路基边坡稳教材课件

第四章 路基稳定性分析计算基本内容第一节第一节 概概 述述 第二节直线滑动面的边坡稳定性分第二节直线滑动面的边坡稳定性分析析第三节曲线滑动面的边坡稳定性分第三节曲线滑动面的边坡稳定性分析析第四节第四节 软土地基的路基稳定性分析软土地基的路基稳定性分析第五节第五节 浸水路堤的稳定性分析浸水路堤的稳定性分析第六节第六节 路基边坡抗震稳定性分析路基边坡抗震稳定性分析第一节 概 述 一、边坡失稳现象 路路基基边边坡坡滑滑坍坍是是公公路路上上常常见见的的破破坏坏现现象象之之一一。在在岩岩质质或或土土质质山山坡坡上上开开挖挖路路堑堑，有有可可能能因因自自然然平平衡衡条条件件被被破破坏坏或或者者因因边边坡坡过过陡陡，使使坡坡体体沿沿某某一一滑滑动动面面产产生生滑滑坡坡。对对河河滩滩路路堤堤、高高路路堤堤或或软软弱弱地地基基上上的的路路堤堤，因因水水流流冲冲刷刷、边边坡坡过过陡陡或或地地基基承承载载力力过过低低而而出出现现填填方方土土体体（或或连连同同原原地地面面土土体体）沿沿某某一剪切面产生坍塌。一剪切面产生坍塌。一般路基一般路基套用典型横断面图（无需论证和验算）套用典型横断面图（无需论证和验算）高路基、深路堑、浸水沿河路堤、特殊地质地段的路基高路基、深路堑、浸水沿河路堤、特殊地质地段的路基个别设计，稳定性验算用以确定合理的路基横断面形式。个别设计，稳定性验算用以确定合理的路基横断面形式。常见的分析计算方法：常见的分析计算方法：1、工程地质法、工程地质法 2、力学分析法、力学分析法 3、图解法、图解法v-内部原因内部原因（1）土质：）土质：各种土质的抗剪强度、抗水能力是不一样的，如各种土质的抗剪强度、抗水能力是不一样的，如钙质或石膏质胶结的土、湿陷性黄土等，遇水后软化，使原钙质或石膏质胶结的土、湿陷性黄土等，遇水后软化，使原来的强度降低很多。来的强度降低很多。（2）土层结构：）土层结构：如在斜坡上堆有较厚的土层，特别是当原土如在斜坡上堆有较厚的土层，特别是当原土层层(或岩层或岩层)不透水时，容易在交界上发生滑动。不透水时，容易在交界上发生滑动。（3）边坡形状：）边坡形状：突肚形的斜坡由于重力作用，比上陡下缓的突肚形的斜坡由于重力作用，比上陡下缓的凹形坡易于下滑；由于粘性土有粘聚力，当土坡不高时，尚凹形坡易于下滑；由于粘性土有粘聚力，当土坡不高时，尚可直立，但随时间和气候的变化，也会逐渐塌落。可直立，但随时间和气候的变化，也会逐渐塌落。路基失稳的原因：路基失稳的原因：v-外部原因外部原因（1）降水或地下水的作用：）降水或地下水的作用：持续的降雨或地下水渗入土层中，持续的降雨或地下水渗入土层中，使土中含水量增高，土中易溶盐溶解，土质变软，强度降低；使土中含水量增高，土中易溶盐溶解，土质变软，强度降低；还可使土的重度增加，以及孔隙水压力的产生，使土体作用还可使土的重度增加，以及孔隙水压力的产生，使土体作用有动、静水压力，促使土体失稳，故设计斜坡应针对这些原有动、静水压力，促使土体失稳，故设计斜坡应针对这些原因，采用相应的排水措施。因，采用相应的排水措施。（2）振动的作用：）振动的作用：如地震的反复作用下，砂土极易发生液化；如地震的反复作用下，砂土极易发生液化；粘性土，振动时易使土的结构破坏，从而降低土的抗剪强度；粘性土，振动时易使土的结构破坏，从而降低土的抗剪强度；车辆运动、施工打桩或爆破，由于振动也可使邻近土坡变形车辆运动、施工打桩或爆破，由于振动也可使邻近土坡变形或失稳等。