《路基稳定分析计算》PPT课件.pptVIP

第四章 路基稳定性分析计算 大连交通大学土木与安全工程学院赵丽华zhaolihua1015 Tel 0411 84106242 主要内容 第一节概述 第二节直线滑动面的边坡稳定性分析 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 第四节软土地基的路基稳定性分析 第五节浸水路堤的稳定性分析 第六节路基边坡抗震稳定性分析 第一节概述 边坡滑坍是公路工程中常见的一种破坏现象 它直接影响行车安全 因此 对有可能出现滑坍或己出现滑坍的路基有必要进行稳定性分析 以便采取合理有效的防止或整治措施 第一节概述 路基稳定性设计的任务 对路基边坡是否会产生滑坍等失稳现象进行计算和验算 以确定合理的边坡形式和边坡坡度 第一节概述 第一节概述 1 边坡种类 天然边坡 人工边坡 第一节概述 天然边坡 江 河 湖 海岸坡山 岭 丘 岗 天然坡 第一节概述 人工边坡 挖方 沟 渠 坑 池填方 堤 坝 路基 堆料 露天矿 小浪底土石坝 第一节概述 2 什么是滑坡 边坡丧失其原有稳定性 一部分土体相对与另一部分土体滑动的现象称滑坡 土坡滑坡前征兆 坡顶下沉并出现裂缝 坡脚隆起 第一节概述 第一节概述 内部原因 1 土质 各种土质的抗剪强度 抗水能力是不一样的 如钙质或石膏质胶结的土 湿陷性黄土等 遇水后软化 使原来的强度降低很多 2 土层结构 如在斜坡上堆有较厚的土层 特别是当下伏土层 或岩层 不透水时 容易在交界上发生滑动 3 边坡形状 突肚形的斜坡由于重力作用 比上陡下缓的凹形坡易于下滑 由于粘性土有粘聚力 当土坡不高时尚可直立 但随时间和气候的变化 也会逐渐塌落 3 路基失稳的原因 第一节概述 外部原因 1 降水或地下水的作用 持续的降雨或地下水渗入土层中 使土中含水量增高 土中易溶盐溶解 土质变软 强度降低 还可使土的重度增加 以及孔隙水压力的产生 使土体作用有动 静水压力 促使土体失稳 故设计斜坡应针对这些原因 采用相应的排水措施 2 振动的作用 如地震的反复作用下 砂土极易发生液化 粘性土 振动时易使土的结构破坏 从而降低土的抗剪强度 车辆运动 施工打桩或爆破 由于振动也可使邻近土坡变形或失稳等 3 人为影响 由于人类不合理地开挖 特别是开挖坡脚 或开挖基坑 沟渠 道路边坡时将弃土堆在坡顶附近 在斜坡上建房或堆放重物时 都可引起斜坡变形破坏 3 路基稳定性分析的原因 第一节概述 根本原因 边坡中土体内部某个面上的剪应力达到了它的抗剪强度 具体原因 1 滑面上的剪应力增加 2 滑面上的抗剪强度减小 3 路基失稳的原因 4 边坡稳定性分析的计算参数calculatingparametersofslopestabilizationanalysis土的计算参数calculatingparametersofsoil 1 路堑或天然边坡cuttingornaturalslope原状土的重度r 内摩擦角 粘结力c 应在最不利的潮湿状态下 取原状土样进行试验 2 路堤边坡embankmentslope压实后土的重度r 内摩擦角 粘结力c 3 多层土体构成的边坡 加权平均值 第一节概述 1 对于路堑天然边坡或地基部分 取原状土 c 测试方法 采用原位剪切试验 直剪试验或三轴试验 注意 1 施工期稳定分析 采用cu u 直剪快剪或三轴不排水剪 2 运营期稳定分析 新建路堤采用ccu cu 直剪固结快剪或三轴固结不排水剪 已建成路堤采用cu u 直剪快剪或三轴不排水剪 2 对路堤边坡 取与现场压实度一致的压实土试验数据 第一节概述 试验参数 原位剪切试验 通常采用十字板剪切试验进行 十字板剪切试验是一种用十字板测定软粘性土抗剪强度的原位试验 将十字板头由钻孔压入孔底软土中 以均匀的速度转动 通过一定的测量系统 测得其转动时所需之力矩 直至土体破坏 从而计算出土的抗剪强度 由十字板剪力试验测得之抗剪强度代表土的天然强度 直接剪切试验是通过在预定的剪切面上分别直接施加法向压力和剪应力求得土的抗剪强度指标的试验 根据剪切时排水条件 直接剪切试验方法可分为快剪 不排水剪 慢剪 排水剪 及固结快剪 固结不排水剪 等 按施加剪力的方式不同 直接剪切仪分应变控制式和应力控制式两种 前者是通过弹性钢环变形控制剪切位移的速率 后者是通过杠杆用砝码控制施加剪应力的速率 测相应的剪切位移 目前多用应变控制式 应力控制式只适用于作慢剪及长期强度试验 三轴压缩试验 三轴剪切试验 三轴压缩试验是测定土抗剪强度的一种较为完善的方法 三轴压缩仪由压力室 轴向加荷系统 施加周围压力系统 孔隙水压力量测系统等组成 对应于直接剪切试验的快剪 固结快剪和慢剪试验 三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件 分为以下三种试验方法 1 不固结不排水试验试样在施加周围压力和随后施加竖向压力直至剪切破坏的整个过程中都不允许排水 试验自始至终关闭排水阀门 2 固结不排水试验试样在施加周围压力 3打开排水阀门 允许排水固结 待固结稳定后关闭排水阀门 再施加竖向压力 使试样在不排水的条件下剪切破坏 3 固结排水试验试样在施加周围压力 3时允许排水固结 待固结稳定后 再在排水条件下施加竖向压力至试件剪切破坏 三轴压缩仪的突出优点是能较为严格地控制排水条件以及可以量测试件中孔隙水压力的变化 此外 试件中的应力状态也比较明确 破裂面是在最弱处 而不像直接剪切仪那样限定在上下盒之间 直剪试验和三轴试验的优缺点 直剪试验 优点 直剪仪构造简单 操作简单 在一般工程中应用广泛 缺点 a 不能严格控制排水条件 不能量测试验过程中试样的孔隙水压力 b 剪切面不是沿土样最薄弱的面剪切破坏 c 