路基稳定性分析计算.ppt

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1、第四章,路基稳定性分析计算,主要内容,第一节 概述 第二节 直线滑动面的边坡稳定性分析 第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析 第四节 软土地基的路基稳定性分析 第五节 浸水路堤的稳定性分析 第六节 路基边坡抗震稳定性分析,第一节 概述,宁淮高速公路,第一节 概述,宁杭高速公路,第一节 概述,第一节 概述,第一节 核心内容,边坡失稳的原因 边坡稳定性分析的计算参数 边坡稳定性分析的基本假定,1、边坡种类：天然边坡、人工边坡。 边坡：具有倾斜坡面的岩土体。 土坡：具有倾斜坡面的土体。,第一节 概述,天然边坡：江、河、湖、海岸坡 山、岭、丘、岗、天然坡,第一节 概述,人工边坡：挖方：沟、渠、坑、池 填

2、方：堤、坝、路基、堆料,露天矿,第一节 概述,小浪底土石坝,2、什么是滑坡?,边坡丧失其原有稳定性，一部分土体相对与另一部分土体滑动的现象称滑坡。,第一节 概述,土坡滑坡前征兆：坡顶下沉并出现裂缝，坡脚隆起。,第一节 概述,第一节 概述,-内部原因 （1）土质：各种土质的抗剪强度、抗水能力是不一样的，如钙质或石膏质胶结的土、湿陷性黄土等，遇水后软化，使原来的强度降低很多。 （2）土层结构：如在斜坡上堆有较厚的土层，特别是当下伏土层(或岩层)不透水时，容易在交界上发生滑动。 （3）边坡形状：突肚形的斜坡由于重力作用，比上陡下缓的凹形坡易于下滑；由于粘性土有粘聚力，当土坡不高时尚可直立，但随时间和

3、气候的变化，也会逐渐塌落。,3、路基失稳的原因：,第一节 概述,-外部原因 （1）降水或地下水的作用：持续的降雨或地下水渗入土层中，使土中含水量增高，土中易溶盐溶解，土质变软，强度降低；还可使土的重度增加，以及孔隙水压力的产生，使土体作用有动、静水压力，促使土体失稳，故设计斜坡应针对这些原因，采用相应的排水措施。 （2）振动的作用：如地震的反复作用下，砂土极易发生液化；粘性土，振动时易使土的结构破坏，从而降低土的抗剪强度；车辆运动、施工打桩或爆破，由于振动也可使邻近土坡变形或失稳等。 （3）人为影响：由于人类不合理地开挖，特别是开挖坡脚；或开挖基坑、沟渠、道路边坡时将弃土堆在坡顶附近；在斜坡上

4、建房或堆放重物时，都可引起斜坡变形破坏。,3、路基稳定性分析的原因：,根本原因: 边坡中土体内部某个面上的剪应力达到了它的抗剪强度。 具体原因： （1）滑面上的剪应力增加； （2）滑面上的抗剪强度减小。,3、路基稳定性分析的原因：,第一节 概述,土的计算参数 、 （可分层划段，使参数一致，一般采用直接快剪或三轴不排水剪切试验；高路堤时宜采用直接固结快剪或三轴固结不排水剪切试验；软土地基宜采用直接固结快剪或三轴不固结不排水剪切试验） 边坡的取值 可取综合坡度值，也可用坡顶与坡脚连线近似表达 汽车荷载的当量换算 L=12.8m；Q=550kN；双车道N=2，单车道N=1；B=Nb+(N-1)m+d

5、,b=1.8m,m=1.3m,d=0.6m。,4、边坡稳定性分析的计算参数,第一节 概述,第一节 概述,试验参数,第一节 概述,5、假定 1）基本假定 不考虑滑动土体本身内应力分布； 认为平衡状态只在滑动面上达到，滑动时成整体下滑； 最危险的破裂面位置通过试算确定。,5、假定,均质粘性土：光滑曲面 （圆柱面/圆弧）,非均质的多层土或含软弱夹层的土坡: 复合滑动面,2）滑动面的形状,无粘性土:平面,第一节 概述,直线 曲线 折线,工程地质法（比拟法） 力学分析法 图解法,6、土坡稳定性分析方法,1）按失稳土体的滑动面特征划分：,2）稳定性分析计算方法：,第一节 概述,第二节 核心内容,适用范围

