常用的边坡稳定性方法

PAGEPAGE14常用的边坡稳定性分析方法土坡就是具有倾斜坡面的土体。土坡有天然土坡，也有人工土坡。天然土坡是由于地质作用自然形成的土坡，如山坡、江河的岸坡等；人工土坡是经过人工挖、填的土工建筑物，如基坑、渠道、土坝、路堤等的边坡。本章主要学习目前常用的边坡稳定分析方法，学习要点也是与土的抗剪强度有关的问题。第一节概述学习土坡的类型及常见的滑坡现象。一、无粘性土坡稳定分析学习两种情况下(全干或全淹没情况、有渗透情况)无粘性土坡稳定分析方法。要求掌握无粘性土坡稳定安全系数的定义及推导过程，坡面有顺坡渗流作用下与全干或全淹没情况相比无粘性土土坡的稳定安全系数有何联系。二、粘性土坡的稳定分析学习其整体圆弧法、瑞典条分法、毕肖甫法、普遍条分法、有限元法等方法在粘性土稳定分析中的应用。要求掌握圆弧法进行土坡稳定分析及几种特殊条件下土坡稳定分析计算。三、边坡稳定分析的总应力法和有效应力法学习稳定渗流期、施工期、地震期边坡稳定分析方法。四、土坡稳定分析讨论学习讨论三个问题：土坡稳定分析中计算方法问题、强度指标的选用问题和容许安全系数问题。第二节基本概念与基本原理一、基本概念1．天然土坡(naturalsoilslope)：由长期自然地质营力作用形成的土坡，称为天然土坡。2．人工土坡(artificialsoilslope)：人工挖方或填方形成的土坡，称为人工土坡。3．滑坡(landslide)：土坡中一部分土体对另一部分土体产生相对位移，以至丧失原有稳定性的现象。简4恼．圆弧滑未动限法斗(cir游cles奴lipm栋etho肉d调)忆：在工程铲设计中常仪假定土坡悄滑动面为校圆弧面，膝建立这一献假定的稳尝定分析方宪法，称为悔圆弧滑动土法。它是夺极限平衡慧法的一种识常用分析三方法。葵二、基本众规律与基晃本原理瓜（一）土业坡失稳原甜因分析郑土坡的失感稳受内部蔑和外部因性素制约，严当超过土舞体平衡条巴件时，土葱坡便发生炸失稳现象而。释1闯．产生滑盯动的内部奇因素主要擦有：爬（封1催）斜坡的签土质：各奶种土质的芦抗剪强度池、抗水能仅力是不一努样的，如喊钙质或石快膏质胶结算的土、湿忙陷性黄土舰等，遇水凤后软化，兼使原来的驱强度降低薯很多。存（蒸2胸）斜坡的升土层结构没：如在斜尾坡上堆有环较厚的土女层，特别廊是当下伏旦土所层根(涨或岩称层小)兼不透水时姜，容易在虚交界上发马生滑动。瓦（张3势）斜坡的诊外形：突骂肚形的斜抖坡由于重膝力作用，祖比上陡下饶缓的凹形辨坡易于下赌滑；由于关粘性土有仇粘聚力，锤当土坡不惯高时尚可澡直立，但歼随时间和形气候的变群化，也会茫逐渐塌落窄。隔2锈．促使滑手动的外部享因素怪（希1饥）降水或绒地下水的妙作用：持剪续的降雨锅或地下水归渗入土层轮中，使土尝中含水量坟增高，土鸟中易溶盐热溶解，土单质变软，透强度降低凑；还可使钉土的重度扇增加，以沙及孔隙水秋压力的产皮生，使土箩体作用有散动、静水密压力，促云使土体失响稳，故设安计斜坡应满针对这些清原因，采蹦用相应的葱排水措施架。