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土坡是具有傾斜表面的土體,由自然地質(zhì)作用所形成的土坡,如山坡、江河的岸坡等,稱(chēng)為天然土坡。由人工開(kāi)挖或回填而形成的土坡,如基坑、渠道、土壩、路堤等的邊坡,則稱(chēng)為人工土坡。土體自重以及滲透力等在坡體內(nèi)引起剪應(yīng)力,如果剪應(yīng)力大于土的抗剪強(qiáng)度,就要產(chǎn)生剪切破壞,一部分土體相對(duì)于另一部分土體滑動(dòng)的現(xiàn)象,稱(chēng)為滑坡或塌方。第1節(jié)概述土坡各部位的名稱(chēng)影響土坡穩(wěn)定性的因素邊坡坡角,越小越安全,但不經(jīng)濟(jì)坡高,坡高越大越不安全土的性質(zhì),如重度,凝聚力,內(nèi)摩擦角地下水的滲透力,滲透力作用方向與滑動(dòng)方向相反則安全,否則則危險(xiǎn)震動(dòng)作用的影響人類(lèi)活動(dòng)和生態(tài)環(huán)境的影響土坡滑動(dòng)面形狀(a)圓弧形;(b)直線(xiàn)形;(c)復(fù)合形
通常不考慮滑動(dòng)土體兩端阻力的影響,將土坡穩(wěn)定分析簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題。而起滑動(dòng)面可簡(jiǎn)化為三種,即直線(xiàn)形,圓弧形和復(fù)合形。
由砂、卵石、風(fēng)化礫石等堆筑的土坡稱(chēng)無(wú)粘性土坡
穩(wěn)定條件:只要坡面上的土顆粒在重力作用下能夠保持穩(wěn)定,整個(gè)土坡就處于穩(wěn)定狀態(tài)。
穩(wěn)定性分析
從坡面上取一土體單元。土體重量為W。
滑動(dòng)力
T=Wsin
正壓力
N=Wcos
抗滑力
Tf=Ntan
=Wcostan
—
土的內(nèi)摩擦角;
—
土坡的坡角當(dāng)Fs=1時(shí),
=,
稱(chēng)為天然休止角。土體的穩(wěn)定安全系數(shù)Fs為:
第2節(jié)無(wú)粘性土土坡的穩(wěn)定分析
粘性土由于粘聚力的存在,粘性土坡不像無(wú)粘性土坡一樣僅沿坡面表面滑動(dòng)。均質(zhì)粘性土坡的滑動(dòng)面近似于圓柱面,在工程設(shè)計(jì)中常假定滑動(dòng)面為圓弧面。建立在這一假定基礎(chǔ)上的土坡穩(wěn)定分析方法稱(chēng)為瑞典圓弧滑動(dòng)法。原理:均質(zhì)的粘性土坡失去穩(wěn)定是由于滑動(dòng)土體繞圓心發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。把滑動(dòng)土體當(dāng)成一個(gè)剛體,滑動(dòng)土體的重量W,將使土體繞圓心O旋轉(zhuǎn),滑動(dòng)力矩為Ms=Wx。對(duì)于飽和粘土,在不排水條件下,u=0,滑動(dòng)面AC上粘聚力產(chǎn)生抗滑力矩第3節(jié)粘性土土坡的穩(wěn)定分析瑞典圓弧滑動(dòng)法1915年瑞典彼得森(K.E.Petterson)用圓弧滑動(dòng)法分析邊坡的穩(wěn)定性。均質(zhì)的粘性土坡失去穩(wěn)定是由于滑動(dòng)土體繞圓心發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。把滑動(dòng)土體當(dāng)成一個(gè)剛體,滑動(dòng)土體的重量W,將使土體繞圓心O旋轉(zhuǎn),滑動(dòng)力矩為Ms=Wx。簡(jiǎn)便,概化,適合于10m以下土坡;采用極限平衡理論,摩擦圓法,利用總應(yīng)力理論;確立土坡穩(wěn)定的臨界高度。粘性土簡(jiǎn)單土坡計(jì)算圖其中Ns為穩(wěn)定數(shù)泰勒穩(wěn)定圖解法
內(nèi)摩擦角
、坡角與系數(shù)N=c/
H之間的關(guān)系
產(chǎn)生抗滑力矩另一方面因素來(lái)自于土的內(nèi)摩擦角,因此對(duì)于>0的土,必須采用條分法分析,才能求得摩擦力所產(chǎn)生的抗滑力矩。原理:將滑動(dòng)土體分為若干個(gè)條塊,利用每一塊上力和力矩的平衡條件,求安全系數(shù)表達(dá)式。該方法適用于圓弧法,也可用于非圓弧滑動(dòng)面分析。瑞典圓弧條分法瑞典條分法計(jì)算圖示對(duì)n個(gè)土條的力矩平衡方程求和條底法向力平衡其中總應(yīng)力法求得的土坡穩(wěn)定安全系數(shù)有效應(yīng)力法求得的土坡穩(wěn)定安全系數(shù)確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面圓心的位置和半徑大小是穩(wěn)定分析中十分繁瑣的工作。需要通過(guò)多次的計(jì)算才能完成。費(fèi)爾紐斯(w.Fellenius)提出了最危險(xiǎn)滑動(dòng)面確定的經(jīng)驗(yàn)方法。費(fèi)爾紐斯認(rèn)為,對(duì)于均勻粘性土坡,最危險(xiǎn)滑動(dòng)面一般通過(guò)坡腳。對(duì)于=0的土,最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的圓心位置可以由AO與BO的交點(diǎn)確定。對(duì)于>0的土,最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的圓心位置,可能在DE延長(zhǎng)線(xiàn)上。最危險(xiǎn)滑動(dòng)面圓心的確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的確定
