土力學(xué)_第8章(土坡穩(wěn)定性分析)

1、1第八章第八章 土坡穩(wěn)定分析土坡穩(wěn)定分析重點(diǎn)：平面型滑坡穩(wěn)定性計(jì)算重點(diǎn)：平面型滑坡穩(wěn)定性計(jì)算 圓弧型滑坡穩(wěn)定性計(jì)算（瑞典法、簡(jiǎn)化畢肖普法）圓弧型滑坡穩(wěn)定性計(jì)算（瑞典法、簡(jiǎn)化畢肖普法） 余推力法計(jì)算（規(guī)范）余推力法計(jì)算（規(guī)范）2一、一、 概述概述天然土坡：天然土坡：由于地質(zhì)作用而自然形成的土坡；人工土坡：人工土坡：人工填筑或開挖而形成的土坡。坡底坡頂坡面坡肩坡高坡角土坡土坡分類分類土坡各部位名稱土坡各部位名稱3u 滑坡（landslide） ：是一定自然條件下的斜坡，由于河流沖刷、人工切坡、地下水活動(dòng)或地震等因素的影響，使部分土體或巖體在重力作用下，沿一定的軟弱面或帶、整體、緩慢、間歇性、以水平

2、位移為主的變形現(xiàn)象。（來源：滑坡防治，人民鐵道出版社，1977年，P5） 內(nèi)因：抗剪強(qiáng)度的降低 外因：地下水、坡頂加載、水庫(kù)漲水、地震等滑體滑體滑床滑床滑移面（帶）滑移面（帶）云陽(yáng)縣故陵鎮(zhèn)涼水井滑坡(2009年4月) 滑坡體要素滑坡體要素 滑體滑體邊界邊界主滑向與主滑面4 5 我國(guó)是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生十分頻繁、損失極為嚴(yán)重的國(guó)家。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，每年由我國(guó)是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生十分頻繁、損失極為嚴(yán)重的國(guó)家。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，每年由地質(zhì)災(zāi)害所造成的經(jīng)濟(jì)損失平均在地質(zhì)災(zāi)害所造成的經(jīng)濟(jì)損失平均在200200億億500500億元（人民幣）之間，死亡數(shù)百人。在億元（人民幣）之間，死亡數(shù)百人。在所有地質(zhì)災(zāi)害中，滑坡災(zāi)害發(fā)

3、生次數(shù)最多、造成的損失最為嚴(yán)重。所有地質(zhì)災(zāi)害中，滑坡災(zāi)害發(fā)生次數(shù)最多、造成的損失最為嚴(yán)重。20042004年，全國(guó)所發(fā)年，全國(guó)所發(fā)生中等規(guī)模以上地質(zhì)災(zāi)害生中等規(guī)模以上地質(zhì)災(zāi)害875875起中滑坡占了起中滑坡占了572572起，起，20052005年年1 1月月6 6月，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害月，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害71517151起中，滑坡占了起中，滑坡占了62786278起起（摘自：中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)信息網(wǎng)，）。 20012001年月日晚時(shí)分左右，重年月日晚時(shí)分左右，重慶市武隆縣縣城江北西段發(fā)生山體滑坡，慶市武隆縣縣城江北西段發(fā)生山體滑坡，造成一幢層居民樓房垮塌。截至月造成一幢層居民樓房垮塌。截至月4 4日凌晨

