軟基地基設計細則設計計算方法解讀.ppt

,公路軟土地基路堤設計與施 工技術(shù)細則要點宣講,重慶交通科研設計院,鄭治 研究員 2013年05月,講座大綱,一、軟基設計步驟與 基礎(chǔ)資料的準備 二、軟土指標的鑒別 三、沉降與穩(wěn)定計算 四、路堤設計,軟基設計的基本步驟 接受任務-地質(zhì)調(diào)查-道路設計-地勘工作-基礎(chǔ)資料準備-處治原則的擬定-計算分析-確定處治技術(shù)方案-設計圖紙與工程數(shù)量-施工技術(shù)交底-現(xiàn)場試驗與工后服務.,一、軟基設計步驟與基礎(chǔ)資料的準備,路堤資料 地基資料 處治措施 其他資料,軟基設計需要的基礎(chǔ)資料,路堤資料,各段路基的高度； 路基斷面形式； 填料類型； 填料的密度和填料的力學指標； 設計荷載； 施工工期,地基資料,地層分布、厚度； 地下水位高度，地下水的來源； 土的滲透性 ； 各層的物理、力學指標（和設計方法對應） (注意微地貌的識別和處治),處治措施,處治措施的技術(shù)指標 （碎石樁的摩擦角、容重； 攪拌樁的無側(cè)限抗壓強度指標； 氣泡混合輕質(zhì)土的技術(shù)指標； 加筋材料的力學指標。）,其它資料,當?shù)氐牡卣鹆Χ鹊?當?shù)丶扔薪?構(gòu))筑物的軟土地基處治措施和經(jīng)驗等。,資料整理和分段,分段依據(jù)：設計資料、地勘資料 （平原地區(qū)一般橋頭路基3050米，一般路基100300米。溝谷型軟基常常以一個溝谷為設計單位）。 根據(jù)填方高度、地基土層分布等對地基進行分段（根據(jù)鉆孔、根據(jù)軟土的分布范圍和分布規(guī)律，沿線微地貌與軟土分布的關(guān)系） 通過分段確定各段的控制性設計斷面，擬定地層參數(shù)（注意地基排水層的確定）。 確定工后沉降控制指標。,處治措施的計算與比較,分段計算天然極限填方高度。 根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、荷載大小、施工工期及使用要求（處理目的），結(jié)合地形地貌、地層結(jié)構(gòu)、土質(zhì)條件、地下水特征、周圍環(huán)境和相鄰建筑物等因素，考慮當?shù)氐氖┕そ?jīng)驗，初步選定幾種可供考慮的地基處理方案。進行方案的計算分析。,對初步選定的各種地基處理方案，應分別從處理效果、材料來源及消耗、機具條件、施工進度、環(huán)境影響等方面進行認真的技術(shù)經(jīng)濟分析和比較。根據(jù)安全可靠、施工方便、經(jīng)濟合理等原則，因地制宜地選擇最佳的處理方法。 選取經(jīng)濟有效的軟基處理方案是一項系統(tǒng)工程，要考慮土的特性、產(chǎn)生壓縮變形的機理、加固方案的成熟性和質(zhì)量檢測的難易程度以及施工隊伍的素質(zhì)條件等，只有這樣才能確定合理的加固方法 。,二、軟土指標的鑒別,軟土 Soft soil 天然含水率高、天然孔隙比大、抗剪強度低、壓縮性高的細粒土，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等。 軟土一般是指天然含水量大、壓縮性高、承載力低的一種軟塑到流塑狀態(tài)的粘性土。它一般是在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，經(jīng)生物、化學作用形成的。但含水量多少才謂之高、承載力多少才謂之低，國內(nèi)外沒有一個統(tǒng)一的標準，就連國內(nèi)各部門之間也沒有一個統(tǒng)一標準。,淤泥：淤泥為在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，并經(jīng)生物化學作用形成，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.5的粘性土。 淤泥質(zhì)土：其天然含水量大于液限，天然孔隙比小于1.5但大于或等于1.0的粘性土或粉土。 淤泥：有機質(zhì)含量310% 泥炭質(zhì)土：有機質(zhì)含量1060% 泥炭：有機質(zhì)含量大于60% 巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-2001) 建筑地基基礎(chǔ)設計規(guī)范（GB50007-2002) 公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范（JTG C202011）,公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范(JTJ064-98）關(guān)于軟土的標準。該文術(shù)語一章的2.0.16條對軟土的定義為:濱海、湖沼、谷地、河灘沉積的天然含水量大于液限，天然空隙比大于或等于1. 0，壓縮系數(shù)不小于0. 5MPa-1，不排水抗剪強度小于30 kPa的細粒土。 公路軟土地基路堤設計與施工技術(shù)規(guī)范(JTJ 017-96）用天然含水量、天然空隙比和十字板剪切強度三個指標劃分軟土，見下表。,一些規(guī)范的規(guī)定,巖土工程勘察規(guī)范(GB 50021-2001)，在第6.3條指出:天然空隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的細粒土應判為軟土，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等。 