出了满足力的平衡和力矩平衡微分方程式。假定两相邻土条切向条间力和法向条间力之间存在1个对水平方向坐标的函数关系，根据整个滑动土体的边界条件求出问题的解答。摩根斯坦一普赖斯法是对土坡稳定进行极限平衡分析计算的最一般的方法。如果f(x)为一常数，其结果和斯宾塞相同;更特殊的取f(x)=0，则相当于简化毕肖普法。我国水利水电科学研究院陈祖煌在摩根斯坦指导下对此方法作了改进，解决了收敛困难的问题，同时提出条间力的方向斜率函数要满足端部条件。（3）沙尔玛法沙尔玛法也是一种严格条分法，假想在每一土条重心作用着一个水平地震惯性力，使滑裂面正好达到极限状态，同时还假设沿两相邻土条的垂直分界面，所有平行于土条底面的刹面均处于极限平衡状态，在此前提下推导出切向条间力X的分布。对于任意形状的滑动面假定条间力方向的刹率为各种可能的函数，建立力和力矩的平衡方程。使超静定问题变成静定的。（4）不平衡推力传递法不平衡推力传递法假定土条侧向力的倾角等于该土条条底面倾角。我国工民建和铁道部门在核算滑坡稳定时使用非常广泛，同样适合于任意形状的滑裂面。假定条间力的合力与上一土条底面相平行，根据力的平衡条件，逐条推导，直至最后一条土条的推力为零。2.3.6 几种方法的简单比较条分法至今已有70多年的历史，之间经过许多学者的研究改进，基本出发点都是一样，但计算方法日趋完善。 瑞典圆弧法是条分法中最古老而又简单的方法。此法假定滑裂面是圆弧面，还假定不考虑土条两侧的作用力，安全系数定义为各土条在滑裂面上所提供的抗滑力矩和外力及滑动土体在滑裂面上所产生的滑动力矩之比。由于不考虑条间力的作用，对每一土条力和力矩的平衡条件是不满足的，只能满足整个滑动土体的整体力矩平衡条件，因此产生的误差使求出的安全系数偏低10%-20%，并随滑裂面圆心角和孔隙水压力的增大误差也增大。一般对于等于零或数值很小的软粘土，滑裂面底部的正应力对有效抗剪强度影响较小，用瑞典圆弧法求出的安全系数不比其它方法保守。对于圆弧滑裂面的总应力法可得出基本正确的结果。 简化毕肖普法对传统的费伦纽斯法做了重要改进。提出安全系数的的定义，通过假定土条件间的作用力为水平方向，求出土条底的法向力，通过力矩平衡方程确定安全系数。得到的安全系数比较瑞典条分法的精度要高些，仅适用于圆弧形滑裂面。简布法也是一种严格条分法，适用于任意形状的滑裂面，坡面作用着各种荷载。该法中推力线的位置变化主要影响着土条侧向力的分布，对安全系数的影响很小；对于任意形状的滑裂面假定条间力的作用点，同时考虑力和力矩的平衡得到复杂的安全系数方程式，求解需要反复迭代。该法计算过程比较简单，可用手算或编制简单程序计算；但是实际计算时存在严重的收敛困难问题。 传递系数法是我国工程技术人员创造的一种滑坡稳定分析的实用方法，计算简单，且为滑坡治理提供设计推力，在国家规范和行业规范里都将其列为推荐方法使用。但此法条间合力方向是规定的，只考虑力的平衡，未能考虑力矩平衡条件，当滑裂面倾角较大时，求出的条间抗剪安全系数可能小于1，与实际不符。在光滑曲线滑裂面时，安全系数与毕肖普法十分接近，但遇到有软弱夹层问题是，求得的安全系数偏大。目前的认识水平还无法保证传递系数法在任何情况下都能提供准确的答案。斯宾塞法和摩根斯坦一普赖斯法得到的结果与简化毕肖普法计算结果基本上一样。莎尔玛法的基本假定是和摩根斯坦一普赖斯法一样，但该法采用假想的临界水平地震加速度作为衡量土坡稳定程度的标准而使安全系数等于1，这样可以不用试算或迭代，使计算工作大为简化。但由于缺少使用方面的经验，影响了该法的广泛使用。这里介绍了用于边坡稳定分析计算的确定性分析方法，在边坡稳定性工程地质评价方面，由于系统规模较大，评价指标的类型以及度量标准不同，评价信息不完整等原因，人们难以用确定性分析方法对它进行精确的描述，因此在边坡工程中我们可以根据实际需要选择恰当的边坡稳定分析方法。2.3.7 最危险滑弧圆心位置的确定很据大量计算的经验，最危险滑动圆弧的圆心，是在一条辅助线上，辅助线的位置，可按下述方法绘出：1、4.5H法（如图2-7所示）图2-7 4.5H法由坡脚A点向下做垂线，量取路堤高H得M点；由M点引水平线，量取4.5H，得D点，在A点作一与边坡夹角为1的直线AE。