边坡稳定性分析

第八章边坡稳定性分析土坝、路堤、河岸、挖坡以及山坡有可能因稳定性问题而产生滑坡。大片土体从上面滑下堆积于坡脚前。滑动也可能影响到深层，上部土体大幅度下滑而坡脚向上隆起，向外挤出，整个滑动体呈转动状。滑坡将危及到滑坡体及其附近人的生命和财产的安全。此外，河岸的滑坡还会造成很大的波浪，使很长距离内产生灾难。土坝、河堤的滑坡还会引起垮坝，乃至发生大的洪水，其损失就不堪设想了。因此研究边坡的稳定性意义重大。本章主要介绍引起滑坡的各种诱发因素及滑坡的防治措施、边坡的表层滑动稳定性分析、边坡的深层滑动稳定性分析，最后探讨水对边坡稳定性分析的影响。8.1滑坡诱发因素及其防治措施土坡就是具有倾斜表面的斜坡。由于地质作用自然形成的土坡，如山坡、河岸、湖边等，称为天然土坡。本章主要讨论的土坡是经过人工开挖，填土工程和建造物如基坑、路堤、土坡等的边坡，通常称为人工边破,其简图见图8.1.1，图8.1.2为高速公路边坡。由于土坡表面倾斜，在土体自重及外力作用下，坡体内将产生切向应力，当切应力大于土的抗剪强度时，就会产生剪切破坏，如果靠坡面处剪切破坏的面积很大，则将产生一部分土体相对于另一部分土体滑动的现象，称为滑坡或塌方，如图8.1.3是滑坡后的治理示意图，。土坡在发生滑动之前，坡高H坡脚坡面滑动面坡顶坡肩θ图8.1.1边坡各部位名称图8.1.2高速公路边坡图8.1.3滑坡治理一般在坡顶首先开始明显下降并出现裂缝，坡脚附近的地面则有较大的侧向的位移并微微隆-1-起。随着坡顶裂缝的开展和坡脚侧向位移的增加，部分土体突然沿着某一个滑动面而急剧下滑，造成滑坡。土建工程中经常遇到土坡稳定问题，如果处理不当，土坡失稳产生滑动，不仅影响工程进展，可能导致工程事故甚至危及生命安全，应当引起重视。如：（1）基坑开挖，一般粘性土浅基础，土质较好，基础埋深d=1~2m，可以竖直开挖，也可采用机械施工以加快施工进度。若d5m，两层以上的箱基和深基，垂直开挖会产生滑坡。如边坡缓，则工程量太大，在密集建筑区进行基坑开挖，有可能影响到邻近建筑物的安全。（2）经过漫长时间形成的天然土坡原本是稳定的，如在土坡上建造房屋，增加了坡上荷载，有可能引起土坡的滑动；如在坡脚建房，为增加平地面积，往往将坡脚的缓坡削平，则土坡更容易失稳发生滑动。（3）人工填筑的土堤、土坝、路基等，形成地面以上新的土坡。由于这些工程的长度很大，边坡稍微改陡一点，往往可以节省工程量。由此可见，土坡稳定在工程上具有很重要的意义，影响土坡稳定的因素很多，包括土坡的边界条件、土质条件和外界条件。具体因素如下：（1）边坡坡角θ，坡角θ越小就越安全但不经济；坡角θ太大，则经济而不安全。（2）坡高H，试验研究表明，其它条件相同的土坡，坡高H越小，土坡越稳定。（3）土的性质，土的性质越好，土坡越稳定。例如，土的重度γ和抗剪强度指标c、φ值大的土坡，比γ、c、φ小的土坡更安全。（4）地下水的渗透力，当土坡中存在与滑动方向一致的渗透力时，对土坡不利。如水库土坝下游土坡就可能发生这种情况。（5）震动作用如强烈地震、工程爆破和车辆震动等，会使土的强度降低，对土坡稳定性产生不利影响。（6）施工不合理，对坡角的不合理开挖或超挖，将使坡体的被动抗力减小。这在平整场地过程中经常遇到。不适当的工程措施引起古滑坡的复活等，均需预先对坡体的稳定性作出估计。（7）人类活动和生态环境的影响。由此可见，边坡失稳，将会影响工程的顺利进行和施工安全，对相邻建筑物构成威胁，甚至危及人民的生命安全。因此，在工程建设中，必须根据场地的工程地质和水文地质条件进行调查与评价，排除潜在的威胁以及直接有危害的整体不稳定山坡地带，并对周围环境以及施工影响等因素进行分析，判断其是否存在失稳的可能性，采取相应的预防措施。通常防止边坡滑动的措施有：（1）加强岩土工程勘查，查明边坡地区工程地质、水文地质条件，尽量避开滑坡区或古滑坡区，掩埋的古河道、冲沟口等不良地质。（2）根据当地经验，参照同类土（岩）体的稳定情况，选择适宜的坡型和坡角。