土力學-第八章

1、第八章第八章 土坡穩(wěn)定分析土坡穩(wěn)定分析Stability analysis of soil slopes具有傾斜面的土體具有傾斜面的土體坡肩 坡頂坡面坡角坡趾坡高1 概述概述2 無粘性土土坡的穩(wěn)定分析無粘性土土坡的穩(wěn)定分析3 粘性土土坡的穩(wěn)定分析粘性土土坡的穩(wěn)定分析4 總應力法與有效應力法總應力法與有效應力法5 工程實際中的邊坡穩(wěn)定問題工程實際中的邊坡穩(wěn)定問題第八章第八章 土坡穩(wěn)定分析土坡穩(wěn)定分析1 1 為什么會發(fā)生邊坡失穩(wěn)為什么會發(fā)生邊坡失穩(wěn)2 2 如何分析邊坡穩(wěn)定性如何分析邊坡穩(wěn)定性3 3 如何防治、治理如何防治、治理一一. 土坡：具有傾斜面的土體土坡：具有傾斜面的土體1天然土坡1 1 概

2、述概述 江、河、湖、海岸坡江、河、湖、海岸坡一一. 土坡：具有傾斜面的土體土坡：具有傾斜面的土體1天然土坡 山、嶺、丘、崗、天然山、嶺、丘、崗、天然坡坡1 1 概述概述一、土坡：具有傾斜面的土體一、土坡：具有傾斜面的土體2人工土坡 挖方：溝、渠、坑、池1 1 概述概述一、土坡：具有傾斜面的土體一、土坡：具有傾斜面的土體2人工土坡 填方：堤、壩、路基、堆料1 1 概述概述堆石壩1 1 概述概述2人工土坡人工土坡堤防1 1 概述概述2人工土坡人工土坡二二. . 滑坡滑坡 Landslides什么是滑坡？什么是滑坡？為什么會滑坡？為什么會滑坡？1 1 概述概述一部分土體一部分土體在在外因外因作用下，

3、作用下，相對相對于另一部分于另一部分土體土體滑動滑動二二. 滑坡滑坡-滑坡的形式1 1 概述概述二二. . 滑坡滑坡2造成滑坡的原因造成滑坡的原因降雨、蓄水、使巖土軟化，降雨、蓄水、使巖土軟化，壩背水坡浸潤線壩背水坡浸潤線存在滲透力存在滲透力1) 振動：地震、爆破振動：地震、爆破2) 土中含水量和水位變化土中含水量和水位變化3) 水流沖刷：使坡腳變陡水流沖刷：使坡腳變陡4) 凍融：凍脹力及融化含水量升高凍融：凍脹力及融化含水量升高5) 人工開挖：基坑、船閘、壩肩、隧洞出人工開挖：基坑、船閘、壩肩、隧洞出入口入口1 1 概述概述地震引發(fā)的滑坡地震引發(fā)的滑坡暴雨與地震引發(fā)泥石流暴雨與地震引發(fā)泥石流

4、-菲律賓菲律賓2006年2月17日菲律賓中東部萊特省因連日暴雨和南部地區(qū)里氏2.6級輕微地震，爆發(fā)泥石流致近3000人遇難云南徐村水電站溢洪道土坡滑坡開挖云南徐村水電站溢洪道土坡滑坡開挖 江岸崩塌滑坡滲流江岸崩塌滑坡滲流三峽庫區(qū)滑坡問題蓄水造成的滑坡三峽庫區(qū)滑坡問題蓄水造成的滑坡2001年，重慶市云陽縣發(fā)生兩次大型滑坡，其中武隆邊坡失穩(wěn)年，重慶市云陽縣發(fā)生兩次大型滑坡，其中武隆邊坡失穩(wěn)造成造成79人死亡。國務院撥款人死亡。國務院撥款40億元用于三峽庫區(qū)地質災害治理億元用于三峽庫區(qū)地質災害治理1989年年1月月8日日 坡高坡高103m。地質：流紋巖中有強風化的密。地質：流紋巖中有強風化的密集節(jié)理