苏（衰2落）振动的局作用：如公地震的反悔复作用下及，砂土极螺易发生液必化；粘性毛土，振动博时易使土颈的结构破瞎坏，从而拍降低土的攀抗剪强度光；施工打划桩或爆破婶，由于振观动也可使掉邻近土坡咏变形或失外稳等。利（沿3削）人为影套响：由于重人类不合砖理地开挖恩，特别是在开挖坡脚己；或开挖狱基坑、沟脉渠、道路海边坡时将耐弃土堆在冰坡顶附近挪；在斜坡仪上建房或朗堆放重物旁时，都可鸡引起斜坡杯变形破坏梁。驳（二）无雀粘性土坡要稳定性分光析猛1街．干的无慰粘性土坡往处于不渗匪水的砂、利砾、卵石疯组成的无因粘性土坡减，只要坡夫面上颗粒鼓能保持稳霉定，那么烂整个土坡敏便是稳定免的。营图茄9圆—暗1啊（见教材蹄）为有均花质无粘性纯土坡，坡蛇角院为异β油，自坡面摆上取一单他元土体，类其重量作为讨W矩，当由袄W勾引起的顺星坡向下的对滑力韵为顷T秧＝碗Wsi敬n钟β跑，对下滑狡单元体的料阻力为别T洲f秩＝痛Nt朝g葵φ森＝怀Wco眨s亿β解t除g刘φ代蝴(带式抵中膝φ遣为无粘性椒土的内摩赵擦旺角浩)辽，因此，想无粘性土话坡的稳定纠系数为：释由此可得肌如下结论胳：腐当糟β纤＝闪φ台时修，中K疾＝析1毙，土坡处床于极限稳椅定状态，狮此时的坡我角衣β裙为自然休斑止角；无瓣粘性土坡旦的稳定性京与坡高无努关，仅取傲决既与仿β姿t槽角，想当岭β微＜破φ名时翁，则K枝＞骡1晴，土坡稳励定。宇2怀．有渗流保作用的无棵粘性土坡到有渗流作乖用的无粘腔性土坡，著因受到渗秩透水流的享作用，滑钟动力加大宣，抗滑力派减小，见驼图沿渗流哑逸出方向艘的渗透力杏为耳J橡＝引i×r车w视由滑J败对单元土抬体产生的吹下滑分力利和法向分耻力分别为佳i×r罗w肉COS曾(茫β把一鞭θ姥)役ir技w私sin志(难β键－结θ墨)秘其中：逝I躺：为渗透晌水力坡降血；眨r幅w销：呆货为水的重毯度；壳θ袜：幕气渗流方向吴与水平面驰的夹角。坊因土渗水取，其重量状采用浮重扶度喊r号’陵进行计算全，故其稳测定系数为疾当渗流方并向为顺坡屿时赔，伸θ闹＝脸β另，稠i=si抄n阳β浑,侍则砍其臭K富为培式狐中垂沈勒，说明渗鞠流方向为译顺坡时，劳无粘性土绒坡的稳定压系数与干弯坡相比，无将降上低棵1/该2督。女当渗流方猜向为水平僵逸出坡面佛时压，醉θ昂＝燥0饭，彻i=t绍g落β窑,潮则饱K旷为阴式拘中种裂，说明与箩干坡相比拴下降了一缸半多。犁上述分析板说明，有袋渗流情况顿下无粘性叛土坡只有扰当坡歼角师β≤福φ看时，才稳拉定。衣（三）粘沸性土坡稳之定性分析珍1鹊．瑞典圆线弧法评这个方法三首先是由绝瑞典的彼读得森所提己出，故称胞瑞典圆弧竹法。聪（屋1最）基本假求设：均质绵粘性土坡面滑动时，玉其滑动面厅常近似为究圆弧形状暗，假定滑伴动面以上旅的土体为那刚性体，裳即设计中讽不考虑滑晌动土体内挠部的相互属作用力，好假定土坡糊稳定属于栽平面应变返问题。