第七章-土坡稳定分析

第七章土坡稳定分析第七章土坡稳定分析具有倾斜面的土体坡肩坡顶坡角坡趾坡高§7.1概述§7.2无黏性土土坡的稳定分析§7.3黏性土土坡的稳定分析第七章土坡稳定分析一.土坡1．天然土坡：由于地质作用自然形成的土坡。§7.1概述•山、岭、丘、岗、天然坡2．人工土坡：在天然土体中开挖或填筑而成的土坡。挖方：沟、渠、坑、池填方：堤、坝、路基、堆料•江、河、湖、海岸坡土坡:具有倾斜面的土体滑坡——一种重大的地质灾害，我国是滑坡灾害频发的国家。边坡丧失其原有稳定性，一部分岩土体相对于另一部分岩土体发生滑动的现象滑动体滑动面滑坡前缘滑坡壁滑坡方向§7.1概述二.滑坡二.滑坡什么是滑坡？指土坡在一定范围内整体地沿某一滑动面向下和向外移动而丧失其稳定性。§7.1概述一部分土体在外因作用下，相对于另一部分土体滑动§7.1概述1、土坡失稳的原因二、滑坡（1）土坡作用力发生变化（2）土的抗剪强度降低（3）静水压力（4）渗透力2、滑坡的形状：黏性土均质土坡：曲线形状、坡顶处滑动面近于垂直，坡角处与地面斜交；无黏性土坡：近似于直线；有软弱夹层土坡：出现自由曲面和直线组成的复合滑动面。本章研究的均为简单土坡。坡肩坡顶坡角坡趾坡高土坡中土体内部某个面上的剪应力达到了土的抗剪强度§7.1概述3、滑坡的类型：紫坪铺水库2号泄洪洞出口滑坡云南徐村水电站溢洪道土坡滑坡三峡库区滑坡问题－蓄水2001年，重庆市云阳县就发生了两次大型滑坡，重庆市武隆边坡失稳造成79人死亡。国务院已经决定拨款40亿元，用于三峡库区地质灾害治理。仅重庆就有150多个治理工程。1989年1月8日坡高103m地质：流纹岩中有强风化的密集节理，还包括一个小型不连续面。事故：电站厂房比计划推迟一年，修复时安装了大量预应力锚索。漫湾滑坡西藏易贡巨型滑坡时间：2000年4月9日规模：坡高3330m,堆积体2500m、宽约2500m，总方量=280-300×106m3天然坝：坝高=290m,库容=1534×106m3地质：风化残积土。险情：湖水以每日0.5m速度上升。楔形槽滑坡后缘高程5520m滑坡堆积区易贡巨型高速滑坡及堰塞湖平面示意图5520m2264m2210m2165m2340m易贡茶厂高程（m）滑距（m）2210m易贡藏布2264m553022004000080004000易贡巨型高速滑坡剖面示意图200060002340m滑坡堰塞湖—易贡湖湖水每天上涨50cm！公路路基滑坡城市中的滑坡问题（香港，重庆）填方挖方§7.1概述香港1900年建市，1977年成立土力工程署港岛1972PoShan滑坡(~20,000m3)(67死、20伤)Early1972滑坡前June1972滑坡后如何分析、判断？无黏性土坡-简单黏性土坡-复杂§7.2无黏性土土坡的稳定分析§7.2无黏性土土坡的稳定分析破坏形式：表面浅层滑坡强度参数：内摩擦角考察一无限长坡，坡角为分析一微单元AWTNaA－直线滑动法分析一.不考虑渗流作用的土坡1)微单元A自重：2)沿坡滑动力：3)对坡面压力：(由于无限土坡两侧作用力抵消)§7.2无黏性土土坡的稳定分析TfNWNWTAβWTfNlh5)抗滑安全系数：1sincostgtgWtgWTTkf4)抗滑力：tgWNtgTfcossinWTcosWNVW无渗流作用的土坡讨论§7.2无黏性土土坡的稳定分析•可见安全系数与土容重无关•与所选的微单元大小无关。即坡内任一点或平行于坡的任一滑裂面上安全系数k都相等思考题：在干坡及静水下坡中，如不变，k有什么变化β当时，,称为天然休止角1k二.