或失稳等。（3）人为影响：）人为影响：由于人工不合理地开挖，特别是开挖坡脚；由于人工不合理地开挖，特别是开挖坡脚；或开挖基坑、沟渠、道路边坡时将弃土堆在坡顶附近；在斜或开挖基坑、沟渠、道路边坡时将弃土堆在坡顶附近；在斜坡上建房或堆放重物时，都可引起斜坡变形破坏。坡上建房或堆放重物时，都可引起斜坡变形破坏。路基稳定性分析的原因：路基稳定性分析的原因：根本原因根本原因:边坡中土体内部某个面上的剪应力达到了它的抗剪强度。边坡中土体内部某个面上的剪应力达到了它的抗剪强度。具体原因具体原因：（1）滑面上的剪应力增加；）滑面上的剪应力增加；（2）滑面上的抗剪强度减小。）滑面上的抗剪强度减小。路基稳定性分析的原因：路基稳定性分析的原因：一、边坡稳定原理一、边坡稳定原理 路基边坡稳定的力学计算方法是分析失稳滑动体路基边坡稳定的力学计算方法是分析失稳滑动体路基边坡稳定的力学计算方法是分析失稳滑动体路基边坡稳定的力学计算方法是分析失稳滑动体沿滑动面上的下滑力沿滑动面上的下滑力沿滑动面上的下滑力沿滑动面上的下滑力T T与抗滑力与抗滑力与抗滑力与抗滑力R R，按静力平衡原理，按静力平衡原理，按静力平衡原理，按静力平衡原理，取两者之比值为稳定系数取两者之比值为稳定系数取两者之比值为稳定系数取两者之比值为稳定系数 K K，破裂面破裂面1、用力学方法进行边坡稳定性分析时，为简化计算，都按平面、用力学方法进行边坡稳定性分析时，为简化计算，都按平面问题处理问题处理2、松散的砂性土和砾石内摩擦角较大，粘聚力较小，破裂面近、松散的砂性土和砾石内摩擦角较大，粘聚力较小，破裂面近似直线破裂面法。似直线破裂面法。3、粘性土粘聚力较大，内摩擦角较小，破裂时滑动面为圆柱形、粘性土粘聚力较大，内摩擦角较小，破裂时滑动面为圆柱形、碗形，近似于圆曲面，采用圆弧破裂面法碗形，近似于圆曲面，采用圆弧破裂面法(二）在进行边坡稳定性分析时，近似方法并假定二）在进行边坡稳定性分析时，近似方法并假定1、不考虑滑动主体本身内应力的分布、不考虑滑动主体本身内应力的分布2、认为平衡状态只在滑动面上达到，滑动主体整体下滑、认为平衡状态只在滑动面上达到，滑动主体整体下滑3、极限滑动面位置通过试算来确定、极限滑动面位置通过试算来确定二、边坡稳定性分析的计算参数二、边坡稳定性分析的计算参数 路堑：天然土层中开挖，土类别、性质天然生成的路堑：天然土层中开挖，土类别、性质天然生成的路堤：人工填筑物、填料性质和类别多为人为因素控制，对于路堤：人工填筑物、填料性质和类别多为人为因素控制，对于土的物理力学数据的选用以及可能出现的最不利情况，力求能土的物理力学数据的选用以及可能出现的最不利情况，力求能与路基将来实际情况一致与路基将来实际情况一致。所需土的试验资料所需土的试验资料：1、对于路堑或天然边坡取：原状土的容重、对于路堑或天然边坡取：原状土的容重r，内摩擦角，内摩擦角，粘，粘聚力聚力c2、对路堤边坡：取与现场压实度一致的压实土试验数据。、对路堤边坡：取与现场压实度一致的压实土试验数据。r、c 同上同上 路堤各层填料性质不同时，所采用验算数据可按加权平路堤各层填料性质不同时，所采用验算数据可按加权平均法求得。均法求得。（二）边坡稳定分析的边坡取值（二）边坡稳定分析的边坡取值 边坡稳定性分析时，对于折线型或阶梯形边坡，一边坡稳定性分析时，对于折线型或阶梯形边坡，一般可取平均值。