土坡稳定分析.ppt

土坡稳定分析 基本内容 土坡的概念和分类影响土坡稳定性的因素土坡稳定性分析方法的分类无粘性土坡的稳定分析方法瑞典圆弧法 瑞典条分法 Janbu条分法最危险滑动面的确定方法土坡稳定性分析方法应注意的问题商业化极限平衡分析软件简介边坡容许安全系数 学习要求 掌握土坡滑动失稳的机理 无粘性土坡的计算方法 均质土坡的整体稳定分析方法和条分法 土坡的概念和分类 土坡是指具有临空倾斜坡面的土体 如图1所示 图1 按形成原因来分类 自然边坡 是指天然形成的山坡和江河湖海的岸坡 人工边坡 是指人工开挖基坑 基槽 路堑或填筑路堤 土坝形成的边坡 影响土坡稳定性的因素 1 坡形 坡度越缓越稳定 坡高越小边坡越稳定 2 组成土坡材料的性质 土的性质越好 土坡越稳定 3 设计和施工不当 如削坡过陡 未逆序施工等 4 土坡遭受荷载 如基坑的开挖 路堤的填筑 土坡顶面上作用外荷载 土体内水的渗流 地震力的作用等也都会破坏土体内原有的应力平衡状态 易导致土坡失稳 5 土体抗剪强度降低 如冻溶 降雨入渗降低土强度 土坡附近因打桩 爆破或地震力的作用将引起土液化或触变 也可使土中孔隙水压力升高有效应力降低 从而降低土的强度 易诱发土坡失稳 6 土坡上的裂缝被水充填形成不利于边坡稳定的水压力 土坡稳定分析方法的分类 无粘性土坡的稳定分析方法 根据实际观测 由均质无粘性土构成的土坡 破坏时滑动面大多近似于平面 成层非均质无粘性土构成的土坡 破坏时的滑动面也往往近于一个平面 因此在分析无粘性土坡稳定时 一般均假定滑动面是平面 图2无粘性土坡示意图 假定图2所示土坡为简单土坡 其坡度不变 顶面和底面都是水平的 且土质均匀 无地下水 坡高为H 坡角为 土的重度为 内摩擦角为 沿土坡长度方向截取单位长度土坡 作为平面应变问题分析 取坡面上一微元 其所受重力为W 把W进行分解 有 W在坡面上的平均法向分力N Wcos 由此产生的抗滑力Tf为 Tf Ntan Wcos tan 1 W在坡面上产生的平均下滑力T为 T Wsin 2 则有 3 当 时 土坡就是稳定的 据上述分析 无粘性土坡所能形成的最大坡角就是其最大内摩擦角 根据这一原理 工程上可以通过堆砂锥体法确定砂土的内摩擦角 自然休止角 完全处于静水压力条件下的无粘性土坡 其稳定性同样按式3进行求解 粘性土土坡在破坏时 其滑动面通常近似于圆柱面 在横断面上则近似于圆弧形 为简化计算 在粘性土坡的稳定性分析中 常假设滑动面为圆弧面 瑞典圆弧法 瑞典条分法 Janbu条分法 一 瑞典圆弧法 图3瑞典圆弧法受力示意图 假设图3的坡为均质粘土坡 滑动土体为刚体 滑体内聚力为C 内摩擦角为 W是促使土坡滑动的力 沿着滑面AC分布的抗剪强度 f和W在滑面上的反力N是抵抗土坡滑动的力Tf 将滑动力W及抗滑力Tf分别对圆心O取矩 得滑动力矩Ms及抗滑力矩Mr 4 考虑滑体重力对滑面形成的反力使问题变得较为复杂 一般仅考虑 0 此时反力垂直于滑面 不产生力矩 因此 Tf仅等于C 式4变为 5 仅适用于 0的简单土坡 二 条分法概述 条分法 就是把滑体分为若干假设为刚体的土条 分别求出各土条上力对圆心的抗滑力矩和滑动力矩 然后 4 式求Fs 一般分析为简化问题 不考虑孔隙水压力和地震力作用 图4条块间作用力示意图 土条间作用力数量统计 1 各土条下法向反力Ni 计n个 2 Fs 1个 3 两相邻土条界面上的法向作用力Pi 计n 1个 4 两相邻土条界面上的切向作用力Hi 计n 1个 5 各土条下Ti和Ni合力作用点 计n个6 两相邻土条间力Pi和Hi合力作用点位置 计n 1个若土条划分得很薄 则土条下Ti和Ni合力作用点可看成是其底部的中点 则该量已知 合计 4n 2个未知量每一土条可建立水平向和垂直向的静力平衡 力矩平衡方程各一个 全部土条为3n个因此 还有n 2个未知量 这是一个高次超静定问题 解决办法 1 引进土体本构方程 但会使问题变得非常复杂2 作出简化条件 以减少未知量或增加方程数表1为各种计算方法的简化方式 