5、，包括一個小型不連續(xù)面。事故導致電站廠房比計集節(jié)理，包括一個小型不連續(xù)面。事故導致電站廠房比計劃推遲一年，修復時安裝了大量預應力錨索。劃推遲一年，修復時安裝了大量預應力錨索。漫灣滑坡漫灣滑坡壩體內浸潤線太高壩體內浸潤線太高楔形槽楔形槽西藏易貢巨型滑坡西藏易貢巨型滑坡西藏易貢巨型滑坡時間：時間：2000年年4月月9日日規(guī)模：坡高規(guī)模：坡高3330 m, 堆積體堆積體2500m、寬約、寬約 2500m，總方量總方量=280-300106 m3天然壩：壩高天然壩：壩高=290 m, 庫容庫容=1534 106 m3地質：風化殘積土。地質：風化殘積土。險情：湖水以每日險情：湖水以每日0.5 m速度上升

6、。速度上升。滑坡后緣高程滑坡后緣高程5520m城市中的滑坡問題（香港，重慶）填方挖方1 1 概述概述香港香港1900年建市，年建市，1977年成立土力工程署年成立土力工程署港島港島1972 Po Shan 滑坡滑坡 ( 20,000 m3)(67 死、死、20 傷傷)如何分析、判斷？如何分析、判斷？無粘性土坡-相對簡單粘性土坡-復雜安全系數(shù)的定義安全系數(shù)的定義土坡沿著某一滑裂面的安全系數(shù)土坡沿著某一滑裂面的安全系數(shù)F是這樣定義是這樣定義的，將土的抗剪強度指標降低為的，將土的抗剪強度指標降低為c c/F/F, , tantan /F/F, , 則土體沿著此滑裂面處處達到極限平衡，即則土體沿著此滑

7、裂面處處達到極限平衡，即 =ce+ e tan ece = c/Ftan e = tan /F第二節(jié) 無粘性土土坡的穩(wěn)定分析2 無粘性土土坡的穩(wěn)定分析破壞形式：表面淺層滑坡強度參數(shù)：內摩擦角考察一無限長坡，坡角為分析一微單元AAWNT 一一. . 無滲流的無限長土坡無滲流的無限長土坡微單元A自重: W=VsinTW沿坡滑動力：cosNW對坡面壓力： (由于無限土坡兩側作用力抵消) cosRNtgWtg抗滑力： cossinsRWtgFtgTWtg抗滑力滑動力抗滑安全系數(shù)： 2 無粘性土土坡的穩(wěn)定分析WRNAWNT 無滲流的無限長土坡無滲流的無限長土坡討論討論當=時，F(xiàn)s=1.0，天然休止角st

8、gFtg2 無粘性土土坡的穩(wěn)定分析可見安全系數(shù)與土容重無關與所選的微單元大小無關。 即坡內任一點或平行于坡的任一滑裂面上安全系數(shù)Fs都相等思考題 在干坡及靜水下坡中，在干坡及靜水下坡中， 如如 不變，不變，F(xiàn)s有什么變化有什么變化二二. . 有沿坡滲流情況有沿坡滲流情況(3) 抗滑力： cosRNtgVtg(2) 滑動力：(sinsin)sinwsatTJVV2 無粘性土土坡的穩(wěn)定分析2 2沿坡滲流無限長砂土坡安全系數(shù)沿坡滲流無限長砂土坡安全系數(shù)(4) 安全系數(shù)： cossinssatsatRtgFtgTJtg (1)取微單元A的土骨架為隔離體 作用力自重：滲透力：WV sinwwJj ViV