昌（宜2佛）基本公搁式：取圆锡弧滑动面宵以上滑动秧体为脱离形体，熟图槽9但－此2再所示（见吹教材），拢土体绕圆渐心约O披下滑的滑滚动力矩费为垫M朽s早＝壁W全a洲，阻止土攻体滑动的斥力是滑帝弧鹿AE状D惕上的抗滑拉力，其值呆等于土的谊抗剪强照度牺τ看f维与滑洗弧驱AE擦D浆长看度格L孔的乘积，愤故其抗滑拣力矩为立安全系摇数犬K孔＝抗滑力踪矩么/划滑动力矩傍＝随式中恼：逃L态—哨—腿滑弧弧长尾；怠R感—灿—贯滑弧半径狸；玩α—揭—拌滑动土体怎重心离滑并弧圆心的皮水平距离诞。亲该法适应瞎于粘性土眯坡。后经熄费伦纽斯墓改进，提放出钥φ挤＝友θ搬的简单土调坡最危险柿的滑弧是峰通过坡角烫的圆弧，员其圆普心吗O歪是为位于第图虫9季－愈3沸中拿A煮O脸与悠B变O流两线的交怒点，可查蚂表确定。甜2怀．瑞典条脑分法务（谁1凡）基本原虫理：当按忘滑动土体拦这一整体版力矩平衡腥条件计算燥分析时，源由于滑面悼上各点的耗斜率都不套相同，自珍重等外荷乡载对弧面惯上的法向去和切向作磨用分力不璃便按整体据计算，因井而整个滑详动弧面上袖反力分布绵不清楚；吹另外，对软于命φ泛＞胖0逮的粘性土鸽坡，特别瞧是土坡为搅多层土层惊构成时，关求哨W叫的大小和才重心位置搞就比较麻率烦。故在乖土坡稳定药分析中，颗为便于计湾算土体的雷重量，并押使计算的群抗剪强度远更加精确送，常将滑徐动土体分瓶成若干竖驳直土条，停求各土条湿对滑动圆辣心的抗滑判力矩和滑肠动力矩，乐各取其总吗和，计算邪安全系数未，这即为剪条分法的垄基本原理誓。该法也廊假定各土倾条为刚性矮不变形体保，不考虑瓶土条两侧神面间的作货用力。梁（框2茄）计算步竭骤：跟图阔9描—绍4皇为企—穴土坡，地甘下水位很贺深，滑动蛮土体所在还土层孔隙孕水压力愈为校0廊。条分法办的计算步羊骤如下：猴1医）按一定违比例尺画伏坡；色2爱）确定圆慌心拍O嚷和半寇径汉R正，画计弧蔽A倚B款；洁3祖）分条并惰编号，为查了计算方迈便，土条为宽度可取皱滑弧半径验的惹1/10筑,懂即截b=0.灭1痰R宵，以圆绑心护O价为垂直线饮，向上顺甩序编套为梨0老、夹1喝、梳2逮、咳3浩、方…致…衣，向下顺肌序为贤－德1看、搜－势2贷、扩－颈3贷、骗…扎…些，这样另，桑0坛条的滑动浅力矩俩为萄0柄，缸0猫条以上土畜条的滑动复力矩为正内值缺，棒0座条以下滑刘动力矩为饲负值；疼4蓄)纳计算每个绑土条的自宋重找(h灶i糖为土条的南平均高颗度谢)嫂5读)谨分解滑动灰面上的两滨个分力码N贺i辆＝骗Wico蹄s系α椅i抚但T况i本＝善Wisi扰n立α柜i移式中桐：迟α摩i洲—局—羊法向应力挽与垂直线尾的夹角。爹6令)持计算滑动着力矩潜式中搅：资n撇：为土条逮数目。般7国)赔计算抗滑巡力矩雾式中帖：占L处为滑层弧亡A要B第总长。中8锤)朴计算稳定恩安全系醉数拌(saf誓etyf察acto屈r宿)可。抗9块)碌求最小安丽全系数，没即找最危盘险的滑弧墓，重娘复螺2)~8寄)竿，选不同锤的滑弧，好求浆K睬1胡、狼K并2狸、仗K顺3度……谁值，取最强小者。展该法计算每简便，有宅长时间的调使用经验脱，但工作级量大，可旅用计算机祥进行，由善于它忽略阔了条间力爹对芝N惰i博值的影响势，可能低寒估安全系伞数掘(桃5谢～掠20谊)掠％。殃3辰．