基坑与边坡工程：第八章 边坡稳定性分析

边坡稳定性分析 Stability analysis of soil slopes,具有倾斜面的土体,1 概述,2 表层滑动的稳定分析,3 深层滑动的稳定分析,4 水对边坡稳定的影响,第八章 边坡稳定性分析,1 概述,1天然土坡,江、河、湖、海岸坡,一、土坡：具有倾斜面的土体,山、岭、丘、岗、天然坡,2人工土坡,挖方：沟、渠、坑、池, 填方：堤、坝、路基、堆料,二. 滑坡,什么是滑坡？为什么会滑坡？,一部分土体在外因作用下，相对于另一部分土体滑动,二. 滑坡,1滑坡的危害：土、岩体滑坡是重大的自然灾害我国是滑坡灾害频发的国家,1 概述,二. 滑坡-滑坡的主要形式 崩塌 平动 转动 流滑泥石(洪)流总是与暴雨或山洪相联系，是在有足够外部水流(或降雨)参与下形成的一种高密度“流体”。,1 概述,二. 滑坡,2造成滑坡的原因,降雨、蓄水、使岩土软化， 坝背水坡浸润线,存在渗透力,1）振动：地震、爆破,2）土中含水量和水位变化,3）水流冲刷：使坡脚变陡,4）冻融：冻胀力及融化含水量升高,5）人工开挖：基坑、船闸、坝肩、隧洞出入口,原因： (1)外界的作用破坏了土体原来的应力平衡状态，增大了滑动面上的滑动动力； (2)土体抗剪强度由于受到外界各种因素的影响而降低。,1 概述,土体滑坡形态格式各样，主要取决于土的性质和工程地质构造。 1. 粗粒土坡的滑坡深度浅、形状接近于平面; 2. 粘性土滑坡面深度到坡体内，均质粘性土坡滑动面的形状按塑性理论分析为对数螺旋曲面，在计算中通常以圆弧面代替。 3. 判断边坡的稳定性，是以计算滑动土体的抗滑力和滑动力的比值为依据。比值大于1为安全，等于1为达到极限状态，小于1不安全。,应如何分析、判断边坡的稳定性？,2 表层滑动的稳定性分析,土边坡对象：无粘性土坡 破坏形式：表面浅层滑坡 强度参数：内摩擦角 考察一无限长坡，坡角为 分析一微单元A,W,T,N,a,A,分析方法：考虑为无限长坡 安全系数：,一. 无渗流的无限长土坡,1）微单元A自重: W=V,2)沿坡滑动力：,3)对坡面压力：,(由于无限土坡两侧作用力抵消),4）抗滑力：,5)抗滑安全系数：,2 表层滑动的稳定性分析,无渗流的无限长土坡讨论,当=时，Fs=1.0，天然休止角,可见安全系数与土容重无关,与所选的微单元大小无关。即坡内任一点或平行于坡的任一滑裂面 上安全系数Fs都相等,思考题：干坡与静水下，若坡中不变，Fs有什么变化,2 表层滑动的稳定性分析,二.有渗流情况,(3) 抗滑力：,(2) 滑动力：,2有渗流砂土边坡安全系数,(4) 抗滑安全系数：,渗透力：,底面支撑力N，底面抗滑力R,(1)取微单元A的土骨架为隔离体，作用力,2 表层滑动的稳定性分析,自重：,二.有沿坡渗流情况,3. 讨 论,与所选V大小无关，亦即在这种坡中各点安全系数相同,与容重有关,2 表层滑动的稳定性分析,与无渗流比较Fs减小近一倍 注：意味着原来稳定的坡，有沿坡渗流时可能破坏,3 深层滑动的稳定性分析,土层性质：粘性土、土质均匀 强度参数：粘聚力C，内摩擦角,破坏形式：实际滑坡表明，对于粘性、均匀土坡，在平面应变条件下，其滑动面与圆弧（圆柱面）近似。,二、圆弧滑动面的整体稳定分析,基本概念土坡在自重作用下产生如图的滑动，根据抗滑动力矩和滑动力矩的平衡关系，有土坡稳定性安全系数如下：,图8.7 土体的整体稳定分析, 3 深层滑动的稳定性分析,总体说有两种分析方法： （1）整体圆弧滑动法。主要适用于均质简单土坡。所谓简单土坡是指土坡的坡度不变，顶面和地面水平，且土质均匀，无地下水。 （2）条分法。