9、V 底面支撐力N，底面抗滑力RWRNJA l h二二. 有沿坡滲流情況有沿坡滲流情況 與無滲流比較Fs減小近一倍注：意味著原來穩(wěn)定的坡，有沿坡滲流時可能破壞0.5sat3. 討討 論論2 無粘性土土坡的穩(wěn)定分析 與所選V大小無關，亦即在這種坡中各點安全系數(shù)相同 與容重有關tgtgFssatWRNJ三三. 部分浸水無粘性土坡部分浸水無粘性土坡2 無粘性土土坡的穩(wěn)定分析1部分浸水無粘性土坡與干坡，完全水下坡相比，安全性如何變化？坡面的穩(wěn)定性相同深層滑動的可能性大水位B CD 1 2EA三三. 部分浸水無粘性土坡部分浸水無粘性土坡2 無粘性土土坡的穩(wěn)定分析土體滑動，考慮兩個方向的力平衡Fx= 0;

10、Fy = 0未知量有三個N1、 N2 、Fs超靜定B CDAR1N1R2N2W水位三三. 部分浸水無粘性土坡部分浸水無粘性土坡2 無粘性土土坡的穩(wěn)定分析將滑動土體分成兩塊，有四個平衡方程Fxi= 0; Fyi = 0，i=1,2未知量有五個N1、 N2 、Fs 、P1， 需要引入假定 如 B CDAET1N1T2N2W B CDAER1N1R2N2W2W1P1三三. 部分浸水無粘性土坡部分浸水無粘性土坡2 無粘性土土坡的穩(wěn)定分析分析BCDE塊的平衡P1= W1sin 1(W1cos1 tg)/Fs代入EDA塊的平衡方程,滑動力與抗滑力Fs =抗滑力/滑動力需要迭代N1 B CDAET1T2N2

11、W2W1P11四四. . 無粘性土的非線性強度指標對無粘性土的非線性強度指標對滑動面的影響滑動面的影響2 無粘性土土坡的穩(wěn)定分析無粘性土的非線性強度指標使滑動面發(fā)生在一定深度處，而非表面五五. . 無粘性土坡穩(wěn)定性分析小結無粘性土坡穩(wěn)定性分析小結破壞形式：表面淺層滑坡破壞形式：表面淺層滑坡分析方法：考慮為無限長坡分析方法：考慮為無限長坡2 無粘性土土坡的穩(wěn)定分析五五. . 無粘性土坡穩(wěn)定性分析小結無粘性土坡穩(wěn)定性分析小結破壞形式：表面淺層滑坡破壞形式：表面淺層滑坡分析方法：考慮為無限長坡分析方法：考慮為無限長坡WRNJA l hN1 B CDAET1T2N2W2W1P113 粘性土坡的穩(wěn)定分析

12、粘性土坡的穩(wěn)定分析強度參數(shù)：粘聚力C，內摩擦角破壞形式：危險滑裂面位置在土坡深處，對于均勻土坡，在平面應變條件下，其滑動面可用一圓弧（圓柱面）近似。3 粘性土坡的穩(wěn)定分析OR3 粘性土坡的穩(wěn)定分析粘性土坡的穩(wěn)定分析1 瑞典圓弧法瑞典圓弧法2 瑞典條分法瑞典條分法3 簡化簡化Bishop條分法條分法4 普遍條分法普遍條分法(Janbu法法)3 粘性土坡的穩(wěn)定分析OR思考題：思考題：為什么粘性土坡通為什么粘性土坡通常不會發(fā)生表面滑常不會發(fā)生表面滑動？動？圓弧滑動法由圓弧滑動法由瑞典工程師提瑞典工程師提出的。冰川沉出的。冰川沉積厚層軟粘土積厚層軟粘土3 3 粘性土坡粘性土坡- -瑞典圓弧法瑞典圓弧法

13、二、整體圓弧法二、整體圓弧法(瑞典圓弧法瑞典圓弧法)二、整體圓弧法二、整體圓弧法(瑞典圓弧法瑞典圓弧法)( (一一) ) 分析計算方法分析計算方法 1 1假設條件：假設條件： 均質土均質土 二維二維 圓弧滑動面圓弧滑動面 滑動土體呈剛性轉動滑動土體呈剛性轉動 在滑動面上處于極限平衡狀態(tài)在滑動面上處于極限平衡狀態(tài)ORdW3 3 粘性土坡粘性土坡- -瑞典圓弧法瑞典圓弧法（一）分析計算方法 2. 平衡條件（各力對O的力矩平衡）000()eeeRfnnMde Rctgde RcActg de RsMwd(1) 滑動力矩：RussC AcRMFMWd抗滑力矩滑動力矩(3) 安全系數(shù)：uRccMcAcR

