第三章--边坡稳定性分析.ppt

1 第三章路基边坡稳定性设计 3 1概述 3 2直线滑动面边坡稳定性计算 3 3曲线滑动面边坡稳定性计算 3 4浸水路堤稳定性计算 3 5软土地基的路基稳定性分析 3 6路基边坡抗震稳定性分析 2 第三章路基边坡稳定性设计 3 1概述 高填深挖 陡坡路堤 浸水路堤 以及滑坡或软土等不利条件下的特殊路基 一 边坡稳定性设计的对象 边坡失稳 3 二 失稳岩土体的型态特征 土质路基边坡 路堤稳定性评价涉及土强度参数 边坡高度 荷载等参数 参数获取可采用室内试验 现场试验等不同的方法 说明 4 边坡失稳岩体的滑动面主要是地质构造面上的软弱面 岩质路基边坡 岩石路堑边坡的稳定性除受其岩性 边坡高度及施工方法等因素影响外 还在很大程度上取决于岩体结构 结构面产状及风化程度 说明 5 三 相关参数计算 土的计算参数 路堑及天然边坡土 路堤边坡取土 多层土体 边坡的取值 对于折线形或阶梯形边坡 一般可取平均值 原状容重 内摩擦角及粘聚力 采用加权平均值 现场压实土的容重 内摩擦角及粘聚力 6 汽车荷载当量换算 N 横向分布的车辆数Q 每一辆车的重力 路基填料的容重L 汽车前后轴 或履带 的总距B 横向分布车辆轮胎最外缘之间的总距 7 四 稳定性分析计算方法 边坡稳定性评价宜综合采用工程地质类比法 力学分析法 数值分析法和图解分析法 进行 1 工程地质类比法 以长期生产经验与大量资料调查为依据 凭经验判断边坡的稳定性 8 土的极限平衡状态只在破裂面上达到 破裂面的位置要通过计算才能确定 破裂面以上的不稳定土体沿破裂面作整体滑动 不考虑其内部的应力分布不均和局部移动 基本假定 2 力学分析法 假定边坡沿某一形状滑动面破坏 根据力学平衡原理 计算岩土体在破坏面上达到极限平衡时的安全系数 力学分析法主要包括 圆弧滑动面法 平面滑动面法 传递系数法等 9 3 2直线滑动面的边坡稳定性计算 纯净砂类土c 0 则 例 纯净砂类土边坡 取K 1 25 40 用1 1 5边坡率 33 41 时 一 试算法 arc 0 8 tan40 33 52 可判断边坡稳定 10 二 解析法 利用K f 的函数关系 计算最小稳定系数值 11 二 解析法 最小稳定系数为 12 成层砂类土边坡 13 例题 P75 某挖方边坡 已知 250 c 14 7kpa 17 64KN m3 H 6 0m 拟采用1 0 5的边坡 验算其稳定性 求允许的边坡坡度 14 3 3圆弧滑动面的边坡稳定性计算 适用于粘性土组成的路基边坡滑动面的稳定性验算 圆弧条分法 15 一 圆弧条分法原理 边坡稳定的安全系数用破裂面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比来定义 即 计算中不考虑土条间的相互作用力 破裂面为圆柱面 计算时将破裂棱体划分为若干竖向土条 16 计算稳定系数 滑动力矩 抗滑力矩 该滑动面的稳定系数为 切向力 计算时通常选取若干可能的滑动面 分别为通过坡脚与路基顶面中点 1 4路基宽处 外侧坡顶等两点弦线的圆弧 17 最危险破裂面滑动圆弧临界圆心的确定 根据上述确定的若干个滑动圆弧 计算出每一滑动体的稳定系数K 绘出K值曲线 在图上可定出最危险破裂面的临界圆心 18 连接坡脚与坡顶得边坡线AB 据其坡率m 查表4 1得 1 2 AB及坡顶水平线在A B点分别作角 1 2 交点为0 二 有关圆弧条分法的几个问题 确定滑动面圆心辅助线 4 5H法或36 法 适用于坡脚圆 4 5H法 连接OD即得圆心辅助线 由坡脚A向下作垂线AC H 注 H高度 过C点作水平线CD 4 5H 19 自B点作水平线 过B点和水平线作36o角即圆心辅助线 36o法 虑荷载当量土层高度 20 该法供拟定设计方法或粗略估算用 应用时按坡率m查表4 3计算o1 5五组圆心所对应的K值 Kmin值即为最危险滑动圆心位置时的稳定系数 三 条分法的表解 21 例 已知某土坡 220 c 9 8kpa 16 66KN m3 m 1 5 H 10 0m试计算边坡稳定性 根据m 1 5 查表得五个圆心的A和B值 f 0 404 Kmin 1 26 22 四 条分法的图解 基本原理 K 1 0 令 23 例 已知某土坡 220 c 9 8kpa 16 66KN