毕肖普霉法蚁毕肖普法冰提出的土秒坡稳定系马数的含义块是整个滑振动面上土柱的抗剪强廉度杜t误f屿与实际产避生剪应肌力化T匹的比，撑即泛K造＝趣t饶f撒÷肃t酒，并考虑诊了各土条剩侧面间存门在着作用腾力，其原武理与方法克如下：枣图茂9恒—圈4兰所示（见许教材），嫂假定滑动劣面是以圆及心支为可O铅，半径扎为蒙R瓜的滑弧，各从中任取卸一土企条与i址为分离体饼，其分离亮体的周边嫩作用力为映：土条黑重雅W裂i顶引起的切摇向柜力求T黄i黑和法向反掘力叨N吃i疾，并分别辜作用于底榜面中心处切；土条侧偏面作用法责向锯力驰E畏i觉、嘱Ei+纵1增：和切向搬力柏X丝i贼、凑Xl+魔i姐，。盗根据静力会平衡条件亲和极限平途衡状态时露各土条力托对滑动圆辞心的力矩模之和为零僚等，可得纵毕肖蜓普法求土购坡稳定系位数的普遍干公式，即或式中级上式用起争来十分繁敌杂，为此熄，毕肖普他忽略了条职间切向力监，哑即铜Xi+垃1戒－倘X导i案＝报0斗，这样就砍得到了国牢内外广泛梁使用的毕犬肖普简化食式节由于推导睬中只忽略摊了条间切或向力，比殃瑞典条分名法更为合知理，与更弟精确的方丘法相比，沃可能低布估安全系该数具(伙2事～卖7瓶)绵％。益4矛．泰勒图言表法职土坡稳定棵分析大都复需要经过腿试算，计声算工作量扣很大，因淡此，曾有药不少人寻民求简化的万图表法。严图欣9房—环5鼠是泰载勒氧(Tay悲lor娇)勇根据计算巴资料整理枝得到的极想限状态时屑均质土坡茎内摩擦经角有φ和、坡球角垫α退与稳定因拥数锁N签＝速C忧／锻γ砖H演之间关系投曲致线字(涝C末是粘聚力旅，思γ蜡是重度肉，泛H遇是土坡高通度诉)馆。榨利用这个母图表，可劳以很快地梁解决下列泡两个主要窜的土坡稳杆定问题：块（林1窃）已知坡丛角姓α战、土的内条摩擦炒角味φ摸、粘聚吊力诸C气，重西度表γ妈，求土坡薪的容许高吓度钥H叉。每（村2貌）已知土评的性质指额标茶φ径、斤C团、符γ就及坡料高且H冰，求许可赴的坡扶角夕α息。维此法可用怪来计算高舍度小迈于升10业m柄的小型堤距坝，作初势步估算堤暑坝断面之赔用。级5青．有限元治法春（撞1丽）基本思蚕路：上述餐方法都是漫把滑动土肤体切成有丰限宽度的地土体，把掩土体当成砖刚体，根炼据静力平递衡条件和沃极限平衡通条件求得柔滑动面上罚力的分布慨，从而可曾计算出稳陈定安全系未数。但由材于土体是副变形体，见并不是刚单体，用分有析刚体的娇办法，不蔑满足变形滤协调条件举，因而计着算出滑动滋面上的应导力状态不恨可能是真雕实的，有驻限元法就滩是把土坡眨当成变形汁体，按照迹土的变形顶特性，计阿算出土坡谈内的应力老分布，然暑后再引入匙圆弧滑动况面的概念山，验算滑证动土体的痰整体抗滑韵稳定性。耐（虾2赤）应用步壳骤：滑1诊）将土坡耕划分成许臣多单元体侦（肾图四9-遍6喇，见教材悼），用有蛙限元法可游以计算出优每个单元债的应力、烂应变和每嗓个结点的学结点力和引位移，侄图袍9愈－菜7随（见教材奋）是一座蹈土坝用有身限元法分控析所得竣飞工时坝体还的剪应变毒分布图，承可以清楚随地看出坝迟坡在重力吓作用下剪荒切变形的征轨迹类似攀于滑弧面果。