考虑渗流作用的土坡§7.2无黏性土土坡的稳定分析底面支撑力N，底面抗滑力TfTf渗透力平行坡面NW`TAβW`NlhJTfNW`J(2)滑动力：VVJTsatwsin)sinsin((1)取微单元A的土骨架为隔离体，作用力自重：渗透力：WVVViVjJwwsin(3)抗滑力：tgVNtgTfcos(4)抗滑安全系数：tgtgtgJTTksatsatfsincos有沿坡渗流情况讨论：§7.2无黏性土土坡的稳定分析0.5sat与无渗流比较k减小近一倍注：意味着原来稳定的坡，有沿坡渗流时可能破坏•与所选V大小无关，亦即在这种坡中各点安全系数相同•与容重有关tgtgksat'TfβW`NAlhJ§7.3黏性土坡的稳定分析强度参数：黏聚力C，内摩擦角破坏形式：危险滑裂面位置在土坡深处，对于均匀土坡，在平面应变条件下，其滑动面可用一圆弧（圆柱面）近似。§7.3黏性土坡的稳定分析OR滑动面大多为一曲面，破坏前，一般在坡顶首先出现张力裂缝，然后沿某一曲面产生整体滑动。此外，滑动体沿纵向也为一定范围的曲面，为了简化，进行稳定性分析时往往假设滑动面为圆筒面，并按平面应变问题处理。根据土坡的坡脚大小、土体强度指标以及土中硬层位置的不同，圆筒滑动面的形式一般有以下三种：(1)圆弧滑动面通过坡脚，称为坡脚圆(2)圆弧滑动面通过坡面，称为坡面圆(3)圆弧滑动面通过坡脚以外的点，称为中点圆均质土层§7.3黏性土坡的稳定分析坡脚圆坡面圆中点圆§7.3黏性土坡的稳定分析常用的稳定分析方法整体圆弧滑动法（包括稳定数法）。条分法：如瑞典条分法、Bishop条分法、Janbu条分法、Spencer法、Morgenstern－Price法等。折线滑动法（不平衡推力法）§7.3黏性土坡的稳定分析§7.3黏性土坡的稳定分析1瑞典圆弧法2条分法3半图解分析法确定最危险滑弧OR§7.3黏性土坡的稳定分析广泛使用的圆弧滑动法最初是由瑞典工程师提出的。冰川沉积厚层软黏土一、整体圆弧法（瑞典圆弧法）§7.3黏性土坡的稳定分析一、瑞典圆弧法（整体圆弧法）（一）分析计算方法1．假设条件：•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ORdW§7.3黏性土坡的稳定分析一、整体圆弧法（瑞典圆弧法）（一）分析计算方法2.平衡条件（各力对O的力矩平衡）(1)滑动力矩：(3)安全系数：(2)抗滑力矩：ORdCBAW§7.3黏性土坡的稳定分析RfMLRRfSMLRKMWd抗滑动力矩滑动力矩L—ADC的弧长DWdMS（二）讨论1.其中圆心O及半径R是任意假设的，还必须计算若干组（O,R）找到最小安全系数———最可能滑动面2.适用于饱和黏土§7.3黏性土坡的稳定分析(三)验算步骤（1）假定多个不同的滑弧；（2）试算求出多个相应的稳定安全系数；（3）求最小稳定安全系数对应的滑弧（最危险滑弧）。对应最危险滑弧。§7.3黏性土坡的稳定分析minK注:无法求理论解，是一个边值问题，应通过数值计算解决。一个简化解决方法是将滑动土体分成条—条分法。实际是一种离散化计算方法RfSMLRKMWd抗滑动力矩滑动力矩二、条分法的基本原理及分析1．定义：AORCsbB-2-101234567§7.3黏性土坡的稳定分析常用的条分法将滑动土体分成n个等宽度的土条（b=0.1R)，分别求出个土条对滑弧圆心的抗滑动力矩和滑动力矩，求出总和后计算稳定安全系数；2.条分法第i条土的作用力E2i§7.3黏性土坡的稳定分析WiE1iF2iNiTiF1iabcd摩擦力§7.3黏性土坡的稳定分析假定E1i、E2i及F1i、F2i分别为作用力和反作用力，因而作用在土条上的力只有Wi、Ni、Ti（由此产生的误差在10%~15%之间，偏于安全）根据隔离体的平衡条件：NiWiTiabcdiiiNWcosiiiTWsin土条自重切向力Ti对滑动圆心产生的滑动力矩：siiiiMTRWsinR土条底部抗剪强度对滑动圆心产生的抗滑动力矩：RiiiiiMNtgcL)R（则稳定安全系数niiiiiRi1nsiii1WcostgcLMKMWsini2.