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StabilityAnalysisofSoilSlope第二节土坡稳定性分析第4章土体稳定分析•土坡稳定性分析的意义•影响土坡稳定的因素•土坡稳定性分析方法4.2.1概述土坡是指具有倾斜坡面的土体。4.2.1.1土坡稳定性分析的意义坡肩坡顶坡角坡趾坡高坡底土坡可以分为天然土坡和人工土坡。由长期自然地质营力作用形成的土坡称为天然土坡,如山坡、岸坡等;由人工开挖或填方形成的土坡,称为人工土坡,如基坑、渠道、土坝、路堤等边坡。1、天然土坡•江、河、湖、海岸坡•山、岭、丘、岗、天然坡贵州洪家渡1、天然土坡•2.人工土坡¤挖方:沟、渠、坑、池露天矿•2.人工土坡¤填方:堤、坝、路基、堆料小浪底土石坝•若土体沿滑动面向下的滑动力超过了土体抵抗滑动的能力,则将产生一部分土体相对于另一部分土体滑动的现象,即滑坡。•土坡的失稳产生滑坡,不仅影响危害铁路、公路的正常运行,也会影响工程施工,造成不可估量的经济损失,甚至危及生命安全。由于土的自重或渗流引起的渗透力或外荷等的作用,土体能产生沿某一个面向下滑动的趋势,这个面被称为滑动面。滑坡的形式造成滑坡的原因降雨、蓄水、使岩土软化,坝背水坡浸润线存在渗透力1)振动:地震、爆破2)土中含水量和水位变化3)水流冲刷:使坡脚变陡4)冻融:冻胀力及融化含水量升高5)人工开挖:基坑、船闸、坝肩、隧洞出入口实质:外界力的作用破坏了土体内原始的应力平衡状态;土的抗剪强度由于受到外界各种因素的影响而减低,促使土坡失稳。云南徐村水电站溢洪道土坡滑坡江岸崩塌滑坡江西省江新洲洲头北侧蹋岸2003年7月13日三峡库区沙镇溪发生千将坪滑坡,致使24人失踪。城市中的滑坡问题(香港,重庆)填方挖方香港1900年建市,1977年成立土力工程署港岛1972PoShan滑坡(~20,000m3)(67死、20伤)土坡的失稳常常是由外界的不利因素影响下触发或加剧的。坡高H坡角坡面坡脚坡底坡顶坡肩坡体滑动面β4.2.1.2影响土坡稳定的因素•土坡的几何形态•土的性质•地表水和地下水•地震作用及其它⑴土坡的几何形态包括土坡的坡度和坡高。在坡高等其它条件相同的情况下,坡角越大越不稳定;相反,坡角越小越稳定,但不经济。在其它条件相同情况下,坡高越小,土坡越稳定。⑵土的性质主要指土的重度γ和土的抗剪强度指标c、φ,指标γ和c、φ值大的土坡比和c、值小的土坡更安全。⑶地表水和地下水雨水或地面水流入土坡中的竖向裂缝,对土坡产生侧向压力,从而增大土坡的下滑力。大量雨水的深入,降低了土的抗剪强度,不利于土坡的稳定,尤其是地下水渗流的形成,会使土坡中的细小颗粒被渗流带走,引起土坡密实度的降低,可能导致土坡滑动。⑷地震作用及其它因素地震作用,会使土的强度降低。地震力的存在,对土坡稳定不利。另外,外荷的变化,也会影响土坡的稳定性。例如在坡顶堆放土方荷载材料,或建造建筑物,会使土坡的滑动力增加。在坡脚挖方,使土坡几何形态的改变,破坏其原有的稳定性。(a)(b)(c)4.2.1.3土坡稳定性分析方法土坡的滑动面形态各异:•粗粒土组成的均质土坡的滑动面在空间上为一斜面,在剖面上为一直线;•均质粘性土坡滑动面在空间为一圆柱面,剖面上为近似圆弧的曲线;•若粘性土坡坡底存在软弱土层时,可能会出现曲线与直线组合的复合滑动面。不同的滑动面形式构成了土坡的不同边界条件,而且土体性状复杂,因此土坡稳定性分析是一个十分复杂的问题。土坡分析方法主要有极限平衡法、极限分析法和有限元等数值方法。极限平衡法:先假定多个土坡可能滑动的滑动面,然后根据静力平衡条件和莫尔-库仑强度准则计算沿各滑动面滑动的可能性,从中寻找稳定安全系数最小者,其对应的滑动面即为土坡滑动可能性最大的滑动面。