鐵路特殊路基設計規(guī)范（TB10035-2006），軟土是指在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積，天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1.0，壓縮性高（a0.1-0.2大于0.5Mpa-1 ，強度低（Ps=0.8Mpa）等特點的粘性土。,2011年頒布的公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范（JTG C202011）中8.5.1條，利用天然含水率、天然孔隙比、壓縮系數(shù)、標準貫入試驗錘擊數(shù)、靜力觸探比貫入阻力、十字板抗剪強度6項指標鑒別軟土，指標考慮比較全面。因此，本細則對軟土鑒別標準與其靠近；考慮到軟土勘察中標準貫入試驗錘擊數(shù)的指導意義不大，改用了快剪內(nèi)摩擦角指標。天然孔隙比和天然含水率兩項物理指標測試方便，且變異性小，可作為基本指標對軟土鑒別。,表3.1.5 軟土鑒別指標表,軟土可按表3.1.5進行鑒別。當獲得的指標不能完全滿足表中情況時，可將天然孔隙比和天然含水率作為基本指標鑒別，經(jīng)綜合分析判定。,本細則規(guī)定,我國軟基分布的特點,按形成環(huán)境來說，軟基大概可以分為湖泊沉積、濱海沉積和河灘沉積和沼澤沉積和山區(qū)溝谷相沉積，沿海地區(qū)（如天津、廣東）分布的主要軟基類型是濱海相沉積軟基，平原湖泊地區(qū)（如昆明、杭洲、江蘇）則主要分布湖泊沉積軟基。而在我國的丘陵和山區(qū)，還分布著大量的山區(qū)溝谷相沉積以及河灘相沉積的軟土地基。,表1-1 五種軟土的特征（按成因分類）,我國區(qū)域性軟土特點比較,盡管軟土地基都存在變形大、強度低的共性，但由于其地理環(huán)境、形成因素以及水文地質(zhì)條件上的差異，其軟基的特點、土性的參數(shù)也有較大的差異。 我國軟土分布，基本符合“北強南弱，依次變化”的總趨勢。在我國沿海，除山東部分地段外，大部分的海岸線為淤泥質(zhì)海岸。在地質(zhì)上屬于第四紀后期形成的海相、瀉湖相、三角洲相、溺谷相和湖泊相的粘性土沉積物和河流沖擊物，有的屬于新近淤積物。大部分是飽和的，其天然含水量大于液限，孔隙比大于1.0。一般來說，濱海相沉積軟基特點是組成顆粒細微、均勻，一般處于流塑狀態(tài)，土層較為均勻、軟基深度較深，土層變化不多、排水固結(jié)速率較慢，天然極限填土高度較低。湖泊沉積軟基土層變化較為復雜、透鏡體、間滅現(xiàn)象較多，和沼澤沉積一樣，有機質(zhì)含量高，呈現(xiàn)天然孔隙比高、含水量大的特點。,海相、湖相沉積的特點是天然含水量高，一般在35%100%，最大的含水量可達200%以上，天然孔隙比大，最大的可達到3以上，一般壓縮系數(shù)=0.51.0Mpa-1，最大可達到4.5 Mpa-1；滲透系數(shù)小，一般約為110-6110-82/s。在荷載作用下，軟粘土地基承載力低，地基沉降變形大，不均勻沉降也大，而且沉降穩(wěn)定歷時比較長，一般需要幾年，甚至十幾年。 由于上述地區(qū)軟基深度較深，強度低，較多采用了塑料排水板、攪拌樁、管樁、真空預壓、土工合成材料加筋等措施。,溝谷相軟土地基，天然含水量較高，一般在20%70%，略低于其他沉積軟土；天然孔隙比一般在0.71.0之間，很少超過2.0以上，一般壓縮系數(shù)=0.31.0Mpa-1；固結(jié)系數(shù)約為110-2110-2/s。軟基天然含水量和快剪指標和其他軟土差不多，但其后期固結(jié)快剪指標明顯高于海相沉積和湖相沉積軟土，軟基天然強度明顯好于東部，從四川、重慶的多條高速公路的溝谷相軟基的土性指標看，軟基的天然極限填高一般在8m以上，明顯較海相、湖相沉積軟土高。由于大部分路段的軟基天然孔隙比一般在0.71.0之間，按照目前的軟基分類標準，應該不屬于軟土，而屬于軟弱地基。,我國的溝谷相軟基，大多分布在沖溝、谷地、河流階地。山區(qū)溝谷相軟基主要是由于當?shù)氐能泿r風化物和地表的有機物質(zhì)經(jīng)過流水的搬運,沉積于地形的低洼處,并經(jīng)過長時間的飽水軟化,以及微生物的分解作用而形成。它在我國南部、西南部的山區(qū)或丘陵區(qū)的廣泛分布，由于環(huán)境、成因等因素的不同，山區(qū)溝谷相軟基呈現(xiàn)出自身的特點 。 根據(jù)西南地區(qū)溝谷相軟基的特點，挖淤換填、清表后片石擠淤換填、片石盲溝、土工格柵加筋、反壓護道、塑料排水板、碎石樁（包括CFG樁）等成為常用的處治措施。,山區(qū)溝谷相軟基常常達不到軟土標準，目前習慣上稱為軟弱土。 公路工程的軟土地基需要進行處治，軟弱土地基同樣需要進行處治，處治的方法由公路工程的標準和構(gòu)筑物的類型決定。,插入破壞圖片,一些軟基路堤破壞變形情況,三、路堤沉降穩(wěn)定計算,在軟土地基上修建公路會遇到路基不穩(wěn)定、沉降過大、不均勻沉降等問題。 軟基處治的主要目的 確保軟基路堤的穩(wěn)定，在營運期間不產(chǎn)生過大的沉降變形不產(chǎn)生過大的不均勻沉降。 軟基路堤的控制指標 沉降指標 穩(wěn)定指標,4.1 路堤沉降和穩(wěn)定計算的一般規(guī)定,4.1.1 軟土地基路堤應根據(jù)軟土層厚度、土層強度以及路堤高度的差異，分段進行穩(wěn)定驗算與沉降計算。 