（3）对于土质边坡或易于软化的岩质边坡，在开挖时采取相应的排水和坡角。（4）开挖土石方时，宜从上到下依次进行，并防止超挖；挖、填土宜求平衡，尽量分散处理弃土，如必须在坡顶或山腰大量弃土时，应进行坡体稳定性验算。（5）若边坡稳定性不足时，可采取放缓坡角、设置减载平台、分级加载及设置相应的支挡结构等措施。-2-（6）对软土，特别是灵敏度较高的软土，应注意防止对土的扰动，控制加载速率。（7）为防止振动等对土坡的影响，桩基施工宜采取压桩、人工挖孔或重锤低击、低频锤击等施工方式。8.2表层滑动的稳定分析对于均质的无粘性土土坡，无论在干坡还是在完全浸水条件下，由于无粘性土的粘聚力c=0，因此，只要无粘性土土坡面上的土颗粒能够保持稳定，则整个土坡就是稳定的。均质无粘性土坡如图8.2.1所示，土坡的坡角θ，土的内摩擦角ϕ。现从坡面上任取一侧面竖直、底面与坡面平行的土体单元，假定不考虑该单元土两侧应力对稳定性的影响。设单元体的自重W，则它下滑的剪切力就只有W在顺坡方向的分力T=Wsinα阻止土体下滑的力是此单元体与下面土体之间的抗剪力，其所能发挥的最大值为ϕθϕtancostanWNTf==式中N是单元体自重在坡面法线方向的分力，ϕ是土的内摩擦角。无粘性土土坡的稳定安全因数定义为最大抗剪力与剪切力之比，即θϕθϕθtantansintancos===WWTTKfs(8.2.1)由此可见，对于均质无粘性土土坡，理论上只要坡角小于土的内摩擦角，土体就是稳定的。Ks=1时，土体处于极限平衡状态，此时的坡角就等于无粘性土的内摩擦角。由此可见，砂性土的土坡稳定安全因数为：θϕtantan=K（8.2.2）一般要求K1.25～1.30。θTWθN图8.2.1均质无粘性土坡稳定性分析8.3深层滑动的稳定性分析土坡的失稳形态和当地的工程地质条件有关。在非均质土层中，如果土坡下面有软弱层，则滑动面很大部分将通过软弱层形成曲折的复合滑动面，如图8.3.1a所示，如果土坡图8.3.1非均质土中的滑动面a）土坡滑动面通过软弱层b）土坡沿岩层面滑动-3-位于倾斜的岩层面上，则滑动面往往沿岩层面产生，如图8.3.1b所示。均质粘性土的土坡失稳破坏时，其滑动面常常是曲面，通常可近似地看成为圆弧滑动面。圆弧滑动面的形式一般有以下三种：（1）圆弧滑动面通过坡脚B点(见图8.3.2a)，称为坡脚圆；（2）圆弧滑动面通过坡面上E点（见图8.3.2b）称为坡面圆；（3）圆弧滑动面通过坡脚以外的A点（见图8.3.2c），称为中点圆。图8.3.2均质粘性土土坡的三种圆弧滑动面a）坡角圆；b）坡面圆；c）中点圆上述三种圆弧滑动面的产生，与土坡的坡角大小、填土的强度指标以及土中硬层的位置等有关。土坡稳定分析时采用圆弧滑动面首先由彼得森（K.E.Petterson，1916）提出，此后费伦纽斯（W.Fellenius，1927）和泰勒（D.W.Taylor，1948）做了研究和改进，他们提出的分析方法可以分为两种：（1）土坡圆弧滑动按照整体稳定分析法，主要适用于均质简单土坡，所谓简单土坡是指土坡上、下两个土面是水平的，坡面BC是一平面，如图8.3.3所示。（2）用条分法分析土坡稳定，条分法对非均质土坡、土坡外形复杂、土坡部分在水下时均适用。图8.3.3土体的整体稳定分析一、土坡圆弧滑动面的整体稳定分析1.基本概念分析图8.3.3所示均质土坡，若可能的圆弧滑动面为AD，其圆心为O，半径为R。分析时在土坡长度方向截取单位长土坡。按平面问题分析。滑动土体ABCD的重力为W，它是促使土坡滑动的力；沿着滑动面AD上分布的土的抗剪强度τf是抵抗土坡滑动的力。将滑动力W及抗滑力τf分别对圆心O取矩，得滑动力矩及稳定力矩为：sMfMasWM=（8.3.1）-4-（8.3.2）RLMff∩=τ式中：W——滑动体ABCDA的重力，（kN）；a——W对O点的力臂，（m）；fτ——土的抗剪强度，按库仑定律，cf+=ϕστtan，(kPa)；∩L——滑动圆弧AD的长度，（m）；R——滑动圆弧面的半径，（m）。