路基路面工程第4章.ppt

边坡稳定性分析原理与方法,陡坡路堤稳定性,浸水路堤稳定性,第四章 路基边坡稳定性设计Slope Stability of Subgrade Design,重点,学习要点：,掌握直线法及分段圆弧法验算路堤边坡稳定性；,了解陡坡路堤稳定性验算；,了解河滩路堤稳定性验算；,一般情况下，对于边坡不高的路基(不超过8.0的土质边坡，不超过12.0m的石质)边坡，可按一般路基设计，采用规定的边坡值，不做稳定性分析，地质与水文条件复杂，高填深挖或特殊需要的路基，应进行边坡稳定性分析计算，据此选定合理的边坡及相应的工程技术。,注意：,第一节 边坡稳定性分析原理与方法,一.边坡稳定原理,通常按平面问题来处理。,松散的砂性土和砾（石）土在边坡稳定分析时可采用直线破裂法。,粘性土在边坡稳定分析时可采用圆弧破裂面法。,第一节 边坡稳定性分析原理与方法,一.边坡稳定原理,1、假设,边坡稳定分析时，大多采用近似的方法，并假设：,不考虑滑动土体本身内应力的分布。,认为平衡状态只在滑动面上达到，滑动土体整体下滑。,极限滑动面(sliding surface)位置需要通过试算来确定。,第一节 边坡稳定性分析原理与方法,一.边坡稳定原理,二.边坡稳定性分析的计算参数,（一）土的计算参数,对于路堑或天然边坡取：原状土的容重(unit weight)、内摩擦角(angle of internal friction)和粘聚力(adhesion strength)。,2.对于路堤边坡，应取与现场压实度一致的压实土的试验数据。,3.边坡由多层土体所构成时：,（4-1）,（4-2）,（4-3）,第一节 边坡稳定性分析原理与方法,（二）边坡稳定性分析边坡(side slop)的取值,对于折线形、阶梯形边坡：取平均值。如：a图去AB线；b图取坡脚与坡顶的连线,第一节 边坡稳定性分析原理与方法,二.边坡稳定性分析的计算参数,(三）汽车荷载当量换算,边坡稳定分析时，需要将车辆按最不利情况排列，并将车辆的设计荷载换算成当量土柱高，以ho表示：,（4-4）,式中：,N 横向分布的车辆数（为车道数）；,Q 每辆重车的重力，kN（标准车辆荷载为550KN）,L 汽车前后轴的总距：汽-10级和汽-15级，L4.2m，汽-20级重车，L5.6m；汽-超20级L12.8m,B 横向分布车辆轮胎最外缘之间的距离；,b轮距1.8m；m 相邻两辆车后轮中心距，1.3m,d轮胎着地宽度；,可以认为ho 分布在整个路基宽度上,第一节 边坡稳定性分析原理与方法,二.边坡稳定性分析的计算参数,三.边坡稳定性分析方法,力学分析法,数解法,图解法或表解法,工程地质法：根据已成不同土类或岩体边坡的大量经验数据，拟定出路基边坡稳定值参考表，供设计参考，属实践经验的对比,一般情况，土质边坡的设计，先按力学分析法进行验算，再以工程地质法予以校核，岩石或碎石土类边坡则主要采用工程地质法，有条件时可以力学分析进行校核。,第一节 边坡稳定性分析原理与方法,（一）力学分析法,1.直线法,适用性：适用于砂土和砂性土，土抗力以内摩擦力为主，粘聚力很小。,路堤：,由于砂性土粘聚力很小，可忽略不计则式（4-5）可表达为：,（4-5）,（4-6）,K1时，滑动面土体处于极限平衡状态，此时路堤的极限坡度等于砂类土的内摩擦角，该角相当于自然休止角(angle of repose)当内摩擦角大于边坡坡角，路基自然稳定，与高度无关,第一节 边坡稳定性分析原理与方法,路堑：,式中：,a0 参数，,按微分法，当dK/d0可求K最小时破裂面倾斜角0值：,则：,第一节 边坡稳定性分析原理与方法,（一）力学分析法,（4-7）,（4-9）,（4-6）,成层砂类土边坡：,（4-10）,如果某一分块有换算土柱荷载，该分块应包括换算土柱荷载在内。