4.1.2 穩(wěn)定驗算與沉降計算應按成層地基進行，不得簡化為均質(zhì)地基。 4.1.3 軟土地基沉降應計算至附加應力與有效自重應力之比不大于0.15處。 4.1.4 穩(wěn)定驗算應按路堤施工期及道路運營期的荷載分別計算穩(wěn)定安全系數(shù)。施工期荷載可僅考慮路堤自重；運營期荷載應包括路堤自重、路面的增重及行車荷載。地震力計算可僅考慮水平向地震力。 4.1.5 穩(wěn)定驗算時行車荷載可按靜止的土柱作用考慮，換算土柱高度應選擇路堤上車輛荷載最不利的作用位置計算。路堤高度小于或等于2.5m時，應考慮行車動荷載對沉降的影響。,插入軟基地層,軟基地質(zhì)剖面示意圖,4.2.6 當穩(wěn)定安全系數(shù)小于表4.2.6規(guī)定的容許值時，應針對穩(wěn)定性進行處理設計。,4.2 穩(wěn)定驗算,大量的實踐證明，安全系數(shù)與所采用的計算方法及采用的抗剪強度指標有關(guān)，也就是說對不同的設計計算方法和強度指標應該采用不同的安全系數(shù)。本條中穩(wěn)定安全系數(shù)容許值考慮了固結(jié)度的因素，實際上是對施工期和營運期給出了不同的安全系數(shù)。日本高等級公路設計規(guī)范中要求施工中的安全系數(shù)達到1.1，通車后的安全系數(shù)達到1.25；它認為快速施工中的路基為臨時工程，破壞的可能性較大，1.1的安全系數(shù)即可。,邊坡失穩(wěn)破壞是一種復雜的地質(zhì)災害過程，邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復雜性和組成邊坡巖石物質(zhì)的不同，造成邊坡破壞具有不同模式。對于不同的破壞模式就存在不同的滑動面，因此應采用不同的分析方法及計算公式來分析其穩(wěn)定狀態(tài)。目前用于邊坡穩(wěn)定性的分析方法包括工程類比法、圖解法、極限平衡法、極限分析法及可靠度分析方法，其它如模糊數(shù)學分析法、分形分維理論、灰色理論分析法及神經(jīng)網(wǎng)絡分析法、信息優(yōu)化處理法等，另外，還有地質(zhì)力學模型等物理模型方法和現(xiàn)場監(jiān)測分析方法等。,（一）、邊坡穩(wěn)定分析方法,1、定性分析方法 1）、自然（成因）歷史分析法 2）、工程類比法 3）、圖解法 2、定量分析方法 1）、極限平衡法 2）、數(shù)值分析法 3、邊坡工程中的新理論及新方法 1）、可靠度評價法 2）、神經(jīng)網(wǎng)絡法,數(shù)值分析方法主要是利用某種方法求出邊坡的應力分布和變形情況，研究巖體中應力和應變的變化過程，求得各點上的局部穩(wěn)定系數(shù)，由此判斷邊坡的穩(wěn)定性。 其中主要的方法有三種： 有限單元法 邊界單元法 離散單元法,數(shù)值分析法,有限單元法是目前應用最廣泛的數(shù)值分析方法。它由于部分地考慮了邊坡巖體的非均質(zhì)、不連續(xù)介質(zhì)特征，考慮了巖體的應力應變特征，可以避免將坡體視為剛體、過于簡化邊界條件的缺點，能夠接近實際地從應力應變特征分析邊坡的變化破壞機制，對了解邊坡的應力分布及應變位移變化很有利。,有限元法,無粘性土的土坡穩(wěn)定,一般情況下的無粘性土土坡穩(wěn)定,下滑力,抗滑力,極限平衡法,極限平衡法在工程中應用非常廣泛。它是根據(jù)邊坡上的滑體或滑體分塊的力學平衡原理（即靜力平衡原理）分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態(tài)，以及邊坡上的抗滑力和下滑力之間的關(guān)系來評價邊坡的穩(wěn)定性。 其基本原理是：設邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為 F ，則當邊坡土體材料的抗剪參數(shù)（摩擦因數(shù) tan 和粘結(jié)力 c ）降低 F 倍后，邊坡內(nèi)某一最危險滑面上的滑體將瀕于失穩(wěn)的極限平衡狀態(tài)。,瑞典圓弧法 瑞典條分法 （有效固結(jié)應力法；改進總強度法） 畢肖普（簡化畢肖普法） 簡布普遍條分法。 斯賓塞法、摩根斯坦普賴斯法、沙爾瑪法和不平衡推力傳遞法,（二）、瑞典圓弧法,這個方法首先是由瑞典的彼得森所提出，故稱瑞典圓弧法。 1、基本假設：均質(zhì)粘性土坡滑動時，其滑動面常近似為圓弧形狀，假定滑動面以上的土體為剛性體，即設計中不考慮滑動土體內(nèi)部的相互作用力，假定土坡穩(wěn)定屬于平面應變問題。 2、基本公式：取圓弧滑動面以上滑動體為脫離體，土體繞圓心O下滑的滑動力矩為Ms，阻止土體滑動的力 是滑弧ACR上的抗滑力，其值等于土的抗剪強度f與 滑弧ACR長度L的乘積。 安全系數(shù)K抗滑力矩/滑動力矩Mr/Ms1,(1)滑動力矩：,(3)安全系數(shù)：,當=0（粘土不排水強度）時，,(2)抗滑力矩：,W,1、其中圓心O及半徑R是任意假設的，還必須計算若干組（O, R）找到最小安全系數(shù) 最危險滑動面。 2、該法適應于粘性土坡。后經(jīng)費倫紐斯改進，提出的簡單土坡最危險的滑弧是通過坡角的圓弧。 3、本方法適用于飽和粘土。,簡單分析,（三）、瑞典條分法,當按滑動土體這一整體力矩平衡條件計算分析時，由于滑面上各點的斜率都不相同，自重等外荷載對弧面上的法向和切向作用分力不便按整體計算，因而整個滑動弧面上反力分布不清楚；另外，對于0的粘性土坡，特別是土坡為多層土層構(gòu)成時，求W的大小和重心位置就比較麻煩。