《路基路面工程》 課件 03 路基邊坡穩(wěn)定性分析

第三章路基邊坡穩(wěn)定性分析1路基邊坡穩(wěn)定性分析核心內(nèi)容概述直線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析折線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析軟土地基的路堤穩(wěn)定性分析浸水路堤穩(wěn)定性分析路基邊坡抗震穩(wěn)定性分析路基穩(wěn)定性分析方法選擇與參數(shù)確定21、邊坡種類：天然邊坡、人工邊坡。邊坡：具有傾斜坡面的巖土體。土坡：具有傾斜坡面的土體。一、概述3天然邊坡：江、河、湖、海岸坡山、嶺、丘、崗、天然坡一、概述4人工邊坡：挖方：溝、渠、坑、池填方：堤、壩、路基、堆料露天礦一、概述小浪底土石壩52、什么是滑坡?

邊坡喪失其原有穩(wěn)定性，一部分土體相對與另一部分土體滑動的現(xiàn)象稱滑坡。土坡滑坡前征兆：坡頂下沉并出現(xiàn)裂縫，坡腳隆起。一、概述6一、概述7一、概述-內(nèi)部原因（1）土質(zhì)：各種土質(zhì)的抗剪強度、抗水能力是不一樣的，如鈣質(zhì)或石膏質(zhì)膠結的土、濕陷性黃土等，遇水后軟化，使原來的強度降低很多。（2）土層結構：如在斜坡上堆有較厚的土層，特別是當下伏土層(或巖層)不透水時，容易在交界上發(fā)生滑動。（3）邊坡形狀：突肚形的斜坡由于重力作用，比上陡下緩的凹形坡易于下滑；由于粘性土有粘聚力，當土坡不高時尚可直立，但隨時間和氣候的變化，也會逐漸塌落?！?、路基失穩(wěn)的原因：8一、概述-外部原因（1）降水或地下水的作用：持續(xù)的降雨或地下水滲入土層中，使土中含水量增高，土中易溶鹽溶解，土質(zhì)變軟，強度降低；還可使土的重度增加，以及孔隙水壓力的產(chǎn)生，使土體作用有動、靜水壓力，促使土體失穩(wěn)，故設計斜坡應針對這些原因，采用相應的排水措施。（2）振動的作用：如地震的反復作用下，砂土極易發(fā)生液化；粘性土，振動時易使土的結構破壞，從而降低土的抗剪強度；車輛運動、施工打樁或爆破，由于振動也可使鄰近土坡變形或失穩(wěn)等。（3）人為影響：由于人類不合理地開挖，特別是開挖坡腳；或開挖基坑、溝渠、道路邊坡時將棄土堆在坡頂附近；在斜坡上建房或堆放重物時，都可引起斜坡變形破壞。◆3、路基失穩(wěn)的原因：9根本原因:邊坡中土體內(nèi)部某個面上的剪應力達到了它的抗剪強度。具體原因：（1）滑面上的剪應力增加；（2）滑面上的抗剪強度減小。◆3、路基失穩(wěn)的原因：一、概述10一、概述實例分析：水泥穩(wěn)定粒料表面出現(xiàn)縱向開裂，開挖后發(fā)現(xiàn)路基沒有開裂11一、概述（1）穩(wěn)定系數(shù)K穩(wěn)定系數(shù)Κ是抗滑力R除以下滑力T：（2）穩(wěn)定系數(shù)K的要求Κ=1時，表示下滑力與抗滑力相等，邊坡處于極限平衡狀態(tài)；Κ<1時，邊坡不穩(wěn)定；Κ>1時，邊坡穩(wěn)定。工程上一般規(guī)定采用Κ≥1.15~1.45，作為路基邊坡穩(wěn)定性分析的界限值。12一、概述汽車荷載的當量換算◆（3）邊坡穩(wěn)定性分析的計算參數(shù)圖3-113一、概述（4）參數(shù)選用14直線曲線折線工程地質(zhì)法（比擬法）力學分析法圖解法◆（5）土坡穩(wěn)定性分析方法分類1）按失穩(wěn)土體的滑動面特征劃分：2）穩(wěn)定性分析計算方法：一、概述節(jié)尾15