表1主要计算方法解决超静定的简化方法 二 瑞典条分法 假定条块间作用力不影响土坡整体稳定性 滑动面为圆弧 条块为刚体 土坡不受振动作用 坡体中无地下水 图5瑞典条分法 滑动力矩 2 抗滑力 沿滑面土的抗剪强度和由重力作用于滑面的法向力反力所产生的摩擦力两部份组成 即 1 因土条为刚体 重力只产生沿滑面分布的下滑力 抗滑力矩 单一土条上的力和力矩 则安全系数 土条抗滑力矩 土条滑动力矩 该法只满足整体力矩平衡 得到的安全系数偏于安全 但该法应用时间较长 积累了丰富的经验 目前工程上仍较为常用 6 三 Janbu条分法 可分析非圆弧滑动面土坡的稳定性 有两个假设条件 1 滑动面上切向力等于此处土所能发挥出的抗剪强度 即 2 土条两侧法向力作用点位于土条底面以上1 3高度处 7 图6Janbu条分法土条受力图 i是滑面的倾角 为简化问题 不考虑孔隙水压力和地震力作用 由竖向静力平衡条件 可得 8 9 由水平向静力平衡条件 可得 10 11 将式 9 代入式 11 得 12 据简布第一假设条件 13 将式 9 代入式 13 求解 得 14 将式 14 代入式 12 得 15 图7Janbu土条侧面法向力 如图7所示 P1 P1 P2 P1 P2 P1 P2 依此类推 若边坡不受水平外力作用 则有 16 如此 则可对式 15 进行求和 得 17 18 记 则有 19 可按图8进行取值 就是滑面倾角 与式 19 中的 相当 图8m 取值图 最危险滑动面的确定方法 根据前面的各方法算出的Fs并不一定是安全系数的最小值 需要合适的方法来寻找最危险滑动面圆心 Fellenius对此提出了经验方法 图9最危险滑动圆心的确定方法 按比例绘制的安全系数 表2各种坡角的 1 2值 土坡稳定性分析方法应注意的问题 1 工程实际中的边坡形态各异 构成边坡的地层千差万别 选取的滑动面不一定代表真正的滑动面 也可能是圆弧加折线的复合滑动形式 2 基岩上的粘土层不一定沿圆弧滑动 很可能是折线型的 此时宜用折线型滑面的计算方法 3 土坡中有渗透水流时 还要考虑地下水运动所带来的渗透水压力 4 有振动荷载时 需要考虑动荷载对土坡稳定性的作用 5 抗剪强度参数的选取很重要 如历史上多次失稳的边坡其抗剪强度参数就得使用残余剪切强度指标 图10复合型滑动面 商业化极限平衡分析软件简介 商业化的极限平衡分析软件里 国产的有理正岩土计算软件比较知名 国外产的有Geo slope公司的slope w和Rocscience公司Slide软件 均为加拿大的产品 后者的主要创始人为提出Hoek Brown本构方程的Hoek先生 SLOPE W的优点 建模容易 操作简便 可直接用AutoCAD底图建模 计算结果可以多种格式输出 可与其他模块进行松耦合计算 如有限元应力分析或动力分析 边坡稳定性分析时可计算孔隙水压力 SLOPE W的缺点 不易精确建模 对透镜体的处理存在较大的难度 滑动面圆心的选择比较啰嗦 圆弧半径范围的确定也较啰嗦 单条折线型滑动面不能计算Fs 这很让人上火 SLIDE的优点 可用坐标直接建模 也可直接导入DXF文件 操作极其简便 可限定也可不用限定滑动面圆心和滑弧半径 可自动搜索滑弧圆心和半径 可计算单条任意形状滑动面的Fs 可进行可靠度计算 参数敏感性分析 可查看已算出的任意Fs及其滑动面 可与有限元应力分析模块进行松耦合计算 不能与动力分析耦合 边坡稳定性分析时可与地下水有限元分析相耦合 SLIDE的缺点 无可耦合的动力分析模块 没有详细的操作手册 表3瑞典条分法计算数据 Wisin I 3584KN Wicos Itan I 4228KN cilI 650KN Fs 1 36 图11瑞典条分法手工计算模型图 图12Slide软件中瑞典条分法的计算模型及结果 Ordinary fellenius 1 172Bishopsimplified 1 226Janbusimplified 1 163Spencer 1 223Gle morgenstern price 1 222 边