6、试算法 解析法,直线法适用于砂土和砂性土（两者合称砂类土），土的抗力以内摩擦力为主，粘聚力甚小。边坡破坏时，破裂面近似平面。,1、适用范围,第二节 直线滑动面的边坡稳定性分析,2、试算法,式中：滑动面的倾角； f摩擦系数，f=tan； L滑动面的长度； N滑动面的法向分力； T滑动面的切向分力； c滑动面上的粘结力； Q滑动体的重力。,直线滑动面上的力系示意图 方法：假定，计算K与的关系。,第二节 直线滑动面的边坡稳定性分析,3、解析法,边坡稳定系数最小值：,式中：,第二节 直线滑动面的边坡稳定性分析,第三节 核心内容,适用范围 分析方法 圆弧滑动面的分析法 瑞典圆弧滑动法假设 瑞典圆弧滑动法

7、平衡公式 滑动圆弧的圆心确定 瑞典圆弧滑动法的思路 瑞典圆弧滑动法步骤 简化的Bishop法,土的粘力使边坡滑动面多呈现曲面，通常假定为圆弧滑动面。,圆弧法适用于粘土，土的抗力以粘聚力为主，内摩擦力力较小。边坡破坏时，破裂面近似圆柱形。,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,1、适用范围,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,2、分析方法 瑞典法（Wolmar Fellenius法） 简化的Bishop法 传递系数法,假定滑动面为圆柱面，截面为圆弧，利用土体极限平衡条件下的受力情况：,滑动面上的最大抗滑力矩与滑动力矩之比,饱和粘土，不排水剪条件下，u0，fcu,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,

8、3、圆弧滑动面的分析法,假设圆弧滑动面确定圆心和半径 把滑动土体分成若干条（条分法） 建立土条的静力平衡方程求解(取单位厚度计算）,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,4、圆弧滑动面的条分法- 1）瑞典圆弧滑动法假设,假设（静定条件）各土条间的合力 Si，Si+1平行于滑动面，并且 相等（Si=Si+1)。,建立土条垂直于滑动面的静力平衡方程,4、圆弧滑动面的条分法- 2）瑞典圆弧滑动法平衡公式,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,粘性土土坡滑动前，坡顶常常出现竖向裂缝,裂缝的出现将使滑弧长度由AC减小到AC，如果裂缝中积水，还要考虑静水压力对土坡稳定的不利影响。,Ks是任意假定某个滑动面的抗

9、滑安全系数，实际要求的是与最危险滑动面相对应的最小安全系数,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,3）瑞典圆弧滑动法原理-顶面有开裂,1）圆心确定 计算之前需要先用圆心辅助线法确定滑动圆弧的圆心位置。 -4.5H法,5、圆弧滑动面的条分法,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,（a）,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,5、圆弧滑动面的条分法-圆心确定 2）其他辅助方法-36线法,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,5、圆弧滑动面的条分法 3）1和2 的确定,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,5、圆弧滑动面的条分法-4）最危险滑动面圆心的确定,当土的内摩擦角 =0时，最危险圆弧滑动面为一通过坡脚

10、的圆弧，其圆心为O点。,对均质粘性土土坡，其最危险滑动面通过坡脚,4） 最危险圆弧滑动面圆心的确定（续） 当土的 内摩擦角 时， 最危险圆弧 滑动面 也为一通过坡脚的圆弧， 其圆心在ED的延长线上。,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,滑动土体分为若干垂直土条,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,5、圆弧滑动面的条分法- 5）条分法基本思路,滑动力矩,抗滑力矩,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,5）条分法基本思路,6）条分法分析步骤I,按比例绘出土坡剖面,确定一圆心O，画出滑动面，将滑动面以上土体分成几个等宽或不等宽土条,每个土条的受力分析,静力平衡,假设两组合力(Pi，Xi) (Pi1，X