m3 m 1 5 H 10 0m试计算K 1 5时的a值 根据条分法图解 当 220时 a 450 K 1 5 a 300 边坡取值为1 2 24 五 圆弧滑动面的解析法 M ABDF M AGD M AGB M ADF 稳定性计算 25 例题计算 例题 已知 路基高度13m 顶宽10m 其横截面初步拟定如图所示 路基填土为粉质中液限亚粘土 土的粘聚力c 10kpa 内摩擦角为240 容重为 17KN m3 荷载为挂车 80 一辆车重力800KN 试分析其边坡稳定性 26 例题计算 27 例题计算 解 1 用方格纸以1 50比例绘出路堤横断面 2 换算土层厚度数h0 2 0m 3 确定圆心辅助线 4 绘出滑动曲线 5 确定圆弧中心 6 分块 8段 每5m一段 7 计算偏角 8 计算面积 9 计算重力 10 计算法线 切线方向分力 11 计算圆弧长 12 计算稳定系数 28 例题计算 解 1 用方格纸以1 50比例绘出路堤横断面 2 将挂车 80换算成土柱高 当量高度 设其中一辆挂车停歇在路肩上 另一辆以最小间距d 0 4m与它并排 换算土柱高为 式中 L 纵向分布长度 等于汽车后轴轮胎的总距 L 6 4mB 横向分布车辆轮胎最外缘问总距 其中 N为车辆数 等于2 d为车身之间的净距 等于0 4m b近似地取车身宽度 等于3 5m ho取2 0m 29 3 按4 5H法确定滑动圆心辅助线 在此取 250 由表4 1得 l 250 2 350 作圆心辅助线 4 绘出三条不同位置的滑动曲线 1 一条通过路基中线 2 一条通过路基的右边缘 如图圆弧所示 3 一条通过距右边缘1 4路基宽度处 5 滑动圆弧中心可通过试算确定 也可采用另一种方法 用直线连接可能滑弧的两端点 并作此直线的中垂线相交于滑动圆心辅助线 图中为A点 即是该滑动曲线的中心 6 将圆弧范围土体分成8 10段 本例采用8段 先出坡脚起每5m一段 最后一段略少 7 算出滑动曲线每一分段中点与圆心竖线之间的偏角ai 30 8 每一分段的滑动弧曲线可近似取直线 将各分段图形简化为梯形或三角形 计算其面积 i 其中包括荷载换算成土柱部分的面积在内 9 以路堤纵向长度1m计算出各分段的重力Gi 10 将每一段的重力化为二个分力 a 在滑动曲线法线方向分力b 在滑动曲线切线方向分力并分别求出此两者之和 Ni和 Ti 11 算出滑动曲线圆弧长L 12 计算稳定性系数 31 用同样的方法 还可求得另两条滑动曲线的稳定系数 由于第1条曲线 通过路基中线 酌稳定系数最小 而又是最靠左边 因此 在左边缘与路基中线之间的个点再结一条滑动曲线 并计算其稳定系数 K4 1 49 出此可见 第一条曲线为极限的滑动面 其稳定系数满足1 25 1 5范围要求 因此本例采用的边坡坡度足以满足边坡稳定酌要求 K1 1 47K3 1 76 32 边坡稳定性分析表 33 陡坡 地面横坡度大于1 2 5 或不稳固山坡上的路堤 除了边坡可能出现失稳 还有可能沿着直线或折线这样固定滑动面产生失稳 如陡峭的地面线 基底软弱的坡积层界面或层状构造强度不均匀的岩土层界面等 陡坡路堤稳定性 陡坡路堤稳定性 34 滑动面破坏形式 1 基底为单一平面 直线滑动面为直线 2 滑动面为多个坡度的折线倾斜面 直线形破坏 直线滑动面法分析 直线滑动面法 剩余下滑力法 35 所谓剩余下滑力E是指土坡滑动力T与计入稳定系数K值后的抗滑力R之差值 即 剩余下滑力法 又称传递系数法 该方法是以最后一块 坡脚处 的En值的正负值确定其整体稳性 若En 0 则稳定 否则判断失稳 36 验算方法 将土体按地面变坡点垂直分块后自上而下分别计算各土块的剩余下滑力 自第二块开始 均需计入上一条块剩余下滑力对本条块的作用把其当作作用于本块的外力 方向平行于上一块土体滑动面 Ei计算的结果若出现负值 计算Ei 1时 公式中Ei以零值代入 37 浸水路堤的特点 稳定性与路堤填料透水性有关 压实良好的土或渗性水强的材料填筑的路基 边坡稳定性受水位涨落的影响不大 边坡稳定性验算方法 验算应针对路堤处于最不利的情况 即洪水位骤然降落的时侯 验算方法同普通路堤边坡的稳定性验算 须考虑浮力和渗透动水压力作用 除承受普通路堤一样的外力和自重外 还受水的浮力和渗透动水压力作用的影响 3 4浸水路堤的稳定性验算 