直線法適用于砂土和砂性土（兩者合稱砂類土），土的抗力以內(nèi)摩擦力為主，粘聚力甚小。邊坡破壞時，破裂面近似平面。圖3-2

直線滑動面示意圖a)高路堤b)深路塹c)陡坡路堤◆1、適用范圍二、直線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析16◆2、試算法式中：ω——滑動面的傾角；

f——摩擦系數(shù)，f=tanφ；

L——滑動面AD的長度；

N——滑動面的法向分力；

T——滑動面的切向分力；

c——滑動面上的粘聚力；

Q——滑動體的重力。方法：假定ω，計算K與ω的關系。圖3-4K與ω的關系曲線示意圖

圖3-3直線滑動面上的力系示意圖

二、直線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析17(3-15)圖3-5直線滑動面上的計算示意圖

◆3、解析法邊坡穩(wěn)定系數(shù)最小值：式中：跳過最小系數(shù)的推導過程二、直線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析18二、直線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析4、折線滑動面-不平衡推力法基本原理：當滑動面為基底的多個坡度的折線傾斜面時，可按折線滑動面考慮，將滑動面上土體按折線段劃分成若干條塊，自上而下分別計算各土體的剩余下滑力（=下滑力-抗滑力），根據(jù)最后一塊土體的剩余下滑力的正負值確定整個路堤的整體穩(wěn)定性?；炯俣ǎ海?）危險滑動面的位置、形狀已知，由一組傾角已知的線段構成；（2）沿折線折點將滑動土體劃分出的各個土條具有豎直邊界；（3）當前i-1個土條的總體抗滑力不足時，第i土條與i-1土條的豎直邊界上受到i-1土條傳遞來的剩余下滑力Ei-1，作用方向與水平線夾角為αi-1，傾斜向下，如果前i-1個土條的總體抗滑力足夠，則Ei-1=0。194、折線滑動面-不平衡推力法界面抗力界面抗力(3-17)平衡條件(3-16)二、直線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析20三、折線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析4、折線滑動面-不平衡推力法由3-16（1）式得到由3-16（2）式得到再將抗力計算式3-17的Ri代入上式，得到：再將Ni代入上式：考慮安全系數(shù)K，則可得下式214、折線滑動面-不平衡推力法如果考慮安全系數(shù)，將所有的抗滑力項除以Fs，得不平衡推力法:ci,tanφi(3-19)其中(式3-19)三、折線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析225、折線滑動面-傳遞系數(shù)法滑坡地段的路基穩(wěn)定性驗算采用傳遞系數(shù)法。先列出平衡方程如式3-16。再用代替三、折線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析236、傳遞系數(shù)法的穩(wěn)定系數(shù)K取值要求三、折線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析24四、曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析1、概述1）簡化假定①圓弧滑動面假定及其圓心的輔助線法；②條分法簡化；③剛體假定；④確定性分析方法。四、曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析1、概述2）基本假定①假定邊坡的巖土體坡壞是由于邊坡內(nèi)產(chǎn)生了滑動面；②認為平衡狀態(tài)只在滑動面上達到，滑動時成整體下滑；③假設滑動面已知。26②均質(zhì)粘性土：光滑曲面（圓柱面/圓?。?/p>

③非均質(zhì)的多層土或含軟弱夾層的土坡:復合滑動面1、概述3）滑動面的形狀①無粘性土:平面四、曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析271）4.5H法計算之前需要先用圓心輔助線法確定滑動圓弧的圓心位置。--4.5H法◆2、瑞典圓弧滑動條分法圓心確定（a）

4.5H線法確定圓心位置圖示4.5H法

示意圖1—K值曲線2—圓心輔助線3—最危險滑動面四、曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析282、瑞典圓弧滑動條分法圓心確定2）β1和β2