11、i1),第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,6）条分法分析步骤,滑动面的总滑动力矩,滑动面的总抗滑力矩,确定安全系数,条 分 法 计 算 步 骤,圆心O，半径R,分条,编号,列表计算 Wi bi i,变化圆心O和半径R,Fs最小,END,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,1）表解法和图表法 主要是对条分法进行简化后的粗略估算使用 表解法见4-9和图解法4-10式。 2）解析法 针对高塑性土，具体分为坡脚圆法和中点圆法 坡脚圆法见4-14和中点圆法见4-17式。,6、圆弧滑动面的图表法及解析法（自学）,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,7、存在问题,1）简

12、便法在力学上的矛盾（计算假定引起）,si-1,si,si,si+1,2）相临土条的si不相等,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,8、简化的Bishop法（1955）,建立土条侧面力平衡方程，土条 i：,HiHi1Hi,因,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,忽略成对条间力产生的力矩,按滑动体整体力矩平衡：,则Hi0,一般式,简化式,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,由于,因H1=0,通常迭代34次就可满足精度要求,迭代法求Ks,假定Ks1.0,计算mi,Ks,Ks,是,否,Ks= Ks,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,几种稳定性验算方法的比较,第三节

13、 曲线滑动面的边坡稳定性分析,9、公路路基设计规范验算方法,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,9、公路路基设计规范验算方法,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,9、公路路基设计规范验算方法,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,10）不平衡推力法,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,10）不平衡推力法 不平衡推力法假定各土条间推力Pi（即水平力Ei和竖向力Vi的合力）的作用方向平行于上侧土条滑动面的倾角。 由土条滑动面上切向力平衡条件得到 Ei=Wisini+Ei-1cos( i-1- i)-Ti 因 代入得：Ei=Wisin i+Ei-1cos( i-1- i)- 再由土条滑动面上法向力平衡

14、条件得到 Ni=Wisin i+Ei-1sin( i-1- i) 代入得：,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,10）不平衡推力法,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,10、公路路基设计规范要求 路堤稳定安全系数要求,假定,得,2）,土条平衡方程,H,Wi,Hi,Vi,Hi+1,Vi+1,水平方向,垂直方向,1） Vi=Vi+1,滑动面上的破坏条件,由(2)(3)两式整理后得到Ni,11、简布(Janbu)法说明-自学,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,（4）代入（3）得,根据平衡条件（1）、（2）及假定（2）得,其中,式（5）代入上式得,所以,11、简布(Janbu)法说明-自学,第三节

15、曲线滑动面的边坡稳定性分析,假设（静定化条件）各土条间的合力 Si，Si+1平行于滑动面，并且 相等（Si=Si+1)。,建立土条垂直于滑动面的静力平衡方程,得,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,圆弧滑动面的条分法- 瑞典圆弧滑动法平衡公式（总结）,简化的Bishop法（总结）,建立土条侧面力平衡方程，土条 i：,HiHi1Hi,因,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,各种条分法比较- （总结）,条分 法,瑞典 条分 法,毕肖 普法,简布 法,计算 假定,Si=Si+1,平衡 方程,破坏 面,圆弧,圆弧,不限 圆弧,安全系数,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析,第三节 曲线滑动面的边坡稳定性

16、分析,作业问题 路基工作区 路基工作区单位？ 一般路堤截面尺寸如何设计？,路基自重应力：,车轮荷载应力： 1）均布荷载 2）集中荷载,复习思考题：,1、请推导及说明直线法解析法的稳定系数求解过程。 2、请说明瑞典法与简化Bishop法的基本假定。 3、请推导瑞典法稳定系数求解过程，并说明存在的问题。 4、请推导简化Bishop法稳定系数求解过程。 5、说明规范中稳定系数的验算要求，说明公式的意义。 6、说明规范中稳定系数验算时土的参数取值的要求。 作业时请查阅有关书籍,第四节 软土地基的路基稳定性分析,公路工程线长面广，沿线地质、水文条件复杂多变，受多种因素制约，线路不可避免要穿越软土区； 软