故在穩(wěn)定分析中，為便于計算土體的重量，并使計算的抗剪更加精確，常將滑動土體分成若干豎直土條，求各土條對滑動圓心的抗滑力矩和滑動力矩，各取其總和，計算安全系數(shù)，這即為條分法的基本原理。 瑞典條分法也假定各土條為剛性不變形體，不考慮土條兩側(cè)面間的作用力。因此是條分法中最簡單的一種方法。,圖4.2.2 安全系數(shù)計算圖,1、條分法的基本原理,Wi,hi,Pi,hi+1,Pi+1,Hi+1,Ni,Ti,Hi,第i條土的作用力:,穩(wěn)定安全系數(shù)計算:,Ni方向靜力平衡,滑動面上極限平衡,總體對圓心的力矩平衡滑動力矩=抗滑力矩,第i土條受力分析:,2、瑞典條分法計算步驟,2）.分條,3）.列表計算 li Wi i以及安全系數(shù),1）.初選圓心O和半徑R,5）.算至Fs最小結(jié)束,4）.變化圓心O和半徑R，返回1重復步驟13,最危險滑動面的確定,（四）、有效應力法和總應力法,土體的抗剪強度參數(shù)的恰當選取是影響土坡穩(wěn)定分析成果可靠性的主要因素。試驗條件盡量符合土體的實際受力和排水情況，計算出的安全系數(shù)更可靠。 這樣在瑞典條分法中，根據(jù)抗剪強度參數(shù)選用情況和后期強度增長情況不同，提出了有效應力法和改進總應力法。,改進總強度法是以=0法為基礎(chǔ)發(fā)展來的，它是基于=0法利用原位測試資料（采用靜力觸探試驗的貫入阻力（單橋探頭）或錐尖阻力（雙橋探頭）換算的十字板抗剪強度或直接由十字板試驗得到的抗剪強度）的優(yōu)點，借用固結(jié)有效應力法計算地基強度隨固結(jié)增加的思想，采用強度增長系數(shù)計算固結(jié)過程中強度的增量。采用該方法與靜力觸探試驗相結(jié)合，為軟土地基路堤穩(wěn)定驗算提供了一種高效可靠的途徑。 一般=0法不考慮土基固結(jié)后土層強度的提高；改進的=0法則考慮固結(jié)度及地下水位對土基強度的影響。因式中U1是時間的函數(shù)，故F也是時間的函數(shù)。,固結(jié)有效應力法考慮了軟土地基路堤施工的實際情況，即路堤荷載并非瞬間填到設計高度，而是按照一定的施工速率逐漸填筑。當遇到在強度很差的地基上需要修筑高路堤的情況時，可以按照這一計算模式對采取分期加載的方法逐漸使地基固結(jié)強度提高后的安全系數(shù)進行驗算，以保證路堤填筑過程中的穩(wěn)定滿足要求。,試驗指標與現(xiàn)場條件的對應關(guān)系,固結(jié)排水試驗,固結(jié)不排水試驗,不固結(jié)不排水試驗,穩(wěn)定分析一般可以分為三類：不排水的穩(wěn)定問題，以總應力法進行分析；排水的穩(wěn)定問題，以有效應力法分析；部分排水的穩(wěn)定問題以有效固結(jié)應力法分析。 有效應力法得出的安全系數(shù)往往偏高。而總應力法給出的安全系數(shù)則又大多偏低。比較合理的是采用有效固結(jié)應力法進行分析，它既能考慮土體在施工過程中有效應力增長的有利因素又不忽視不排水破壞過程中剪切引起孔壓的不利影響。 彌補了上述兩種方法的不足。,4.2.2采用有效固結(jié)應力法進行穩(wěn)定驗算時，穩(wěn)定安全系數(shù)可按式(4.2.2)計算。,cqi、 地基土或路堤填料的黏聚力（kPa）和內(nèi)摩擦角（），由快剪試驗測得； 地基土的內(nèi)摩擦角（），由固結(jié)快剪試驗測得； 有效固結(jié)應力法地下水位以下土體采用浮容重。,4.2.3采用改進總強度法進行穩(wěn)定驗算時，穩(wěn)定安全系數(shù)可按式(4.2.3)計算。,Sui十字板試驗得到的抗剪強度（kPa），或由靜力觸探試驗的貫入阻力（單橋探頭）、錐尖阻力（雙橋探頭）換算的十字板抗剪強度,十字板剪切強度增長示意圖,Sui,地基土層強度增長系數(shù)mi=tg(),抗剪強度包線,表4.2.3 地基土層強度增長系數(shù)mi,瑞典條分法的討論,1.瑞典條分法假設圓弧滑裂面，與實際滑裂面有差別。忽略了條間力，所計算安全系數(shù)Fs偏小。 2.對于 =0或數(shù)值很小的軟粘土，滑面底部的正應力對有效抗剪強度影響較小，用瑞典法求出的安全系數(shù)不一定比其它方法保守，但越大(條間力的抗滑作用越大)，計算的安全系數(shù)就偏小一些。 3?？梢源_定（測量、計算）孔隙水壓力u的情況，應當使用有效應力指標c，. 而很多時候沒有測定孔隙水壓力，都是直接采用總應力法。 4.采用總應力指標時，應根據(jù)現(xiàn)場土體可能的固結(jié)排水情況，選用不同的總應力強度指標,1、原理與特點,假設滑裂面為圓弧 不忽略條間作用力 在每條的滑裂面上滿足極限平衡條件 總體對圓心O力矩平衡,（五）、畢肖甫（Bishop）法,Wi,hi,Pi,hi+1,Pi+1,Hi+1,Ni,Ti,Hi,第i條土的作用力:,2、簡化Bishop法,逐次逼近法計算Fs,設Hi=0（每條上作用力在y方向（豎直）上靜力平衡） 簡化Bishop法，忽略條間切向力對法向應力的影響,4.2.4 采用簡化畢肖普法進行穩(wěn)定驗算時，穩(wěn)定安全系數(shù)可按式(4.2.4-1)式(4.2.4-3) 采用迭代法計算。,分別地基土三軸試驗測得的有效黏聚力（kPa）和有效內(nèi)摩擦角（） 滑動面上的孔隙水壓力（kPa）。,3、簡化畢肖甫法計算步驟,1）.初選圓心O，半徑R,2）.設Fs=1.0，計算 mqi、,3）.若滿足,4）.若不滿足，令 ,重復步驟2,5）.