浙江大学土力学精品课程10

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,土力学,10,课程负责人,:,谢康和,浙江大学岩土工程研究所,2008,第,10,章,土坡稳定分析,10.1,概述,10.2,无粘性土坡的稳定分析,10.3,粘性土坡的稳定分析,10.5,孔隙水压力的估算和抗剪强度指标,的选用,10.6,滑坡的防治和土坡稳定的安全系数,10.1,概述,土坡,：具有倾斜坡面的土体形成。,天然土坡,：山坡、江河湖海的岸坡等由地质作用形成的土坡。,人工土坡,：挖方和填方土坡的统称。,挖方土坡,：开挖基坑、路堑和渠道形成的土坡。,填方土坡,：填筑堤、坝形成的土坡。,简单土坡,：坡底和坡顶水平，并延,伸至无限远的土坡。简单土坡的外,形和各部分名称如图,10-l,所示。,图,10-1,简单土坡,土坡失稳：,处于土坡上部的土体都有向下运动的趋势，当土体间形成相对运动，原有平衡改变。,土坡失稳三种类型：,崩落、滑坡和泥石流。,崩落：,土作迅速向坡面外侧空间运动的破坏。,滑坡：,土体沿着一个或多个滑动面的剪切破坏，而滑动上体本身虽产生大的变形，但仍为一个整体。,泥石流：,拌有粘性流体的运动,。,图,10.2,路堤和山坡的滑动,10.1,概述,土坡滑动面的空间实际分布为簸箕形,简化为平面应变问题进行稳定性分析,滑动面三种主要形状,：圆弧形（均质粘性土坡中）、直线形（无粘性土（砂、砾和卵石等）土坡上）和复合形（粘性土坡下有软弱夹层，滑动面由圆弧和直线组成），参见图,10-3,的（,a,）、（,b,）,和（,c,）。,图,10,3,土坡滑动面的形状,（,a,）,圆弧形；,(,b,),直线形；（,c,）,复合形,10.1,概述,极限平衡法,分析土坡稳定性的,思路：,确定一理想的滑动面,计算滑坡体沿滑动面向下的滑动力和土体的抗滑力,土坡稳定安全系数,=,抗滑力,/,滑动力,搜索最小安全系数的滑动面,滑坡的成因是滑动力增大或抗滑力减小。,引起,滑动力增大的因素,：在坡顶堆载、修建建筑物和车辆行驶，雨水或地表水渗人使土的重度增加，坡顶竖向裂缝中的水压力、渗透力和地震力对土坡的作用等。,引起,抗滑力减小的原因：,土的抗剪强度因含水量增加而下降，孔隙水压力增大使有效应力和摩擦力减小，坡脚处土体被冲刷或移走等。在进行土坡稳定分析时应考虑这些因素的影响。,10.1,概述,10.2,无粘性土坡的稳定分析,无粘性土坡,特点：,主要由砂、砾、卵石等组成，粘聚力,c,0,，,内摩擦角为,只要坡面上的土粒能维持稳定，则整个土坡就能保持稳定。,分析方法：,滑动面近似为平面，用直线滑动法分析。,图,10-4,（,a,）,为一均质无粘性土坡，,取坡面上任一土块作脱离体，其重量为,W,，,沿坡面的分力,T,为滑动力， ，,抗滑力为,W,垂直于坡面的分力,N,乘以摩擦,系数 ，设土坡稳定的安全系数为,F,s,，,则,图,10-4a,无粘性土坡的稳定分析,从式（,10.2.l,）,可知：,（,1,）要维持无粘性土坡的稳定，只要坡角 小于 即可；设计时,F,s,应大于,1,，根据有关规范取值。,当 时，称为,自然休止角,（,2,）,F,s,与土重,W,无关，即水下（无渗流）的无粘性土坡,F,s,与水上情况相同。,10.2,无粘性土坡的稳定分析,当无粘性土坡中有稳定渗流时，坡面上任一单位体积土块受到渗透力,的作用，设渗透力的方向和水平面夹角为 ，参见图,10-4,（,b,）。,分,析该土块上的作用力，可得到安全系数,F,s,：,(10.2.2),当渗流方向沿坡面向下时， ，水力坡降 ，则,(,10.2.3,),图,10-4b,有渗流时的土坡稳定分析,10.2,无粘性土坡的稳定分析,饱和重度 约为浮重度 的两倍，比较式,(10.2.1),和式,(10.2.3),可见，当有顺坡面向下的渗流时，安全系数减小了一半，也就是说处于极限平衡时的坡角，从无渗流时的 ，减小到 。