邊坡穩(wěn)定分析中,因?yàn)榛瑒?dòng)面是任意取的。假設(shè)一個(gè)滑動(dòng)面,就可計(jì)算其相應(yīng)的安全系數(shù)。真正代表邊坡穩(wěn)定程度的安全系數(shù)是安全系數(shù)中的最小值。相應(yīng)于最小的安全系數(shù)的滑動(dòng)面稱(chēng)為最危險(xiǎn)滑動(dòng)面,它才是真正的滑動(dòng)面。兩層土?xí)r危險(xiǎn)滑面和最小安全系數(shù)對(duì)于外形復(fù)雜土坡,最危險(xiǎn)滑弧圓心與多因素有關(guān),若有多土層就更復(fù)雜,整個(gè)土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)針對(duì)多個(gè)滑點(diǎn)比較,求出其中最小的Fmax作為土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)?;炯俣ǎ寒呅て辗ㄊ菞l分法的一種,假定滑動(dòng)面是一個(gè)圓弧面,考慮土條側(cè)面的作用力,并假定各土條底部滑動(dòng)面上的抗滑安全系數(shù)均相同,即等于整個(gè)沿動(dòng)面的平均安全系數(shù)。第i條土上豎向受力平衡分析:若假定各土條底部滑動(dòng)面的穩(wěn)定安全系數(shù)相等則應(yīng)有下關(guān)系式畢肖普條分法上面兩式聯(lián)合起來(lái),得到其中考慮整個(gè)滑體的力矩平衡采用有效應(yīng)力計(jì)算時(shí),可表達(dá)如下:
綜合以上,并簡(jiǎn)化后得到畢肖普法的土坡穩(wěn)定一般計(jì)算公式。:式中設(shè)FS=1.42,可以得到通用條分法
非簡(jiǎn)單土坡或外形復(fù)雜的土坡,其滑動(dòng)面有時(shí)不是圓弧形,因此瑞典圓弧條分法和簡(jiǎn)化畢肖普法不適用。解決辦法是將滑坡體分成一系列豎直薄土條,各條底滑動(dòng)面上土的抗剪強(qiáng)度可視為常數(shù),而各種力均可視為作用在條的中心線(xiàn)上。取第i條土條作為脫離體進(jìn)行受力平衡條件分析。該問(wèn)題中共有4n-2個(gè)未知量,平衡方程只有3n個(gè),屬于n-2次超靜定問(wèn)題。解決方法:(1)假設(shè)條間相互作用力的大?。?)假定條間力的作用方向(3)假定條間力的作用點(diǎn)的位置。補(bǔ)充n-2個(gè)方程。類(lèi)似的方法:簡(jiǎn)布(Janbu)的普遍條分法:取土條側(cè)面作用力位置在土條高度的1/3處;斯賓塞(Spencer)法:假定土條側(cè)面作用力的傾角為常數(shù)。摩根斯坦和普賴(lài)斯提出的:陳祖煜和摩根斯坦改進(jìn)法:第4節(jié)土坡穩(wěn)定分析的若干問(wèn)題坡頂開(kāi)裂時(shí)的土坡穩(wěn)定計(jì)算
考慮裂縫中的靜水壓力作用,拉力區(qū)高度可按下式計(jì)算成層土和坡頂超載時(shí)土坡穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)由下式計(jì)算考慮滲流時(shí)的土坡穩(wěn)定計(jì)算無(wú)粘性土坡浸潤(rùn)線(xiàn)以下土的重度取有效重度,通過(guò)分析土塊上作用力,得到安全系數(shù)滲透力的方向和水平面夾角為θ滲透力向下,θ=α,水力坡降i=sinα無(wú)粘性土坡滲流條件下穩(wěn)定分析粘性土坡流網(wǎng)法“替代法”
按上圖取abcd中的孔隙水作為脫離體進(jìn)行分析,用浸潤(rùn)線(xiàn)以下坡外水位以上所包圍的孔隙水加上土顆粒浮力的反作用力對(duì)滑動(dòng)力矩來(lái)代替滲流力對(duì)圓心的滑動(dòng)力矩。在穩(wěn)定滲流條件下,這些力組成一個(gè)平衡力系。
按有效應(yīng)力法,土坡穩(wěn)定的安全系數(shù)可由瑞典條分法計(jì)算其中可用擬靜力法計(jì)算,即在每一土條的重心施加一個(gè)水平向地震慣性力和豎向慣性力。同時(shí)采用畢肖普簡(jiǎn)化法計(jì)算安全系數(shù)考慮地震影響時(shí)的土坡穩(wěn)定分析式中由圖確立各質(zhì)點(diǎn)i的動(dòng)態(tài)分布系
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