變化圓心O和半徑R，返回1重復步驟14,6）.算至Fs最小結(jié)束,則進行步驟5,簡化畢肖甫法忽略了切向條間力的影響，有研究表明，造成的誤差在2%7%。,當邊坡中存在明顯的軟弱夾層時，或在層面傾斜的巖面上填筑土堤、挖方中遇到裂隙比較發(fā)育的巖土體或有老滑坡體等滑坡將在軟弱面上發(fā)生，其破壞面將與圓柱面相差甚遠。圓弧滑動分析的瑞典條分法和Bishop法不再適用； 簡布(N.Janbu)把圓弧滑動面土坡穩(wěn)定性分析的條分法加以推廣，應用于滑動面為任意形狀的土坡計算，給出了任意形狀滑動面土坡穩(wěn)定性的分析公式，該方法被稱之為簡布普遍條分法，簡稱簡布法。簡布法是土坡穩(wěn)定性分析中常用的、適應廣泛的一種計算方法。,（六）、簡布非圓弧普通條分法,簡布法的3個假定, 在整個滑裂面上的穩(wěn)定安全系數(shù)是一致的， 都等于沿整個滑動面的抗剪強度與實際產(chǎn)生的剪應力之比 ； 每一土條上所有垂直向荷載的合力 ( 含坡頂均布力、坡頂集中力和土條自身重力) 的作用線和滑動面的交點與土條底面法向反力作用點重合； 假定土條間側(cè)向推力作用點的位置已知。 該方法也考慮了各種可能受到的荷載，如坡頂均布堆載、豎向集中力、水平向作用力(如地震慣性力)， 甚至坡頂和坡角的水平向集中推力。,簡布法中，認為條塊的水平土壓力呈三角形分布，其合力作用點位于土條底面以上1/3高度處，這些作用點連線稱為推力線。這樣減少了n-1個未知量，對每一土條在滑裂面切向、法向和土條水平向建立了三個力平衡以及對土條底面中點建立的一個力矩平衡共四個條件方程式，根據(jù)靜力平衡條件和力矩平衡條件可以利用迭代法求得穩(wěn)定性系數(shù)。,基本原理,Janbu普遍條分法,4.2.5 采用簡布普遍條分法進行穩(wěn)定驗算時，穩(wěn)定安全系數(shù)可按式(4.2.5) 采用迭代法計算。,土條兩側(cè)邊界上的剪力增量，根據(jù)土條兩側(cè)邊界上法向力作用點位置計算。,計算步驟,在簡布模型中，K值出現(xiàn)于等式的兩端，因此，計算K時先假定T=0，迭代計算求得近似K值，然后根據(jù)力的平衡方程,再求出條塊側(cè)界面上的法向力，并進一步求得T值。以此逐步迭代，以使前后K值差小于規(guī)定的計算精度，從而最終求得K值。,軟土地基路堤的穩(wěn)定驗算宜采用圓弧滑動法中的有效固結(jié)應力法、改進總強度法，必要時可采用簡化畢肖普法、簡布普遍條分法。 簡化畢肖普法和簡布普遍條分法都是較精確的計算方法，簡布普遍條分法還常用于非圓弧滑動面的穩(wěn)定驗算。由于兩種計算方法采用有效抗剪強度指標，取樣試驗的工作量比較大，必須事先測定土層的孔隙壓力或按滲流理論計算U。設計中全部采用這種方法計算有一定困難，可以在試驗工程中或路堤的重點部位有選擇性地應用。,前述各種方法，基本出發(fā)點是一致的，就是假定土體為理想塑性材料，把土條作為一個剛體，按照極限平衡的原則進行力的分析，完全不考慮土體本身的應力-應變關(guān)系，各種方法的最大不同之處僅僅在于相鄰土條間的內(nèi)力作如何假定，也就是如何增加已知條件使超靜定問題變成靜定問題。,條 分 法 比 較,各種穩(wěn)定分析方法的比較,1、滑裂面問題 對于勻質(zhì)的粘性土坡，采用圓弧條分法可以獲得較為滿意的結(jié)果，但對于不是勻質(zhì)或一些特殊情況的邊坡，滑裂面形狀會發(fā)生很大變化，這就需要根據(jù)工程實際情況，采用多種方法或非圓弧滑裂面，進行計算比較。 2、強度指標選擇問題 土體的強度指標測定與選用值是否適當，對土坡的穩(wěn)定驗算關(guān)系甚大，有研究表明，對同一種方法，采用不同試驗方法得到的強度指標能使土壩竣工期穩(wěn)定系數(shù)在1.11.9之間變化，誤差大大超過了采用不同計算方法造成的誤差。,關(guān)于計算方法的一些說明,3、建立在極限平衡基礎(chǔ)理論上的條分法，計算方法較為完善、使用經(jīng)驗較為豐富。但是，方法本身沒有考慮土體內(nèi)部的應力應變關(guān)系計算，所得到的安全系數(shù)只是假定滑裂面上的平均安全系數(shù)，所求出的土條間的內(nèi)力或土條底部反力并不就是滑動土體真實存在的力，因此，無法分析穩(wěn)定破壞的發(fā)生和發(fā)展過程，更無法考慮局部變形對土坡穩(wěn)定的影響。因此，數(shù)值分析方法在這方面顯示了較大的優(yōu)勢。需要在以后工作中，采用多種分析方法，這些方法的相互印證，對極大的促進土坡穩(wěn)定分析理論的發(fā)展。,土體產(chǎn)生壓縮的原因： 1、固體顆粒的壓縮； 2、孔隙水和孔隙氣體的壓縮，孔隙氣體的溶解； 3、孔隙水和孔隙氣體的排出；,水、固體顆粒的壓縮量常可略不計； 土體壓縮主要來自孔隙水和氣的排出。,4.3 沉降計算,軟基路堤沉降的組成 總沉降=地基總沉降+路堤沉降（壓縮） 沉降計算包括： 總沉降計算、固結(jié)度與固結(jié)沉降計算、工后沉降計算,（一）、總沉降計算,地基總沉降可用以下兩種方法表示： S=Sd+Sc+Ss S =msSc 其中，地基沉降又包括 以下幾個部分： Sd：初始沉降 Sc：固結(jié)沉降 Ss：次固結(jié)沉降,初始沉降（瞬時沉降）Sd,土體在附加應力作用下產(chǎn)生的瞬時變形,固結(jié)沉降Sc,飽和與接近飽和的粘性土在荷載作用下隨著超靜孔隙水壓力的消散土中孔隙水的排出土骨架產(chǎn)生變形所造成的沉降(固結(jié)壓密),次固結(jié)沉降Ss,主固結(jié)過程(超靜孔隙水壓力消散過程)結(jié)束后，在有效應力不變的情況下，土的骨架仍隨時間繼續(xù)發(fā)生變形。