,图,10-4b,有渗流时的土坡稳定分析,在土坡坡面有无粘性土覆盖层的情况，例如砂垫层和块石护坡或防渗土工膜斜墙上的保护层，也可应用式（,10.2.1,）和式（,10.2.3,）进行稳定分析，但式中的 应取无粘性土覆盖层与其下材料的界面摩擦系数。,10.2,无粘性土坡的稳定分析,10.3,粘性土坡的稳定分析,10.3.1,瑞典圆弧法,瑞典的彼得森（,K.E.Petterson, 1915,）,提出的，故称为瑞典圆弧法。,假定：均质粘性土坡，滑动面为圆弧形（简称滑弧）。,分析模型见图,10-5,（,a,），,设滑弧圆心在,O,点，半径为,r,，,对应的圆心角为,度，则滑弧长度 。,图,10,5,瑞典圆弧法稳定分析,取滑弧上面的滑动土体为脱离体（视为刚体），由各力对,O,点力矩的平衡条件得到安全系数的计算式，,(10.3.1),式中,粘性土的抗剪强度，,kPa,（,，滑弧上各点的法向应力都不同）；,W,滑动土体重，,kN,m,；,d,滑动土体重心至圆心的水平距离，,m,。,对饱和粘土坡，在不排水条件下， ， 和 无关，则式（,9.7.1,）改写为,(10.3.2),上式用于分析饱和粘土坡形成过程和刚竣工时的稳定分析，称为,法,。,10.3,粘性土坡的稳定分析,瑞典圆弧法应用,时应注意：,（,1,）分母部分为滑动力矩，除,W,外，还应他考虑附加荷载（例如坡顶堆载和车辆荷载）对圆心,O,的滑动力矩。,（,2,）粘性土坡的坡顶裂缝的影响：,a),滑弧长度减小为 （ 时，裂缝临界深度 ）；,b),若裂缝被水充满，须附加水压力的合力,P,w,对圆心,O,的滑动力矩，参见图,10-5,（,b,）。,图,10,5,瑞典圆弧法稳定分析,10.3,粘性土坡的稳定分析,例,10.1,土坡的外形和滑弧位置如图,10-6,所示，土层,1,的 ，,土层,2,的 ， ，两土层的重度 ，滑坡体总面积为,46.9m,3,试计算土坡相对于该滑弧的稳定安全系数，如果考虑坡顶的张拉裂缝，且裂缝被雨水充满，此时的稳定安全系数又为多大？,图,10-6 ,例,10-1,图示,10.3,粘性土坡的稳定分析,解,因为有两个土层，且 。将式（,10.3.2,）改写为,代入有关数据，得,当考虑坡顶张拉裂缝时，先计算裂缝深度和水压力合力，,考虑滑弧长度减小,Z,。,和增加水压力引起的滑动力矩，则,算例结果表明安全系数从,1.08,下降到,0.94,，可见必须采取措施防止波顶裂缝的产生，或及时填平已出现的裂缝。,10.3,粘性土坡的稳定分析,以上是对一个假设滑弧求得的稳定安全系数，为找到最危险的滑弧，应假设一系列滑弧通过试算求得最小安全系数。,弗伦纽斯（,Fellenius,，,1927,）,试算后发现， 的情况，最危险滑弧通过坡脚，而圆心为,AO,和,BO,的交点，参见图,10-7,，,AO,和,BO,的方向由 和 确定， 和 值和坡角或坡比有关，列于表,10-l,。,对 的情况，最危险滑弧在,MO,的延长线上，图,10-7,给出,M,点的位置，可在此延长线上选,O,1,、,O,2,、,O,3,等作为圆心，分别绘制过坡脚的试算圆弧，并计算安全系数，然后沿延长线,F,S,作对圆心位置的曲线，从而求得最小安全系数,F,min,和对应的圆心,O,m,。,40,39,37,35,35,35,35,35,36,37,29.5,29,28,26,25,25,25,25,25,25,63.43,53.13,45,33.68,29.75,26.57,21.8,18.43,14.05,11.32,1:0.5,1:0.75,1:1.0,1:1.5,1:1.75,1:2.0,1:2.5,1:3.0,1:4.0,1:5.0,(。),(。),(。),坡比,1:n,表10-1,图,10-7,危险滑弧的试算,和,10.3,粘性土坡的稳定分析,陈惠发（美国，,1980,）根据计算机大量试算经验，给出最危险滑弧通过坡底的,a,点和坡顶的,b,点，这两点分别距坡脚和坡肩,0.l,nH,参见图,10-8,。