西南交通大學土木工程系高路堤工程抗震優(yōu)化畢業(yè)設計_圖文

1、西 南 交 通 大 學 畢業(yè)設計(論文高路堤工程抗震優(yōu)化設計年 級 :2006級學 號 :200x0000姓 名 :xxx專 業(yè) :土木工程指導老師 :xxx教授2010年 6月院 系 專 業(yè)年 級 姓 名題 目指導教師評 語指導教師 (簽章 評 閱 人評 語評 閱 人 (簽章 成 績答辯委員會主任 (簽章 年 月 日 畢 業(yè) 設 計 任 務 書班 級 學 生 姓 名 x x x 號 發(fā) 題 日 期 :年 月 日 完 成 日 期 :畢 業(yè) 當 年 的 月 日 題 目 高路堤工程抗震優(yōu)化設計1、設計原始資料2、 設計各部分內(nèi)容及時間分配:(共第一部分 收集資料、學習補充相關知識 ( 2 周第二部

2、分 高路堤穩(wěn)定性分析 ( 2 周第三部分 坡率、加筋的抗震優(yōu)化設計 ( 2 周第四部分 設計說明書、文整 ( 1 周評閱及答辯 ( 1 周3、計算說明書內(nèi)容汶川震區(qū)公路路基震害調查與分析(2高路堤穩(wěn)定性分析(一般工況,不同坡率的加筋與不加筋對比(3高路堤抗震優(yōu)化設計(地震工況,不同坡率的加筋與不加筋對比(4結論應交出之圖紙及文件 (1設計說明書; (2設計圖紙; 4、(2 道路勘測設計 ,趙永平 唐勇主編,高等教育出版社;(3 路基及支擋結構 池淑蘭等編 中國鐵道出版社(5 土力學 ,劉成宇編著,中國鐵道出版社(6公路工程抗震設計規(guī)范 JTJ004-89指導教師:年 月 日審 批 人:年 月

3、日摘要:近年來我國西部山區(qū)地震頻發(fā),路堤工程面臨嚴峻考驗,高路堤工程在地震作 用下的穩(wěn)定性問題也日益突出。由汶川地震路基工程震害調查發(fā)現(xiàn),山區(qū)高路堤一 般采用階梯型邊坡,主要震害模式有路基邊坡開裂、臌脹或局部坍塌,但能保持整 體穩(wěn)定;未鋪設土工格柵的高路堤邊坡易發(fā)生坍塌破壞,而鋪設土工格柵的高路堤 僅發(fā)生局部變形。因此本文主要研究內(nèi)容就是在地震工況下對路堤進行優(yōu)化設計, 使路堤的穩(wěn)定性系數(shù)能滿足規(guī)范要求。優(yōu)化設計有兩種方法:(1放緩路堤邊坡坡 度; (2在路堤內(nèi)部鋪設土工合成材料即加筋土路堤。本文利用理正軟件分別計算 兩種方案在正常工況下和地震工況(地震烈度為 7、 8、 9度時的穩(wěn)定性系數(shù),

4、確 定優(yōu)化設計方案。通過分析兩種方法的優(yōu)缺點,可以發(fā)現(xiàn)鋪設土工格柵的高路堤工 程適應土體自身變形能力強,能抵消地震能量,有良好的抗震性能,占用土地面積 少,節(jié)省填料,減少對生態(tài)環(huán)境的破壞。加筋土路堤在目前雖然屬于新技術,但是 實用性強,前景較好,因此在綜合考慮各種因素后,確定路堤抗震優(yōu)化設計方案時 采用鋪設土工合成材料的路堤。關鍵詞:地震;高路堤;土工格柵;優(yōu)化設計AbstractIn recent years, the embankment in earthquake-prone mountain areas in western China, is facing a severe chal

5、lenge, the stability of the high embankment under earthquake is a prominent problem. Damage from the earthquake subgrade survey, the high embankment slope in the mountain areas commonly used ladder-type, The main damage mode include the slope of the main embankment cracking damage, tympanites or par

6、tial collapse, but maintain the overall stability; The damage in the high embankment without laying geogrid prone slope collapse, while laying geogrid embankment occurred only local deformation. The main research content in this article is to optimize the design so that the stability of embankment c

7、an meet the regulatory requirements .Optimization design have two kinds of methods (1Slow down embankment slope (2 Laying geosynthetics in the internal embankment. LLZHENG program is used to calculate the stability factor of the two methods in normal operating conditions and seismic conditions (seis

8、mic intensity for the 7,8,9 degrees, to determine the optimal design. By analyzing the advantages and disadvantages of the two methods can find that the highembankment laying geogrid soil works to adapt its deformation ability, offset the seismic energy, good seismic performance, take up less land a