17、土特点是细粒土组成的孔隙比大（e1）、天然含水量高（wwL ,大于3050%）、压缩性高（a1-20.5Mpa-1）、强度低（Cu30Kpa）和具有灵敏结构性的土层。,软土分类： 河海沉积 湖泊沉积 江滩沉积 沼泽沉积, 软土分布： 沿海地区、内陆湖泊和河流谷地分布着大量淤泥、淤泥质粘土等软土。,软土地段高填方路基,第四节 软土地基的路基稳定性分析,第四节 软土地基的路基稳定性分析,主要病害 在软土地基上修建高速公路会遇到 路基不稳定 沉降过大 不均匀沉降等问题 且工程性质恶劣，尤其在振动荷载的作用下，易产生侧向滑移及蠕变，对路基、构筑物的影响较大。,主要措施: 薄层软土原则上清除换土 厚层软

18、土-,稳定分析,达到要求; 加固措施; 采用其他结构物-修筑桥梁,第四节 软土地基的路基稳定性分析,临界高度 指天然路基状态下，不采取任何加固措施，所容许的路基最大填土高度。 计算公式,1、临界高度的计算,1）均质薄层软土地基,2）均质厚层软土路基,式中： Hc容许填土的临界高度； c 软土的快剪粘结力； 填土的容重； Nw稳定因数，其值与路堤坡角及深度因素=（d+H）/H有关。如后图,第四节 软土地基的路基稳定性分析,第四节 软土地基的路基稳定性分析,临 界 高 度 的 计 算,=(d+H)/H,第四节 软土地基的路基稳定性分析,规范规定：,1）总应力法-地基抗剪强度采用总强度(天然十字板快

19、剪强度)， 或采用直剪快剪指标。 表征稳定性的安全系数为：,2、路基稳定性的计算方法,式中： i,j 路堤填料内的分条编号； PT 各土条在滑弧切线方向的 下滑力的总和； Si 路基土内（AB弧）的抗剪力； Sj 路基土内（BC弧）的抗剪力。,第四节 软土地基的路基稳定性分析,2）有效固结应力法 可以求固结过程中任意时刻已知固结度的安全系数，但本身不计算固结度，只是将其作为已知条件。,安全系数为：,第四节 软土地基的路基稳定性分析,浸水路堤 浸水路堤是指受到季节性或长期浸水的沿河路堤、河滩路堤等。 浸水路堤的水的浸润曲线 由于土体内渗水速度远慢于河水，因此，当堤外水位升高时，堤内水位的比降曲线

20、（即浸润线）成凹形，当堤外水位下降时，堤内水位的比降曲线成凸形。,1、浸水路堤及水的浸润曲线,双侧渗水路堤水位变化示意图,单侧渗水路堤水位变化示意图,第五节 浸水路堤的稳定性分析,水位急速上升时，浸水路堤的浸润曲线下凹，土体除承受竖向的向上浮力外，还承受渗透动水压力的作用，作用方向指向土体内部，有利于土体稳定，经过一定时间的渗透，土体内水位趋于平衡，不再存在渗透动水压力。 水位骤然下降时，浸水路堤的浸润曲线上凸，渗透动水压力的作用方向指向土体外，这将剧烈破坏路堤边坡的稳定性，并可能产生边坡凸起和滑坡，不利于土体稳定，但经过一定时间的渗透，土体内水位也会趋于平衡，不再存在渗透动水压力。 浸水路堤