而圆心位置在,ab,的垂直平分线上。,图,10-8,最危险滑弧试算（陈惠发，,1980,）,10.3,粘性土坡的稳定分析,10.3.2,泰勒稳定数法,泰勒（,D,W,Taylor,，,1937,）,为简化最危险滑弧的试算工作，将,、,c,和,H,三个参数定义为稳定数,N,s,，,(10.3.3),稳定数,N,s,为一无量纲参数。泰勒等人计算均质土坡在极限平衡状态（,F,s,）,N,s,和 、 的关系，并制作了稳定数图，参见图,10-9,。,图,10-9,泰勒稳定数,N,s,图,稳定数图的用途：,（,1,）根据,、,c,、,和,求极限坡高,H,，,根据,、,c,、和,H,求极限坡角；,（,2,）应用稳定数图求最小安全系数（首先 由,和从图中查得,N,s,，,则。,）。,稳定数法,适用范围,：一般适用于坡高不超过,10m,的均质土坡的设计，或用于土坡稳定的初步设计。,10.3,粘性土坡的稳定分析,【,例题,10.2】,一均质土坡的坡角,=25,，坡高,H,8m,，,土的,=,19.2kN/m,3,，,c,= 10kPa,， ，,试求该土坡的最小稳定安全系数。,解,据 和,=25,，从图,10-9,查得,N,s,=0.048,。,10.3,粘性土坡的稳定分析,10.3.3,普遍条分法,复杂土坡：,土坡的土质不均匀，坡顶和坡面作用有荷载,滑动面非圆弧形，滑动面上的抗剪强度和滑动或抗滑力矩带计算困难。,对策：,将滑坡体分成一系列铅直薄土条，例如,n,条，条宽为 ，参见图,10-10,（,a,）。,图,10,10,普遍条分法,10.3,粘性土坡的稳定分析,因条宽较薄，条底滑动面上土的抗剪强度可视为常数，条顶外荷载、条底反力和土条的重力均可视为作用在条的中心线上。取其中第,i,条作为脱离体，参见图,10-10,（,b,），,分析其受力和平衡条件。,已知量有外荷载,Q,iH,、,Q,iv,，,重力,W,i,，,土条底部的,c,i,和 ；未知量及其数量有：,(1),条间切向相互作用力,V,i,，计,n,1,个；,(2),条间法向相互作用力,H,i,，计,n,1,个；,(3),H,i,的作用点,a,i,，计,n,1,个；,(4),条底法向反力,N,i,，计,n,个；,(5),条底切向力,T,i,，,因存在固定关系 ，故,n,个条仅一个未知量,F,s,。,共有未知量,4n-2,个。平衡方程只有,3n,个，属,n-2,次超静定问题。,解决的办法：,假设条间相互作用力的大小、方向和作用点，补充,n-2,个方程。 有代表性的有摩根斯坦和普赖斯（,Morgenstern and Price,，,1965,）、,扬布（,Janbu,）,和斯宾塞（,Spencer,）,等提出的方法。,最常用的两种简化分析法是弗伦纽斯法和毕肖普简化法。,10.3,粘性土坡的稳定分析,10.3.4,弗伦纽斯条分法,弗伦纽斯（,Fellenius,，,瑞典，,1927,）假设滑坡体为刚体，为方便计算滑动力矩和选择滑弧上土的抗剪强度指标，将滑坡体分成一系列铅直土条，假定各土条两侧分界面上作用力的合力大小相等、方向相反，且作用线重合，即不计条间相互作用力对平衡条件的影响，又称为,瑞典条分法,。,图,10-11(,a,),所示土坡和滑弧，将滑坡体分成,n,个土条，其中第,i,条宽度为,b,i,，,条底视为直线，长为,l,i,，,该土条的受力见图,10-11(b),，,E,i,=,E,i,+1,。,图,10-11,弗伦纽斯条分法,10.3,粘性土坡的稳定分析,根据第,i,条上各力对,O,点力矩的平衡条件（,N,i,通过圆心，不出现在平衡方程中），然后对,n,条的力矩平衡方程求和得,(10.3.5),T,i,和,N,i,之间存在固定关系,(10.3.6),根据条底法线方向力的平衡条件，考虑到,E,i,=,E,i+,1,，,得,(10.3.7),将式,(10.3.6),和,(10.3.7),对代人式（,10.3.5,）整理得,（总应力分析法）,(10.3.8),式中 可直接从图中量取，或量,x,i,得后，计算 ； 存在正负问题，当土条重量沿滑弧产生下滑力时， 为正；当产生抗滑力时， 为负。