14、當=0（粘土不排水強度）時， nnl注注：（其中 是未知函數(shù)）(2) 抗滑力矩：ORdCBAW二、整體圓弧法二、整體圓弧法( (瑞典圓弧法瑞典圓弧法) )3 3 粘性土坡粘性土坡- -瑞典圓弧法瑞典圓弧法1. 當當0時，時， n是是l(x,y)的函數(shù)，無法得到的函數(shù)，無法得到Fs的理論解的理論解2. 其中圓心其中圓心O及半徑及半徑R是任意假設的，還是任意假設的，還必須計算若干組（必須計算若干組（O, R）找到最小安全系）找到最小安全系數(shù)數(shù) 最可能滑動面最可能滑動面3. 適用于飽和粘土適用于飽和粘土二、整體圓弧法二、整體圓弧法( (瑞典圓弧法瑞典圓弧法)- )-討論討論3 3 粘性土坡粘性土坡-

15、 -瑞典圓弧法瑞典圓弧法二、條分法的基本原理及分析二、條分法的基本原理及分析1原理原理注:無法求理論解，是 一個邊值問題，應通過數(shù)值計算解決。一個簡化解決方法是將滑動土體分成條條分法。實際是一種離散化計算方法0lntgde整體圓弧法 ：n是l (x,y)的函數(shù)AORCsbB-2-1 012345673 3 粘性土坡粘性土坡- -條分法基本原理條分法基本原理2. 條分法中的求解條件條分法中的求解條件第第i條條土土的的作作用用力力Pi+1hi+1WihiPiHi+1NiTiHiti3 3 粘性土坡粘性土坡- -條分法基本原理條分法基本原理AORCsbB-2-1 01234567Wi是已知的作用在土

16、條體底部的力與作用點：Ni Ti ti 共3n個作用在條間上的力及作用點： Pi Hi hi 共3(n-1)個 (兩端邊界是已知的)假設總體安全系數(shù)為Fs (且每條Fs都相等) Fs 共1個未知數(shù)合計=3n+3(n-1)+1=6n-2n條土條的未知量數(shù)目Pi+1hi+1WihiPiHi+1NiTiHiti2. 條分法中的求解條件條分法中的求解條件3 3 粘性土坡粘性土坡- -條分法基本原理條分法基本原理各條：各條：水平向靜力平衡條件：水平向靜力平衡條件： x=0 共共n個個垂直向靜力平衡條件：垂直向靜力平衡條件： y=0 共共n個個力矩平衡條件：力矩平衡條件： M0=0 共共n個個n個土條底面

17、上滿足極限平衡條件：共個土條底面上滿足極限平衡條件：共n個個整體力矩平衡整體力矩平衡 1個個求解條件共求解條件共4n4n1 1個個2. 2. 條分法中的求解條件平衡方程條分法中的求解條件平衡方程3 3 粘性土坡粘性土坡- -條分法基本原理條分法基本原理由于未知數(shù)為6n-2個求解條件為4n1個二者相差(2n-3)因而出現(xiàn)了不同的假設條件，對應不同計算方法整體圓弧法：n=1, 6n-2=4個未知數(shù)，4個方程簡單(瑞典瑞典)條分法：Pi=Hi=hi=0, ti=li/2 共2（n+1）個未知數(shù)其他方法：假設力作用點位置、條間力的假設力作用點位置、條間力的假設2. 2. 條分法中的求解條件討論條分法中