稱為次固結(jié)沉降,次固結(jié)沉降Ss,次固結(jié)變形為主固結(jié)變形完成后，土體的變形在時間上把主固結(jié)變形和次固結(jié)變形截然分開的意見在學術(shù)界看法是不一致的。 將地基沉降分成三部分是從變形機理角度考慮，并不是從時間角度劃分的地基固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降難以在時間上分開。,土的性質(zhì)對沉降的影響,初始沉降是主要的，排水固結(jié)變 形在荷載作用后很快完成,固結(jié)沉降是主要的，需要很長時間才能完成,沉降計算方法,初始沉降,采用彈性理論求解,固結(jié)沉降,根據(jù)固結(jié)確定試驗參數(shù)，采用分層總和法求解,次結(jié)沉降,根據(jù)相應試驗確定參數(shù)， 采用分層總和法求解,砂土地基,飽和粘土地基,在實際工程中，常常采用計算出主固結(jié)沉降后乘以沉降修正系數(shù)的方法計算總沉降。,4.3.5最終沉降宜按式(4.3.5-1)計算,4.3.6 最終沉降也可由瞬時沉降Sd、主固結(jié)沉降Sc及次固結(jié)沉降Ss三者之和按式(4.3.6)計算。 =Sd+Sc+Ss,4.3.7 瞬時沉降Sd可按式(4.3.7-1)和式(4.3.7-2)計算。,4.3.8 次固結(jié)沉降Ss可按式(4.3.8)計算。,hi各土層的厚度（m）； tci主固結(jié)完成所需要的時間(d)； eci主固結(jié)完成時土的孔隙比； tA計算次固結(jié)變形所要求的總時間(d)； Iai次固結(jié)系數(shù)，可由土層取樣進行室內(nèi)高壓固結(jié)試驗得到的e-lgt曲線確定。,4.3.10 以上沉降計算方法在實際應用中，一般認為用壓縮模量計算精度偏低，首選e-p曲線計算主固結(jié)沉降，最終沉降采用沉降系數(shù)計算。這是公路部門根據(jù)多年的實踐，從方法的可靠性和實際的可行性綜合選用的結(jié)果。,沉降修正系數(shù),H 路堤中心高度(m)； 路堤填料的重度(kN/m3)； 地基處理類型系數(shù), 用塑料排水板處理時取0.951.1,用水泥攪拌樁處理時取0.85，預壓時取0.90； V加載速率修正系數(shù),加載速率在2070mm/d之間時，取0.025；采用分期加載，速率小于20mm/d時取0.005；采用快速加載，速率大于70mm/d時取0.05； Y地質(zhì)因素修正系數(shù)，當同時滿足軟土層不排水抗剪強度小于25 kPa、軟土層的厚度大于5m、硬殼層厚度小于2.5m三個條件時，Y=0，其他情況下可取Y=-0.1。,（二）、主固結(jié)沉降計算,4.3.1 主固結(jié)沉降Sc應采用分層總和法計算，計算參數(shù)可采用由壓縮試驗得到的e-p曲線或壓縮模量Es或elgp曲線。,4.3.2 采用e-p曲線計算時，主固結(jié)沉降Sc可按式(4.3.2)計算。,4.3.3采用壓縮模量Es計算時，主固結(jié)沉降Sc可按式(4.3.3)計算。,elgp曲線計算沉降,eP 曲線計算沉降，不能反映土的壓力歷史。 當考慮土層的應力歷史進行變形計算時，應進行高壓固結(jié)試驗，確定先期固結(jié)壓力、壓縮指數(shù)等壓縮性指標，試驗成果用e-lgp曲線表示。,hp,正常固結(jié)、超固結(jié)、欠固結(jié)這三種狀態(tài)不是固定不變的，隨著外界條件的變化可以從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)化成另一種狀態(tài)。,根據(jù)Pci劃分土層,1)正常固結(jié)土 若天然土層經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)年代，逐漸沉積到現(xiàn)在的地面，在土的自重作用下已經(jīng)達到固結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)，則其先期固結(jié)壓力pc等于現(xiàn)有的土自重應力P1(p1h），這類土稱為正常固結(jié)土。正常固結(jié)土的超固結(jié)比OCR=1。,2)超固結(jié)土 若正常固結(jié)土受流水、冰川或人為開挖等的剝蝕作用而形成現(xiàn)在的地面，則先期固結(jié)壓力Pchc(hc為剝蝕前地面下的計算點深度)就超過了現(xiàn)有的土自重應力P1。這類歷史上曾經(jīng)受到過大于現(xiàn)有覆蓋土重的先期固結(jié)壓力的土稱為超固結(jié)土。超因結(jié)土的超固結(jié)比OCR1。 與正常固結(jié)土相比，超固結(jié)土的強度較高、壓縮性較低，靜止側(cè)壓力系數(shù)較大(可大于1)。軟弱地基處理方法之一的堆載預壓法就是通過堆載預壓使軟弱土成為超固結(jié)土，從而提高其強度，降低其壓縮性。,3)欠固結(jié)土 欠因結(jié)土主要指新近沉積粘性土、人工填土及地下水位下降后原水位以下的粘性土等。這類土層在自重作用下還沒有完全田結(jié)，土中孔隙水壓力仍在繼續(xù)消散，土的先期固結(jié)壓力P c小于現(xiàn)有土的自重應力P1(這里P1指的是土層固結(jié)完畢后的自重應力)。欠固結(jié)土的超固結(jié)比OCR1。