剪切过程中剪切面上的剪应力分布不均匀 剪切面积随剪切位移的增加而减 三轴试验 优点 能严格控制排水条件 从而量测试验过程中试样的孔隙水压力 以测定获得土中有效应力的变化情况 试样中的应力分布不均匀 所以 试验效果比直剪试验成果更可靠 准确 缺点 a 试验仪器较复杂 操作技术要求高 且试样制备比较麻烦 b 试验是在轴对称情况下进行的 边坡稳定性分析边坡的取值slopestabilizationanalysisandthevaluecalculationofslope折线形 阶梯形边坡 一般取平均值 汽车荷载当量换算equivalentconversionofautomobileloads当量土柱高h0equivalentearthpillarheighth0在边坡稳定性验算时 为简化计算 需要将作用在路基上的汽车荷载换算成作用效果相同的一定厚度土 换算土的重度与路基土相同 该等效土层h0称为换算土柱高 h0 当量土柱高度 m 土的重度 kN m3N 横向分布车辆数单车道N l 双车道N 2 多车道按实际布置Q 每一辆重车的重量 Q 550kNL 汽车前后轴轮胎距离 L 12 8mB 横向分布车辆轮胎最外缘之间总距 mB Nb N 1 m db 每 车辆的轮胎外缘之间的距离 b 1 8mm 相邻两车辆轮胎之间的净距 m 1 3md 轮胎着地宽度 d 0 6m 1 可分布在行车道宽度范围内 2 考虑实际行车有可能偏移或车辆停放在路肩上 也可认为当量土层分布于整个路基宽度上 荷载分布方式 第一节概述 5 假定 均质粘性土 光滑曲面 圆柱面 圆弧 非均质的多层土或含软弱夹层的土坡 复合滑动面 滑动面的形状 无粘性土 平面 第一节概述 直线曲线折线 工程地质法 比拟法 力学分析法图解法 6 土坡稳定性分析方法 1 按失稳土体的滑动面特征划分 2 稳定性分析计算方法 第二节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 两者合称砂类土SandSoil 土的抗力以内摩擦力为主 粘聚力甚小 边坡破坏时 破裂面近似平面 1 适用范围 原理 假定几个不同的滑动面 按力学平衡原理对每个滑动面进行边坡稳定性分析 确定最危险滑动面 并以此滑动面进行边坡稳定性分析判断 假设条件assumptiveconditions1 不考虑滑动土体本身内应力的分布 2 认为平衡状态只在滑动面上达到 滑动土体整体下滑3 极限滑动面位置通过试算确定 第二节直线滑动面的边坡稳定性分析 路基边坡稳定系数K 假定滑动面AD 则对应的滑动稳定系数K为对于不同的滑动面 稳定系数K不一样 路基边坡稳定系数就是指 路基所有滑动面的稳定系数中的最小值 2 试算法 式中 滑动面的倾角 f 摩擦系数 f tan L 滑动面的长度 N 滑动面的法向分力 T 滑动面的切向分力 c 滑动面上的粘结力 Q 滑动体的重力 直线滑动面上的力系示意图方法 假定 计算K与 的关系 第二节直线滑动面的边坡稳定性分析 均质砂类土路堤边坡 3 解析法 边坡稳定系数最小值 式中 第二节直线滑动面的边坡稳定性分析 练习题已知某碎石路堑边坡 高11米 坡率为1 0 75 碎石土的单位体积的重力 22kN m3 内摩擦角 40 粘结力c 12kPa 试分析此边坡的稳定性 如图所示路堑 坡顶地面水平 坡体的天然容积密度r 20KN m3 软弱构造面上的抗剪指标 在最不利季节时 单位粘聚力c 5KPa 内摩擦角 30 试验算边坡是否会沿软弱构造面下滑 讨论 成层砂类土路基 Stratifiedsandysoilsubgrade 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 土的粘力使边坡滑动面多呈现曲面 通常假定为圆弧滑动面 圆弧法适用于粘土 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 1 适用范围 粘性土 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 2 分析方法瑞典法 WolmarFellenius法 简化的Bishop法传递系数法 假定滑动面为圆柱面 截面为圆弧 利用土体极限平衡条件下的受力情况 滑动面上的最大抗滑力矩与滑动力矩之比 饱和粘土 不排水剪条件下 u 0 f cu 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 3 圆弧滑动面的分析法 假设圆弧滑动面 确定圆心和半径 把滑动土体分成若干条 条分法 建立土条的静力平衡方程求解 取单位厚度计算 O r Wi Ei Vi Ei 1 Vi 1 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 4 圆弧滑动面的条分法 1 瑞典圆弧滑动法步骤 假设 静定化条件 各土条间的合力Si Si 1平行于滑动面 并且相等 Si Si 1 建立土条垂直于滑动面的静力平衡方程 得 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 4 圆弧滑动面的条分法 2 瑞典圆弧滑动法平衡公式 粘性土土坡滑动前 坡顶常常出现竖向裂缝 裂缝的出现将使滑弧长度由AC减小到A C 如果裂缝中积水 还要考虑静水压力对土坡稳定的不利影响 K是任意假定某个滑动面的抗滑安全系数 实际要求的是与最危险滑动面相对应的最小安全系数 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 3 瑞典圆弧滑动法原理 顶面有开裂 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 