第4章路基边坡稳定性设计

1第四章路基边坡稳定性设计2第四章路基边坡稳定性设计•本章前言•§4.1概述•§4.2直线滑动面的边坡稳定性分析•§4.3曲线滑动面的边坡稳定性分析•§4.4软土地基的路基稳定性分析•§4.5浸水路堤的稳定性分析•§4.6路基边坡抗震稳定性分析•本章小结3本章前言•学习目标•通过本章的学习，要求学生掌握掌握边坡稳定的原理、边坡稳定分析的计算参数与取值方法、汽车荷载的当量换算、直线法和圆弧法验算边坡稳定性。了解软土地基、浸水路堤和路基边坡抗震稳定性分析的思路与方法。4本章前言•学习重点与难点•曲线滑动面的边坡稳定性分析•学习方法建议•复习土力学相关内容，深入理解稳定性分析方法的思路与特点。5•主要针对问题：•1.边坡失稳•2.陡坡路堤的失稳•3.地基失稳第四章路基边坡稳定性设计678第四章路基边坡稳定性设计•本章前言•§4.1概述•§4.2直线滑动面的边坡稳定性分析•§4.3曲线滑动面的边坡稳定性分析•§4.4软土地基的路基稳定性分析•§4.5浸水路堤的稳定性分析•§4.6路基边坡抗震稳定性分析•本章小结9§4.1概述一、边坡：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。10§4.1概述边坡稳定性分析的原理滑动面形状：直线形、圆弧形等。从力学特征：静定问题、静不定问题。11§4.1概述对于静不定假定：（1）按平面问题来处理；（2）砂性土、砾石土：近似平面，采用直线破裂面法；（3）粘性土：近似圆曲面，采用圆弧破裂法。一般假设：（1）不考虑滑动土体本身内应力的分布；（2）平衡状态只在滑动面上到达，滑动土体成整体下滑；（3）极限位置要通过试算来确定。12天然边坡：江、河、湖、海岸坡山、岭、丘、岗、天然坡§4.1概述13人工边坡：挖方：沟、渠、坑、池填方：堤、坝、路基、堆料露天矿§4.1概述小浪底土石坝14二、何谓滑坡?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。土坡滑坡前征兆：坡顶下沉并出现裂缝，坡脚隆起。§4.1概述15§4.1概述16§4.1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，但随时间和气候的变化，也会逐渐塌落。◆三、路基失稳的原因：17§4.1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；在斜坡上建房或堆放重物时，都可引起斜坡变形破坏。◆三、路基稳定性分析的原因：18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。◆三、路基稳定性分析的原因：§4.1概述19§4.1概述1、土的计算参数a、对于路堑或天然边坡：取原状土的容重γ（kN/m3）、内摩擦角φ（º）和粘聚力c（kPa）。b、对路堤：取与压实现场一致的压实土的试验数据，包括土压实后的容重γ（kN/m3）、内摩擦角φ（ºC）和粘聚力c（kPa）。◆四、边坡稳定性分析的计算参数20§4.1概述c、多层土体：对直线法或圆弧法采用合理分段、直接采用不同土层参数：也可以采用加权平均值法。即：niiiniihhcc11niiniiihh11tantanniiniiihh1121§4.1概述2、边坡的取值•折线型边坡或阶梯型边坡，一般取平均值。22§4.1概述3、汽车荷载当量换算在边坡稳定分析时，需将车辆按最不利情况排列，并将车辆设计荷载换算成当量土柱高（以相等压力的土层厚度来代替荷载），即:BLNQh0dNNbB)1(23汽车荷载•6.0.1汽车荷载分为公路I级和公路II级两个等级•汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成，车道荷载由均布荷载和集中荷载组成•桥梁结构的整体计算采用车道荷载；桥梁结构的局部加载、涵洞桥台和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载•车道荷载与车辆荷载的作用不得叠加24•车道荷载25•车辆荷载26•为了满足不同结构位置的荷载效应组合和计算•车道荷载不考虑车的尺寸及车的排列方式，将车辆荷载等效为均布荷载和一个可以作用在任何位置的集中荷载形式，桥梁结构的整体计算采用车道荷载；•车辆荷载考虑车的尺寸及车的排列方式，以集中荷载的形式作用于车轴位置，局部加载、涵洞、桥台和挡土墙压力等的计算采用车辆荷载。•两种荷载的作用不得叠加。27§4.1概述•试验参数28§4.1概述•五、假定•1、基本假定–①不考虑滑动土体本身内应力分布；–②认为平衡状态只在滑动面上达到，滑动时成整体下滑；–③最危险的破裂面位置通过试算确定。295、假定②均质粘性土：光滑曲面（圆柱面/圆弧）③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RuptureplaneSlopeincohesionlesssoil①无粘性土:平面§4.1概述30直线曲线折线工程地质法（比拟法）力学分析法图解法◆六、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：§4.1概述31第四章路基边坡稳定性设计•本章前言•§4.1概述•§4.2直线滑动面的边坡稳定性分析•§4.3曲线滑动面的边坡稳定性分析•§4.4软土地基的路基稳定性分析•§4.5浸水路堤的稳定性分析•§4.6路基边坡抗震稳定性分析•本章小结32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。