4、日凌晨7 7時(shí)時(shí)4545分，搶救人員已挖掘出分，搶救人員已挖掘出7474具具遇難者尸體。遇難者尸體。 620082008年年8 8月月1 1日山西婁煩尖山鐵礦日山西婁煩尖山鐵礦排土場(chǎng)垮塌事故，造成排土場(chǎng)垮塌事故，造成4545人死亡。人死亡。 20112011年月日時(shí)許陜西年月日時(shí)許陜西西安市灞橋區(qū)山體滑坡，造成西安市灞橋區(qū)山體滑坡，造成3232人死亡。人死亡。 7 邊坡失穩(wěn)的類型（滑坡，slide）（四種）崩塌流滑圓弧型滑坡平面型滑坡8 在工程實(shí)踐中，分析土坡穩(wěn)定性的目的：在工程實(shí)踐中，分析土坡穩(wěn)定性的目的： （1）對(duì)）對(duì)設(shè)計(jì)的邊坡進(jìn)行驗(yàn)算，確定其穩(wěn)定性、幾何參數(shù)的合理性設(shè)計(jì)的邊坡進(jìn)行驗(yàn)算，確

5、定其穩(wěn)定性、幾何參數(shù)的合理性等；（如：露天礦邊坡的設(shè)計(jì)，堤壩的設(shè)計(jì)，路塹邊坡）等；（如：露天礦邊坡的設(shè)計(jì)，堤壩的設(shè)計(jì)，路塹邊坡） （2）對(duì)已有邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。（如：地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估）對(duì)已有邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。（如：地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估） 在工程實(shí)踐中，土坡穩(wěn)定性分析方法主要有：在工程實(shí)踐中，土坡穩(wěn)定性分析方法主要有： （1）極限平衡法；極限平衡法；（2）數(shù)值分析方法；（）數(shù)值分析方法；（3）概率分析方法）概率分析方法9二、無粘性土土坡穩(wěn)定分析二、無粘性土土坡穩(wěn)定分析（1） 無滲透力作用（全干或全部淹沒的土坡） 自重：Fw 抗滑力 Ff=FNtan=Fwcostan 下滑力： F=Fwsin海底邊坡

6、單元受力分析由由粗粒土粗粒土所堆筑的土坡稱為無粘性土坡所堆筑的土坡稱為無粘性土坡10 土坡穩(wěn)定系數(shù)討論：討論：（1）當(dāng) = 時(shí)，即：Fs=1，處于極限平衡狀態(tài)；自然休止角或安息角（2）當(dāng) 時(shí)，即：Fsl，土坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；（3）土坡的穩(wěn)定性與坡高無關(guān)，僅與坡角有關(guān)；（4）一般可取 穩(wěn)定系數(shù) Fs = 1.1 1.5；（5）滑移面為平面定義：抗滑力（Ff）與下滑力（F）之比。tantansintancoswwfsFFFFF11（2）有滲流作用公式的詳細(xì)推導(dǎo)見書本。公式的詳細(xì)推導(dǎo)見書本。tantansatsF12例1 均質(zhì)無粘性土土坡，飽和重度sat=20.2kN/m3，內(nèi)摩擦角=30，若要求這個(gè)

7、土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.2。試問：（1）在干坡或完全浸水情況下，坡角應(yīng)為多少？ （2）坡面有順坡滲流時(shí)，坡角應(yīng)為多少。 解 ：（1） 因此，邊坡角為 =25.7 （2）有順坡滲流時(shí)： 因此， =8.41有滲流作用穩(wěn)定坡角比無滲流作用穩(wěn)定坡角小得多。有滲流作用穩(wěn)定坡角比無滲流作用穩(wěn)定坡角小得多。 481. 02 . 1577. 0tantansK148. 02 . 12 .20577. 039.10tantanssatK13三、三、 粘性土土坡的穩(wěn)定性分析粘性土土坡的穩(wěn)定性分析瑞典（彼得森，瑞典（彼得森，K.E. Petterson, 1915年提出的）年提出的）瑞典圓弧法瑞典圓弧法(a) 實(shí)際