的確定坡率1：m坡度αβ1β21：0.5063°26′05″29°46′14″40°38′24″1：0.7553°07′48″28°47′03″38°47′27″1：1.0045°00′00″27°59′56″37°12′08″1：1.2538°39′35″27°22′24″36°10′40″1：1.5033°41′24″26°52′19″35°37′54″1：1.7529°44′41″26°27′59″35°24′22″1：2.0026°03′54″26°08′05″35°22′26″1：2.2523°57′44″25°51′35″35°27′10″1：2.5021°48′05″25°37′46″35°35′32″1：3.0018°26′05″25°16′00″35°56′36″1：4.0014°02′10″24°47′10″36°38′52″1：5.0011°08′35″24°29′06″37°13′13″輔助線的作圖角值表四、曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析292、瑞典圓弧滑動條分法圓心確定3）其他輔助方法和36°線法36°線法確定圓心位置圖示四、曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析303、基于條分的極限平衡法原理極限平衡法是巖土力學中，依據(jù)一定的屈服標準（如：剪切破壞理論）和關聯(lián)流動法則（塑性變形），分析巖土材料穩(wěn)定性極限狀態(tài)的一類分析方法。圓弧滑動極限平衡法指在給定圓弧滑動面后，以條分滑動土體為基礎，通過分析滑動土體的剛體力與力矩平衡，以庫倫強度理論為基礎，檢驗滑動面上抗滑力（矩）與滑動力（矩）間關系的分析方法。

四、曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析313、基于條分的極限平衡法原理1）條分后土條i上的作用力

四、曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析323、基于條分的極限平衡法原理2）土條i上的作用力

的基本要求（符合力多邊形）圖3-10四、曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析333、基于條分的極限平衡法原理3）條分法的種類（1）瑞典法：不考慮條間力的相互作用，土條間的合力Si和Si+1平行于滑動面；（2）畢肖普法（Bishop）：假定n-1個Xi值，簡化畢肖普法則更簡單地假定所有Xi=0；（3）斯賓塞（Spencer）法；摩根斯坦—普賴斯法

(Morgenstem—Price）；沙爾瑪法（Sarma）：假定條間力為一分布函數(shù)；（4）簡布(Janbu）：假定條間力合力的作用點位置，由此提出普遍條分法。四、曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析341）假定土坡穩(wěn)定屬平面應變問題2）假定滑裂面為圓柱面和弧面上的滑動土體視為剛體3）定義安全系數(shù)；所有力矩都以圓心O為矩心4）采用條分法進行計算OrWiHiViHi+1Vi+1◆4、瑞典圓弧滑動法假設（WolmarFellenius法）四、曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析35①假設（靜定條件）各土條間的合力

Si，Si+1平行于滑動面，并且相等（Si=Si+1)，和由于條間無作用力。WiHiViHi+1Vi+1SiSi+1②建立土條垂直于滑動面的靜力平衡方程得◆5、瑞典圓弧滑動法平衡公式可得：四、曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析36①滑動力矩

②抗滑力矩

代入6、建立力矩平衡方程③力矩平衡：四、曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析377

條

分

法

計

算

步

驟圓心O，半徑R分條編號列表計算

Wibi

i變化圓心O和半徑RFs最小ENDAORCaibBn

i

321四、曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析跳過條分法算例38◆8、存在問題1）簡便法在力學上的矛盾（計算假定引起）si-1sisisi+12）相臨土條的si不相等四、曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析39◆9、簡化的Bishop法（1955）①建立土條側面力平衡方程，土條i：△Hi＝Hi＋1－Hi

因四、曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析40假定1）：假定相鄰土條之間側壁作用力的力矩相互抵消

②建立滑動體整體力矩平衡方程：

代入Bishop法的一般式則△Hi＝0得到Bishop法簡化式因H1=0四、曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析41通常迭代3~4次就可滿足精度要求③迭代法求Ks假定Ks＝1.0計算mθiKs′Ks′是否Ks′=KsBISHOP算例四、曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析42◆10、極限平衡法的綜合比較方法名稱滑動面形狀假設條間力假定平衡條件選取瑞典圓弧法圓弧條間力和土條底面平行土條底面法線方向靜力平衡和整體對圓心力矩平衡簡化Bishop法圓弧條間力方向水平（條間力傾角ɑ=0）垂直方向靜力平衡和整體對圓心力矩平衡簡化Janbu法任意形狀條間力方向水平（ɑ=0）水平和垂直靜力平衡羅厄法任意形狀ɑ等于該土條底面傾角和頂面傾角的平均值水平和垂直靜力平衡Spencer法任意形狀ɑ為某一常數(shù)水平和垂直靜力平衡及整體土條底中點的力矩平衡Sarma法任意形狀條間力為一分布函數(shù)水平和垂直靜力平衡及整體土條底中點的力矩平衡Morgenstern-Price法任意形狀條間力為一分布函數(shù)水平和垂直靜力平衡及整體土條底中點的力矩平衡各種條分法的簡化假定比較四、曲線滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析43五、軟土地基的路堤穩(wěn)定性分析我國軟土分布面積較廣，在進行軟土地區(qū)路基設計時，必須重視路基穩(wěn)定性分析，并在施工中和施工后進行變形觀測，以控制施工期軟土地基穩(wěn)定性及工后沉降等指標；軟土特點是細粒土組成的天然含水量高（w>wL,大于30～50%）、壓縮性高（a1-2>0.5Mpa-1）、承載能力低（Cu<30Kpa）的淤積沉積物及少量腐殖質(zhì)所組成的土。