条分法对非均质土坡、土坡外形复杂、土坡部分在水下情况均适用。,2.分析计算方法,1）假设条件：,图8.8 土体的整体稳定分析,二、圆弧滑动面的整体稳定分析, 3 深层滑动的稳定性分析,2）平衡条件（各力对O的力矩平衡）,(1) 滑动力矩：,(3) 安全系数：,当=0（粘土不排水强度）时，,(2) 抗滑力矩：,为AC弧,二、圆弧滑动面的整体稳定分析, 3 深层滑动的稳定性分析,讨论:,(1)当0时，n是L(x,y)的函数，无法得到Fs的理论解,(2)其中圆心O及半径R是任意假设的，还必须计算若干组（O, R）找到最小安全系数 最可能滑动面,(3)适用于饱和粘土, 3 深层滑动的稳定性分析,三、条分法的基本原理,1原理,则，无法求理论解，是 一个边值问题，应通过数值计算解决。一个简化解决方法是将滑动土体分成条条分法。实际是一种离散化计算方法,整体圆弧法中的抗滑力矩： n是l(x,y)的函数，若n不为零, 3 深层滑动的稳定性分析,2条分法中的力和求解条件,Wi大小和方向已知； 滑动面上的Ni 、 Ti(含cili和Nitgi)大小未知； 土条两侧，Ei Fi hi由前一个土条计算得出,Ei1、Fi1 、hi1未知； 可见，作用在土条上的作用力有5个未知数，可以建立3个平衡方程，故为静不定问题。,（1）未知量数目：,Wi,hi,Ei,hi+1,Fi+1,Ei+1,Ni,Ti,Fi, 3 深层滑动的稳定性分析,(2) 力平衡条件（求解条件）,简化计算方法： 1.不考虑土条间的作用力，或只考虑其中的一个； 2.假设条间力的作用方向或规定Ei和Fi的比值； 3.假定条块间力的作用位置，hi已知。,四. 简单条分法（瑞典条分法）,1基本假设： 费伦纽斯假设土条两侧的合力相等，作用线重合，即土条两侧的作用力相互抵消。此时土条上的作用力仅有自重和滑动面上的两个分力。,、,2计算方法：计算土条自重,将土条自重分解, 3 深层滑动的稳定性分析,四. 简单条分法（瑞典条分法）,滑动面上土的抗剪强度为：,计算滑动力矩和稳定力矩:,计算土坡的稳定安全系数,对于均质土坡, 3 深层滑动的稳定性分析,3. 简单条分法计算步骤,圆心O，半径R（如图）,分条：b=R/10,编号：过圆心垂线为0#条中线,列表计算 li Wi i,变化圆心O和半径R,Fs最小,END,4. 瑞典简单条分法的讨论,忽略了条间力，所计算安全系数K值偏小； 假设圆弧滑裂面，使K值偏大；总体结果是K值偏小。越大(条间的抗滑作用力越大)，K值越偏小。,假设圆弧滑裂面，与实际滑裂面有差别。,一般情况下，Fs偏小10%左右工程应用中偏于安全,由于忽略了条块间的作用力，只满足力矩平衡，不满足静力平衡。, 3 深层滑动的稳定性分析,四、毕肖普（Bishop）法,毕肖普（AWBishop）1955年提出的一种简化计算方法 。该方法可以考虑条块间的作用力。但在考虑整个滑动土体力矩平衡条件时，认为各土条的作用力对圆心力矩之和为零。, 3 深层滑动的稳定性分析,1. 原理与特点,假设滑裂面为圆弧不忽略条间作用力土条的滑裂面上满足极限平衡条件土条在y方向上（竖直）达到静力平衡总体对圆心O力矩平衡,四、毕肖普（Bishop）法,2. 推导过程,竖向平衡条件：,若土条的稳定安全系数为 K， 与滑动面上的切向力相平衡的条件有：, 3 深层滑动的稳定性分析,参数 包含有K，是一超越方程。采用试算的方法。查曲线的方法。,3. 毕肖甫法计算步骤,圆心O，半径R,设 K=1.0,计算 mqi,YES,Fs最小,END,计算K/,No,YES,No,四、毕肖普（Bishop）法,4.