,当采用有效应力分析法时，抗剪强度指标应取 和 在计算时,W,i,，,土条在浸润线以下部分应取饱和重度计算，考虑到条底孔隙水压力,u,i,的作用， ，式（,10.3.8,）改写为，,（有效应力分析法）,(10.3.9),10.3,粘性土坡的稳定分析,10.3,粘性土坡的稳定分析,例题,10.3, 有一粘性土坡，坡高,18,m,，,土的重度为,19.6kN/Pa,，,粘聚力,28.6kPa,，,内摩擦角,15.5,度，用弗伦纽斯法验算沿图,10-12,所示对弧的稳定安全系数。,图,10-12,弗伦纽斯法算例,解,将滑坡体分成,16,个竖直土条，按式,(10.3.8),中各项计算，见表,10-2,。,从表,10-2,可计算得稳定安全系数,(,kN,),(,kN,),l,i,(m),(,kN,),x,i,/,r,x,i,(m),土条重,W,i,(KN),土条,高,(m),土条,宽,(m),土,条,号,3.98,24.2,44.9,59.6,69.3,78.4,83.2,89.0,96.2,92.4,85.5,80.0,65.1,52.0,38.7,29.6,41.5,166.7,221.4,228.3,214.0,197.0,169.7,145.7,123.4,88.3,55.5,28.4,2.35,-11.1,-19.5,-24.8,0.327,0.464,0.591,0.686,0.760,0.821,0.871,0.911,0.942,0.967,0.984,0.995,1.000,0.998,0.990,0.974,0.945,0.886,0.807,0.728,0.650,0.571,0.492,0.413,0.335,0.256,0.177,0.098,0.010,-0.059,-0.138,-0.226,24.0,22.5,20.5,18.5,16.5,14.5,12.5,10.5,8.5,6.5,4.5,2.5,0.5,-1.5,-3.5,-5.75,43.9,188.2,274.4,313.6,329.3,345.0,345.0,352.8,368.5,345.0,313.6,290.1,235.2,188.2,141.1,109.8,2.0,4.8,7.0,8.0,8.4,8.8,8.8,9.0,9.4,8.8,8.0,7.4,6.0,4.8,3.6,1.6,1.12,2.0,2.0,2.0,2.0,2.0,2.0,2.0,2.0,2.0,2.0,2.0,2.0,2.0,2.0,3.5,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,按弗伦纽斯法计算沿一假设滑强的稳定安全系数 表,10-2,10.3,粘性土坡的稳定分析,弗伦纽斯法,特点：,计算过程简单，但因为条间力的假设和实际情况有差别，计算结果存在,5,20,的误差，误差随滑弧中心角,，,以及随,F,s,值的增加而加大。,10.3,粘性土坡的稳定分析,10.3.5,毕肖普简化法,毕肖普（,Bishop,，,1955,）,简化条分法：假设条间力沿竖直方向的分力大小相等方向相反，参见图,10-13,，用有效应力法分析，即 。因分条上作用有水平方向条问力，为求得 的大小，可写出竖直方向力的平衡方程，,（,10.3.10,）,和 间存在下列关系：,(10.3.11),将式（,10.3.11,）代人式（,10.3.10,）得，,(10.3.12),式中,(10.3.13),图,10-13,分条的受力,10.3,粘性土坡的稳定分析,在写出各力对滑弧圆心之矩并求和时，条间力为内力不出现在平衡方程中，故得到与式（,10.3.5,）类似的平衡方程,(10.3.14),进一步整理得：,(10.3.15),如不计孔隙水压力的影响，可用总应力法分析，得到，,(10.3.16),式中,(10.3.17),从以上两式可见，等号右端也出现,F,s,项。