般可取平均值。荷载分布宽度：荷载分布宽度：荷载分布宽度：荷载分布宽度：可分布在行车道宽度范围内可分布在行车道宽度范围内考虑实际行车有可能偏移或车辆停放在路肩上，也可考虑实际行车有可能偏移或车辆停放在路肩上，也可认为认为1厚当量土层分布于整个路基宽度上。厚当量土层分布于整个路基宽度上。三、边坡稳定性分析方法：三、边坡稳定性分析方法：力学分析法：力学分析法：1、数解法、数解法假定几个滑动面力学平衡原理计算，找出假定几个滑动面力学平衡原理计算，找出极限滑动面。极限滑动面。2、图解或表解法、图解或表解法在计算机或图解的基础上，制定图在计算机或图解的基础上，制定图或表，用查图或查表来进行，简单不精确。或表，用查图或查表来进行，简单不精确。力学分析法：力学分析法：直线法直线法适用于砂土和砂性土（两者合称砂性土）破裂面近适用于砂土和砂性土（两者合称砂性土）破裂面近似为平面。似为平面。圆弧法圆弧法适用于粘性土，破裂近似为圆柱形适用于粘性土，破裂近似为圆柱形试算法试算法式中：式中：滑动面的倾角；滑动面的倾角；f摩擦系数，摩擦系数，f=tan；L滑滑动面的面的长度；度；N滑滑动面的法向分力；面的法向分力；T滑滑动面的切向分力；面的切向分力；c滑滑动面上的粘面上的粘结力；力；Q滑滑动体的重力。体的重力。BDAHRQNT1:m直线滑动面上的力系示意图直线滑动面上的力系示意图方法：方法：假定假定，计算，计算K K与与的关系。的关系。解析法解析法v边坡稳定系数最小值：边坡稳定系数最小值：BDATNQH式中：式中：解析法的理解和工程运用解析法的理解和工程运用某挖方边坡，已知某挖方边坡，已知=25=25，=14.7kPa,=17.64kN/m3,H=6.0m=14.7kPa,=17.64kN/m3,H=6.0m。现拟采。现拟采用用1 1：0.50.5的边坡，试验算其稳定性。的边坡，试验算其稳定性。考虑到稳定系数偏高，试求允许的边坡度。考虑到稳定系数偏高，试求允许的边坡度。求允许的最大高度。求允许的最大高度。拟采用拟采用拟采用拟采用1 1：0.50.5的边坡的边坡的边坡的边坡汽车荷载当量换算汽车荷载当量换算 路基承受自重作用、车辆荷载（按车辆最不利情况路基承受自重作用、车辆荷载（按车辆最不利情况排列，将车辆的设计荷载换算成相当于土层厚度排列，将车辆的设计荷载换算成相当于土层厚度0）0称为车辆荷载的当量高度或换算高度。称为车辆荷载的当量高度或换算高度。b-后轮轮距后轮轮距1.8mm-相邻两辆车后轮的中心间距，相邻两辆车后轮的中心间距，1.3m B=Nb+(N-1)m+d B=Nb+(N-1)m+dmm1 1、已知某路堤有双层土体组成。上层边坡坡率为、已知某路堤有双层土体组成。上层边坡坡率为、已知某路堤有双层土体组成。上层边坡坡率为、已知某路堤有双层土体组成。上层边坡坡率为1 1：1.51.5，土层高位，土层高位，土层高位，土层高位8m8m，上层土单位体积的重力为，上层土单位体积的重力为，上层土单位体积的重力为，上层土单位体积的重力为17.5kN/m317.5kN/m3，内，内，内，内摩擦角为摩擦角为摩擦角为摩擦角为3030，粘结力为，粘结力为，粘结力为，粘结力为5.0kpa5.0kpa；下层边坡坡率为；下层边坡坡率为；下层边坡坡率为；下层边坡坡率为1 1：1.751.75，土层高为，土层高为，土层高为，土层高为7m7m，下层土的单位体积的重力为，下层土的单位体积的重力为，下层土的单位体积的重力为，下层土的单位体积的重力为19.0 kN/m319.0 kN/m3，内摩擦角为，内摩擦角为，内摩擦角为，内摩擦角为4040，粘结力为，粘结力为，粘结力为，粘结力为2.0kpa2.0kpa。