土坡滑动的稳定安全因数K也可以用稳定力矩的比值表示，即rMWaRLMMKfrs==τ∩=（8.3.3）由于土的抗剪强度沿滑动面AD上的分布是不均匀的，因此直接按式（8.3.3）计算土坡的稳定安全因数有一定的误差。2.摩擦圆法摩擦圆法由泰勒提出，他认为如图8.3.4所示滑动面AD上的抵抗力包括土的摩擦力及粘聚力两部分，它们的合力分别为F和C。假定滑动面上的摩阻力首先得到发挥，然后才由土的粘聚力补充。下面分别介绍作用在滑动土体ABCDA上的3个力：图8.3.4摩擦圆法第一个力是滑动土体的重力W，它等于滑动土体ABCDA的面积与土的重度的成积，其作用点的位置在滑动土体面积形心。因此，W的大小和作用线都是已知的。第二个力是作用在滑动面AD上粘聚力的合力C。为了维持土坡的稳定，沿滑动面AD上分布的需要发挥的粘聚力为c1，可以求得粘聚力的合力C及其对圆心的力臂x分别为：____1ADCC（8.3.4）RADADx____=式中AD及分别为AD的弧长和弦长。所以C的作用线是已知的，但其大小未知，这是因为c____AD1是未知的。-5-第三个力是作用在滑动面AD上的法向力及摩阻力的合力，用F表示。泰勒假定F的作用线与圆弧AD的法线成ϕ角，也即F与圆心O点处半径为Rsinϕ的圆（成为摩擦圆）相切，同时F还一定通过W与C的交点。因此，F的作用线是已知的，其大小未知。根据滑动土体ABCDA上的三个作用力W、F、C的静力平衡条件，可以从图8－6所示的力三角形中求得C的值，再由式（8.3.4）可以求得维持土体平衡时滑动面上所需发挥的粘聚力c1值。这时土体的稳定安全因数K为：1ccK=（8.3.5）式中：c为土的实际粘聚力。上述计算中，滑动面AD是任意假定的，因此，需要试算许多个可能的滑动面。相应于最小稳定安全因数Kmin的滑动面就是最危险的滑动面。Kmin值必须满足规定数值。由此可以看出，土坡稳定分析的计算工作量是很大的。因此，费伦纽斯Fellenius和泰勒（Tailor）对均质的简单土坡做了大量的分析计算工作，提出了确定最危险滑动面圆心的经验方法，以计算土坡稳定安全因数的图表。3.费伦纽斯确定最危险滑动面圆心的方法（1）土的内摩擦角ϕ＝0时。费伦纽斯提出当土的内摩擦角ϕ＝0时，土坡的最危险圆弧滑动面通过坡脚，其圆心为D点，如图8.3.5所示。D点是由坡脚B与坡顶C分别做BD和CD线的交点，BD和CD线分别与坡面及水平面成β1及β2角。β1及β2角与土坡坡角β有关，可由表8－1查得。（2）土的内摩擦教ϕ＞0时。费伦纽斯提出这时最危险滑动面也通过坡脚，其圆心在ED的延长线上，见图8.3.5。E点的位置距坡脚B点的水平距离为4.5H。ϕ值越大，圆心越向外移。计算时从D点向外延伸取几个试算圆心O1、O2、…，分别求得其相应的滑动安全因数K1、K2、…，绘K值曲线可得到最小安全因数值Kmin，其相应的圆心Om即为最危险滑动面的圆心。图8.3.5确定最危险滑动面圆心的位置实际上土坡的最危险滑动面圆心位置有时并不一定在ED的延长线上，而可能在其左右附近，因此圆心Om可能并不是最危险滑动面的圆心，这时可以通过Om点作DE线的垂线FG，在FG上取几个试算滑动面的圆心、'1O'2O、…，求得其相应的滑动稳定安全因数、…绘得'1K'2K'K曲线，相应于'值的圆心O才是最危险滑动面的圆心。minK-6-表8.1β1及β2数值表土坡坡度（竖直:水平）坡角ββ1β21:0.5860°29°40°1:145°28°37°1:1.533°41′26°35°1:226°34′25°35°1:318°26′25°35°1:414°02′25°37°1:511°19′25°37°由此可见，根据费伦纽斯提出的方法，虽然可以把危险滑动面的圆心位置缩小到一定范围，但其试算工作量很大。泰勒对此作了进一步的研究，提出了确定均质简单土坡稳定安全因数的图表。4.泰勒分析法泰勒认为圆弧滑动面