土力學與地基基礎(chǔ)第9章-邊坡穩(wěn)定問題備課講稿

第9章邊坡穩(wěn)定問題

9.1地球邊坡的發(fā)展與演化

地球邊坡各種各樣，其發(fā)展與演化過程也是非常漫長和非常復(fù)雜的。本書主要探討土坡的穩(wěn)定問題。所謂“土坡”是指具有傾斜坡面的土體，通?？煞痔烊煌疗潞腿斯ね疗碌?大類。天然土坡是由于地質(zhì)作用而自然形成的土坡，比如山坡、江河岸坡等。人工土坡是指經(jīng)人工開挖的土坡和填筑的土工建筑物邊坡，比如基坑、渠道、土壩、路堤、等。當土坡頂面和底面都是水平的并延伸至無窮遠且由均質(zhì)土組成時則被稱為簡單土坡。由于土坡表面傾斜，故在土體自重及外荷作用下其土體將會出現(xiàn)自上而下的滑動趨勢，土坡上的部分巖體或土體在自然或人為因素影響下沿某一明顯界面發(fā)生剪切破壞而向坡下運動的現(xiàn)象被稱為滑坡。影響土坡滑動的因素復(fù)雜多變，土坡滑動的根本原因在于土體內(nèi)部某個面上的剪應(yīng)力達到了其抗剪強度從而使其穩(wěn)定平衡遭到破壞，導致土坡滑動失穩(wěn)的原因可歸納為以下2種，即外界荷載作用（或土坡環(huán)境變化）等導致土體內(nèi)部剪應(yīng)力大（比如路塹或基坑的開挖；堤壩施工中上部填土荷重的增加；降雨導致土體飽和增加重度；土體內(nèi)地下水的滲流力；坡頂荷載過量；由于地震、打樁等引起的動力荷載；等）；外界各種因素影響導致土體抗剪強度降低而促使土坡失穩(wěn)破壞（比如超孔隙水壓力的產(chǎn)生；氣候變化產(chǎn)生的干裂、凍融；粘土夾層因雨水等侵入而軟化；粘性土蠕變導致的土體強度降低；等）。土坡穩(wěn)定性是高速公路、鐵路、機場、高層建筑深基坑開挖以及露天礦井和土壩等土木工程建設(shè)中十分重要的問題，土坡穩(wěn)定性問題可通過土坡穩(wěn)定分析解決但比較復(fù)雜、把握度不高（原因是有待研究的不確定因素較多。比如滑動面形式的確定；土體抗剪強度參數(shù)的合理選??；土的非均質(zhì)性；土坡水滲流時的影響；等），故有待繼續(xù)進行大量、深入、系統(tǒng)的研究。9.2邊坡穩(wěn)定分析的基本方法

9.2.1無粘性土坡的穩(wěn)定性抗滑力和滑動力的比值K稱為穩(wěn)定安全系數(shù)，即可見，對均質(zhì)無粘性土坡而言，從理論上講，土坡的穩(wěn)定性與坡高無關(guān)，只要坡角小于土的內(nèi)摩擦角（即β<φ，K>l）則土體就是穩(wěn)定的，當坡角與土的內(nèi)摩擦角相等（β=φ）時（穩(wěn)定安全系數(shù)K=l，此時抗滑力等于滑動力）則土坡處于極限平衡狀態(tài)（其相應(yīng)的坡角等于無粘性土的內(nèi)摩擦角，也被稱之為自然休止角。通常情況下，為保證土坡具有足夠的安全儲備可取K≥1.3~1.5）。當無粘性土坡受到一定的滲流力作用時其坡面上滲流溢出處的單元土體除本身重量外還會受到滲流力

作用（見圖9-2-1之（b）），若滲流為順坡出流則溢出處滲流及滲流力方向與坡面平行（此時使土單元體下滑的剪切力為

，且此時對單位土體而言其土體自重G等于浮重度γ’），土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)變?yōu)槭剑?-2-2）與式（9-2-1）比相差了γ’/γsat倍（此值約為1/2），故當坡面有順坡滲流作用時無粘性土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)將降低約一半。9.2.2粘性土坡穩(wěn)定性分析的特點

