路基路面工程課件：第六章路基穩(wěn)定性分析

1、 對特殊路基的穩(wěn)定性分析主要指： 高路堤、深路塹的邊坡穩(wěn)定 陡坡路堤的整體穩(wěn)定 軟土地基上的路堤穩(wěn)定 浸水路堤穩(wěn)定 第六章 路基穩(wěn)定性分析 邊坡穩(wěn)定性概念 邊坡一般是指具有傾斜坡面的土體或巖體，由于坡表面傾斜，在坡體本身重力及其他外力作用下，整個坡體有從高處向低處滑動的趨勢，同時，由于坡體土(巖)自身具有一定的強度和人為的工程措施，它會產生阻止坡體下滑的抵抗力。一般來說，如果邊坡土(巖)體內部某一個面上的滑動力超過了土(巖)體抵抗滑動的能力，邊坡將產生滑動，即失去穩(wěn)定；如果滑動力小于抵抗力，則認為邊坡是穩(wěn)定的。在工程設計中，判斷邊坡穩(wěn)定性的大小習慣上采用邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)來衡量。l955年，畢肖

2、普(A.W.Bishop)明確了土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的定義： (2.1)式中： 沿整個滑裂面上的平均抗剪強度； 沿整個滑裂面上的平均剪應力； 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。 按照上述邊坡穩(wěn)定性概念，顯然，1，土坡穩(wěn)定；1，土坡失穩(wěn)；=1，土坡處于臨界狀態(tài)。 畢肖普的土坡穩(wěn)定安全系數(shù)物理意義明確，概念清楚，表達簡潔，應用范圍廣泛，在邊坡工程處治中也廣泛應用。其問題的關鍵是如何尋求滑裂面，如何尋求滑裂面上的平均抗剪強度和平均剪應力。 邊坡的穩(wěn)定是一個比較復雜的問題，影響邊坡穩(wěn)定性的因素較多，簡單歸納起來有以下幾方面： (1)邊坡體自身材料的物理力學性質 邊坡體材料一般為土體、巖體、巖土及其他材料混合堆積或混合填筑

3、體(如工業(yè)廢渣、廢料等)，其本身的物理力學性質對邊坡的穩(wěn)定性影響很大，如抗剪強度(內摩擦角，凝聚力)、容重(包括天然容重和飽和容重等)。 (2)邊坡的形狀和尺寸 這里指邊坡的斷面形狀、邊坡坡度、邊坡總高度等。一般來說，邊坡越陡，邊坡越容易失穩(wěn)，坡度越緩，邊坡越穩(wěn)定；高度越大，邊坡越容易失穩(wěn)，高度越小，邊坡越穩(wěn)定。 (3)邊坡的工作條件 邊坡的工件條件主要是指邊坡的外部荷載，包括邊坡和邊坡頂上的荷載、邊坡后傳遞的荷載，如公路路堤邊坡頂上的汽車荷載、人行荷載等，水壩后方水壓力等。 邊坡體后方的水流及邊坡體中水位變化情況是影響邊坡穩(wěn)定的一個重要因素，它除自身對邊坡產生作用外，還影響邊坡體材料的物理力

4、學指標。 (4)邊坡的加固措施 邊坡的加固是采取人工措施將邊坡的滑動傳送或轉移到另一部分穩(wěn)定體中，使整個邊坡達到一種新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，加固措施的種類不同，對邊坡穩(wěn)定的影響和作用也不相同，但都應保證邊坡的穩(wěn)定。本章的主要內容6-1、基本分析方法6-2、條分法的解6-3、穩(wěn)定性驗算 6-4、路基穩(wěn)定性的整治措施6-1 路基穩(wěn)定性基本的分析下列情況應進行特殊設計和穩(wěn)定性的驗算： 填土總高度超過18.0m 填石超過20.0m的路堤 挖方路基土質邊坡高度超過20m 石質土邊坡高度超過2030mm路基穩(wěn)定性分析常用驗算的方法 1、工程地質比擬法 經過長期的生產實踐和大量的經驗的積累 2、力學驗算法 建立模