4.2.2无粘性土坡的稳定性分析StabilityAnalysisofNoncohesiveSoilSlope如不浸水的砂砾卵石组成的无粘性土坡,若组成的粒组均匀,颗粒间无粘聚力,则只要坡面上的颗粒能够保持稳定,那么整个土坡便是稳定的。4.2.2.1干土坡在土坡坡面上取单元土体进行分析。设单元体重量W,由重量W引起的顺坡面下滑力T和抗滑力Tf分别为NWTNWTJ(a)(b)ββββθtancostansinfWNTWT无粘性土坡的稳定安全系数:结论:•对于无粘性土坡,只要坡角βφ,则无论土坡多高都是安全的。•当Fs=1,土坡处于极限状态,即β=φ。tantansintancosfWWTTFsNWTNWTJ(a)(b)ββββθNWTNWTJ(a)(b)ββββθ1wiJsincoswNwTiJiJ4.2.2.2有渗流作用的土坡有地下水或降雨使水位变化,土坡内土体不仅要受到重力作用,而且还要受到渗透作用,使滑动力加大,抗滑力减小。渗透作用可产生渗透力J对于单元体产生的下滑力分力JT和法向分力为JN:cossintansincoswwSRsiiTTF考虑渗流作用,无粘性土坡稳定系数FsNWTNWTJ(a)(b)ββββθsincoswNwTiJiJtancostansinfWNTWTtantansinsintancoswwsF21wtantantancostansintansincosw2iF21tanw2w②当渗流水平逸出坡面时,θ=0,i=tanβ结论:•土坡中渗流的存在,势必减小其稳定性;•渗流方向不同,对土坡稳定性的影响程度不同。①当渗流方向为顺坡时,即θ=β,i=sinβcossintansincoswwSRsiiTTF4.2.3粘性土土坡稳定性分析StabilityAnalysisofCohesiveSoilSlope粘性土土坡滑动前一般先产生张裂缝,然后形成一个连续贯通的曲面,产生整体滑动。破坏特点:由于其存在粘聚力c,与无粘性土坡不同;其危险滑裂面位置在土坡深处;对于均匀土坡,在平面应变下,其滑动面可用一圆弧(圆柱面)近似。破坏面形状:圆弧破裂面OR实际滑动面理论分析滑动面张裂缝深度OR34计算方法:1.整体圆弧滑动法(瑞典Petterson)2.瑞典条分法(瑞典Fellenius)3.毕肖普法(Bishop)⑴基本原理1916由瑞典人彼得森(Petterson,K.E.)建议采用极限平衡原理得到粘性土土坡稳定性分析的一种方法。4.2.3.1土坡圆弧滑动体的整体稳定分析当粘性土土坡失稳时,将沿一曲面滑动,通常将滑动曲面简化为圆弧,故将这种分析方法称为土坡稳定性计算的整体圆弧法。ORd•均质土•二维•圆弧滑动面•滑动土体呈刚性转动•在滑动面上处于极限平衡状态假设条件:土坡沿圆弧AC滑动时,可视为土体ABC绕圆心O转动。取1m长度进行分析,得到由滑动土体ABC产生对滑动圆心O的滑动力矩MS和由滑动面AC上的摩擦力和粘聚力产生对滑动圆心O的抗滑力矩MR分别为RLMdWMfRSWdLRMMFfsRs土坡稳定安全系数ORABCWdτf/180Lr对应的圆心角为度土坡稳定安全系数可据建筑物等级、土的性质的可靠程度及地区经验等因素综合考虑确定,工程上常取稳定安全系数在1.1~1.5之间。fWdLRMMFfsRs土的抗剪强度沿滑动面AC上的分布是不均匀的,因此,采用上式计算的土坡的稳定安全系数有一定的误差。对饱和粘土坡,在不排水条件下,,和无关,则可改写为上式用于分析饱和粘土坡形成过程和刚竣工时的稳定分析,称为法。ucLrFsWd0u0uufc⑵最危险滑动面的确定费伦纽斯(FelleniusW,1927)研究表明:•对于均质粘性土坡,当φ=0时,最危险滑动面通过坡脚,其圆心位置为OA与OB的交点。OABCOABC4.5H2HEH(a)(b)β2β1FsO1O2O´2OmO3O4O´1O´3O´4OminF´s•当φ0时,随φ的增大,最危险滑动面所对应的圆心位置从O向上方移动。