9、rea, saving packing, reduce the ecological environment damage. Reinforced embankment at present although belonging to the new technologies, but the practicability and prospect is good, and therefore, after comprehensive consideration of various factors to determine the optimum design of embankment p

10、rogram using the Embankment installation of geosynthetics.Key words:earthquake; high embankment; geogrid; optimal design目錄第 1章 緒論 . 8 1.1 汶川地震交通工程震害概論 . 8 1.1.1 交通工程震害總述 . 8 1.1.2 公路工程典型震害 . 9 1.1.3 橋梁典型震害 .11 1.1.4 隧道典型震害 . 13 1.2 高路堤工程震害特征與分析 . 14 1.3 小結 . 16第 2章 路堤工程穩(wěn)定性分析與抗震設計原理 . 17 2.1 概述 . 17

11、2.2 砂性土坡的穩(wěn)定性分析 . 17 2.3 黏性土坡的穩(wěn)定性分析 . 18 2.3.1條分法 . 18 2.3.2 瑞典條分法 . 20 2.3.3 畢肖普法 . 22 2.3.4 簡布普遍條分法 . 23 2.3.5 極限平衡的其他計算方法 . 25 2.3.6幾種方法的簡單比較 . 26 2.3.7 最危險滑弧圓心位置的確定 . 27 2.4 抗震設計原理 . 29 2.5 典型案例分析 . 31 2.6 小結 . 34第 3章 路堤工程抗震優(yōu)化設計初探 . 35 3.1 理正軟件簡介 . 35 3.2 高路堤工程初步設計 . 36 3.2.1 高路堤工程設計參數(shù)與計算簡圖 . 36

12、3.2.2 高路堤工程穩(wěn)定性分析結果 . 38 3.3 邊坡坡度對高路堤工程穩(wěn)定性影響分析 . 42 3.4 加筋長度對路堤工程抗震性能的影響 . 46 3.4.1 鋪設 8m 土工格柵后穩(wěn)定性分析 . 46 3.4.2 鋪設 10m 土工格柵后穩(wěn)定性分析 . 52 3.4.3 地震烈度為 9度時路堤穩(wěn)定性分析 . . 57 3.5 高路堤工程抗震優(yōu)化設計建議 . 60結論 . . 62致謝 . . 64參考文獻 . 65第 1章 緒論1.1 汶川地震交通工程震害概論2008 年 5 月 12 日四川汶川發(fā)生 8.0 級特大地震,震驚世界。地震起始破裂 點在汶川縣映秀鎮(zhèn)的龍門山中央斷裂,并在短

13、時間內(nèi)沿龍門山斷裂帶的中央斷裂和 前山斷裂迅速向北東方向破裂,形成長達近 300km 的破裂帶。這是新中國成立以來 破壞性最強、波及范圍最廣、救災難度最大的一次地震,重災區(qū)的范圍超過 13萬平 方公里,其震動的強度、烈度均超過了唐山大地震,死亡和失蹤人數(shù)達 87000多 人。汶川地震使四川省交通基礎設施損毀十分嚴重,損失十分巨大。通往災區(qū)的公 路基礎設施遭受巨大破壞,道路中斷,給抗震救災帶來極大困難,而且地震引發(fā)的 崩塌、滑坡、泥石流以及落石、飛石等次生災害,數(shù)量之多,分布之廣、類型之復 雜、破壞之巨大,舉世罕見。1.1.1 交通工程震害總述汶川地震對四川交通基礎設施尤其是公路交通系統(tǒng)的損毀是

14、空前的,它具有下 列特點:一是受損范圍廣。四川省 20 個市 (州 、 139 個縣 (市、區(qū) 的高速公路、國省 干線、農(nóng)村公路以及碼頭、客運站點和養(yǎng)護設施不同程度受損,其中重災區(qū)的阿 壩、廣元、綿陽、成都、德陽、雅安等市 (州 、 39 個縣 (市 的各類交通設施嚴重受 損。通往汶川、茂縣、北川、青川等重災縣以及 254 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路交通一度完全中 斷。災害造成 21 條高速公路、 16 條國省干線公路、 2.4×104 km 農(nóng)村公路的路基 路面、橋梁隧道等結構物不同程度受損,受損里程近 2.8×104 km(其中高速公路近 200 km、國省干線公路約 3 800 km

15、、農(nóng)村公路 2.41×104 km,損壞國省干線橋梁 670 座,總長 45 323 m;其中隧道 24 座,總長 20 417 m,受損的客運站為 395 個, 其中國家級樞紐 9 個、縣級站 44 個。二是損害程度重。許多經(jīng)過多年努力才建成的交通設施毀于一旦,一些路段全 面損毀,造成毀滅性、根本性破壞。據(jù)不完全統(tǒng)計,四川省交通基礎設施直接經(jīng)濟損失按原值價測算達人民幣 580 億元以上。三是搶通難度大。震后 3 個月仍有 3 條國省主干線未搶通 (國道 213 線映秀汶 川段,省道 303 線映秀至耿達段,省道 302 線茂縣北川公路擂鼓鎮(zhèn)禹里鄉(xiāng)段 。 四是保通工作艱巨。山體滑坡、