,稳定系数Kmin应大于1.25，但K值也不宜过大，以免造成不经济。,第一节 边坡稳定性分析原理与方法,（一）力学分析法,注意：,例题：某挖方边坡已知现拟定边坡为1：0.5，试验算其稳定性,第一节 边坡稳定性分析原理与方法,（一）力学分析法,解：,2.圆弧法,适用性：粘性土的路堤与路堑。,1）圆弧法的基本原理与步骤,基本原理：将圆弧滑动面上的土体划分为若干竖向土条，依次计算每一土条沿滑动面的下滑力矩和抗滑力矩，然后叠加计算整个滑动土体的稳定性。,计算精度：主要与分段数有关，分段越多越精确。,基本假定：一般假定土为均质和各项同性；,不考虑土体的内应力分布及各土条之间相互作用力的影响。,滑动面通过坡角；,第一节 边坡稳定性分析原理与方法,（一）力学分析法,基本步骤：,（1）通过坡角任意选定可能发生的圆弧滑动面AB，半径为R，沿路线纵向取单位长度1m。将滑动土体分成若干个一定宽度的土条（一般取24m）。,（2）计算每个土条的土重Gi，Gi可分解为垂直于小段滑动面的法向分力NiGicosi和平行于该面的切向分力TiGisini，isin-1(xi/R),（3）计算每一小段滑动面上的反力，即内摩擦力Nif（ftgi）和粘聚力cLi,第一节 边坡稳定性分析原理与方法,（一）力学分析法,(4）以圆心o为转动圆心，半径R为力臂，计算滑动面上各力对o点的滑动力矩和抗滑力矩(skid resistant moment)。,滑动力矩：,抗滑动力矩：,（5）求稳定系数K值,（4-11）,第一节 边坡稳定性分析原理与方法,（一）力学分析法,2）.确定极限滑动面,再假定几个可能的滑动面，按上述步骤计算相应的稳定系数K，从中找出最小的稳定系数Kmin,对应的滑动面为极限滑动面，相应的稳定系数为极限稳定系数，其值应在1.251.5之间。当Kmin小于容许稳定系数时，则放缓边坡，再按上述方法进行计算稳定性验算。,为了尽快地找到极限滑动面，减少计算量，根据经验，极限滑动圆心在一条直线上,第一节 边坡稳定性分析原理与方法,（一）力学分析法,2）确定圆心辅助线,由坡角E向下引竖线，在竖线上截取高度H=h+h0，得F点。,自F点向右引水平线，在水平线上截取4.5H，得M点。,连接坡角E和顶点S，求得SE的斜度i0=1/m，据此查表得1和2值。由E点作与SE成1角的直线，由S点作与水平线成2角的直线，两线相交得I点。,连接I和M两点即得圆心辅助线。,4.5H法一,（最精确）,第一节 边坡稳定性分析原理与方法,（一）力学分析法,不考虑荷载换算土层厚度h0，即Hh，斜度i0按边坡角、坡顶的连线AB与水平线的夹角来计算，其他步骤同（1）。,由荷载换算土柱高顶点作与水平线成36角的线EF，即得圆心辅助线,由坡顶处作与水平线成36角的线EF，即得圆心辅助线。,4.5H法二,36法一,36法二,（最简单，误差大）,第一节 边坡稳定性分析原理与方法,（一）力学分析法,第一节 边坡稳定性分析原理与方法,（一）力学分析法,条分法的表解法：供工程设计估算使用，此法不计行车荷载，圆心位置用36法确定，适当增大稳定性系数原理：将土条的高度、宽度、及弧长统一换算成边坡高度H的函数，即：,式中AB为换算系数(查表)，与XYZ有关，即：,第一节 边坡稳定性分析原理与方法,（一）力学分析法,例：已知某土坡试算土坡的稳定性。