RCAcMR时,当0最危险滑动面所对应的圆心位置确定方法陈惠发(美国,1980)根据计算机大量试算经验,给出最危险滑弧通过坡底的a点和坡顶的b点,这两点分别距坡脚和坡肩0.lnH.参见图。而圆心位置在ab的垂直平分线上。C1BAH124.5HDHMC3C4C2⑶泰勒图解法土坡的稳定性与土体抗剪强度指标c和φ、重度γ与土坡的几何参数坡高H和坡角β的关系。Taylor(1937)建议了一种图表法,称泰勒图表法,即计算推导了均质土坡在极限状态下上述五个参数之间的关系,并用曲线图来表示。为了简化,将c、γ和H三个参数合并成一个无纲量的参数,称为稳定数,即cHNs34567891011129080706050403020100坡角β(度)稳定数Nsnd=1.0nd=1.2nd=1.5nd=2.0nd=4.03.855.52φ=25º20º15º10º5ºφ=0nd=∞53ºndHHOOO(a)(b)(c)L/2L/2滑动面类型坡脚圆坡面圆中点圆当φ3º,最危险的滑动面皆属坡脚圆。对φ3º的粘性土坡,滑动面可能是•中点圆(滑面圆弧的圆心位于通过土坡中点之铅直线上),•坡脚圆(滑面圆弧穿过坡脚)•坡面圆(滑面圆弧穿过坡面)取决于硬层的埋藏深度ndHHOOO(a)(b)(c)L/2L/2β53º时,最危险的滑动面为坡脚圆;β53º时,阴影区为中点圆;散点区为坡脚圆;与散点区相邻的空白区则为坡面圆。34567891011129080706050403020100坡角β(度)稳定数Nsnd=1.0nd=1.2nd=1.5nd=2.0nd=4.03.855.52φ=25º20º15º10º5ºφ=0nd=∞53ºβ=53º•泰勒图表法可以进行均质土坡的稳定性分析。•分析时假定滑动面上土的摩阻力首先得到充分发挥,然后才由土的粘聚力补充。•因此,求得满足土坡稳定时滑动面上所需的粘聚力与实际粘聚力进行比较,即可得到土坡的稳定安全系数。•该方法也可以根据已知的c、φ、γ和H确定土坡的极限坡角β,根据c、φ、γ和β计算极限坡高H。稳定数法适用范围:一般适用于坡高不超过10m的均质土坡的设计,或用于土坡稳定的初步设计。46瑞典圆弧法应用时应注意:(1)分母部分为滑动力矩,除W外,还应他考虑附加荷载(例如坡顶堆载和车辆荷载)对圆心O的滑动力矩。(2)粘性土坡的坡顶裂缝的影响:a)滑弧长度减小为(时,裂缝临界深度);b)若裂缝被水充满,须附加水压力的合力Pw对圆心O的滑动力矩,参见图。czL0u2/czc【例题4-2-1】某均质土坡坡高H=5m,土的重度γ=18.5kN/m3,抗剪强度指标c=20kPa、φ=15º。试计算坡角为β=70º时的稳定安全系数。例题瑞典条分法由费伦纽斯(Fellenius,1927)提出,是土坡稳定性分析中的一种基本方法。它不但可以用来检算简单土坡,也可用于检算各种复杂情况的土坡(不均匀土坡、分层土坡,有渗流的土坡及坡顶有荷载作用等),在工程中广泛应用。Fellenius考虑平面问题,滑动面为圆弧形,将滑动土体分成若干土条,各土条为刚性不变形体,不考虑土条两侧面间的作用力。4.2.3.2瑞典条分法设有一简单土坡,取一假定滑动面,所对应圆心为O,半径为R,将滑动土体沿铅直方向分成若干土条,常取土条宽度(0.1-0.2)R。ORACTiNiWilibiB-2-1210345hi3θαi取其中第i土条进行力和力矩的分析。由于不考虑土条间力,第i土条作用在滑动面上的力有:①由土条自重在滑动圆弧上引起的切向力Ti②由于土条自重在滑动面上引起的法向力所构成的抗滑阻力Tfi③滑动时滑动面上土粘聚力形成的抗滑阻力TciiiiWTsiniiiii
本文标题:42边坡稳定性
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