16、崩塌、泥石流等次生災害頻繁發(fā)生,還將會造 成交通基礎設施新的破壞,給恢復重建工作帶來新的困難。1.1.2 公路工程典型震害汶川地震大面積、大規(guī)模的山體滑坡造成災區(qū)公路交通癱瘓,其中道路受阻、 橋梁損毀的想象尤為嚴重。地震災區(qū)受破壞的國道有 3條:G317、 G213、 G212。 災區(qū)破壞較重的省道有 5條:S105、 S205、 S210、 S302和 S303。同時,數(shù)量眾多 的縣道、鄉(xiāng)道也遭受嚴重破壞。公路系統(tǒng)的典型震害表現(xiàn)為:次生地質災害(滑 坡、崩塌、泥石流、落石掩埋、摧毀道路;下面詳細介紹汶川地震典型震害模 式:(1汶川地震使得原都汶公路某段一側山體在山脊處發(fā)生大型巖崩、滑坡,將公

17、路 完全掩埋,破壞嚴重。由于掩埋嚴重,都汶公路交通完全中斷。見圖 1-1: 圖 1-1 都汶公路的大型崩塌(2地震引發(fā)的落石砸壞道路路面,引起交通阻斷。見圖 1-2:圖 1-2 落石阻斷公路(3地震斷層造成的斷層引起公路隆起破壞,見圖 1-3圖 1-3 斷層造成公路破壞(4公路路基滑塌,見圖 1-4: 圖 1-4 彭州銀廠溝景區(qū)外的路基滑塌,路面懸空 1.1.3 橋梁典型震害橋梁震害按照表現(xiàn)的形式分為直接震害和間接震害。橋梁直接震害主要有橋梁 倒塌、落梁及梁體移位 (橫移、縱移、平面轉動以及三者的組合 等。橋梁間接震害 主要有山體崩塌、滑坡、堰塞湖等次生災害導致橋梁損毀。具體震害形式有: (1

18、百花大橋第五聯(lián) 5×20m 連續(xù)梁完全傾覆倒塌,見圖 1-5圖 1-5 百花大橋第五聯(lián)倒塌(2墩柱破壞 圖 1-6 墩柱破壞(3滑坡掩埋橋梁 圖 1-7 滑坡掩埋橋梁 (5地震造成橋梁移位 圖 1-8 橋梁移位 (6地震造成落梁 圖 1-9 地震引起落梁1.1.4 隧道典型震害隧道震害主要表現(xiàn)為:隧道洞口被山體滑坡崩塌掩埋、洞門開裂、結構破損; 襯砌開裂掉塊甚至坍塌、施工縫開裂錯臺、襯砌開裂后滲漏水;排水系統(tǒng)遭到堵塞 和破壞、積水嚴重,路面及仰拱隆起、錯臺等。具體震害有:(1震區(qū)隧道洞門典型的震害特征為墻身開裂、結構傾斜、斷裂、沉陷、洞門 結構破壞等情況。見圖 1-10圖 1-10

19、隧道洞門破壞(2隧道洞身結構破壞地震引起襯砌支護結構破壞主要表現(xiàn)為震區(qū)的既有隧 道存在襯砌開裂、碎裂、剝落、掉塊、坍塌、錯斷、錯臺、滲漏水等情況;在 建隧道初期支護變形、掉塊以及鋼支撐扭曲變形,圍巖坍塌等情況。見圖 1-11圖 1-11 二襯破壞大面積坍塌(3地震引起的隧道初襯、二襯破壞見圖 1-12、 1-13 圖 1-12 二襯掉塊 圖 1-13 初支變形1.2高路堤工程震害特征與分析四川是一個多山地區(qū),山區(qū)面積大約占全部面積的三分之二,在這些地區(qū)修建 鐵路和公路比平原地區(qū)更見困難。山區(qū)工程地質條件非常復雜,地形地貌變化大, 水量豐富,且地震活動頻繁,因此對線路修建維修造成很大影響。并且線