5、型，受力分析。 兩種相輔相成，可互相核對，作出正確合理的評價。路基穩(wěn)定性分析的力學驗算方法 極限平衡法的基本的假設條件：* 平面問題的假設；* 滑動體整體下滑，極限平衡狀態(tài)之發(fā)生在滑動面上；* 滑動土體視作本身無變形的剛體，內應力不考慮。 6-2 條分法的解邊坡穩(wěn)定分析的方法比較多，但總的說來可分為兩大類，即以極限平衡理論為基礎的條分法和以彈塑性理論為基礎的數(shù)值計算方法。條分法以極限平衡理論為基礎，由瑞典人彼得森(K.E.Petterson)在1916年提出，20世紀3040年代經過費倫紐斯(W.Fellenius)和泰勒(D.W.Taylor)等人的不斷改進，直至l954年簡布(N.Janb

6、u)提出了普遍條分法的基本原理，l955年畢肖普明確了土坡穩(wěn)定安全系數(shù)，使該方法在目前的工程界成為普遍采用的方法。條分法實際上是一種剛體極限平衡分析法。其基本思路是：假定邊坡的巖土體坡壞是由于邊坡內產生了滑動面，部分坡體沿滑動面而滑動造成的?；瑒用嫔系钠麦w服從破壞條件。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。 該滑動面是人為確定的，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力的平衡或力矩的平衡。隔離體可以是一個整體，也可由若干人為分隔的豎向土條組成。由于滑動面是人

7、為假定的，我們只有通過系統(tǒng)地求出一系列滑面發(fā)生滑動時的破壞荷載，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滑動面。 條分法的基本假定如下： 把滑動土體豎向分為n個土條，在其中任取1條記為i，在該土條上作用的已知力有：土條本身重力Wi，水平作用力Qi(如地震產生的水平慣性力等)，未知的條間力及條塊滑動底面反力。當滑面形狀確定后，土條的有關幾何尺寸也可確定，如底部坡角ai，底弧長li，滑面上的土體強度，也已確定。條分法的解 基本分析方法： （1）假設可能的滑動圓弧的位置； （2）對滑動土體進行分條； （3）分析各土條的受力； （4）分析整個滑動土體達到極限平衡狀態(tài)時的安全

8、儲備 ； （5）就多個可能的滑動面進行分析后，檢驗 是否滿足要求。 條分法的解 取用同一安全系數(shù)KS（即假定各條塊一起滑動），由極限平衡條件得： 式中： -條塊滑動底面處巖土的粘聚力和摩擦系 數(shù)； 為巖土的內摩擦角； -條塊滑動底面的長度。 要使整個土體達到力的平衡，其未知力有：每一土條底部的有效法向反力，共n個；兩相鄰土條分界面上的法向條間力Ei，共n-1個，切向條間力Ti，共n-1個；兩相鄰土條間力Xi及Ei合力作用點位置Zi，共n-1個；每一土條底部切向力Si及法向力Ni的合力作用點位置ai，共n個。另外，滑體的安全系數(shù)Ks，l個。 綜合上述分析，我們得到共計有5n-2個未知量，我們能得

9、到的只有各土條水平向及垂直向力的平衡以及土條的力矩平衡共計4n個方程。因此，邊坡的穩(wěn)定分析實際上是一個求解高次超靜定問題。如果土條比較薄(bi較小)，Si與Ni的合力作用點可近似認為在土條底部的中點，ai變?yōu)橐阎粗孔優(yōu)?n-2個。與已有的方程數(shù)相比，還有n-2個未知量無法求出，要使問題有唯一解就必須建立新的條件方程。 解決的途徑有兩個：一個是利用變形協(xié)調條件，引進土體的應力應變關系，另一個是作出各種簡化假定以減少未知量或增加方程數(shù)。前者會使問題變得異常復雜，工程界基本上不采用，后者采用不同的假定和簡化，而導出不同的方法。對土條受力的簡化條件不同產生了不同驗算方法： 瑞典條分法 簡化BIS