因此安全系数的求解需要一个选代过程。,10.3,粘性土坡的稳定分析,该方法的,优缺点,：只假设土条两侧的竖向剪切力大小相等方向相反，保留了两侧的水平作用力，其计算精度比弗伦纽斯法高，稳定安全系数的误差不超过,7,，大多数情况在,2,左右，因此，该法得到广泛的应用。条间相互作用力并未列为未知量，故,n,个土条的未知量仍为,n,l,个，运用竖向力平衡和总体力矩平衡方程求解，实际上，也没有满足各个土条的平衡条件。,以上各节的计算是针对一个假设滑弧的，为得到土坡稳定的安全系数，还需假设多个滑弧，求得最小安全系数，相对于最小安全系数的滑弧才是可能失稳的滑动面，计算工作十分复杂，需借助计算机完成试算工作。,现有的土坡稳定分析,程序的主要功能,：先选择某个滑弧的圆心，并限制滑弧通过某个点或与某条水平线相切，程序可根据滑坡体形状自动分条，并计算安全系数，然后在选定回心的周围按一定间距确定不同的圆心，计算安全系数，比较这些安全系数的大小，获得最小安全系数。程序可以采用弗伦纽斯法、毕肖普简化法，或其他更精确的方法，能够适合复杂的土坡外形和土层条件，还可以考虑渗透力的作用等。,10.3,粘性土坡的稳定分析,10.4,稳定渗流和地震条件下土坡的稳定分析,运用条分法已经解决了许多复杂条件下土坡的稳定分析，例如土坡外形复杂不是简单,上坡，土坡内有不同土层或存在地下水，坡顶或坡面有荷载等，求解的关键是土条重量的,计算和条底抗剪强度参数的选择。运用条分法还可分析稳定渗流和地震条件下土坡的稳定性。,中的,abcd,，,体积为,V,，,受到总渗透力的作用，其大,为 ，方向沿流线，作用在单元的形心上，水,力坡降,i,由土条包含的流网计算。单元,abcd,的重量为,和总渗透力 的合力,R,构成了渗流的作用，,参见图,10-15(,b,),。,因等势线不是竖直的，流网与土条,的划分不一致，给计算带来困难，此外，合力,R,的计,算亦较复杂，故一般不用此法分析渗流的作用。,图,10-15,渗流作用下土坡稳定分析,10.4.1,稳定渗流作用下土坡的稳定分析,工程中上坡稳定渗流常发生在下列一些情况，堤坝挡水时的下游边坡、地下水位以下的基坑边坡等。稳定渗流对土坡稳定的影响表现在渗透力的作用，此外，浸润线以下土的重度取浮重度。在,10.2,节分析无粘性土坡稳定时已运用了这些概念。在粘性土坡中分析较复杂，,首先需计算确定浸润线的位置，绘制流网，每个土条在浸润线以下的单元，例如图,10-15(,a,),10.4,稳定渗流和地震条件下土坡的稳定分析,另一种分析方法是取,abcd,中的孔隙水作为脱离体，参见图,10-15(,c,),，,用以分析总渗透力的作用。该脱离体受的力有孔隙水重量 、土粒浮力的反作用力 ，,V,v,和,V,s,分别为,abcd,中孔隙和土粒的体积，以上两力的合力为 ，相当于,abcd,中无土粒充满水的重量，分别标土图,10-15(,c,),和,(,b,),中。此外，还有两竖直面,ad,和,bc,上总孔隙水压力之差 ，土条底面孔隙水压力 。从（,b,）,图可见 、 和 三力也构成了总渗透力 ，因 ，从（,b,）,图还可看出,用,、 和 三力同样可求得第一种分析方法求得的 和 的合力,R,，,而计算却方便得多。将土条上各力对,O,点取矩， 为内力不出现在平衡方程中， 为土条的饱和重量，考虑到土条有部分处在下游水位以下，则该部分应以浮重度计算，按有效应力分析法，土坡稳定的安全系数,F,s,用弗伦纽斯法计算，,(10.4.1),式中,(10.4.2,）,10.4,稳定渗流和地震条件下土坡的稳定分析,h,i,1,、,h,i2,和,h,i3,分别为第,i,上条在浸润线以上、浸润线至下游水位和。下游水位至滑动面的高度，参见图,10-16,。