20、路工程屬 于帶狀結構物,一條線路少則十幾公里,多則幾百公里,甚至上千公里,很多線路 都不得不通過地震斷裂帶。山區(qū)很多地方都要進行高填土路基和深挖路塹的施工, 其中高填土路基大多很高,從幾米到幾十米不等,因此研究地震作用下高填土路基 的穩(wěn)定性和抗震加固措施就至關重要。下面介紹高路堤工程在地震作用下的震害特征:(1普通高路堤圖 1-14所示的邊坡位于進入銀廠溝景區(qū)的公路邊路基外側由條石堆砌而成,地 震中條石滾落,發(fā)生較大規(guī)模的坍塌,防護欄等遭到嚴重破壞,掉入了深谷。 圖 1-14 路基坍塌普通高路堤邊坡在地震作用下很容易失穩(wěn)破壞,尤其是在河岸或地下水豐富的沙質地層上填筑路堤時,在強地震力作用下會發(fā)

21、生沙土液化現(xiàn)象,從而造成路堤邊 坡失穩(wěn)(2都汶公路一高路堤工點,處于高烈度區(qū),距汶川震中 15.25公里。最高路 堤填土高度達 42米,長約 179米,見圖1-15 圖 1-15 42米加筋土路堤本路堤為高填方路堤,最高填方 42米,邊坡進行多次放坡,路堤頂部與底部均 放置土工格柵,保證路堤本體穩(wěn)定。路堤整體在 5.12大地震完好,局部路面有拉裂、鼓起現(xiàn)象。兩邊坡局部有裂縫 出現(xiàn)。由此可見鋪設土工格柵的高路堤抗震性能良好。(3都汶公路落石工點,位置距汶川震中 11.1公里。路堤高 16米,長約 42米,汶川地震后路堤邊坡角附近有輕微鼓起,見圖 1-16: 圖 1-16 落石工點處加筋土路堤本段

22、路堤的特點也是在路堤內(nèi)鋪設土工格柵,間隔 0.5米。護坡采用漿砌片 石,加土工膜防水設計。(3牛圈溝震源工點本段路堤位于牛圈溝震源處,在 5.12地震作用下,路肩墻與路堤本體發(fā)生分 離,路堤本體沿圓弧形滑面發(fā)生破壞。見圖 1-17、 1-18 圖 1-17 路肩墻與路堤本體發(fā)生分離 圖 1-18 路堤本體沿圓弧形滑面滑動1.3 小結由于高路堤工程大多都是幾十米高,因此穩(wěn)定性就比普通路堤差,尤其是在地 震作用下,極易失穩(wěn)。從汶川地震中就可以發(fā)現(xiàn)加筋土路堤大多未受到嚴重破壞, 而普通高路堤在地震作用下坍塌很多。由此可見加筋土路堤在抵抗地震方面確實有 著普通路堤無法比擬的優(yōu)勢。發(fā)現(xiàn)問題做什么(報數(shù)量

23、怎么做技術路線第 2章 路堤工程穩(wěn)定性分析與抗震設計原理2.1 概述天然土坡或人工填筑的堤壩,在一定條件、地質條件下,由于各種自然因 素及人為因素的影響,破壞了土體內(nèi)部應力的平衡,不穩(wěn)定土體在自重或外力 作用下,沿途中某個面滑動而導致土坡的破壞。它嚴重影響了鐵路、公路、河 道的正常運行及其他建筑工程的安全,因而研究土坡穩(wěn)定性是很重要的。 影響土坡穩(wěn)定性的因素很多,有地形、地質、水文、氣象等因素,而邊坡 愈高、愈陡,其穩(wěn)定性愈差。土坡穩(wěn)定性喪失,是由于土體內(nèi)部發(fā)生剪切作用 并形成了貫通的滑動面,使土體沿此面滑動而破壞。這是因為作用在該面上的 剪切力達到并超過了該面上由抗剪強度而形成的抵抗土體滑動

24、的能力。土體穩(wěn)定程度通常用安全系數(shù) Fs 表示。它表明土坡在預計的最不利條件下 具有的安全保障。土坡安全系數(shù)定義為:可能出現(xiàn)的破裂面上,阻抗土體滑動 的力系與土體沿該面滑動力系之比。大量觀察及量測證明:砂性土坡的滑動面近似一平面,在橫斷面上近似一 直線;而黏性土坡的滑動面近似一圓柱面,在橫斷面上近似為圓弧狀。因而在 分析土坡穩(wěn)定性時,常假定土坡破壞時是沿著平面或圓柱面破壞,從而簡化了 土坡穩(wěn)定性檢算的計算方法。2.2 砂性土坡的穩(wěn)定性分析由砂性土構成的土坡,包括黏聚力較小的黏砂土、砂土、礫石、碎石等邊坡,經(jīng)大量觀測發(fā)現(xiàn),邊坡破壞時其破裂面近似平面,在斷面上近似直線,為了簡化計 算這類土坡穩(wěn)定性