18、的求解條件討論3 3 粘性土坡粘性土坡- -條分法基本原理條分法基本原理三三. . 簡單條分法（瑞典條分法）簡單條分法（瑞典條分法）1基本原理：忽略了所有條間作用力，即：Pi=Hi=hi=0 3n-3ti=li/2n共計減去4n-3未知數(shù) 未知數(shù)為2n+1AORCibBidiTiNiWi3 3 粘性土坡粘性土坡- -瑞典瑞典條分法條分法2. 安全系數(shù)計算安全系數(shù)計算 Ni方向靜力平衡(n個)cosiiiNWcosi iiii iiiiissClN tgClWtgTFF(cos)sini iiiiiiisClWtgWRTRRF(cos)sini iiiisiiClWtgFW求解方程(2n+1)個

19、 滑動面上極限平衡(n個) 總體對圓心O的力矩平衡 (1個)AORCibBidiTiNiWi3 3 粘性土坡粘性土坡- -瑞典瑞典條分法條分法sRMM滑動力矩=抗滑力矩WiTiNi i3. 簡簡單單條條分分法法計計算算步步驟驟圓心圓心O，半徑，半徑R (如圖如圖)分條：分條：b=R/10編號：過圓心垂編號：過圓心垂線為線為0條中線條中線列表計算列表計算 li Wi i變化圓心變化圓心O和半徑和半徑R(cos)sini iiiisiiClWtgFWFs最小最小ENDAORCsbB-2-101234567WiTiNi i4. 瑞典簡單條分法的討論瑞典簡單條分法的討論* 由于忽略條間力，有由于忽略條

20、間力，有4n1個平衡條件。實個平衡條件。實際用際用2n+1個，個， 有些平衡條件不能滿足有些平衡條件不能滿足* 忽略了條間力，忽略了條間力，所所計算安全系數(shù)計算安全系數(shù)Fs偏小，偏小， 越大越大(條間力的抗滑作用越大條間力的抗滑作用越大),Fs越偏小越偏小* 假設圓弧滑裂面，與實際滑裂面有差別假設圓弧滑裂面，與實際滑裂面有差別一般情況下，一般情況下，F(xiàn) Fs s偏小偏小10%左右工程應用中偏于安全左右工程應用中偏于安全3 3 粘性土坡粘性土坡- -瑞典瑞典條分法條分法四、畢肖甫四、畢肖甫(Bishop)法法 AORCibBidiTiNiWiPiPi+1Hi+1Hi3 3 粘性土坡粘性土坡- -

21、畢肖甫畢肖甫條分法條分法Pi=Pi Pi1H=Hi Hi1WiNiTi=(cili +Nitan )/Fsii1. 原理與特點原理與特點 假設滑裂面為圓弧 不忽略條間作用力 在每條的滑裂面上滿足極限平衡條件 每條上作用力在y方向（豎直）上靜力平衡 總體對圓心O力矩平衡 Pi 不出現(xiàn)不出現(xiàn)注：未考慮各條水平向作用力及各條力矩平衡條件，實際上條件不夠：缺 Hi，共(n-1)個條件設Hi=0則條件夠了簡化Bishop法，忽略條間切向力3 3 粘性土坡粘性土坡- -畢肖甫畢肖甫條分法條分法求解條件求解條件平衡條件：2n+1未知數(shù)：6n-21）由于法向力平衡 Pi(Pi) 不出現(xiàn) （n-1）2）不計各條

22、力矩平衡 ti 及 hi （2n-1）3) 假設 Hi=0（不計條間切向力） (n-1)3 粘性土坡的穩(wěn)定分析2安全系數(shù)公式安全系數(shù)公式1()siniiiiisiiCbWtgmFWsincosiiiistgmF其中3 粘性土坡的穩(wěn)定分析ORCibBidiTiNiWiPiPi+1Hi+1Hi3 畢畢肖肖甫甫法法計計算算步步驟驟圓心圓心O，半徑，半徑R設設 Fs=1.0計算計算 miYESFs最小最小END計算計算sFssFFNosssFFFYESNosincosiiiistgmF五五. 普遍條分法普遍條分法 (簡布簡布 Janbu法法)3 粘性土坡的穩(wěn)定分析AORCibBidiTiNiWiWih