8、滑坡體 (b)假設(shè)滑動(dòng)面是圓弧面滑動(dòng)面14基本思想：基本思想：v整體圓弧滑動(dòng)。v穩(wěn)定系數(shù)定義為：v 也可定義為抗滑力矩與滑動(dòng)力矩之比：滑移面fsF dFRLMMFwACfsfs15四、四、 極限平衡法中的條分法極限平衡法中的條分法（一）瑞典條分法（一）瑞典條分法（由W.Fellenious等人于1927年提出的，也稱為費(fèi)倫紐斯法） v 將滑體分成若干個(gè)垂直土條v 把土條視為剛體v 分析各土條上的力對(duì)滑弧中心的滑動(dòng)力矩和抗滑力矩v 再求出土坡的穩(wěn)定系數(shù)。16biNiTiEi+1Xi+1EiXiWi瑞典條分法計(jì)算簡(jiǎn)圖瑞典條分法計(jì)算簡(jiǎn)圖oW iiT iN iRa ia ibifeDCBAi(a) 滑

9、動(dòng)面上的力和力臂(b)土條上的受力圖作用在第i土條上的作用力有(見圖 (b)：土條的自重Wi，其大小、作用點(diǎn)位置及方向均已知。滑動(dòng)面ef上的法向反力Ni及切向反力Ti，假定Ni、Ti作用在滑動(dòng)面ef的中點(diǎn)，它們的大小均未知。土條兩側(cè)的法向力Ei、Ei+1及豎向剪切力Xi、Xi+1，其中，Ei和Xi可由前一個(gè)土條的平衡條件求得，而Ei+1和Xi+1的大小未知，Ei的作用點(diǎn)也未知。17 可以看出， 第i土條的作用力中有5個(gè)未知數(shù)，但只能建立3個(gè)平衡條件方程，故為靜不定問題。 為了求得Ni、Ti的值，必須對(duì)土條兩側(cè)作用力的大小和位置做出適當(dāng)假定。瑞典條分法是不考慮土條兩側(cè)的作用力，即假設(shè)Ei和Xi的

10、合力等于Ei+1和Xi+1的合力，同時(shí)它們的作用線重合，因此土條兩側(cè)的作用力相互抵消。這時(shí)， i土條僅有作用力Wi、Ni及Ti，根據(jù)平衡條件可得：cosiiiNWsiniiiTW滑動(dòng)面ef上土的抗剪強(qiáng)度為：第i土條上的作用力對(duì)圓心O產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩Ms及抗滑力矩Mr分別為： )tancos()0 . 1()tancos(iiiiiiiiiiiiirlcWRRlclWRSMiisRWMsin整個(gè)土坡相應(yīng)于滑動(dòng)面AD的穩(wěn)定性系數(shù)為：niiiiiiiniisrsWclWMMF11sin)tancos(iiiiiiiiiiiiiclWclNctancostan0 . 1tan18考慮地下水和地震作用下的

11、計(jì)算公式考慮地下水和地震作用下的計(jì)算公式來源：Stability analysis of earth slope Yang H. Huang19（二）（二） 畢肖甫條分法畢肖甫條分法v Bishop（1955年提出的）仍然假定滑動(dòng)面為圓弧面v 但考慮土條之間的相互作用力（水平力，而垂直切向力均略去）v 不僅考慮滑體的力平衡(垂直方向)，而且考慮了滑體的力矩平衡v 可用有效應(yīng)力形式表達(dá)，也可用總應(yīng)力表達(dá)20將土坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs定義為各分條滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度之和f與實(shí)際產(chǎn)生的剪應(yīng)力之和之比： fsF 土條上的受力分析圖土條上的受力分析圖uili 為孔隙水壓力對(duì)i土條垂直方向上受力平衡，得：0cos)

12、(siniiiiifiiiluNTXWbiNiTfiEi+1Xi+1EiXiWiuiliai Tfii土條底面的抗剪力； Nii土條底面的有效法向反力； Xi 作用i土條兩側(cè)的垂直剪切力的差。 由Mohr-Coulomb準(zhǔn)則， i土條滑動(dòng)面上的抗剪力為：siisiisififiFNFlcFlTtan )sincos(1isiiiiiiiiiFlcluXWmN又上面兩式求出Ni ：)tantan1 (cossiiiiFm21 然后就整個(gè)滑動(dòng)土體對(duì)圓心O求力矩平衡，此時(shí)相鄰?fù)翖l之間側(cè)壁作用力的力矩將相互抵消，而各土條的Ni及uili的作用線均通過圓心，故有：0RTxWfiii由以上各式可得：iii