猎2司）土坡的得应力计算惩出来以后歌，再引入珍圆弧滑动贫面的概念凶。恶图婆9绵－庭6魔中表示一某个可能的某圆弧滑动讲面，把滑颜动面分成困若干小弧浑段胖△勾L结i缝，小弧秀段甚△贩L仰i犯上的应力脱用弧段中喝点的应力调代表，其封值可以按贪有限元法摊应力分析树的结果，葵根据弧段摊中点所在愈的单元的茎应力确定疑，表示府为资σ娱xi踪耐σ霞z游i嫂σ发xzi漏泪。如果小汉弧屋段直△渠L安i腾与水平线恭的倾患角吼θ垂i棒，则作用探在弧段上秀的法向应眼力和剪应苍力分别为须：坏根据摩尔贼－库仑强帮度理论，出该点土的聪抗剪强度鼠为：景3派)脆求边坡稳挖定安全系彩数。将滑铜动面上所域有小弧段均的剪应力裳和抗剪强通度分别求感出后，累鹊加求沿着夕滑动面的范总的剪切袖力蜡∑τ另i饲△鼠l逗i孕和抗剪勿力进∑τ浓fi削，边坡稳掠定安全系也数为悠（葛3计）其它方塑法：山区曾一仍些顺±查坡往往覆殃盖在起伏副变化的基姻岩面上，燃土坡失稳首多数沿着绸这些界面组发生，对磨这种起伏鸣不平的滑税动面分析孤，国内常绕用不平衡向推力传递羡法。胀此外，土饺坡稳定分春析也常用由洛巴索夫尤图表法。缝（四）边专坡稳定分靠析的总应附力法和有剃效应力法掉由于许多走情况下土志体内存在寄孔隙水压志力，因此吉，在讨论辞边坡稳定若计算方法困中，作用溪在滑动土探体上的力骆是用总应卵力表示还遵是用有效坡应力表示刷，这是一弟个十分重吧要的问题陷。冻当土坡中仙因某种原忍因存在孔恋隙水压力宋，计算摩青阻力时如奸果扣除孔票隙水压力竖，完全由路有效应力物计算，抗枝剪强度指怠标应用有灭效强度指伞标，这样日的分析方决法称为有挤效应力法错；如果不石扣除孔隙待水压力，帽摩擦阻力共直接用公挪式餐了诊Tf糟i胃＝灰Nit民g乡φ蚁计算，这凑就是总应笔力法。逗教材对几赞个控制时雕期如何应骗用总应力沃法和有效名应力法作杠较详细的尽探讨，其壮基本规律泊如下：尖1司．稳定渗底流期土坡引稳定分析铁，由于坝爪体内各点守的孔隙水捏压力均能散由流网确连定，因此剩原则上用装有效应力挑法分析，握而不用总歼应力法。木2兰．施工期权的边坡稳液定分析，晋可以分别乐用总应力拐法和有效深应力法，小前者不直抄接考虑孔掠隙水压力塑的影响，乐后者必须类先计算施内工期填土此内孔隙水丧压力的发上生和发展娱情况，然亩后才能进型行稳定计资算。兄3葱．地震对非边坡稳定冤的影响有凶两种作用幼：一是在书边坡土体蚀上附加作灭用一个随胁时间变化睛的加速拥度，因而能产生随时贷间变化的醋惯性力，姿促使边坡昨滑动；另此一种作用写是振动使败土体趋于屯变密，引贷起孔隙水特压力上升紫，即产生梁振动孔隙煤水压力，眨从而减小共土的抗剪晃强度。对母于密实的淘粘性土，蒜惯性力是糟主要作用元，对于饱冻和、松散牲的无粘性眠土和低塑像性粘性土素，则第二笔种的作用仁影响更大糕目前更有涛效应力法胃进行地震狱边坡稳定船分析尚有赴一定的难珠度，一般络情况下均姨采用总应摘力法。计猫算时将随酷时间变化旋的惯性力犯等价成一串个静的地燕震惯性力陈，作用在捉滑动土体缓上，故称洗拟静力法禾。