直线滑动面示意图a)高路堤b)深路堤c)陡坡路堤BDAa)ABDb)ADc)适用土质§4.2直线滑动面的边坡稳定性分析33§4.2直线滑动面的边坡稳定性分析一、试算法砂土和砂性土c=0•稳定性判断:K1，稳定；K1，不稳定，且与高度无关。sintancosGcLGTFKtantanTFKBDAHRGNTαωω直线滑动面上的力系示意图方法：假定ω，计算K与ω的关系。34第二节直线滑动面的边坡稳定性分析式中：ω——滑动面的倾角；f——摩擦系数，f=tanφ；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；G——滑动体的重力。第二节直线滑动面的边坡稳定性分析sintancosGcLGTFK35§4.2直线滑动面的边坡稳定性分析LADsincotsintancosGcLfGcLGTFKsin)sin(sin2cotHcfK二、解析法)sin(sin21HLG为已知。则而令,,,tan,200fafHcacsc)(2cot)2(cotcot,0/000min000afafaKafaddK则取csc)(2cot)2(cotcot,0/000min000afafaKafaddK则取用来求：Kmin，α，HBDATNQHαωω36§4.2直线滑动面的边坡稳定性分析•例题4-1：某挖方边坡，已知φ=250，c=14.7kPa，γ=17.64kN/m3。边坡高度H=6.0m，现拟采用1：0.5的坡度，试验算其稳定性。•解：采用解析法进行计算。•由cot=0.5，α=63026’，cscα=1.1181•因此：f=tan25=0.4663，a0=2c/γH=0.2778•带入公式：Kmin=1.531.25该路基边坡稳定。练习：试求上述边坡容许边坡坡度和最大高度。37第四章路基边坡稳定性设计•本章前言•§4.1概述•§4.2直线滑动面的边坡稳定性分析•§4.3曲线滑动面的边坡稳定性分析•§4.4软土地基的路基稳定性分析•§4.5浸水路堤的稳定性分析•§4.6路基边坡抗震稳定性分析•本章小结38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。§4.3曲线滑动面的边坡稳定性分析◆适用范围3940是否稳定的判断条件41§4.3曲线滑动面的边坡稳定性分析一、条分法1、原理：将滑动面上的土体划分为若干竖向土条，依次计算每一土条沿滑动面的下滑力和抗滑力，然后叠加计算出整个滑动土体的稳定性。2、假定：土体均质、各向同向、滑动面通过坡脚、忽略土体内应力和土条之间相互作用力、土条不受侧向力作用、或侧向力与圆弧切线方向平行。42§4.3曲线滑动面的边坡稳定性分析3、条分法计算步骤：•1）用4.5H法或36º法绘制圆心辅助线•2）选择滑动面，将土体分条；•3）计算每一土条土体重的分量：•4）计算滑动面的抗力，即:•5）计算滑动面上各力对圆心的滑动力矩和抗滑力矩：•6）假定不同的滑动面，重复（1）～（5）求出不同的KiiiGNcosiiiGTsinRxii1sin和fNiicL)(11miiniisTTRM)(11miiniircLfNRM43§4.3曲线滑动面的边坡稳定性分析•6）抗滑稳定系数；•7）绘制稳定系数曲线，求最小稳定系数Kmin；•8）根据土特性、抗剪强度指标、公路等级和地区经验确定K，当计算K值小于容许[K]值时，则放缓边坡，重新拟订横断面，重复上述步骤，直到合格为止。niniiiiniiinimiiininiiisrGGcLGfTTRcLfNRMMK1111111sincos)()(4445•[例题4-1]已知：路基高度13m，顶宽10m，其横截面初步拟定如图4-8所示。路基填土为粉质中液限亚粘土，土的粘聚力c=10KPa，内摩擦角24°(tg=0.45)，容重=17KN/m3，荷载为挂车-80(一辆车重力800KN)。试分析其边坡稳定性。(4.5H法)§4.3曲线滑动面的边坡稳定性分析46§4.3曲线滑动面的边坡稳定性分析解：（1）用方格纸按合适比例绘出路堤横断面；（2）求换算土柱高（当量高度）：（3）按4.5H法确定滑动圆心辅助线；（4）绘出三条不同位置的滑动曲线；mBLNQh88.1184.74.680020①一条通过路基中线；②一条通过路基的右边缘；③一条通过距右边缘1/4路基宽度处。4748§4.3曲线滑动面的边坡稳定性分析（5）分条：将圆弧范围土体分成8～10段；（6）算出滑动曲线每一分段中点与圆心竖线之间的偏角αi；（7）计算分条的面积Ωi；（8）求出每条块的重力Gi；RXaiisin49§4.3曲线滑动面的边坡稳定性分析（9）求分条重力Gi的二个分力：•在滑动曲线法线方向分力：Ni=Gicosαi•在滑动曲线切线方向分力：Ti=Gisinαi（10）求出曲线圆弧长L；（11）计算稳定系数：KfNCLTiiniin21=1.5450§4.3曲线滑动面的边坡稳定性分析分段sinααcosαΩ（m2）G=Ω（KN）Ni=Gicosαi（KN）Ni=Gisinαi（KN）L（m）10.8558°00′0.5329.950826973245.220.6439°47′0.7757.597175262430.4728°02′0.885695183544640.2816°15′0.9651866