25、分析采用直線破裂面法,并假定土坡破壞時,不穩(wěn)定土體沿平面 破裂面整體滑動。在無粘性土坡表面取一小塊土體來進行分析 (圖 2-1 ,設該小塊土體的重量為 W ,其法向分力 N = W cos ,切向分力 T = W sin 。法向分力產(chǎn)生摩擦阻力,阻止 土體下滑,稱為抗滑力,其值為 R = N ·tg =W cos ·tg 。切向分力 T 是促使 小土體下滑的滑動力。則土體的穩(wěn)定安全系數(shù) F s 為:F s tg tg sin tg cos =W W T R 滑動力 抗滑力 (2-1 式 中 : 土 的 內(nèi) 摩 擦 角 (° ; 土 坡 坡 角 (° 。

26、圖 2-1 砂性土土坡為了保證土坡的安全性, F s 值必須滿足設計規(guī)范的要求。 設計規(guī)范規(guī)定:“安全系數(shù)一般不小于 1.25,如有充分資料或其他有利因素時,可允許減小 到 1.15。 ”安全系數(shù)如不滿足要求,必須放緩邊坡或采取適當?shù)募庸檀胧?.3 黏性土坡的穩(wěn)定性分析黏性土坡的穩(wěn)定性分析目前廣泛采用條分法,隨著條分法的提出,通過改進 到發(fā)展,可以分為瑞典條分法、畢肖普法、傳遞系數(shù)法、分塊極限平衡法、簡布 法等。2.3.1 條分法條分法是以極限平衡理論為基礎的一種剛體極限平衡分析法。其基本思路 是:假定邊坡的巖土體破壞是由于邊坡內(nèi)部產(chǎn)生了滑動面,部分坡體沿著滑動面滑動造成的,滑動面上的坡體服從

27、破壞條件。假設滑動面已知,通過考慮滑 動面形成的隔離體的靜力平衡,確定沿著滑面發(fā)生滑動時的破壞荷載,或者說 判斷滑動面上的滑體的穩(wěn)定狀態(tài)或穩(wěn)定程度。該滑動面為人為確定,其形狀可 以是平面、圓弧面、對數(shù)螺旋面或其他不規(guī)則曲面。隔離體的靜力平衡可以是 滑面上的力平衡或力矩的平衡。隔離體可以是一個整體,也可以由若干人為分 隔的豎向土條組成。由于滑動面是假定的,因而只有通過系統(tǒng)地求出一系列滑 面發(fā)生滑動時的破壞荷載,得出最小的破壞荷載,其中最小的破壞荷載要求的 極限荷載與之相應的滑動面就是可能存在的最危險的滑動面。條分法是將滑動土體豎直分成若干土條,把土條當成剛體,分別求作用于 各土條上的力對圓心的滑

28、動力矩和抗滑力矩,然后按下式求土坡的穩(wěn)定安全系 數(shù) Fs : (2-1 受力分析如圖 2-1: 圖 2-2 條分法受力分析圖從其中選出一個土條 i ,所受的力包括1 重力 ;2 條塊側面法向力 ,其作用點離弧面為 ;3 條塊側面切向力4 土條底部的法向力 ,切向力 ,條塊弧段長為 ;土條 i 滿足平衡方程:力的平衡方程 (2-2 極限平衡方程:(2-3 求解方法:(1假定條間力的大小與方向的 畢肖普法和瑞典條分法;(2假定條間力的作用方向的不平衡推力傳遞法;(3假定條間力的作用點位置的簡布法。2.3.2 瑞典條分法瑞典法亦稱 Fellenious 法,是邊坡穩(wěn)定分析領域最早出現(xiàn)的一種方法。該方

29、法 假定滑裂面為圓弧形,在計算安全系數(shù)時,簡單的將條塊重量向滑面法向方向分解 來求得法向力。此法構成了近代土坡穩(wěn)定分析條分法的雛型。 圖 2-3 瑞典條分法其基本假定如下:(1假定土坡穩(wěn)定屬于平面應變問題,即可取其某一剖面為代表進行分析計算。(2假定滑裂面為圓柱面,即在橫剖面上滑裂面為圓弧;弧面上的滑動土體視為 剛體,即計算中不考慮滑動土體內(nèi)部的相互作用。(3定義安全系數(shù)為滑裂面上所能提供的抗滑力矩之和與外荷載及滑動土體在滑裂面上所產(chǎn)生的滑動力矩和之比;所有力矩都以圓心 0為矩心。(4采用條分法進行計算。不考慮條塊間的推力(或假定條塊間的推力是作用在 一條直線上的,且大小相等,方向相反,即推力

30、產(chǎn)生的合力、合力矩為 0 。 由于不考慮條快間的作用力,條塊 i 僅受到重力 i W 、切向力 、 i T 法向力 i N 的作 用。根據(jù)徑向力的平衡條件 0F xi = 有 :(2-4 根據(jù)圓弧滑面上極限平衡有:cos sii i i i s i i i i s fi i F tg W l c F tg N l c F T T +=+=安 全 系 數(shù) 抗 剪 強 度(2-5根據(jù)整體力矩平衡條件,外力對圓心的力矩法向力 通過圓心不產(chǎn) 生力矩,則有:(2-6 (2-7 將 (2-5、 (2-7帶入 (2-6得:(2-8 整理得:(2-9 式中:填料的粘聚力, k ; 圓弧滑面斷面長度, m ;