1 圆心确定计算之前需要先用圆心辅助线法确定滑动圆弧的圆心位置 4 5H法 5 瑞典圆弧滑动条分法 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 5 瑞典圆弧滑动条分法 圆心确定2 其他辅助方法 36 线法 讨论 粘性土路堑边坡圆心辅助线 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 5 瑞典圆弧滑动条分法3 1和 2的确定 R O 对均质粘性土土坡 其最危险滑动面通过坡脚 0 O E 0 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 5 圆弧滑动面的条分法 4 最危险滑动面圆心的确定 4 最危险圆弧滑动面圆心的确定 续 当土的内摩擦角 0时 最危险圆弧滑动面为一通过坡脚的圆弧 其圆心为D点 当土的内摩擦角时 最危险圆弧滑动面也为一通过坡脚的圆弧 其圆心在ED的延长线上 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 滑动土体分为若干垂直土条 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 5 圆弧滑动面的条分法 5 条分法基本思路 滑动力矩 抗滑力矩 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 5 条分法基本思路 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 由于 式中 Ni 各土条的法向应力 Ti 各土条的切向应力 i 各土条重心与圆心连接线对竖轴y的夹角 L 滑动面圆弧全长 0 圆心角 6 瑞典圆弧滑动条分法总示意图 对于外形复杂 0的粘性土土坡 土体分层情况时 要确定滑动土体的重量及其重心位置比较困难 而且抗剪强度的分布不同 一般采用条分法分析 7 条分法分析步骤I 按比例绘出土坡剖面 任选一圆心O 确定滑动面 将滑动面以上土体分成几个等宽或不等宽土条 每个土条的受力分析 静力平衡 假设两组合力 Ei Vi Ei 1 Vi 1 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 7 条分法分析步骤 滑动面的总滑动力矩 滑动面的总抗滑力矩 确定安全系数 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 条分法计算步骤 圆心O 半径R 分条 编号 列表计算Wibi i 变化圆心O和半径R Fs最小 END 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 1 表解法和图表法主要是对条分法进行简化后的粗略估算使用表解法见 式4 9 和图解法 4 10式 2 解析法针对高塑性土 具体分为坡脚圆法和中点圆法坡脚圆法见 式4 14 和中点圆法见 式4 17 6 圆弧滑动面的图表法及解析法 7 存在问题 1 简便法在力学上的矛盾 计算假定引起 si 1 si si si 1 2 相临土条的si不相等 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 8 简化的Bishop法 1955 建立土条侧面力平衡方程 土条i Hi Hi 1 Hi 因 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 忽略成对条间力产生的力矩 按滑动体整体力矩平衡 则 Hi 0 一般式 简化式 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 由于 因P1 0 63 通常迭代3 4次就可满足精度要求 迭代法求Ks 假定Ks 1 0 计算m i Ks Ks 是 否 Ks Ks 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 几种稳定性验算方法的比较 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 9 公路路基设计规范验算方法 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 9 公路路基设计规范验算方法 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 9 公路路基设计规范验算方法 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 10 不平衡推力法 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 10 不平衡推力法不平衡推力法假定各土条间推力Pi 即水平力Ei和竖向力Vi的合力 的作用方向平行于上侧土条滑动面的倾角 由土条滑动面上切向力平衡条件得到Ei Wisin i Ei 1cos i 1 i Ti因代入得 Ei Wisin i Ei 1cos i 1 i 再由土条滑动面上法向力平衡条件得到Ni Wisin i Ei 1sin i 1 i 代入得 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 10 不平衡推力法 第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析 10 公路路基设计规范要求路堤稳定安全系数要