21、边坡稳定的最不利情况一般发生在最高洪水水位骤然降落的时候，此时渗透动水压力指向路基体外。,2、渗透动水压力对浸水路堤的作用,第五节 浸水路堤的稳定性分析,1）浸水路堤的受力:自重、行车荷载、浮力、渗透动水压力。 2）浸水路堤的不利时刻：涨水？、落水？ 3）土的渗透性：由于土中含有空隙，在水位变化过程中伴有土中含水量的变化。 对砂性土渗透性好，动水压力较小； 对黏性土渗透性不好，动水压力也不大； 对亚砂土、亚黏土具有一定的渗透性，动水压力较大，边坡容易失稳。,3、渗透动水压力对浸水路堤的作用,第五节 浸水路堤的稳定性分析,第五节 浸水路堤的稳定性分析,4）动水压力的计算 DIQB0 D作用于浸润

22、线以下土体重心的渗透动水压力，kN/m； I渗流水力坡降（取用浸润曲线的平均坡降）； QB浸润曲线与滑动弧之间的面积，m2； 0水的容重，kN/m3,4、渗水路堤的边坡稳定性计算方法,基本点： 适当改变填料的内摩擦角，利用非浸水时的常用方法，进行浸水时的路堤稳定性计算。 （只适用于全浸水路堤）,1）假想摩擦角法,第五节 浸水路堤的稳定性分析,第五节 浸水路堤的稳定性分析,基本假点： 假想用水的浮力作用间接抵消动水压力对边坡的影响，即在计算抗滑力矩中，用降低后的内摩擦角反应浮力的影响，而在计算滑动力矩中，不考虑浮力作用，滑动力矩没有减小，用以抵偿动水压力的不利影响。,2）悬浮法,扣除浮力,悬浮法

23、计算图式：1-滑动面；2-降水曲面,3）条分法,非浸水路堤的条分法基本相同。干燥和浸水两部分 浸水路堤的边坡稳定系数：,第五节 浸水路堤的稳定性分析,第五节 浸水路堤的稳定性分析,4、措施 通过调查,充分预估浪高、洪水位； 放缓边坡； 设置护坡道； 设置导流结构物。,地震的危害 软弱地基沉陷； 液化； 挡土墙等结构物破坏； 边坡路基失稳等 要求：对地震烈度大于等于8的地区进行地震验算。,第六节 路基边坡抗震稳定性分析,第六节 路基边坡抗震稳定性分析,1、地震力 地面产生地震波加速度形成的力；,第六节 路基边坡抗震稳定性分析,2、边坡抗震稳定性的计算方法： 数解法 图解法 3、数解法-按照非地震

24、地区的路基边坡稳定性验算方法确定最危险的滑动面，然后再考虑地震力的作用。,复习思考题：,1、路基稳定性设计中所用各种近似方法的基本假定？ 2、分别指出路堑与路堤边坡稳定性验算时所需土的实验资料有哪些？ 3、行车荷载是怎样计入路基边坡稳定性计算的？ 4、路基边坡稳定性验算的目的何在？ 5、指出非浸水路堤边坡稳定性验算时，圆弧滑动面条分法计算中抵抗力矩与滑动力矩的各组成部分。在什么情况下小条块沿滑动面的切向分力也起抗滑作用？ 6、简述圆弧法验算边坡稳定性时，确定滑弧圆心轨迹的辅助线的基本方法？,复习思考题：,7、已知某土质边坡的破裂面及其对应的K值，现问如何确定最危险破裂圆弧？如何评价该路基断面边

25、坡的稳定性？ 8、何为陡坡路堤？如何进行陡坡路堤的稳定性分析计算？ 9、绘简图表示河滩浸水路堤内渗透浸润曲线的两种形式（两侧堤外水位相等）及其成因，并分别标出两种情况下的渗透动水压力的方向及其对边坡稳定性的影响。 10、如何确定河滩浸水路堤稳定性验算时的最不利条件？为什么？ 11、浸水路堤的稳定性验算与一般路堤有何不同？ 12、为什么粘土填筑的路堤，其边坡稳定性分析方法与一般路堤边坡稳定性分析方法相同？,复习思考题13： 用瑞典条分法针对P91的例4-11进行不考虑浸水的稳定性分析计算! （提交书面作业）,综合计算任务,复习思考题14： 用简化Bishop条分法针对P91的例4-11进行不考虑