试确定边坡稳定性。试确定边坡稳定性。试确定边坡稳定性。试确定边坡稳定性验算参数单位体积的重力、内摩擦角和粘结力的取值。验算参数单位体积的重力、内摩擦角和粘结力的取值。验算参数单位体积的重力、内摩擦角和粘结力的取值。验算参数单位体积的重力、内摩擦角和粘结力的取值。2 2、已知某土质路堤边坡，高、已知某土质路堤边坡，高、已知某土质路堤边坡，高、已知某土质路堤边坡，高1 10 0m,m,坡率为坡率为坡率为坡率为1 1：1 1.4.4，土的单，土的单，土的单，土的单位体积的重力位体积的重力位体积的重力位体积的重力 =1 18 8 kN/m3 kN/m3，内摩擦角，内摩擦角，内摩擦角，内摩擦角 =2 20 0，粘结力，粘结力，粘结力，粘结力=1=14 4kpakpa。试分析此边坡的稳定性。试分析此边坡的稳定性。试分析此边坡的稳定性。试分析此边坡的稳定性。3 3、一、圆弧滑动面的条分法 原理原理：静力平衡静力平衡(Static equilibrium)(Static equilibrium)假定土质均匀，不计滑动面以外的土体位移所产生的作假定土质均匀，不计滑动面以外的土体位移所产生的作用力，取单位长度，将滑动体划分为若干土条，计算各土用力，取单位长度，将滑动体划分为若干土条，计算各土条对于滑动圆心的滑动力矩条对于滑动圆心的滑动力矩MoiMoi和抗滑力矩和抗滑力矩MyiMyi，取两力矩，取两力矩比值比值K K为稳定系数以判定是否稳定。为稳定系数以判定是否稳定。计算之前需要先用圆心辅助线法确定滑动圆弧计算之前需要先用圆心辅助线法确定滑动圆弧的圆心位置。的圆心位置。圆弧法的计算精度主要与分段数有关。分段愈多则计算结圆弧法的计算精度主要与分段数有关。分段愈多则计算结果愈精确，一般分果愈精确，一般分8 81010段。小段的划分，还可结合横断面特段。小段的划分，还可结合横断面特性，如划分在边坡或地面坡度变化之处，以便简化计算。性，如划分在边坡或地面坡度变化之处，以便简化计算。计算式计算式：式中：式中：N Ni i各土条的法向应力；各土条的法向应力；T Ti i各土条的切向应力；各土条的切向应力；i i各土条重心与圆心连接线对竖轴各土条重心与圆心连接线对竖轴y y的夹角；的夹角；L L 滑动面圆弧全长；滑动面圆弧全长；0 0圆心角。圆心角。稳定性分析步骤稳定性分析步骤1.1.按比例绘制路基横断面图按比例绘制路基横断面图2.2.确定圆心的大致位置和圆弧的形状确定圆心的大致位置和圆弧的形状:通过坡脚任意选定可通过坡脚任意选定可能发生的圆弧滑动面能发生的圆弧滑动面ABAB，其半径为，其半径为R R，沿路线纵向取单位长，沿路线纵向取单位长度度1m1m。3.3.根据情况分段根据情况分段:将滑动土体分成若干个一定宽度的垂直土将滑动土体分成若干个一定宽度的垂直土条，其宽一般为条，其宽一般为2-4m2-4m。4.4.计算分段计算分段土条的土条的Q Qi i、i i、N Ni i、T Ti i，进而计算出，进而计算出K K1 15.5.