由于欠固結(jié)土層的沉降尚未穩(wěn)定，因此當?shù)鼗饕芰臃秶鷥?nèi)有欠固結(jié)土層時，必須注意其沉降問題。,e lgP 曲線,e,壓縮指數(shù),對直線段：,lgP,Cc 是無量綱系數(shù)，同壓縮系數(shù)a 一樣，壓縮指數(shù)Cc值越大，土的壓縮性越高。 雖然壓縮系數(shù)a 和壓縮指數(shù)Cc 都是反映土的壓縮性的指標，但是兩者有所不同。前者隨所取的初始壓力及壓力增量的大小而異，而后者在較高的壓力范圍內(nèi)卻是常量，不隨壓力而變。,壓縮系數(shù)與壓縮指數(shù),(1)土體的變形是由可恢復的彈性變形和不可恢復的塑性變形組成； (2)回彈曲線和再壓線曲線構(gòu)成一迴滯環(huán)，是土體不是完全彈性體的表征； (3)回彈曲線和再壓縮曲線比壓縮曲線平緩得多； (4)當再加荷時的壓力超過b點，再壓縮曲線就趨于初始壓縮曲線的延長線。,再壓縮試驗時土體體積變化特征：,利用壓縮、回彈、再壓縮的e-lgp曲線，可以分析應力歷史對土的壓縮性的影響。,4.3.4采用elgp曲線計算時，主固結(jié)沉降Sc可分正常固結(jié)土、欠固結(jié)土和超固結(jié)土三種情況分別計算。 1 正常固結(jié)土、欠固結(jié)土的主固結(jié)沉降Sc可按式(4.3.4-1)計算。,Cci土層的壓縮指數(shù)。,2 超固結(jié)土的主固結(jié)沉降Sc可按以下公式計算。 1）當ppc-p0時，,2）當ppc-p0時,式中：p0i地基中各分層中點的自重應力(kPa)； pci地基中各分層中點的前期固結(jié)壓力(kPa)； Csi土層的回彈指數(shù)。,用elgp曲線計算試驗工作量大，實施較為困難。在試驗工程中或在路堤的重點部位可以有選擇性地采用elgp曲線計算。,4.3.9 任一時刻地基的沉降，應考慮主固結(jié)隨時間的變化過程，可按式(4.3.9)計算： St=Sd+ScU+Ss U地基平均固結(jié)度,（三）、固結(jié)沉降計算,（四）、地基固結(jié)度計算,4.4 地基平均固結(jié)度計算 4.4.1 軟土地基固結(jié)應包括豎向固結(jié)與水平向固結(jié)兩部分，可采用太沙基固結(jié)理論計算。,一維固結(jié)微分方程的建立 考察土層頂面以下Z深度的微元體dxdydz在dt時間內(nèi)的變化,連續(xù)性條件 dt時間內(nèi)微元體內(nèi)水量的變化應等于微元體內(nèi)空隙體積的變化,1,（2）根據(jù)達西定律：,（3）根據(jù)側(cè)限條件下孔隙比的變化與豎向有效應力變化的關(guān)系（基本假設）得到：,（4）根據(jù)有效應力原理：,3,2,將2、3帶入1，得到,上式即為太沙基一維固結(jié)微分方程，其中CV稱為土的豎向固結(jié)系數(shù),豎向排水,初始條件和邊界條件如下：,應用傅立葉級數(shù)，可求得滿足初始條件和邊界條件的固結(jié)度計算公式,4.4.2 豎向固結(jié)條件下，地基豎向平均固結(jié)度Uv可按式(4.4.2-1)式(4.4.2-4)計算。,4.4.3 地基中設有砂井或其他形式的豎向排水體時，徑向固結(jié)度Ur可按式(4.4.3-1)式(4.4.3-3)計算：,4.4.4 地基中設有砂井或其他形式的豎向排水體時，砂井區(qū)地基總的平均固結(jié)度U可按式(4.4.4）計算：,4.4.5 砂井底面以下地基的固結(jié)度應按Uv計算，Uv的排水距離可按式(4.4.5-1)和式(4.4.5-2)計算。,多級加載情況下固結(jié)度修正,在實際工程中，荷載總是分級逐漸施加的，因此，前面公式求得的固結(jié)時間關(guān)系必須加以修正，修正的方法有改進的高木俊介法和改進的太沙基法。 高木俊介法是根據(jù)巴倫理論，考慮變速加荷使砂井地基在輻射向和垂直向排水條件下推導出砂井地基的總平均固結(jié)度，其特點是不需要求得瞬時加荷條件下的地基固結(jié)度，而是可以直接求得修正后的平均固結(jié)。 改進的太沙基法得到的固結(jié)度僅是對本級荷載而言的，總固結(jié)度等于各級荷載增量作用下固結(jié)度的疊加，對總荷載還要按荷載的比例進行修正。,4.5 地基平均固結(jié)度修正 4.5.1地基平均固結(jié)度可采用改進的太沙基法或改進的高木俊介法修正。 4.5.2 采用改進的太沙基法時，多級等速加載下修正后的地基平均固結(jié)度可按式（4.5.2）計算,4.5.3 采用改進的高木俊介法時，多級等速加載下修正后的地基平均固結(jié)度可按式（4.5.3）計算。,pi第i級等速加載的荷載增量， 第i級荷載平均加載速率(kPa/d)； 參數(shù)，與排水固結(jié)條件有關(guān)。,（五）、工后沉降計算,4.3.11 工后沉降應按下式計算。 sp=so- scp so路面設計使用年限內(nèi)地基發(fā)生的總沉降(m)； scp路基路面施工(預壓)期沉降(m)。 4.3.12 當工后沉降不滿足下表的要求時，應針對沉降進行處理設計。,路基沉降觀察與工后沉降建議,筆者單位對四川成南公路沉降狀況進行了長期跟蹤觀測，從路基填筑段落開始一直到通車后的3年的不間斷沉降觀測資料。觀測時間跨度一般在6年左右。,K178+190實測沉降曲線,K178+190工后沉降觀測曲線,表 各工點穩(wěn)定期沉降發(fā)展一覽表,成南高速公路各工點工后沉降與路面狀況,泉廈高速公路對路面底基層施工鋪筑時的路基沉降速率作出了如下規(guī)定： 一般路段連續(xù)兩次月平均沉降小于8，橋頭路段連續(xù)兩次月平均沉降小于6。 