解：因m=1.5,查表的五个圆心的A、B值，,式中AB为换算系数(查表)，与XYZ有关，即：,第二节 陡坡路堤稳定性,当路堤修筑在陡坡上，且地面横坡度大于1：2.0或在不稳固的山坡上时，路基不仅要分析路堤边坡稳定性，还要分析路堤沿陡坡或不稳定山坡下滑的稳定性。,陡坡路堤滑动的几种可能：,一.陡坡(heavy grade)路堤(embankment),二.陡坡路堤边坡稳定性分析方法,1.直线滑动面法：,适用于：基底为单一坡面，土体沿直线滑动面整体下滑。,（4-13）,式中：,Q 对于以基底接触面为滑动面者，等于路堤自重；对于以基底以下软弱面为滑动面者，等于路堤连同其下不稳定土的自重；,P 路堤顶换算土柱荷载。,第二节 陡坡路堤稳定性,2.折线滑动面法：,Tn 第n个条块的自重Qn与荷载Pn的切线下滑力；,Nn 第n个条块的自重Qn与荷载Pn的法向分力；,En-1 上一个第n-1个条块传递而来的剩余下滑力。,当最后的剩余下滑力0，认为稳定。,第二节 陡坡路堤稳定性,二.陡坡路堤边坡稳定性分析方法,当滑动面为多个坡度的折线倾斜面时，可将滑动面上土体折线段划分为若干条块，自上而下分别计算各土体的剩余下滑力，根据最后一块的剩余下滑力的正负值确定其整体稳定性。,第三节 浸水路堤稳定性,一.渗透(seepage)动水压力的作用,河滩路堤除承受外力及自重外，还要承受浮力(buoyancy)及渗透动水压力的作用。,由于在土体内渗水速度比河中水位升降速度慢，所以当堤外水位升高时，堤内水位的比降曲线（浸润线）成凹形；当水位下降时，浸润线成凸形。,浸水路堤：修筑在桥头引道、河滩、河流沿岸，受到季节性或长期浸水的路堤,实例,水的渗透速度与土的性质和时间有关。,水位骤然下降时，由于水位差异，其渗透动水压力方向指向土体外面，这就剧烈破坏路堤边坡的稳定性，并可能产生边坡凸起和滑坡现象。,如路堤两侧边坡上水位不一致，会产生横穿路堤的渗透。,亚砂土、亚粘土填筑的浸水路堤，必须进行渗透动水压力计算。,第三节 浸水路堤稳定性,二.渗透动水压力的计算,（4-15）,式中：,I 渗透水力降坡（用浸润曲线的平均坡降）；,B 浸润曲线与滑动面之间的面积，m2；,0 水的容重，kN/m3,第三节 浸水路堤稳定性,三.浸水路堤(immerseable fill)边坡稳定性分析,最不利情况：最高水位骤然降落,采用圆弧法进行浸水路堤边坡稳定分析,（4-16）,第三节 浸水路堤稳定性,三.浸水路堤(immerseable fill)边坡稳定性分析,第三节 浸水路堤稳定性,假想摩擦角法：适当改变填料的内摩擦角，利用非浸水时的方法，进行稳定性验算,利用 代替 代入前述圆弧法中计算其稳定性,浸水路堤设计时：合理选定路堤高度，（一般情况：H大于设计洪水位+安全高度0.5m,大河或水库路堤：H=设计洪水位+雍水高+波浪高+安全高度0.5）浸水部分采用较缓的边坡设护坡道、防护加固、设置导流结构物边坡稳定性分析,三.浸水路堤(immerseable fill)边坡稳定性分析,第三节 浸水路堤稳定性,返回,第四节 软土地基的路基稳定性分析,指天然地基状态下，不采取任何加固措施，所容许的路基最大填土高度1.均质薄层软土地基 此时圆弧滑动面与软土层底面相切，则 2.均质厚层软土地基 实际工程中可近似取：Hc=0.3c,一、临界高度的计算,软土分类：河海沉积、湖泊沉积、江滩沉积和沼泽沉积。,二 路基稳定性的计算方法：圆弧法 圆弧滑动面与软土层底面相切 1.总应力法（直剪快剪指标）,第四节 软土地基的路基稳定性分析,2.有效固结应力法,第四节 软土地基的路基稳定性分析,