大量工程實踐證明，粘性土坡因剪切而破壞的滑動面大多為一曲面，破壞前一般在坡頂首先出現(xiàn)張力裂縫，然后沿某一曲面產(chǎn)生整體滑動。另外，滑動體沿縱向也會有一定的范圍且也是曲面，為簡化分析人們習慣按條形平面應(yīng)變問題對其進行分析處理。粘性土坡常用的穩(wěn)定分析方法有整體圓弧滑動法、條分法、穩(wěn)定數(shù)法等（包含總應(yīng)力法或有效應(yīng)力法）。9.2.3粘性土土坡穩(wěn)定分析的整體圓弧滑動法

對均質(zhì)簡單土坡可假定土坡失穩(wěn)破壞時滑動面為一圓柱面，將滑動面以上土體視為剛體并以其為脫離體，人們在分析了極限平衡條件下其上作用的各種力后認為可以整個滑動面上的平均抗剪強度與平均剪應(yīng)力之比來定義土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)K，即K=τf/τ，與以滑動面的最大抗滑力矩與滑動力矩之比來定義的K的結(jié)果完全一致?；?.2.4粘性土土坡穩(wěn)定性分析的畢肖普條分法

畢肖普（A·W·Bishop）1955年假定各土條底部滑動面上的抗滑安全系數(shù)均相等（即等于整個滑動面的平均安全系數(shù)）而取單位長度土坡按平面問題進行計算（見圖9-2-5）?？傮w而言，畢肖普條分法考慮了土條兩側(cè)的作用力，計算結(jié)果比較合理。簡化公式為9.2.5粘性土土坡穩(wěn)定分析的簡布條分法

實際工程中常遇到非圓弧滑動面土坡穩(wěn)定分析（比如土坡下面有軟弱夾層或土坡位于傾斜巖層面上，滑動面形狀受夾層或硬層影響而呈非圓弧狀。此時若采用前述圓弧滑動面法分析就不再合理）問題，簡布（N.Janbu）1954和1972給出了非圓弧普遍條分法（GPS法）。簡布條分法可滿足所有靜力平衡條件，但推力線假定必須符合條間力合理性要求（即滿足土條間不產(chǎn)生拉力和剪切破壞要求）。簡布條分法應(yīng)用較廣，其缺陷是某些情況下的計算結(jié)果有可能不收斂。9.2.9幾個典型的地基穩(wěn)定性問題

廣義地基穩(wěn)定性問題包括地基承載力不足而失穩(wěn)、土木工程結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)在水平荷載作用下的傾覆和滑動失穩(wěn)、基礎(chǔ)在水平荷載作用下連同地基一起滑動失穩(wěn)、土坡坡頂土木工程結(jié)構(gòu)物地基失穩(wěn)等。通常在下述3類情況下可能發(fā)生地基穩(wěn)定性破壞，即承受很大水平力或傾覆力矩的土木工程結(jié)構(gòu)物（比如受風或地震作用的高層建筑或高聳構(gòu)筑物；承受拉力的高壓線塔架基礎(chǔ)及錨拉基礎(chǔ)；承受水壓力和土壓力的擋土墻、水壩、堤壩和橋臺；等）；位于斜坡或坡頂上的土木工程結(jié)構(gòu)物（由于荷載作用或環(huán)境因素影響會造成部分或整個邊坡失穩(wěn)）；地基中存在軟弱土層（或土層下面有傾斜的巖層面、隱伏的破碎或斷裂帶；或有地下水滲流等）。9.2.10提高邊坡抗滑穩(wěn)定性的方法

目前，為增加邊坡的抗滑穩(wěn)定性人們常采用以下5方面工程措施，即削掉一部分邊坡土體、減少土體的重量（這一方法比較經(jīng)濟實用）；降低地下水位、減小可能滑動面上土體的孔隙水壓力；在坡腳填土反壓（比如深基坑開挖中的臨時反壓和支撐）；在坡腳建造淺基礎(chǔ)的建筑物、在坡頂建造深基