44五、軟土地基的路堤穩(wěn)定性分析軟土分類：

河海沉積

湖泊沉積

江灘沉積沼澤沉積◆軟土分布：沿海地區(qū)、內(nèi)陸湖泊和河流谷地分布著大量淤泥、淤泥質(zhì)粘土等軟土。軟土地段高填方路基45五、軟土地基的路堤穩(wěn)定性分析◆主要病害在軟土地基上修建高速公路會遇到

路基不穩(wěn)定；

沉降過大；

不均勻沉降等問題出現(xiàn)橋頭跳車。且工程性質(zhì)惡劣，尤其在振動荷載的作用下，易產(chǎn)生側向滑移及蠕變，對路基、構筑物的影響較大。

46五、軟土地基的路堤穩(wěn)定性分析主要措施:

薄層軟土—原則上清除換土

厚層軟土—

穩(wěn)定分析,達到要求加固措施采用其他結構物-修筑橋梁47（1）臨界高度

指天然路基狀態(tài)下，不采取任何加固措施，所容許的路基最大填土高度。（2）計算公式◆1、臨界高度的計算1）均質(zhì)薄層軟土地基2）均質(zhì)厚層軟土路基式中：Hc——容許填土的臨界高度；

c——軟土的快剪粘結力；

γ——填土的容重；

Nw——穩(wěn)定因數(shù)，其值與路堤坡角θ及深度因素λ=（d+H）/H有關。如后圖

Hk——硬殼層厚度，m3）非勻質(zhì)軟土地基的路堤極限高度：圓弧法計算4）有硬殼層的軟土地基的路堤極限高度：五、軟土地基的路堤穩(wěn)定性分析48五、軟土地基的路堤穩(wěn)定性分析臨界高度的計算λ=(d+H)/H試算法確定路基臨界高度49（3）規(guī)范規(guī)定：五、軟土地基的路堤穩(wěn)定性分析50（1）

Fellenius法的固結有效應力法-考慮固結度、固結快剪

當遇到在強度很差的地基上需要修筑高路堤時，可以按照這一計算模式對采取分期加載的方法逐漸使地基強度固結提高后的安全系數(shù)進行驗算。◆2、路基穩(wěn)定性的計算方法F安全系數(shù)計算圖式五、軟土地基的路堤穩(wěn)定性分析51（2）Fellenius法的改進總強度法-地基抗剪強度用十字板快剪或直接快剪

(天然土：十字板快剪強度或采用靜力觸探

路堤填土：直接快剪)采用Fellenius法的改進總強度法驗算時，穩(wěn)定安全系數(shù)計算式為：F五、軟土地基的路堤穩(wěn)定性分析52（2）Fellenius法的改進總強度法-mi的取值地基土層強度增長系數(shù)五、軟土地基的路堤穩(wěn)定性分析53（3）簡化畢肖普法KKK五、軟土地基的路堤穩(wěn)定性分析54六、浸水路堤穩(wěn)定性分析（1）浸水路堤