,关于,u,i,的计算，严格讲应过土条底部中点作等势线，取图,10-16,中的 为计算水头，即 。 近似计算可用,h,i2,+h,i3,代替 ，则 ，虽有误差，差值不大，且偏于安全。,图,10-16,土坡稳定计算,10.4,稳定渗流和地震条件下土坡的稳定分析,例题,10.5,在例题,10.3,的土坡中，当有如图,10-17,所示浸润线和下游水位的情况下，土的浮重度 ，有效应力抗剪强度参数,c=,10kPa,，,，,试计算稳定渗流条件下对同一假设滑弧的稳定安全系数。,解,将滑坡体分成,16,个土条，按式（,10.4.1,）逐项计算，列于表,10-4,中,(,参见课本,P216),。,土坡在稳定渗流条件下的稳定安全系数,F,s,图,10-17,稳定渗流土坡稳定算例,和没有渗流条件下（例,10.3,）的安全系数,1.35,相比，稳定渗流条件下的安全系数大幅度下降，必须采取相应的工程措施提高土坡的稳定性，参见,10.6,节。在水位骤降的上游土坡也会出现渗流，其稳定分析和上述的方法相同。,10.4,稳定渗流和地震条件下土坡的稳定分析,*,10.4.2,地震对土坡稳定的影响,地震对土坡的影响，可用拟静力法计算，即在每一土条的重心施加一个水平向地震惯性力,F,ih,，,对于地震设计烈度为,8,、,9,的,1,、,2,级土石坝，还要同时施加竖向地震惯性力,F,iv,。,水工建筑物抗震设计规范,SL 203,97,中规定，采用拟静力法进行抗震稳定计算时，对于均质坝，可采用瑞典圆弧法（弗伦纽斯法）进行验算；对于,1,、,2,级及,70m,以上的土石坝，宜同时采用毕肖普简化法。,10.4,稳定渗流和地震条件下土坡的稳定分析,毕肖普简化法计算安全系数的公式为：,式中 ，参见式,(10.4.2),；,；,；,a,h,水平向设计地震加速度代表值，,当设计烈度为,7,、,8,和,9,时，,a,h,分,别为,0.1g,、,0.2g,和,0.4g,；,g ,重力加速度；,地震作用的效应折减系数， 取,0.25,；,质点,i,（,土条重心）的动态分布系数，按图,10-18,的规定采用，,表中 在设计烈度为,7,、,8,、,9,度时分别取,3.0,、,2.5,和,2.0,；,M,h,F,iv,对圆心的力矩；,c,i,、,地震作用下土的粘聚力和内摩擦角。,图,10-18,动态分布系数,(10.4.3),10.4,稳定渗流和地震条件下土坡的稳定分析,10.5,孔隙水压力的估算和抗剪强度指标的选用,研究表明，采用有效应力法分析土坡稳定时，孔压的估算和抗剪强度指标的选择引起的安全系数的误差比选用的分析方法影响更大。因此，应结合土坡稳定分析方法，正确的估计孔隙水压力的变化规律和抗剪强度指标。,10.5.1,临界状态分析,1,软基上堤坝的填筑,（图,10-19,）,定性分析：,假定地下水位位于地表面，快速堆载，粘土地基（渗透系数较小）,堤坝高度增大,滑动面上的,M,点剪应力,逐渐增大，孔隙水压力,u,逐渐上升,因不排水，含水量不变，不排水剪抗剪强度 为常数,堤坝竣工时，剪应力 增至最大值，故安全系数降至最小值,竣工后， 不变，随着,u,的消散， 增大，因此安全系数逐渐提高。,可见：,堤坝竣工时为临界状态,（,F,s,最小），可选用,不排水剪抗剪强度指标,，按总应力分析法计算安全系数。,图,10-19,软基上堤坝的填筑,10.5,孔隙水压力的估算和抗剪强度指标的选用,2,挖方土坡和水位下降时的上游坡,(,图,10-20),挖方土坡问题的定性分析：,1,）快速挖方卸荷，滑弧上任一点,M,的剪应力 增加，假设挖方较快，,M,点含水量不变，不排水剪抗剪强度 不变，当用总应力法分析时，竣工时安全系数下降至最小值。,2,）竣工后停荷期，,u,（,挖方过程为负值）消散逐渐上升， 下降，而,不变，故安全系数仍在继续下降,用总应力法分析不能求得临界状态，应该采用有效应力法分析开挖后长期稳定性。