23、iPihi+1Pi+1Hi+1NiTiHiXih假定條塊間水平作用力的位置假定條塊間水平作用力的位置五五. 普遍條分法普遍條分法(簡布簡布 Janbu法法)3 粘性土坡的穩(wěn)定分析23 45678910111P0=0P11=0Pi=Pi Pi-1Hi=Hi Hi-1WiNiTi=(cili +Nitan )/FsiiP1 = P1P2 = P1 + P2 = P1 + P2 Pi = Pi (i=1,j)Pn = Pi = 0 (i=1,n)2安全系數(shù)公式sec2 iFs = cilicosi+(wi+Hi)tgi(wi+Hi)tg i1+tg itgi/Fs3 粘性土坡的穩(wěn)定分析五五. 普遍條

24、分法普遍條分法(簡布簡布 Janbu法法)3 粘性土坡的穩(wěn)定分析WihiPihi+1Pi+1Hi+1NiTiHiXihPi=Pi+1 -PiH=Hi+1 -HiWiNiTi=(cili +Nitan )/Fsii對對O點的力矩平衡求點的力矩平衡求Hi 和和Pi的關系的關系五五. 普遍條分法普遍條分法(簡布簡布 Janbu法法)O1特點特點(1) 任意形式滑裂面，不一定圓弧任意形式滑裂面，不一定圓弧(2) 滿足各條滿足各條X、Z靜力平靜力平衡衡滿足各條力矩平衡滿足各條力矩平衡滿足整體力矩平衡滿足整體力矩平衡3 粘性土坡的穩(wěn)定分析五五. 普遍條分法普遍條分法(簡布簡布 Janbu法法)六六. .

25、幾種分析計算方法的總結幾種分析計算方法的總結3 粘性土坡的穩(wěn)定分析粘性土坡的穩(wěn)定分析條分法小節(jié)條分法小節(jié)AORCibBidiTiNiWi瑞典條分法瑞典條分法Pi=Pi Pi1H=Hi Hi1Wi NiTi=(cili +Nitan )/FsiiAORCibBidiTiNiWiPiPi+1Hi+1Hi畢肖普條分法畢肖普條分法簡布條分法簡布條分法3 粘性土坡的穩(wěn)定分析粘性土坡的穩(wěn)定分析x4 邊坡穩(wěn)定分析的總應力法與有效應力法土體的抗剪強度參數(shù)的恰當選取是影響土坡穩(wěn)定分析成果可土體的抗剪強度參數(shù)的恰當選取是影響土坡穩(wěn)定分析成果可靠性的主要因素?？啃缘闹饕蛩亍Ｔ瓌t原則: (1)盡可能采用有效應力方法

26、；盡可能采用有效應力方法；(2) 試試驗條件盡量符合土體的實際受力和排水條件。驗條件盡量符合土體的實際受力和排水條件。4 邊坡穩(wěn)定分析的總應力法與有效應力法有效應力法：有效應力法：使用有效應力強度指標使用有效應力強度指標 c 、 總應力法：總應力法：使用總應力強度指標使用總應力強度指標 cu 或或 ccu、 cu一一. 兩種分析法兩種分析法有效應力法：使用有效應力強度指標 c、 總應力法：使用總應力強度指標 cu 或 ccu、cu4 邊坡穩(wěn)定分析的總應力法與有效應力法二二. . 穩(wěn)定滲流期土壩抗滑安全系數(shù)穩(wěn)定滲流期土壩抗滑安全系數(shù)1以土體（顆粒以土體（顆粒+孔隙水）整體取為隔離體孔隙水）整體取為隔離體2以瑞典簡單條分法為例不計條間力以瑞典簡單條分法為例不計條間力3計算對圓心取矩計算對圓心取矩4 邊坡穩(wěn)定分析的總應力法與有效應力法-2-101234567AORCibB地下水地下水浸潤線浸潤線Wi 自重計算123123 () cos () sin i isatiitiw iissatiiClb hh