13、iiiiiiisWXluWbcmFsintan)cos(1 上式為Bishop條分法計(jì)算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的普遍公式。 Bishop證明，若忽略土條兩側(cè)的剪切力Xi ，所產(chǎn)生的誤差僅為1%，由此可得到簡(jiǎn)化Bishop安全系數(shù)的形式：iiiiiiiisWbuWbcmFsintan)(1)tantan1 (cossiiiiFm22考慮地震作用力后的計(jì)算公式：來源：Stability analysis of earth slope Yang H. HuangniiisiinisiiiwwiiisRaWCWFhhbbcF11)/sin(/ ) tan(sincostan)(nisiiiiuisniiis

14、iissFbhrbcFaWCWFFf0/ ) tan(sincostan)1 ()/sin()(123（三）（三） 剩余推力法的基本原理剩余推力法的基本原理 剩余推力法，又稱為不平衡推力法，或傳遞系數(shù)法，是我國(guó)工程技術(shù)人員創(chuàng)造的一種實(shí)用滑坡穩(wěn)定分析方法。 假定條間力的合力作用方向與上一土條的底面相平行，其條間力的合力作用方向與上一土條的底面相平行，其作用點(diǎn)位于土條相鄰分界面的中點(diǎn)作用點(diǎn)位于土條相鄰分界面的中點(diǎn)。然后根據(jù)平行于土條底面和垂直于土條底面兩個(gè)方向的合力等于零以及最前緣一塊的剩余推力為零進(jìn)行求解，滑動(dòng)面的破壞服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。 但分析只滿足靜力平衡條件，不滿足力矩平衡條

15、件。24liPi -1ai-1biTfiNiWiai-1aiPiaiNiWiTiPi-1aiai-1Piai-1inn-11iiiWTcos0)sin(cos11iiiiiiPWN先由垂直垂直于土條底方向上力的平衡條件有：再由平行平行于土條底方向上力的平衡條件有：0)cos(sin11fiiiiiiiTPWP又因：siiiiifiFluNclTtan)(由上面三個(gè)計(jì)算式，消去Ni、Tfi得到滿足力極限平衡得方程為： iiiiiiiiisiiiPluWclFWP1tan)cos(1siniiiWNsinPi剩余下滑力； 傳遞系數(shù)。 isiiiiiF)sin(tan)cos(11剩余推力法剩余推力

16、法受力分析圖受力分析圖25巖土工程勘察規(guī)范(GB 50021-2001)等推薦使用的方法 穩(wěn)定分析流程：穩(wěn)定分析流程： 計(jì)算時(shí)，可假設(shè)一個(gè)Fs，由上向下逐條計(jì)算Pn，如：Pn 0，可再假設(shè)Fs，重新計(jì)算Pn，直至Pn=0，得到與其相應(yīng)的Fs。 計(jì)算中，當(dāng)Pi為負(fù)值時(shí)，下一條計(jì)算時(shí)取Pi=0（因?yàn)闂l間不承受拉力）。 不平衡推力法沒有考慮力矩平衡，且Pi的方向是硬性規(guī)定的，當(dāng)滑動(dòng)面坡度較大時(shí)，不宜應(yīng)用。26五、五、 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中幾個(gè)注意的問題邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中幾個(gè)注意的問題（2）地下水的考慮地下水的考慮（3）地震力的考慮（叫擬靜力法）地震力的考慮（叫擬靜力法）（4）穩(wěn)定系數(shù)的選擇穩(wěn)定系數(shù)的選擇（1）總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法以及對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)）