26、浸水和考虑浸水的稳定性分析计算! （提交书面作业）,综合计算任务,1、陡坡路堤及其稳定性,1）陡坡路堤 陡坡路堤是指修筑在陡坡（地面横坡大于1:2）上及不稳固山坡上的路堤 2）陡坡路堤的稳定性问题： 路堤有沿陡坡或不稳定山坡下滑的可能性，涉及稳定问题，有以下几种可能情况： 基底接触面较陡或强度较弱，路堤整体沿基底接触面 滑动； 路堤修筑在较厚的软弱土层上，路堤连同其下的软弱 土层沿某一滑动面滑动； 基底岩层强度不均匀，致使路堤沿某一最弱层面滑动。,第七节 陡坡路堤的稳定性分析,3）陡坡路堤稳定性分析： 陡坡路堤产生下滑的主要原因是地面横坡较陡、基底土层软弱或强度不均匀，因此，计算参数应取滑动面

27、附近较软弱的土的实测数据，并考虑浸水后的强度降低。一般可在基底开挖台阶时选择测试数据中较低的值并按受水浸湿的程度予以适当折减。 陡坡路堤的稳定性分析假定路堤整体沿滑动面下滑，因此，稳定性分析方法可按滑动面形状分为直线法和折线法。,第七节 陡坡路堤的稳定性分析,2、陡坡路堤稳定性分析方法,1）直线法 当滑动面为基底的单一坡面时按直线滑动面考虑 F=(Q+P)costg + cL T=(Q+P)sin 稳定系数： K=F/T,第七节 陡坡路堤的稳定性分析,2）折线法 当滑动面为基底的多个坡度的折线倾斜面时，可按折线滑动面考虑，将滑动面上土体按折线段划分成若干条块，自上而下分别计算各土体的剩余下滑力

28、，根据最后一块土体的剩余下滑力的正负值确定整个路堤的整体稳定性。 即：剩余下滑力 = 下滑力 - (抗滑力)/K 其中： Tn=(Qn+Pn) sin n Nn=(Qn+Pn) cos n,第七节 陡坡路堤的稳定性分析,3）折线法陡坡路堤稳定性分析示例,请用剩余下滑力方法分析下图所示的折线坡上路堤的抗滑稳定性。已知： 1) 路堤的几何参数如图所示，其中： 2) 土的参数为： ， ， ； 3) 作用在路堤上的超载 ； 4) 抗滑安全系数 。,第七节 陡坡路堤的稳定性分析,第七节 陡坡路堤的稳定性分析,计算： 1) 首先求土块的剩余下滑力； 的面积：S11/2(4+6)2+1/266=28 m2

29、的重量：G1=2818=504 kN/m 的抗滑力：R1=1/K(G1+qb1)cos1tgcL1 1/1.255440.7070.268106.0/0.707 150.36kN/m 的下滑力：T1=（G1+qb1）sin15440.707 384.608 kN/m 所以，的剩余下滑力为：F1T1R1234.25 kN/m,第七节 陡坡路堤的稳定性分析,2) F1当作外力，求土块的剩余下滑力； 的面积：S248=32 m2 的重量：G2=3218=576 kN/m 的抗滑力：R2=1/K(G2+qb2F10.707)tgcL2 1/1.25781.610.268104.0 199.58 kN/

30、m 的下滑力：T2=F10.707234.250.707 165.61kN/m 的剩余下滑力为：F2T2R2-33.97 kN/m0， 也即和可以自平衡，所以令F2为0，不带入下块计算。,第七节 陡坡路堤的稳定性分析,3) 求土块的剩余下滑力； 的面积：S31/288=32 m2 的重量：G3=3218=576 kN/m 的抗滑力：R3=1/KG3cos2tgcL3 1/1.255760.970.268108.0/0.97 185.8 kN/m 的下滑力：T3= G3sin25760.242 139.4 kN/m 的剩余下滑力为：F3T3R3-46.4 kN/m0 4) 因为的剩余下滑力小于0，折线路堤满足抗滑要求。,第七节 陡坡路堤的稳定性分析,