在堤顶B点作与堤顶水平线成夹角2的直线BE，并与AE相交于E点（1和2角的数值，见表2-1）。联结DE点，并向外延伸。当填料为软粘土（=0）时，最危险滑动圆的圆心位置即在E点；而当0时，最危险的圆心位置在DE线的延长线上。可在此延长线上定35个圆心位置，计算相应的稳定系数，由此得出最小值。有时为可靠起见，在此最小值附近，沿垂直DO延长线的方向。再设几个圆心，求算有无更小的稳定系数值。表2-1 1和2角的数值边坡坡度1:0.51:0.751:1.01:1.251:1.51:1.751:2.01:2.5边坡倾角632653084538403341294526342358129302928272625252524039373530353535352、36法（如图2-8）图2-8 36法在堤顶B处作与堤顶水平线成夹角36的直线BE，最 危险圆弧的圆心位置，可找再找到最危险的圆心位后，还垂直此直线方向，再补找几个圆心位置，验算有无更小的稳定系数值。36法比较简便，但精度不如4.5H法。对于重要的边坡，宜采用4.5H法。以上两种方法均适用于边坡坡顶水平、滑动圆弧通过边坡破脚的情况。用前面已叙述的方法确定临界圆心的位置，寻找临界圆弧，计算最小安全系数Fsmin，用以判别土坡的稳定性。工程上有如下要求： FsminFs （2-21）2.4 路堤工程地震稳定性计算原理中国地震烈度区划图中所规定的基本烈度为7、8、9度地区的公路工程抗震设计。对于基本烈度大于9度的地区，公路工程的抗震设计应进行专门研究，基本烈度为6度地区的公路工程，除国家特别规定外，可采用简易设防。在进行地震优化设计以后，在发生与之相当的基本烈度地震影响时，位于一般地段的高速公路、一级公路工程，经一般整修即可正常使用；位于一般地段的二级公路工程及位于软弱粘性土层或液化土层上的高速公路、一级公路工程，经短期抢修即可恢复使用，三、四级公路工程和位于抗震危险地段、软弱粘性土层成液化土层上的二级公路以及位于抗震危险地段的高速公路、一级公路工程，保证桥梁、隧道及重要的构造物不发生严重破坏。对构造物的地震作用，应根据路线等级及构造物的重要性和修复（抢修）的难易程度，按表2-2进行修正。表2-2 重要性修正系数Ci路线等级及构造重要性修正系数Ci高速公路和一级公路上的抗震工程1.7高速公路和一级公路的一般工程、二级公路上的抗震重点工程、二、三级公路上桥梁的梁端支座1.3二级公路的一般工程、三级公路上的抗震重点工程、四级公路上桥梁的梁端座1.0三级公路的一般工程、四级公路上的抗震重点工程0.6验算构造物地震作用时，水平地震系数Kh应按表2-3 采用。表2-3 水平地震系数Kh基本烈度（度）789水平地震系数Kh0.10.20.4公路抗震规范规定：验算路基和挡土墙的抗震强度和稳定性，只考虑垂直路线走向的水平地震荷载。地震荷载应与结构重力、土的重力和水的浮力相组合，其它荷载不考虑。地震荷载采用静力法计算。水平地震荷载按下式计算： Ehs=CiCzKhGs （2-22） 式中：Ci重要性修正系数，取1.0；Cz综合影响系数，取Cz = 0.25；Kh水平地震系数，取0.4；Gs路基计算土体的重(kN)； Ehs作用于路基计算土体重心处的水平地震荷载(kN)；2.5 典型案例分析已知一均质土坡，高18.7m，边坡坡率1:1.5。土的容重=18kN/m3，内摩擦角=30，粘聚力c=17kPa，试用条分法检算土坡的稳定性。解：本算例按照瑞典条分法检算土坡稳定性。图2-9 计算简图1、如上图所示，在CAD作图，用4.5H法找到最危险圆弧画面，在图中辅助线上定出圆心O1。由图中查出=45.81，由表2-1查出1=262=35。2、将滑体ABC分条，分为 11条，前10条宽4m，第12条2.16m，计算各土条相应滑弧的倾角i，计算各土条的重量Wi，并分解为Ni及Ti。 