31、各土條中心處切線與水平方向的夾角,度; 填料的內(nèi)摩擦角,度; 各土條寬度, m ; 瑞典條分法通過假定不同的圓弧,通過優(yōu)化,從中找到最小的 Fs 值,即土坡的 穩(wěn)定安全系數(shù)。由于忽略了土條側面的作用力,它只能滿足滑動土體整體力矩平衡 條件,不滿足條塊的精力平衡條件,因此算出的穩(wěn)定安全系數(shù)比其它嚴格的方法可能偏低 10%-20%。這種誤差隨著滑弧圓心角和孔隙水壓力的增大而增大,嚴重時可 使算出的安全系數(shù)比其它較嚴格的方法小一半。瑞典法通常使用總應力強度指標, 因此是一種總應力分析方法,雖然也可以用于有效應力分析,但因誤差較大,工程 上很少使用。2.3.3 畢肖普法此法是在瑞典法的基礎上提出的一種

32、簡化方法,它仍然保留滑裂面的形狀為圓 弧形和通過力矩平衡條件求解這些特點,畢肖普法與瑞典法實際上是屬于同一類型 的方法,但畢肖普法在公式推導時考慮了土條兩側的作用力。畢肖普體提出的土坡安全系數(shù)的定義為:沿土體內(nèi)部,滑動面上的抗剪強度 ,并考慮了各土條側面存在著條間力。 圖 2-4 畢肖普條分法考慮條塊側面力,取條塊 i 進行分析,在條塊 i 上作用的力如下: (1土條重引起的切向反力和法向反力 ,分別作用在該分條圓弧的 中心處。(2土條側面作用的力 , ,。根據(jù)圓弧滑面上豎向力平衡方程 有:(2-10 當土坡未破壞時,滑弧上土的抗剪強度只發(fā)揮了一部分,畢肖普假定其值與滑 面上的切向力 T 相平

33、衡,即(2-11 將式(2-11代入式(2-10,得為:(2-12 式中(2-13 在極限平衡時,各土條對圓心的力矩之和應為零,此時,條間力的作用將相互抵 消,得:(2-14 將 式 (2-11、 式 (2-12 式 (2-14,且, 假設 ,假設=0,即條塊間 只存在水平作用力 ,不存在切向力 經(jīng)整理得畢肖普的土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的普遍 公式為:(+=ii i i i i i is W tg H W b c m F sin 1(2-15畢肖普方法的特點:(1 假設條塊間作用力只有法向力沒有切向力;(2 滿足滑動土體整體力矩平衡條件,滿足各條塊力的多邊形閉合條件,不滿 足條塊的力矩平衡條件;(3

34、滿足極限平衡條件;(4 得到的安全系數(shù)比瑞典條分法略高一點。2.3.4 簡布普遍條分法簡布普遍條分法將最初的圓弧法推廣到任意土坡滑動面的情,通過假設土條間 推力的作用點位置,合理解決問題。簡布普遍條分法等基本假定(1假定整個滑裂面上的穩(wěn)定安全系數(shù)是一樣的;(2假定土條上所有垂直荷載的合力 W 作用線和滑裂面的交點與 N 的作用 點相同;(3假定滑體中各土條間推力的作用點的連線為直線分布,即推力作用線的位 置假定已知。如果坡面沒有超載,對于非粘性土 0C =',推力線選在土條下三分點 處;對于粘性土 C' > 0時,推力作用點位置稍高于三分點處在被動區(qū) (滑體出口部 分 ,

35、或稍低于三分點主動區(qū) (滑體上端部位 ;如果坡面有超載,側向推力成梯形分 布,推力線應通過梯形的形心。簡布普遍條分法的計算公式 圖 2-5 簡布普遍條分法 圖 2-6 有滲透孔隙水壓力的分布取第 i 號土條作為對象分析,如圖所示。以底部 i N 作用點為矩心,建立力矩平衡條 件方程有:i i i i i i i 21i i Z Q h E h E X T X T -=+ (2-16ii i i i ii i i 2i X ZQ X h E tan E T T -+-=+ (2-17當分界面上有滲透壓力 1i 1i i u u +-, , 時,假定接觸壓力 E 的作用位置,建立平衡方 程時,將