浸水路堤是指受到季節(jié)性或長期浸水的沿河路堤、河灘路堤等。（2）浸水路堤的水的浸潤曲線

由于土體內(nèi)滲水速度遠慢于河水，因此，當?shù)掏馑簧邥r，堤內(nèi)水位的比降曲線（即浸潤線）成凹形，當?shù)掏馑幌陆禃r，堤內(nèi)水位的比降曲線成凸形?！?、浸水路堤及水的浸潤曲線雙側滲水路堤水位變化示意圖水位降落時的浸潤曲線水位不一致是的浸潤曲線55六、浸水路堤穩(wěn)定性分析（1）水位急速上升時，浸水路堤的浸潤曲線下凹，土體除承受豎向的向上浮力外，還承受滲透動水壓力的作用，作用方向指向土體內(nèi)部，有利于土體穩(wěn)定，經(jīng)過一定時間的滲透，土體內(nèi)水位趨于平衡，不再存在滲透動水壓力。（2）水位驟然下降時，浸水路堤的浸潤曲線上凸，滲透動水壓力的作用方向指向土體外，這將劇烈破壞路堤邊坡的穩(wěn)定性，并可能產(chǎn)生邊坡凸起和滑坡，不利于土體穩(wěn)定，但經(jīng)過一定時間的滲透，土體內(nèi)水位也會趨于平衡，不再存在滲透動水壓力。（3）浸水路堤邊坡穩(wěn)定的最不利情況一般發(fā)生在最高洪水水位驟然降落的時候，即高水位，此時滲透動水壓力指向路基體外，即使水位相差較小，也會產(chǎn)生橫穿路堤的滲透?！?、滲透動水壓力的計算56六、浸水路堤穩(wěn)定性分析（1）浸水路堤的受力:自重、行車荷載、浮力、滲透動水壓力。

（2）浸水路堤的不利時刻：漲水？、落水？（3）土的滲透性：由于土中含有空隙，在水位變化過程中伴有土中含水量的變化。

對砂性土－滲透性好，動水壓力較??；

對黏性土－滲透性不好，動水壓力也不大；

對亞砂土、亞黏土－具有一定的滲透性，動水壓力較大

，邊坡容易失穩(wěn)?！?、滲透動水壓力對浸水路堤的作用57六、浸水路堤穩(wěn)定性分析（4）動水壓力的計算

D0——作用于浸潤線以下土體重心的滲透動水壓力，kN/m；

I——滲流水力坡降（取用浸潤曲線的平均坡降）；

ΩB——浸潤曲線與滑動弧之間的面積，m2；

0——水的容重，kN/m3

圖3-22動水壓力計算設計圖584、滲水路堤的邊坡穩(wěn)定性計算方法基本特點：

適當改變填料的內(nèi)摩擦角，利用非浸水時的常用方法，進行浸水時的路堤穩(wěn)定性計算。（只適用于全浸水路堤）（1）假想摩擦角法六、浸水路堤穩(wěn)定性分析59六、浸水路堤穩(wěn)定性分析基本特點：假想用水的浮力作用間接抵消動水壓力對邊坡的影響，即在計算抗滑力矩中，用降低后的內(nèi)摩擦角反應浮力的影響，而在計算滑動力矩中，不考慮浮力作用，滑動力矩沒有減小，用以抵償動水壓力的不利影響。（2）懸浮法扣除浮力圖3-2360（3）條分法

與非浸水路堤的條分法基本相同。但土條分成干燥、浸水兩部分

浸水路堤的邊坡穩(wěn)定系數(shù)：六、浸水路堤穩(wěn)定性分析圖3-24

浸水土條示意圖1-未浸水部分2-浸水部分3-降水線61六、浸水路堤穩(wěn)定性分析（4）措施通過調(diào)查，充分預估－浪高、洪水位；放緩邊坡；設置護坡道；設置導流結構物。節(jié)尾62七、路基邊坡抗震穩(wěn)定性分析地震的危害

軟弱地基沉陷；

泥石流；

擋土墻等結構物破壞；

邊坡路基失穩(wěn)等要求：對地震烈度大于等于8的地區(qū)進行地震驗算。63七、路基邊坡抗震穩(wěn)定性分析（1）路基抗震穩(wěn)定性驗算范64（2）地震力的計算七、路基邊坡抗震穩(wěn)定性分析65七、路基邊坡抗震穩(wěn)定性分析（3）土質(zhì)路基邊坡抗震穩(wěn)定系數(shù)計算i圖3-263-5266八、