,图,10-20,挖方土坡与水位下降时,的上游坡,10.5,孔隙水压力的估算和抗剪强度指标的选用,水位骤降时上游坡的定性分析：,1,）水位下降过程中：下降前后两水位之间的土体重度从浮重度增至天然重度，引起滑动面上的,增加，水位下降引起,u,下降，含水量不变则 不变，其变化规律和开挖过程类似，故安全系数逐渐下降，水位下降稳定后安全系数最小，为临界状态。,2,）与开挖竣工后不同之处在于，水位下降稳定后，,不变，而,u,将逐渐消散， 增加，故安全系数有一个上升过程。,堤坝上游坡的滑动破坏常发生在水位骤降时，因安全系数随着水位下降而减小，甚至在未减小到最小值时（最低水位）土坡即发生滑动。,10.5,孔隙水压力的估算和抗剪强度指标的选用,3,土坡的渐进性破坏,有些天然土坡或挖方土坡在形成以后很长时间发生了滑动，分析原因并不是外荷载变化或含水量增加。这类土坡通常为超固结土，其抗剪强度的特点是小应变对应的峰值强度较高，而大应变对应的残余强度很低。应力分析表明在坡脚处有剪应力集中现象，并易从坡脚向坡内发展，最终导致滑动破坏。,小结：,稳定安全系数最小的临界状态，对填方坡出现在竣工时，对挖方坡存在一个逐渐下降过程，直至土坡形成后很长时间才趋于常数，当土坡挡水时，上游坡最小安全系数出现在水位骤降结束时，下游坡出现在稳定渗流形成时。,10.5,孔隙水压力的估算和抗剪强度指标的选用,10.5.2,孔隙水压力的估算,采用有效应力法计算土坡稳定安全系数时，土的抗剪强度指标 和土坡的稳定安全系数都受孔隙水压力,u,的影响。,u,的初始值：由静止地下水位计算,u,的最终值：由稳定渗流的流网计算得到,中间过程,u,的估算：,用第,6,章的,A,、,B,系数进行估算，即,上式可简化为，,(10.5.1),式中 可称为全孔隙压力系数，是,u,-,u,0,超静孔隙水压力与大主应力增量 的比,值，可从三轴剪切试验获得。,10.5,孔隙水压力的估算和抗剪强度指标的选用,1,施工过程,u,的估算,设滑弧上任一点 （填筑时，,h,为正值；挖方时，,h,为负值，等于挖去的土柱高度）。据式（,10.5.1,）得,(10.5.2),式中,u,0,为孔隙水压力的初始值，对非饱和土而言为,u,0,负值，含水量越高,u,0,越接近于零，故孔隙水压力的上限值为：,(10.5.3),10.5,孔隙水压力的估算和抗剪强度指标的选用,2,、上游坡水位骤降过程,u,的估算,上游坡水位骤降过程见图,10-21,，假设土的渗透系数很小，水位下降过程,土坡不排水，则原浸润线以下的上仍为饱和。,水位下降前假想滑动面上一点,M,的孔隙水压力为：,(10.5.4),式中,h,M,点以上土柱高度；,h,w,N,点以上水柱高度；,h,原稳定渗流至,M,点的水头损失。,假设水位下降至,N,点以下，则,M,点大主应力的改变，即为其上水柱的减小，,M,点孔隙水压力的变化 和,u,分别为：,10.5,孔隙水压力的估算和抗剪强度指标的选用,估算的精度受到一些简化假设和,B,值的影响，有可能与实际土坡中的,u,值有差别。,对一些重要的工程，例如高土石坝、高挖方土坡等，应在土坡或坝基埋设孔隙水压力计，用实测的,u,值进行稳定分析。,饱和土在总应力减小情况（水位下降）， 值稍大于,1,，偏于安全,取 ，则,(10.5.5),10.5,孔隙水压力的估算和抗剪强度指标的选用,10.5.3,抗剪强度的取值,总应力分析法：采用不排水或固结不排水抗剪强度。适合场合：在堤坝填筑或土坡挖方过程和竣工时，如土体和地基的渗透系数很小，且施工速度快，孔隙水来不及消散。,用有效应力分析法时，采用有效应力抗剪强度指标，即排水剪抗剪强度。适合场合：分析挖方土坡的长期稳定性或稳定渗流条件下的稳定；在分析上游坡因水位骤降对稳定影响时，固堤坝已经历长期运行，土体固结并浸水饱和，可采用饱和上样的固结快剪或三轴固结不排水剪测试的抗剪强度。,对已经滑动的土坡，可用反分析法确定土的抗剪强度。