汇（五）土朴坡稳定分愚析的几个乒问题讨论掀1闲．关于挖遭方边坡和月天然边坡例人工挖出舌和天然存赠在的土坡巾是在天然毒地层中形轰成的，但压与人工填炉筑土坡相亮比有独特顽之处。对堵均质挖方传土坡和天从然土坡稳笋定性分析踩，与人工姜填筑土坡协相比，求失得的安全示系数比较秘符合实测姻结果，但帅对于超固贷结裂隙粘辫土，算得睡的安全系盛数虽远大被于轰1落，表面上恰看来已稳且定，实际治上都已破承坏，这是胞由超固结通粘土的特鞋性决定的朱。随着剪碑切变形的偶增加，抗默剪力增大冠到峰值强他度，随后贯降至残余震值，特别量是粘聚力擦下降较大予，甚至接渗近于零，平这些特形薄对土坡稳思定性有很睁大影响。龟2勤．关于圆注弧滑动法牌该法把滑酿动面简单召地当做圆恰弧，并认翅为滑动土趟体是刚性玩的，没有华考虑分条顷之间的推免力，或只链考虑分条奏间水平推观力碎(任毕肖普公民式暖)反，故计算掏结果不能洽完全符合劳实际，但茄由于计算讲概念明确砖，且能分辉析复杂条敢件下土坡吓稳定性，眼所以在各卖国实践中门普遍使用酬。由均质位粘土组成抽的土坡，抄该方法可侨使用，但井由非均质狱粘土组成减的土坡，妥如坝基下厘存在软弱孔夹层或土覆石坝等，颂其滑动面庸形状发生狸很大变化摧，应根据膊具体情况津，采用非畅圆弧法进枯行计算比锁较。不论奶用鸣哪叮—脖一种方法论．都必须寨考虑渗流舱的作用。敞3足．土的抗犯剪强度指续标选用问狠题舟选用的土阴抗剪强度忽指标是否产合理，对袜土坡稳定殊性分析结相果有密切稠关系，如么果使用过胞高的指标蒙值来设计闹土坝，就蓝有发生滑块坡的可能葛。因此，养应尽可能维结合边坡评实际加荷语情况，填企料性质和刑排水条件旬等，去合饰理选用土酒的抗剪强召度指标。奖4免．安全系软数选用问针题图从理论上兆讲，处于殖极限平衡刻状态的土文坡，其安脖全系准数现K匹＝冒1胞，所以：嚼若设计土甲坡时喊的哥K>搂1敏，傅就应满足带稳定要求专，但实际冷工程中，吵有些土坡末安全系数震虽大早于播1煎，还是发扮生了滑动形；而有些批土坡安全准系数小捐于喝1匹，却是稳蚊定的。这辜是因为影积响安全系碎数的因素御很多，如捞抗剪强度懒指标的选少用、计算虎方法的选炊择、计算葛条件的选降择等。目字前对土坡惕稳定容许介安全系数董的数值，角各部门尚街无统一标酬准，选用上时要注意寻计算方法作、强度指遮标和容许亚安全系数浩必须相互离配合，并跪要根据工俭程不同情纯况，结合丑当地已有铲经验加以捧确定。岛三、基本故方法演（一）确雕定最危险毛滑动面圆果心的方法头对针φ苹＝融0产的均质土编坡，可按稀前述瑞典窑圆弧法确串定。本对际φ振>敞o奥的土坡，勿其圆心确诚定需多次裕试算。先阵按言φ贸＝析o纪的情况根朝据土坡坡易度查表，衔得翁β雷1后，斜β炮2牌角等，粱A削O营与威B俩O匪线交点多为轿O该，如诸图桨9飞—坚8托所示（见慢教材），喘由坡雷角缴A块向下作垂粉线为边坡俗高五度邪H景，再向右笨作水平童线宣4.5昆H拾为杜E衫点，锯边丘E窃O菜，麻在倦E遭O券延长线上扑取一点为裤圆联心恢0星1才，竿以