土力学 土坡和地基的稳定性.ppt.ppt
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1、第十章 土坡和地基的稳定性,掌握各种粘性土坡稳定分析方法,第八章 土坡稳定分析,8.1无粘性土土坡稳定分析 8.2粘性土土坡稳定分析 8.3土坡稳定分析中有关问题,主要内容,土坡稳定概述,由于地质作用而自然形成的土坡,在天然土体中开挖或填筑而成的土坡,山坡、江河岸坡,路基、堤坝,3.1 无粘性土坡稳定分析,一、一般情况下的无粘性土土坡,均质的无粘性土土坡,在干燥或完全浸水条件下,土粒间无粘结力,只要位于坡面上的土单元体能够保持稳定,则整个坡面就是稳定的,单元体稳定,TT,土坡整体稳定,稳定条件:TT,砂土的内摩擦角,抗滑力与滑动力的比值,安全系数,二、有渗流作用时的无粘性土土坡分析,稳定条件:
2、TT+J,顺坡出流情况:, / sat1/2,坡面有顺坡渗流作用时,无粘性土土坡稳定安全系数将近降低一半,三、例题分析,【例】均质无粘性土土坡,其饱和重度 sat=20.0kN/m3, 内摩擦角 =30,若要求该土坡的稳定安全系数为1.20,在干坡情况下以及坡面有顺坡渗流时其坡角应为多少度?,干坡或完全浸水情况,顺坡出流情况,3.2 粘性土土坡稳定分析,一、瑞典圆弧滑动法,假定滑动面为圆柱面,截面为圆弧,利用土体极限平衡条件下的受力情况:,滑动面上的最大抗滑力矩与滑动力矩之比,饱和粘土,不排水剪条件下,u0,fcu,粘性土土坡滑动前,坡顶常常出现竖向裂缝,裂缝的出现将使滑弧长度由AC减小到AC
3、,如果裂缝中积水,还要考虑静水压力对土坡稳定的不利影响,Fs是任意假定某个滑动面的抗滑安全系数,实际要求的是与最危险滑动面相对应的最小安全系数,最危险滑动面圆心的确定,R,O,对于均质粘性土土坡,其最危险滑动面通过坡脚, =0,O,E, 0,二、条分法,对于外形复杂、 0的粘性土土坡,土体分层情况时,要确定滑动土体的重量及其重心位置比较困难,而且抗剪强度的分布不同,一般采用条分法分析,滑动土体分为若干垂直土条,条分法分析步骤I,1.按比例绘出土坡剖面,2.任选一圆心O,确定滑动面,将滑动面以上土体分成几个等宽或不等宽土条,3.每个土条的受力分析,静力平衡,假设两组合力(Pi,Xi) (Pi1,
4、Xi1),条分法分析步骤,4.滑动面的总滑动力矩,5.滑动面的总抗滑力矩,6.确定安全系数,三、例题分析,【例】某土坡如图所示。已知土坡高度H=6m,坡角=55,土的重度 =18.6kN/m3,内摩擦角 =12,粘聚力c =16.7kPa。试用条分法验算土坡的稳定安全系数,分析:,按比例绘出土坡,选择圆心,作出相应的滑动圆弧 将滑动土体分成若干土条,对土条编号 量出各土条中心高度hi、宽度b i,列表计算sin i、cos i以及土条重W i,计算该圆心和半径下的安全系数 对圆心O选不同半径,得到O对应的最小安全系数; 在可能滑动范围内,选取其它圆心O1,O2,O3,重复上述计算,求出最小安全
5、系数,即为该土坡的稳定安全系数,计算,按比例绘出土坡,选择圆心,作出相应的滑动圆弧,取圆心O ,取半径R = 8.35m,将滑动土体分成若干土条,对土条编号,列表计算该圆心和半径下的安全系数,3、稳定数法(洛巴索夫),前苏联洛巴索夫提出了一种分析简单土坡稳定的简化图表计算法,可用于均质土、坡高在10m以内的土坡稳定性分析,也可用于较复杂情况的初步估算。泰勒也提出过一种稳定数法。,Ns-稳定系数,稳定数法可解决简单土坡稳定分析中的下述问题: 已知坡角及土的性质指标c、 、K ,求坡高h ; (1)由 、查图得Ns ,得极限坡高hcr=c/ Ns (2)*= /K、c*=c/K,由*、查图得N*s
6、 ,得稳定坡高 h=c*/ N*s 已知坡高h及土的性质指标c、K,求稳定的坡角 ; (1)由c、h得Ns=c/ h ,由 Ns 、查图得极限坡角cr (2)*= /K、c*=c/K,由c*、h得N*s=c*/ h ,由N*s、*查图得稳定 坡角 。 已知坡角、坡高h及土的性质指标c、,求边坡稳定安全系数K。 由图查稳定系数是边坡处于极限状态时的稳定系数 Ns,如果边坡的实际稳定系数 Ns Ns,则表示边坡是稳定的;若Ns Ns,则表示边坡是危险的。 土坡稳定安全系数K的表达形式:,K只考虑了c的强度折减。,四、泰勒图表法,土坡的稳定性相关因素:,泰勒(Taylor,D.W,1937)用图表表