10、HOP法 傳遞力系數(shù)法 瑞 典 條 分 法 * 不考慮條間力的作用 * 分析一坡體，其圓弧滑動面的圓心為O點 ，半徑為R，當各條塊同時達到極限平衡狀態(tài)，可只考慮整個滑動體繞O點轉動的力矩平衡條件，得： 即得安全系數(shù)為：將右式代入上式瑞 典 條 分 法 即得安全系數(shù)為： 式中： ，為條塊滑動底面的傾角 未知力Ni，可由條塊在滑動底面法線方向力的平衡條件求得：代入上式得：可近似改寫為：畢肖普（ BISHOP ）法 考慮土條間側向力，但簡化土條兩側的側向力的作用相互抵消。任取第i條塊，由滑動底面切線方向上力的平衡方程： 上試不受滑動面形狀的限制。若為滑動面，得：傳遞系數(shù)法傳遞系數(shù)法1、滑動土楔分條；

11、2、取工程所規(guī)定的容許安全系數(shù)3、自上而下逐個土條計算其剩余下滑力，求得最后一個土條的剩余下滑力 。 當 時 ，此假設的滑動面是穩(wěn)定的； 當 時，此假設的滑動面不穩(wěn)定。 傳遞力系數(shù)法驗算程序：傳遞力系數(shù)法常用于折線滑動面情況的穩(wěn)定性驗算，如陡坡路堤或順層滑坡等。幾種驗算方法的比較 對同一坡體，上述各種條分法采用的假設不同，求得的安全系數(shù)值也有差異。一般情況如下： * 瑞典條分法，完全忽略條間力，K值最??；* 畢肖普法，考慮條間的水平推力，K值較大；* 傳遞系數(shù)法，計及條間豎向剪力，K值更大。直線滑動面 6-3 穩(wěn)定性驗算路基穩(wěn)定性驗算的基本程序如下： （1）根據(jù)路基可能出現(xiàn)的滑動面形狀，選擇分

12、析計算方法； （2）把滑動面以上的坡體劃分為適當數(shù)量的豎直條塊； （3）按不同的荷載組合，計算各條塊的自重及其他已知作用力； （4）考慮坡體的工作條件，選取滑動面上的抗剪強度指標，求算其安全系數(shù)； （5）將每種荷載組合情況下求得的最危險滑動面的安全系數(shù)（為最小值）與所規(guī)定的容許值相比較，以判斷路基是否穩(wěn)定。荷載組合和汽車荷載當量換算（一）荷載組合通?？紤]下列三種可能出現(xiàn)的荷載組合情況：（1）主要組合 包括滑動坡體的自重、汽車荷載、（浸水路基）常水位時的浮力。（2）附加組合 系將主要組合中的汽車荷載改用平板掛車或履帶車，或者考慮在最不利水位時的浮力和滲透動水壓力。（3）地震組合 包括滑動坡體的重

13、力和地震力以及常水位條件下水的浮力。驗算路堤邊坡穩(wěn)定性時不同情況選用不同的荷載組合?。ǘ┢嚭奢d的換算 橫向最多可能分布的車輛數(shù)，單車道，雙車道；每一輛車的重力，kN；橫向分布車輛最左和最右輪胎外緣的間距，m；車輛荷載的縱向分布長度 滑動面的形狀和位置 由粘性差的土構成的坡體，滑坍時破壞面往往接近于平面，常采用直線滑動面法驗算。 具有一定粘性的土坡，其破壞面為曲面，可假設圓弧滑動面，采用簡單條分法或畢肖普法分析。 軟土地基上修筑路堤，當路堤高度超過極限高度時，堤身和地基常會一起滑動，而滑動面形狀大多接近圓弧面，因此，廣泛采用圓弧滑動面法驗算。 由多種材料組成或者含有結構面或軟弱夾層的坡體，以