滬寧高速公路，對路面各層次鋪筑時間也進行了規(guī)定： 預壓期填筑底基層的條件為:路床頂面的沉降速率連續(xù)兩個月的觀測值小于5/月；填筑瀝青混凝土面層的條件為：基層的沉降速率連續(xù)兩個月的觀測值應小于3/月。 京滬高速鐵路設計暫行規(guī)定對路基的工后沉降提出了嚴格的要求，明確規(guī)定工后沉降不應大于10、沉降速率應小于3/年的雙指標控制標準。 從以上標準看，在鋪筑路面面層時，一般要求月沉降速率小于34mm以下。,關(guān)于工后沉降的建議（供參考）,一、 淡化遠期控制指標，工后沉降標準主要在軟基設計中使用。提出近期工后沉降控制標準（如3年），提出實際施工中的沉降速率控制標準。 二、在路基設計規(guī)范中，也提出了鋪筑路面的沉降速率控制標準。 三、 嚴格控制鋪筑各層路面時的沉降控制標準（連續(xù)2月觀測）。 底基層、基層鋪筑要求：沉降速率不大于8mm/月； 油面鋪筑要求：沉降速率不大于0.5cm左右/月； 油面上面層鋪筑要求：沉降速率不大于0.30.4cm左右/月。 從這幾條路與相關(guān)資料的實踐證明，該沉降穩(wěn)定控制標準是基本可行的，符合或嚴格按照上述標準進行控制鋪筑的路面，一般不會出現(xiàn)較大的沉降問題。,軟基處理包括地上、地下兩個部分，在地下有塑料排水板、碎石樁、粉噴樁、管樁等處理技術(shù)，在地上，也有反壓附道、堆載預壓、輕質(zhì)路堤、加筋路堤、筏基等處治技術(shù)，根據(jù)以往的成功經(jīng)驗，軟基處治適宜采用綜合處理，因地制宜的技術(shù)方案。,四 路堤設計,6.1.1軟土地基段的路堤設計，應按照因地制宜、就地取材的原則，根據(jù)地基情況分段進行。宜采取經(jīng)濟合理的措施降低路堤自重，減小路基工后沉降。 6.1.2路堤設計的內(nèi)容應包括路堤斷面設計、路堤填料設計、堆載預壓高度設計和預壓期設計等。 6.1.3 路堤斷面設計應考慮地基沉降、路堤頂面凹陷、頂寬和底寬收縮以及邊坡變緩等因素。,6.1 一般規(guī)定,6.1.4 路堤寬度應適當超填，單側(cè)的超填量d可參照圖6.1.4按式(6.1.4)計算：,6.1.6 堆載預壓宜采用等載預壓；當工期緊時，可采用超載預壓；二級以下(含二級)的公路可采用欠載預壓。 6.1.7 沉降起控制作用的路段，預壓期應根據(jù)要求的工后沉降確定；穩(wěn)定起控制作用的路段，應根據(jù)地基固結(jié)度確定；沉降與穩(wěn)定均為控制因素時，應選用兩者中較長的預壓期。地基采用豎向排水體處理時，預壓期不宜小于6個月；采用復合地基處理時，預壓期不宜小于3個月。,超載預壓應考慮因地基沉降而增加的路堤填土荷重。因地基沉降而增加的填土，即沉入地基的那部分路基填土，在計算沉降時應考慮為荷重，否則計算的沉降值將偏小。 豎向排水體施工時，施工機械的振動及樁管的擾動，會破壞地基土的強度和透水能力，造成在施工后一段時間內(nèi)，理論推算沉降與可能實際有較大差別，需要45個月后方可恢復正常，因此，需要限制預壓期不能過短。日本高等級公路設計規(guī)范要求：預壓施工時，原則上要在預壓填土后放置6個月以上時間。從我國施工工期以及經(jīng)濟方面考慮，要求預壓期不少于6個月。 粒料樁、加固土樁、水泥粉煤灰碎石樁、剛性樁加固的地基都屬于復合地基，這些樁體施工時同樣會造成地基的擾動，適當?shù)念A壓期有利于地基強度的恢復和樁土相互作用的協(xié)調(diào)，因此，宜按不小于3個月控制預壓期。,6.2 粉煤灰路堤,6.2.3 粉煤灰路堤應做好斷面設計、結(jié)構(gòu)設計和排水設計，保證路堤有足夠的強度和穩(wěn)定性。 6.2.4 粉煤灰路堤邊坡和路肩應采取土質(zhì)護坡等保護措施，護坡土宜采用塑性指數(shù)不低于12的粘質(zhì)土。土質(zhì)護坡厚度應根據(jù)道路等級、地理環(huán)境、自然條件、土質(zhì)、施工條件等因素確定，水平方向厚度不應小于1m，并應碾壓密實。 6.2.5 應在土質(zhì)護坡上間隔一定的距離設置排水盲溝，排除粉煤灰路堤體內(nèi)積水。排水盲溝宜設置于路堤的中下部，可設置12排，盲溝豎向間距宜為2m，水平間距宜為1015m。盲溝可采用土工布包裹碎石型式，斷面尺寸宜為0.4m0.5m。盲溝深入粉煤灰路堤內(nèi)部不應小于1.0m，排水橫坡不宜小于3%。,6.2.6 粉煤灰路堤的上路床應采用無機結(jié)合料穩(wěn)定材料，同時作為粉煤灰路堤的封頂層。 6.2.7 粉煤灰路堤底部應設置隔離層。隔離層可采用天然砂礫料、采石場碎塊片石等透水性良好的材料填筑，也可采用工業(yè)廢渣、爐渣、鋼渣、礦渣等。隔離層厚度不宜小于0.3m，橫坡不宜小于3%。,6.2.8 粉煤灰路堤邊坡高度在5m以下時，邊坡坡率應不陡于1：1.5；5m以上的路堤，上部邊坡坡率應不陡于1：1.5，下部邊坡坡率應不陡于1：1.75。展坡困難時可設置擋墻收縮坡腳。 6.2.9 粉煤灰與橋涵等混凝土結(jié)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)物接觸處，宜在結(jié)構(gòu)物表面涂刷瀝青防腐。 6.2.10 粉煤灰路堤的穩(wěn)定驗算方法和沉降計算方法與土質(zhì)路堤相同。穩(wěn)定驗算時，粉煤灰的黏聚力c和內(nèi)摩擦角應采用飽水后測得的c、值，地基土各層