38 用粘土填筑的路堤 可认为不产生动水压力 其分析方法与一般路堤稳定性分析方法相同 2 用透水性较强的土填筑 作用力较小 可不计算渗透动水压力 3 用不透水材料填筑 可不计算渗透动水压力 判断 39 计算方法 一 假想摩擦角法 浸水前 浸水后 40 计算方法 二 悬浮法 浸水后的附加作用力 基本原理 假想用水的浮力作用间接抵消动水压力对边坡的影响 抗滑力矩 滑动力矩 附加浮力作用与动水压力相互抵消 41 三 条分法 基本原理 土条分成浸水与干燥两部分 直接计入浸水后的浮力和动水压力作用 42 方法 重力 法向力 摩擦力 粘聚力 切向力 动水压力 稳定性计算 43 例题 P91 44 一 临界高度的计算 软土 天然含水量大 压缩性高 承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土 3 5软土地基稳定性分析 二 路基稳定性计算方法 1 总应力法 2 有效固结应力法 45 受力分析 震级是衡量地震自身强度大小的等级城震烈度是地表面遭受地震影响的强弱程度 P94 3 6路基边坡抗震稳定性分析 地震水平力 修正系数 46 计算方法 按非地震条件下的路基边坡稳定性分析方法 确定最危险的滑动面 再考虑地震的作用力 47 岩石路堑边坡的稳定性计算 二岩石路堑边坡稳定分析方法主要有经验性对比分析的工程地质法以及根据极限平衡原理的力学分析数解方法两种 一 形成失稳的岩石路堑边坡特征 边坡是由多种岩性各异 具有不同地质构造和结构面的岩体组合而成 稳定性受构造节理发育 风化破碎程度 边坡高度及水文地质条件等因素的影响 三 工程地质法 稳定性受岩层结构面与路基边坡面相互关系的影响 48 边坡稳定 如果同向节理不发育则最为稳定 但高边坡而岩石较破碎时 不能用较陡直的坡率 逆向坡 顺向坡 49 50o时 由临界倾角 o与岩层倾角 以及视边坡角 三者的关系确定 横向坡 当 o 则不稳定 15 50o 或有条件稳定 50o 当 o 表示边坡稳定 岩层与路线走向的交角 50o时 边坡稳定 边坡坡角 50 力学分析法 当构造面倾向路基 倾角 10 30 走向方位夹角 38 45 且夹有软弱层 有可能产生沿构造面的崩塌和滑坡 应通过对比分析和力学计算方法进行校验 51 第五章路基边坡稳定性设计思考题 边坡的力学验算法有几种 各适用于哪些场合 如何用直线滑动面法进行边坡稳定性分析 圆弧滑动面的起滑位置有几种 最常见的是哪一种 如何作圆心辅助线 如何利用圆弧法进行稳定性验算 何谓软土地基 如何判断软土地基的稳定性 何谓浸水路堤 浸水路堤与一般路堤比较在设计及验算上有何不同 8 边坡抗震稳定性分析如何进行 52 第五章路基边坡稳定性设计复习提纲 1 稳定性验算是针对高填深挖 陡坡 浸水及不良地质条件下的特殊路基 路堤的稳定性验算方法有三种 由粗粒类材料填筑的路基按直线滑动面法 用带有粘性的土填筑路堤用圆弧滑动面的条分法 地面横坡大于1 2 5时的陡坡路堤用传递系数法 岩石路堑边坡的稳定性验算通常有工程地质比拟法和力学验算法两种 2 极限平衡法是稳定性验算的数值分析方法 其假定边坡沿某一形状滑动面破坏 根据力学平衡原理 计算岩土体在破坏面上达到极限平衡时的安全系数 其基本假定是 破裂面以上的不稳定土体沿破裂面作整体滑动 不考虑其内部的应力分布不均和局部移动 土的极限平衡状态只在破裂面上达到 破裂面的位置要通过试算才能确定 53 3 圆弧条分法的计算原理是 假定破裂面为圆柱面 将破裂圆柱棱体划分为若干竖向土条 计算中不考虑土条间的相互作用力 边坡稳定的安全系数用破裂面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比来定义 确定滑动面圆心辅助线的方法有4 5H法及36 法 确定临界圆心的过程为 选取若干可能的滑动面 这些滑动面分别为通过坡脚与路基顶面中点或1 4路基宽以及外侧坡顶等两点弦线的圆等 据此作出若干个滑动圆弧 用条分法计算出每一滑动体的稳定系数K 绘出K值曲线 在图上即可定出最危险破裂面的临界圆心 54 4 浸水路堤的特点 除承受普通路堤一样的外力和自重外 还受水的浮力和渗透动水压力的作用 稳定性与路堤填料透水性有关 压实良好的粘性土或渗水性强的材料填筑的路基