Ni=Wicosi Ti=Wisini3、AC总长为AC=l=1802R=245.81H1802sinsin=39.87（m）4、根据以上数据，列表计算如表2-2表2-4 条分法检算土坡的稳定性土条编号土条重Wi（kN）倾角i（度）WIsinI(kN)WIcosI(kN)AC 长（m）1143.24-21.86-53.33132.94l=1802R=245.81H1802sin34sin45.81=39.872409.91-10.76-76.53402.703638.32-3.57-39.75637.084830.333.5751.70828.725985.9110.76184.06968.5861103.2418.13343.301048.4771185.4825.82516.331067.1381107.7034.06620.38917.689875.0343.19598.89637.9710537.4453.99434.74315.981190.6566.1882.9336.61合计2662.696993.8639.87根据上表计算，有 Fs1=WIcosItan+clWIsinI=tan306993.86+1739.872662.69=1.77Fs=1.35稳定性系数满足公路路基设计规范的要求。因此该滑面稳定。5、在辅助线上另找O2,O3,O4,O5四个圆心，按同法计算得 Fs2=1.58 ；Fs3=1.46 ；Fs4=1.45 ；Fs5=1.50将五个圆心所确定的稳定性系数作比较，见图2-10： 图2-10 稳定性系数分析由此五个圆心的计算结果，得知最小安全系数为Fs4=1.45Fs=1.35，所定边坡属于稳定。6、地震工况下路基稳定性检算，只考虑垂直路线走向的水平地震荷载，水平地震荷载按下式计算： Ehs=CiCzKhGs 根据以上正常工况下计算的圆弧最危险滑面，圆心为O4的滑面最危险,其稳定性系数 Fs4=1.45，因此在地震工况下此滑面自动满足最危险滑面，因此只需计算此滑面对应的稳定性系数即可确定路堤整体稳定性是否满足规范要求。下面列表2-3计算地震烈度为9度工况下的稳定性系数。表2-5 地震烈度为9度工况下的路堤稳定性检算土条编号土条重 （kN）倾角度(kN)(kN)（kN）（kN）（kN）-+187.123.034.6186.548.710.46 8.70 86.08 13.30 2247.149.1239.17244.0224.713.92 24.40 240.10 63.57 3376.3815.3299.44363.0137.649.94 36.30 353.06 135.75 4471.4221.71174.38437.9847.1417.44 43.80 420.54 218.18 5527.9428.4251.10464.4052.7925.11 46.44 439.29 297.54 6538.7435.54313.15438.3853.8731.31 43.83 407.07 356.99 7491.9443.38337.88357.5549.1933.79 35.75 323.76 373.63 8260.4652.42206.42158.8526.0520.64 15.89 138.20 222.30 合计2408.111681.26圆弧AC长l=1802R=229.77H1802sin34sin29.77=34.99m。根据上表计算： Fs=（WIcosI-Ehssini）tan+cl（WIsinI+Ehscosi）=tan302408.11+1734.991681.26=1.18地震烈度9度工况下路基稳定性系数为1.15，则本边坡属于稳定。2.6 小结本章的主要内容分为两部分：第一部分介绍边坡稳定性分析及抗震优化设计的基本原理，着重介绍了分析黏性土坡稳定性问题是用到的极限平衡法，如瑞典条分法、毕肖普法、简布普遍条分法等，这些方法都各有优缺点，必须根据实际工程的需要选用。第二部分利用一个路堤边坡稳定性分析的典型案例来熟悉、验证这些原理。第3章 路堤工程抗震优化设计初探3.1 理正软件简介随着科技和计算机技术的发展，以往不可能靠手工完成的工作现在己经能够依靠计算机的强大计算能力解决，在边坡稳定分析方面也是如此，因此本部分设计计算采用理正岩土工程计算软件，它能够计算挡土墙、护坡、基坑支护等与岩土工程相关的支挡结构，应用较广。理正岩土软件采用瑞典条分法、简化Bishop法、JanBu法进行圆弧破裂面稳定计算，采用摩根斯顿普赖斯法、简化Bishop法、简化