重复重复1 14 4，得出，得出K2KnK2Kn，作图求出最小的，作图求出最小的KminKmin6.6.稳定性判断：稳定性判断：KminK=1.25KminK=1.251.51.5圆弧圆心确定圆弧圆心确定 为为了了较较快快地地找找到到极极限限滑滑动动面面，减减少少试试算算工工作作量量，根根据据经经验验，极极限限滑滑动动圆圆心心在在一一条条线线上上，该该线线即即是是圆圆心心辅辅助助线线。确确定定圆圆心心辅辅助助线线可可以以采采用用4.5 H4.5 H法或法或3636线法。线法。4.5 H 4.5 H法法 36 36线法线法 由由荷荷载载换换算算土土柱柱高高顶顶点点作作与与水水平平线线成成3636角的线角的线EFEF，即得圆心辅助线。，即得圆心辅助线。由由坡坡顶顶处处作作与与水水平平线线成成3636角角的的线线EFEF，即即为圆心辅助线。为圆心辅助线。第三节第三节 浸水路堤稳定性浸水路堤稳定性一、河滩路堤受力：一、河滩路堤受力：普通路堤外力、自重、浮力（受水浸泡产生浮力）普通路堤外力、自重、浮力（受水浸泡产生浮力）、渗透动水压力（路堤两侧水位高低不同时，水从高、渗透动水压力（路堤两侧水位高低不同时，水从高的一侧渗透到低的一侧产生动水压力）的一侧渗透到低的一侧产生动水压力）最不利情况：水位降落时动水压力指向河滩两侧最不利情况：水位降落时动水压力指向河滩两侧边坡，尤其当水位缓慢上涨而集聚下降时，对路堤最边坡，尤其当水位缓慢上涨而集聚下降时，对路堤最不利。不利。二、渗透动水压力的作用二、渗透动水压力的作用v浸水路堤浸水路堤 浸水路堤是指受到季节性或长期浸水的沿河路堤、河滩路堤等。浸水路堤是指受到季节性或长期浸水的沿河路堤、河滩路堤等。v浸水路堤的水的浸润曲线浸水路堤的水的浸润曲线 由于土体内渗水速度远慢于河水，因此，当堤外水位升高时，堤内水位的比降由于土体内渗水速度远慢于河水，因此，当堤外水位升高时，堤内水位的比降曲线（即浸润线）成凹形，当堤外水位下降时，堤内水位的比降曲线成凸形。曲线（即浸润线）成凹形，当堤外水位下降时，堤内水位的比降曲线成凸形。11、浸水路堤及水的浸润曲线、浸水路堤及水的浸润曲线涨潮涨潮涨潮涨潮落潮落潮落潮落潮水流曲线水流曲线水流曲线水流曲线双侧渗水路堤水位变化示意图双侧渗水路堤水位变化示意图双侧渗水路堤水位变化示意图双侧渗水路堤水位变化示意图单侧渗水路堤水位变化示意图单侧渗水路堤水位变化示意图单侧渗水路堤水位变化示意图单侧渗水路堤水位变化示意图第五节第五节 浸水路堤的稳定性分析浸水路堤的稳定性分析v 水位急速上升时，浸水路堤的浸润曲线下凹，土体除承受竖向的向上浮力外，还承受渗透动水压力的作用，作用方向指向土体内部，有利于土体稳定，经过一定时间的渗透，土体内水位趋于平衡，不再存在渗透动水压力。v 水位骤然下降时，浸水路堤的浸润曲线上凸，渗透动水压力的作用方向指向土体外，这将剧烈破坏路堤边坡的稳定性，并可能产生边坡凸起和滑坡，不利于土体稳定，但经过一定时间的渗透，土体内水位也会趋于平衡，不再存在渗透动水压力。v浸水路堤边坡稳定的最不利情况一般发生在最高洪水水位骤然降落的时候，此时渗透动水压力指向路基体外。22、渗透动水压力对浸水路堤的作用、渗透动水压力对浸水路堤的作用第五节第五节 浸水路堤的稳定性分析浸水路堤的稳定性分析v1）浸水路堤的受力:自重、行车荷载、浮力 渗透动水压力。v2）浸水路堤的不利时刻：涨水？