36、1i 1i i u u +-, , 作為外力處理,如圖 2-4所示,安全系數(shù) s F 可以表示為(+=ii i i isii 2i iiiis tan T W Q tan F 1sec -TW X C F (2-1870年代末,我國水利電力部西北勘測設計院土復來對簡布條分法作出改進條劃 分為 m 條,土復來假設土條側的水平土壓力呈三角形分布,其合力作在界面高度的 下三分點處,解題時可用試算法或迭代法。整理得出安全系數(shù)公式為(=+'+=1i i i i i 1i si2i i i i i s tan T W Q F tan tan 1sec tan -T W X C F (2-19此方法

37、的基本出發(fā)點與普遍條分法一致,精度也相當,但使用起來卻更方便。2.3.5 極限平衡的其他計算方法(1斯賓塞法斯賓塞假定相鄰土條之間的法向條間力 E 與切向條間力 X 之間有一固定的常數(shù) 關系,即tan E X E X 1i 1i i i =+ (2-20 因此,各條間力合力的方向是互相平行的。美國陸軍工程師團法與斯賓塞法相似,但假定條間力合力方向是一個定值,等 于土坡的平均坡度,可直接通過力的平衡方程來求得 Fs 。(2摩根斯坦一普賴斯法摩根斯坦一普賴斯法對任意曲線形狀的滑裂面進行了分析,導出了滿足力的平 衡和力矩平衡微分方程式。假定兩相鄰土條切向條間力和法向條間力之間存在 1個 對水平方向坐

38、標的函數(shù)關系,根據(jù)整個滑動土體的邊界條件求出問題的解答。摩根 斯坦一普賴斯法是對土坡穩(wěn)定進行極限平衡分析計算的最一般的方法。如果 f(x為一常數(shù),其結果和斯賓塞相同 ; 更特殊的取 f(x=0,則相當于簡化畢肖普法。我國水 利水電科學研究院陳祖煌在摩根斯坦指導下對此方法作了改進,解決了收斂困難的 問題,同時提出條間力的方向斜率函數(shù)要滿足端部條件。(3沙爾瑪法沙爾瑪法也是一種嚴格條分法,假想在每一土條重心作用著一個水平地震慣性 力,使滑裂面正好達到極限狀態(tài),同時還假設沿兩相鄰土條的垂直分界面,所有平 行于土條底面的剎面均處于極限平衡狀態(tài),在此前提下推導出切向條間力 X 的分 布。對于任意形狀的滑

39、動面假定條間力方向的剎率為各種可能的函數(shù),建立力和力 矩的平衡方程。使超靜定問題變成靜定的。(4不平衡推力傳遞法不平衡推力傳遞法假定土條側向力的傾角等于該土條條底面傾角。我國工民建 和鐵道部門在核算滑坡穩(wěn)定時使用非常廣泛,同樣適合于任意形狀的滑裂面。假定 條間力的合力與上一土條底面相平行,根據(jù)力的平衡條件,逐條推導,直至最后一 條土條的推力為零。2.3.6幾種方法的簡單比較條分法至今已有 70多年的歷史,之間經(jīng)過許多學者的研究改進,基本出發(fā)點都 是一樣,但計算方法日趨完善。瑞典圓弧法是條分法中最古老而又簡單的方法。此法假定滑裂面是圓弧面,還 假定不考慮土條兩側的作用力,安全系數(shù)定義為各土條在滑

40、裂面上所提供的抗滑力 矩和外力及滑動土體在滑裂面上所產(chǎn)生的滑動力矩之比。由于不考慮條間力的作 用,對每一土條力和力矩的平衡條件是不滿足的,只能滿足整個滑動土體的整體力 矩平衡條件,因此產(chǎn)生的誤差使求出的安全系數(shù)偏低 10%-20%,并隨滑裂面圓心角 和孔隙水壓力的增大誤差也增大。一般對于等于零或數(shù)值很小的軟粘土,滑裂面底 部的正應力對有效抗剪強度影響較小,用瑞典圓弧法求出的安全系數(shù)不比其它方法 保守。對于圓弧滑裂面的總應力法可得出基本正確的結果。簡化畢肖普法對傳統(tǒng)的費倫紐斯法做了重要改進。提出安全系數(shù)的的定義,通 過假定土條件間的作用力為水平方向,求出土條底的法向力,通過力矩平衡方程確 定安全

41、系數(shù)。得到的安全系數(shù)比較瑞典條分法的精度要高些,僅適用于圓弧形滑裂面。簡布法也是一種嚴格條分法,適用于任意形狀的滑裂面,坡面作用著各種荷 載。該法中推力線的位置變化主要影響著土條側向力的分布,對安全系數(shù)的影響很 小;對于任意形狀的滑裂面假定條間力的作用點,同時考慮力和力矩的平衡得到復 雜的安全系數(shù)方程式,求解需要反復迭代。該法計算過程比較簡單,可用手算或編 制簡單程序計算;但是實際計算時存在嚴重的收斂困難問題。傳遞系數(shù)法是我國工程技術人員創(chuàng)造的一種滑坡穩(wěn)定分析的實用方法,計算簡 單,且為滑坡治理提供設計推力,在國家規(guī)范和行業(yè)規(guī)范里都將其列為推薦方法使 用。但此法條間合力方向是規(guī)定的,只考慮力的