条分法讨论：§7.3黏性土坡的稳定分析当有成层土和有地下水情况时：iiiWbh（1）分层计算土条重量；（2）c、φ按滑弧通过的土层采用不同值；（3）地下水位以下采用有效重度。则：稳定安全系数nnii1122nniii1i=1n1122nnii1cLbhh...h)costgKb(hh...h)sin（三、半图解分析法确定最危险滑弧§7.3黏性土坡的稳定分析作图步骤：1、按比例绘制土坡断面图；2、查表7.1得β1、β2，确定O点；3、确定M点位置（位于坡顶下2H深度处，距坡脚水平距离为4.5H），连接MO;4、当φ=0时，最危险滑动圆心即为O点；当φ0时，最危险滑弧圆心在MO的延长线附近；5、沿MO延长线去取o1、o2……作为圆心，过坡脚绘出相应的滑弧，求出稳定安全系数kmin所对应的圆心on§7.3黏性土坡的稳定分析6、过on作MO的垂直线DE，并在DE线上任意选取……同上述方法求出最小稳定安全系数对应的点，即为最危险滑弧圆心，过坡脚得到最危险的滑弧；''12O,O'O§7.3黏性土坡的稳定分析12坡角坡度（垂直：水平）（°）（°）60°1：0.58294045°1：1283733°41′1：1.5263526°34′1：2.0253518°26′1：3.0253514°02′1：4.0253711°19′1：5.02537表7.1的数值12四、土体稳定性的影响因素（一）抗剪强度指标及稳定安全系数的选择§7.3黏性土坡的稳定分析a、对任一种给定的土来说，强度指标变化幅度之大远超过不同静力计算方法之间的差别。应尽可能结合边坡的实际加荷情况，填料的性质和排水条件等，合理的选用土的抗剪强度指标。b、重要的工程应采用有效强度指标进行核算。c、对于控制土坡稳定的各个时期，应分别采用不同试验方法的强度指标。d、在设计土坡时，如附近有已经滑动的土坡，可用反分析法确定土的抗剪强度。1、土的抗剪强度指标值2、安全系数的选用a、一般来说，工程等级愈高，所需要的安全系数愈大。目前，对于土坡稳定的安全系数，各个部门有不同的规定。b、同一边坡稳定分析，选用不同的试验方法、不同的稳定分析方法，会得到不同的安全系数。§7.3黏性土坡的稳定分析（一）抗剪强度指标及稳定安全系数的选择（二）工程中的土坡稳定分析计算1、成层土和超载对土坡稳定的影响（1）成层土层a、)(2211niniiiihhhbGb、对土条，当土条底面落在哪层土中，就用该层土的强度指标iiic,（2）有超载的情况坡面或坡顶超载直接加入其所在土条的自重中去。§7.3黏性土坡的稳定分析（三）渗流对土坡稳定的影响1、静水情况在静水条件下周界上的水压力对滑动土体的影响可用静水面以下滑动土体所受的浮力来代替，所以稳定安全系数公式同前，只是水下土条重量取有效重度γ`计算.2、稳定渗流情况（1）“代替法”用代替法考虑渗流力对土坡稳定的影响，仅是在安全系数计算公式中，土条重量在浸润线以上者用天然容重γ，坡外水位以下者用有效重度γ`。而对浸润线以下坡外水位以上的土条重量：分子用有效重度γ`，分母用饱和容重γsat计算。§7.3黏性土坡的稳定分析iiiiisatiiiiiiiiiiiiiiiiwiiiiiiiiiiiiiiiiiiibhhhtgbhhhlcbhbhhhtghhhblcKsin]cos[sinsin]cos)([3213212321321h1ih2ih3ibi§7.3黏性土坡的稳定分析（三）渗流对土坡稳定的影响（1）“代替法”设滑动土体在浸润线以下部分fgB的面积为Aw，则作用在该部分土体上每米的渗流合力D为D=JAw=γwiAwkN/m3J——作用在单位体积土体上的渗流力，i——面积Aw范围内水头梯度平均值，可近似地假定i等于浸润线两端连线的坡度。渗流合