14、及陡坡路堤，滑動面大多為直線或折線形，或者直線和曲線的組合型，相應采用直線滑動面法、推力傳遞法或者畢肖普法進行穩(wěn)定性分析。確定可能的滑動圓弧位置 最可能的滑動圓弧需要試算確定。 大量分析的經驗，最危險破壞面圓弧的圓心位置在一條輔助線附近。 * 按45H法繪出輔助線 * 簡化36線法45H法45H法45H法 自坡腳E向下引垂線并截取邊坡高度H得F點。邊坡高度H可計入車輛荷載換算土柱高度，也可不計入換算土柱高度。 自F點向右引水平線并量取45H得M點。 連接坡腳E和坡項S，求ES的斜度i。=1/m，根據(jù)i。由表6-1查得1、2的角值。 自E點引與S成1角的直線EI，又由S點引與水平線成2角的直線S

15、I，EI與SI交于I點。 連接M與I，并向左上方延長，即得輔助線。 如土僅有粘聚力，而o，則最危險滑動圓弧的圓心就是I點； 如土除粘聚力外還具有摩擦力，則最危險滑動面的圓心將隨值的增加在輔助線上向外移動。45H法邊坡坡度1：0.51：0.751：11：1.251：1.51：1.751：2.邊坡坡角63265308453840334129452634.12930292827262625.24039373530353535.輔助角1和2值簡化36線法 36線法較簡便，但精確度較4.5H法為差，兩種方法對于滑動面通過坡腳的情況均適用。兩種方法均可以不計車輛荷載換算的土層厚度，計算結果出入不大。 對滑

16、動坡體分條，注意劃分邊界的確定。 條塊寬度一般取2-6m，條塊常數(shù)取10左右，過少則 精度差。條塊劃分和自重計算各條塊自重可按其面積乘以土的容重求得。由幾層土組成的條塊，應分層計算其重力，相加得該條塊總重。物理力學參數(shù)的確定 土的物理力學參數(shù)對分析的結果影響有時會超過力學模型和假設條件帶來的誤差影響，所以，參數(shù)的選取應能反映實際情況。 注意以下問題： * 對挖方路基和天然坡體，取原狀土樣試驗的數(shù)據(jù)；* 填方路基應取現(xiàn)場土樣并按規(guī)定壓實要求制件試驗； * 抗剪強度指標值，試驗條件要考慮實際可能發(fā)生的最不利情況浮力和滲透力的考慮 普通路堤外力、自重、浮力（受水浸泡產生浮力）、滲透動水壓力（路堤兩側

17、水位高低不同時，水從高的一側滲透到低的一側產生動水壓力）. 最不利情況：水位降落時動水壓力指向河灘兩側邊坡，尤其當水位緩慢上漲而集聚下降時，對路堤最不利。浮力和滲透力的考慮 浸水土體會受到浮力(靜水壓力)和滲透力(動水壓力)的作用,使材料抗剪強度下降.只要將浸水部分采用浮容重計算土的自重即可. 浮容重:浮力和滲透力的考慮 當邊坡內有水位差時,就會發(fā)生滲流力現(xiàn)象,則有動水壓力,若坡外水位較坡內低,滲流力指向坡體外,則降低坡體的穩(wěn)定性,要考慮. 浮力和滲透力的考慮 考慮滲流力時: 注意情況：1、礫石、片石等無粘性透水材料填筑的路堤水位變化時，不發(fā)生動水壓力D=02、用不透水或透水極小的粘性土填筑的路堤水位變化時，不發(fā)生動水壓力D=03、用一般粘性土（亞粘土、亞砂土）填筑的路堤水位變化時，堤身產生動水壓力必須繪制浸潤曲線（假定為直線，坡度為降落曲線的平均坡度）4、河灘路堤的安全系數(shù)，一般規(guī)定不小于1.25，按最大洪水位驗算時，其安全系數(shù)可采用k1.15地震力的計算 豎向震動時對路基危害比水平震動小得多,可忽略不計. 水平震動力: 式中: Kh:水平地震系數(shù)，分別為0.1,0.2,0.4； Cz:綜合影響系數(shù),一般采用0.25； Ci:重要性修正系數(shù)，按表取用 安全系數(shù)引入 -考慮眾多不確定因素對涉及所帶來的風險； -考慮設計失敗可能造成的后果。容許安全系數(shù)考慮工程的安全與經濟，規(guī)定