42、平衡,未能考慮力矩平衡條件,當 滑裂面傾角較大時,求出的條間抗剪安全系數(shù)可能小于 1,與實際不符。在光滑曲 線滑裂面時,安全系數(shù)與畢肖普法十分接近,但遇到有軟弱夾層問題是,求得的安 全系數(shù)偏大。目前的認識水平還無法保證傳遞系數(shù)法在任何情況下都能提供準確的 答案。斯賓塞法和摩根斯坦一普賴斯法得到的結果與簡化畢肖普法計算結果基本上一 樣。莎爾瑪法的基本假定是和摩根斯坦一普賴斯法一樣,但該法采用假想的臨界水 平地震加速度作為衡量土坡穩(wěn)定程度的標準而使安全系數(shù)等于 1,這樣可以不用試 算或迭代,使計算工作大為簡化。但由于缺少使用方面的經(jīng)驗,影響了該法的廣泛 使用。這里介紹了用于邊坡穩(wěn)定分析計算的確定性

43、分析方法,在邊坡穩(wěn)定性工程地質 評價方面,由于系統(tǒng)規(guī)模較大,評價指標的類型以及度量標準不同,評價信息不完 整等原因,人們難以用確定性分析方法對它進行精確的描述,因此在邊坡工程中我 們可以根據(jù)實際需要選擇恰當?shù)倪吰路€(wěn)定分析方法。2.3.7 最危險滑弧圓心位置的確定很據(jù)大量計算的經(jīng)驗,最危險滑動圓弧的圓心,是在一條輔助線上,輔助線的 位置,可按下述方法繪出:1、 4.5H 法(如圖 2-7所示 圖 2-7 4.5H法由坡腳 A 點向下做垂線,量取路堤高 H 得 M 點;由 M 點引水平線,量取 4.5H ,得 D 點,在 A 點作一與邊坡夾角為 的直線 AE 。在堤頂 B 點作與堤頂水平線成夾角的

44、直線 BE ,并與 AE 相交于 E 點(和 角的數(shù)值,見表 2-1 。聯(lián)結 DE 點,并向外延伸。當填料為軟粘土(時,最危險滑動圓的圓心 位置即在 E 點;而當 時,最危險的圓心位置在 DE 線的延長線上。可在此延長 線上定 35個圓心位置,計算相應的穩(wěn)定系數(shù),由此得出最小值。有時為可靠起 見,在此最小值附近,沿垂直 DO 延長線的方向。再設幾個圓心,求算有無更小的穩(wěn) 定系數(shù)值。表 2-1 和 角的數(shù)值 2、 36°法(如圖 2-8 圖 2-8 36°法在堤頂 B 處作與堤頂水平線成夾角 36°的直線 BE ,最 危險圓弧的圓心位置, 可找再找到最危險的圓心位后

45、,還垂直此直線方向,再補找?guī)讉€圓心位置,驗算有 無更小的穩(wěn)定系數(shù)值。36°法比較簡便,但精度不如 4.5H 法。對于重要的邊坡,宜采用 4.5H 法。 以上兩種方法均適用于邊坡坡頂水平、滑動圓弧通過邊坡破腳的情況。用前面 已敘述的方法確定臨界圓心的位置,尋找臨界圓弧,計算最小安全系數(shù) ,用以 判別土坡的穩(wěn)定性。工程上有如下要求: (2-212.4 路堤工程地震穩(wěn)定性計算原理中國地震烈度區(qū)劃圖中所規(guī)定的基本烈度為 7、 8、 9度地區(qū)的公路工程抗震設 計。對于基本烈度大于 9度的地區(qū),公路工程的抗震設計應進行專門研究,基本烈度 為 6度地區(qū)的公路工程,除國家特別規(guī)定外,可采用簡易設防。在進行地震優(yōu)化設計以后,在發(fā)生與之相當?shù)幕玖叶鹊卣鹩绊憰r,位于一般 地段的高速公路、一級公路工程,經(jīng)一般整修即可正常使用;位于一般地段的二級 公路工程及位于軟弱粘性土層或液化土層上的高速公路、一級公路工程,經(jīng)短期搶 修即可恢復使用,三、四級公路工程和位于抗震危險地段、軟弱粘性土層成液化土 層上的二級公路以及位于抗震危險地段的高速公路、一級公路工程,保證橋梁、隧 道及重要的構造物不發(fā)生嚴重