可令安全系数为,1,，用勘测的滑动面反算平均抗剪强度，供设计时参考。,10.5,孔隙水压力的估算和抗剪强度指标的选用,10.6,滑坡的防治和土坡稳定的安全系数,土坡失稳的原因：是滑动面上剪应力增加和抗剪强度减小。,对策：从减小剪应力和提高抗剪切力两方面采取措施。,(1),排水和防渗：在坡顶和坡面设置排水沟，采取表面防渗措施，对存在渗透稳定的土坡，例如堤坝，应设置防渗斜墙或心墙，在坝内设水平排水体以降低浸润线，或在渗流出逸的坡面设贴坡排水体，在坡脚设排水棱体。,(2),支挡和加固：酌情采用重力式挡土墙或抗滑桩支护，也可采用地基处理措施提高抗剪强度，如排水团结、振冲碎石桩等，地基处理的方法将在,基础工程,课程中介绍。,(3),减载：减载措施在坡顶或接近坡肩处的坡面进行，在不影响土坡功用的前提下，减小该区域土方量,(4),反压：反压措施应在坡脚附近进行，以增加抗滑力。工程实践中，常用的放缓坡比或在坡面设置戗台（平台）的措施实质上是减载和反压的综合。,(5),坡面防护：采用草皮、砌石或混凝土护面可防止坡面风化及坡脚的冲蚀。,以上滑坡的防治措施应根据工程地质、水文地质条件，以及设计和施工的情况，分析可能产生滑坡的主要原因，然后选用。对滑坡的初期监测十分重要。,土坡稳定安全系数的取值应注意：,1,）不同分析方法得出的不同,F,s,；,2,）,F,s,应大于,1.0,且留有安全余地；,3,）不同部门有不完全相同的要求。,10.6,滑坡的防治和土坡稳定的安全系数,国家标准,堤防工程设计规范,GB 50286,98,中规定，土坡抗滑稳定的安全系数不小于表,9-14,中的数值。表中规定的抗滑稳定安全系数与,碾压土石坝设计规范,规定的抗滑稳定安全系数相同，其中正常运用条件即为设计条件；非常运用条件是指地震、施工期的运用等。,防洪标准,重现期（年）,堤防工程的级别,1,2,3,4,5,安全系数,正常运用条件,1.30,1.25,1.20,1.15,1.10,非常运用条件,1.20,1.15,1.10,1.05,1.05,土堤抗滑稳定安全系数 表,9-14,10.6,滑坡的防治和土坡稳定的安全系数,建筑地基基础设计规范,GB 500072002,中，规定了土质边坡坡度允许值（表,9,15,）和压实填土边坡坡度的允许值（表,9-16,）。,土的类别,密实度或状态,坡度允许值（高宽比）,坡高在,5m,以内,坡高在,5-10m,碎石土,密实,中密,稍密,1:0.351:0.50,1:0.50,1:0.75,1:0.75,1:1.00,1:0.50,1:0.75,1:0.75,1:1.00,1:1.00,1:1.25,粘性土,坚硬,硬塑,1:0.75,1:1.00,1:1.00,1:1.25,1:1.00,1:1.25,1:1.25,1:1.50,土质边坡坡度允许值 表,9-15,注：,l,表中碎石土的充填物为坚硬或硬塑状态的粘性上；,2,对于砂上或充填物为砂土的碎石上，其边坡坡度允许值均按自然休止角确定。,10.6,滑坡的防治和土坡稳定的安全系数,填 料 名 称,压实系数,边坡允许值（高宽比）,填土厚度,H,（,m,）,H 5,5H10,10 H 15,15H 20,碎石、卵石,0.940.97,1:1.25,1:1.50,1:1.75,1:2.00,砂夹石 （其中碎石、卵石占全重的,30% 50%,）,1:1.25,1:1.50,1:1.75,1:2.00,土夹石 （其中碎石、卵石占全重的,30% 50%,）,1:1.25,1:1.50,1:1.75,1:2.00,粉质粘土、粘粒含量,的粉土,1:1.50,1:1.75,1:2.00,1:2.25,压实填土的边坡允许值 表,9-16,注：当压实填土厚度大于,20m,时，可设计成台阶进行压实填土的施工。,在选用上列两表坡度允许值时，如边坡高度大于表中规定，或地下水比较发育或具有软弱结构面的倾斜地层，则边坡的坡度允许值应另行设计。,10.6,滑坡的防治和土坡稳定的安全系数,