小结,满足整体力矩平衡条件； 满足各条块力的多边形闭合条件，但不满足条块的力矩平衡； 假设条块间作用力只有法向力没有切向力； 满足极限平衡条件。 得到的安全系数较瑞典条分法略高一些。, 3 深层滑动的稳定性分析,五. 普遍条分法（简布 Janbu法）,1. 思路,假设了土体条块间的水平作用力的位置。 由此可以获得，每个条块都满足全部静力平衡条件和极限平衡条件，滑动土体的整体力矩平衡条件也自然得到满足。 该方法适用于任何滑动面而不必规定滑动面是一个圆弧面。 该方法由简布提出。, 3 深层滑动的稳定性分析,五. 普遍条分法（简布 Janbu法）,2. 受力状态分析, 3 深层滑动的稳定性分析,3. 简布法计算步骤,令Hi0,计算K /,计算Pi,计算K,KK/,END,计算Pi,No,计算Hi,YES,1及2的取值,六、圆弧滑动面的整体稳定分析, 3 深层滑动的稳定性分析,七. 几种分析计算方法的总结, 3 深层滑动的稳定性分析,八、边坡稳定分析图解法,土坡稳定分析工作量很大，许多学者整理出坡高H、坡角、与土的抗剪强度指标c、和之间的关系，并绘制如图关系，直接计算土坡稳定性。即知道其中4个参数就可以计算剩余的数值。, 3 深层滑动的稳定性分析, 4 水对边坡稳定的影响,从本质上讲，水的浸入将使土的抗剪强度指标降低、有效应力减小，土体抗滑动能力减小，导致边坡失稳。,一、土的抗剪强度指标及安全系数的选用,4 水对边坡稳定的影响,二、有水渗流时的土坡稳定计算,浸润线以下部分应考虑水的浮力作用，采用浮重度，动水D可按下式计算:,三、按有效应力法分析土坡稳定,通过对总应力法的计算公式进行修正，得到有效应力法的计算公式：,4 水对边坡稳定的影响,三、有裂隙的土坡稳定,不平衡推力传递法基本假设和受力分析,山区土坡往往覆盖在起伏变化的基岩上，土坡失稳多数沿这些界面发生，形成折线滑动面，对这类边坡的稳定分析可采用不平衡推力传递法。,不平衡推力传递法基本假设和受力分析,基本假定： 1.滑坡体不可压缩并作整体下滑，不考虑条块间挤压变形； 2.条块之间只传递推力不传递拉力，不出现条块间的拉裂； 3.块间作用力（即推力）以集中力表示，它的作用线平行于前一块的滑面方向，作用在分解面的中点； 4.垂直滑坡主轴单位长度（一般为1m）宽的岩土体作计算的基本断面，不考虑条块两侧的摩擦力。,不平衡推力传递法计算公式推导,力平衡,莫尔库仑准则,式中第1项表示本土条的下滑力，第2项表示土条的抗滑力，第3项表示上一土条传下来的不平衡下滑力的影响， 称为传递系数。,不平衡推力传递法计算步骤,不平衡推力传递法计算时，先假设安全系数为1，然后从坡顶的一条开始逐条向下推求Pi，直至求出最后一条的推力Pn，Pn必须为零，否则要重新假定安全系数，重新计算。,在进行计算分析时，即假定一个FS1，从边坡顶部第1块土条算起求出它的不平衡下滑力P1（求P1时，式中右端第3项为零），即为第1和第2块土条之间的推力。再计算第2块土条在原有荷载和P1作用下的不平衡下滑力P2，作为第2块土条与第3块土条之间的推力。依此计算到第n块（最后一块），如果该块土条在原有荷载及推力Pn-1作用下，求得的推力Pn不为零，则调整滑体的加权抗剪强度 、 的值，使最后一块土条所受到的推力为零或者几乎为零。这种情况是假设边坡处于极限状态。然后，假设边坡是稳定的，根据设计规范取边坡的稳定系数1.25，用已经调整的抗剪强度 、 值，计算边坡的每个土条的剩余下滑力P。,不平衡推力传递法计算步骤,使用不平衡推力法计算时，抗剪强度指标可根据土的性质和当地经验，采用试验和滑坡反算相结合的方法确定。 分条之间不能承受拉力，所以任何土条的推力如果为负，则推力不再向下传递，而对下一土条取推力为零。,感谢聆听！,