、落水？。v3）土的渗透性：由于土中含有空隙，在水位变化过程中伴有土中含水量的变化。对砂性土渗透性好，动水压力较小；对黏性土渗透性不好，动水压力也不大；对亚砂土、亚黏土具有一定的渗透性，动水压力较大，边坡容易失稳。33、渗透动水压力对浸水路堤的作用、渗透动水压力对浸水路堤的作用第五节第五节 浸水路堤的稳定性分析浸水路堤的稳定性分析第五节第五节 浸水路堤的稳定性分析浸水路堤的稳定性分析v4）动水压力的计算vDIB0 D作用于浸润线以下土体重心的渗透动水压力，kN/m；I渗流水力坡降（取用浸润曲线的平均坡降）；B浸润曲线与滑动弧之间的面积，m2；0水的容重，kN/m3u4 4、渗水路堤的边坡稳定性计算方法、渗水路堤的边坡稳定性计算方法基本点：基本点：基本点：基本点：适当改变填料的内摩擦角，利用非浸水时的常用方法，适当改变填料的内摩擦角，利用非浸水时的常用方法，适当改变填料的内摩擦角，利用非浸水时的常用方法，适当改变填料的内摩擦角，利用非浸水时的常用方法，进行浸水时的路堤稳定性计算。进行浸水时的路堤稳定性计算。进行浸水时的路堤稳定性计算。进行浸水时的路堤稳定性计算。（只适用于全浸水路堤只适用于全浸水路堤只适用于全浸水路堤只适用于全浸水路堤）1 1 1 1）假想摩擦角法）假想摩擦角法）假想摩擦角法）假想摩擦角法第五节第五节 浸水路堤的稳定性分析浸水路堤的稳定性分析第五节第五节 浸水路堤的稳定性分析浸水路堤的稳定性分析基本假点：假想用水的浮力作用间接抵消动水压力对边坡的影响，即在计算抗滑力矩中，用降低后的内摩擦角反应浮力的影响，而在计算滑动力矩中，不考虑浮力作用，滑动力矩没有减小，用以抵偿动水压力的不利影响。2 2 2 2）悬浮法）悬浮法）悬浮法）悬浮法扣除浮力扣除浮力扣除浮力扣除浮力悬浮法计算图式：悬浮法计算图式：悬浮法计算图式：悬浮法计算图式：1-1-1-1-滑动面；滑动面；滑动面；滑动面；2-2-2-2-降水曲面降水曲面降水曲面降水曲面 三、渗透动水压力的计算三、渗透动水压力的计算浸润曲线与滑动面之间的土体面积浸润曲线与滑动面之间的土体面积浸润曲线与滑动面之间的土体面积浸润曲线与滑动面之间的土体面积水的容重，取水的容重，取水的容重，取水的容重，取10kn/10kn/三、河滩路堤边坡稳定性验算。三、河滩路堤边坡稳定性验算。河滩路堤最不利情况：最高洪水位骤然降落时河滩路堤最不利情况：最高洪水位骤然降落时通常采用圆弧法（条分法）计算公式如下：通常采用圆弧法（条分法）计算公式如下：注意情况：注意情况：1、砾石、片石等无粘性透水材料填筑的路堤水位变化、砾石、片石等无粘性透水材料填筑的路堤水位变化时，不发生动水压力时，不发生动水压力D=0，C=0，Cb=02、用不透水或透水极小的粘性土填筑的路堤水位变化、用不透水或透水极小的粘性土填筑的路堤水位变化时，不发生动水压力时，不发生动水压力D=03、用一般粘性土（亚粘土、亚砂土）填筑的路堤水位、用一般粘性土（亚粘土、亚砂土）填筑的路堤水位变化时，堤身产生动水压力变化时，堤身产生动水压力必须绘制浸润曲线（假定为直线，坡度为降落曲线的平必须绘制浸润曲线（假定为直线，坡度为降落曲线的平均坡度）用前式计算均坡度）用前式计算4、河滩路堤的安全系数，一般规定不小于、河滩路堤的安全系数，一般规定不小于1.25，按最，按最大洪水位验算时，其安全系数可采用大洪水位验算时，其安全系数可采用k1.15