7、达影响因素的相互关系,稳定数,土坡的临界高度或极限高度,泰勒图表法适宜解决简单土坡稳定分析的问题: 已知坡角及土的指标c、,求稳定的坡高H 已知坡高H及土的指标c、,求稳定的坡角 已知坡角、坡高H及土的指标c、,求稳定安全系数F s,五、例题分析,【例】一简单土坡=15,c =12.0kPa, =17.8kN/m3,若坡高为5m,试确定安全系数为1.2时的稳定坡角。若坡角为60,试确定安全系数为1.5时的最大坡高,在稳定坡角时的临界高度: Hcr=KH= 1.25=6m,【解答】,稳定数 :,由 =15,Ns= 8.9查图得稳定坡角 = 57,由 =60, =15查图得泰勒稳定数Ns为8.6,
8、稳定数 :,求得坡高Hcr=5.80m,稳定安全系数为1.5时的最大坡高Hmax为,3.3 土坡稳定分析中有关问题,一、挖方边坡与天然边坡,天然地层的土质与构造比较复杂,这些土坡与人工填筑土坡相比,性质上所不同。对于正常固结及超固结粘土土坡,按上述的稳定分析方法,得到安全系数,比较符合实测结果。但对于超固结裂隙粘土土坡,采用与上述相同的分析方法,会得出不正确的结果,二、关于圆弧滑动条分法,计算中引入的计算假定: 滑动面为圆弧 不考虑条间力作用 安全系数用滑裂面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比来定义,三、土的抗剪强度指标值的选用,土的抗剪强度指标值选用应合理: 指标值过高,有发生滑坡的可能 指标值过
9、低,没有充分发挥土的强度,就工程而言,不经济 实际工程中,应结合边坡的实际加荷情况,填料的性质和排水条件等,合理的选用土的抗剪强度指标。 如果能准确知道土中孔隙水压力分布,采用有效应力法比较合理。重要的工程应采用有效强度指标进行核算。对于控制土坡稳定的各个时期,应分别采用不同试验方法的强度指标,四、安全系数的选用,影响安全系数的因素很多,如抗剪强度指标的选用,计算方法和计算条件的选择等。工程等级愈高,所需要的安全系数愈大。 目前,对于土坡稳定的安全系数,各个部门有不同的规定。 同一边坡稳定分析,选用不同的试验方法、不同的稳定分析方法,会得到不同的安全系数。根据结果综合分析安全系数,得到比较可靠
10、的结论,五、查表法确定土质边坡的坡度,边坡的坡度允许值,应根据当地经验,参照同类土层的稳定坡度进行确定 一些规范和手册根据大量设计和运行经验规定了土坡坡度的允许值,可以通过查表法确定土质边坡的坡度,10.1 概 述,10.2 无粘性土坡的稳定性,10.3 粘性土坡的稳定性,10.4 土坡稳定性的影响因素,10.5 地基的稳定性,1、边坡,具有倾斜坡面的岩土体,2、边坡划分,按形成:天然边坡、人工边坡。 按组成:岩质边坡、土质边坡。,3、边坡组成要素,10.1 概 述,4、滑坡一种地质灾害,边坡丧失其原有稳定性,一部分岩土体相对于另一部分岩土体发生滑动的现象,1959年法国67m高的马尔帕塞薄拱
11、坝因坝基失稳而毁于一旦,死亡380人 4年后,意大利265m高的瓦昂拱坝上游托克山左岸发生大规模的滑坡 ,死亡约2500人 1975年8月,淮河板桥石漫滩水库因老化而垮坝决口,狂泻的大水夺走了万余条猝不及防的性命,5、滑坡事例,发生地点:长江西陵峡上段,兵书宝剑峡出口处新滩镇,方 量:3000万m3,运动速度:10m/s,运动距离:80m,死亡人数:成功预报, 无直接伤亡,灾害影响:摧毁新滩古镇,毁坏房屋569间,农田780亩,涌浪高54米,浪沉机动船 13艘,木船64只,时间:1985年6月12日,新滩滑坡,盐池河山崩,发生地点:湖北,鄂西,方 量:100万方,死亡人数:284人,运动速度:
12、34米/秒,运动距离:40米,时间:1980年6月3日,坡顶首先开始有明显下沉并出现裂缝,坡脚附近的地面有较大的侧向位移并有隆起,随着坡顶裂缝的开展和坡脚侧向位移的增加,部分土体突然沿着某一个滑动面急剧下滑,造成滑坡事故。 滑坡有可能是长期缓慢发展的,也可能在外荷突然变化的诱因下(降雨、地震)会突然发生。,6、发生滑坡的可能前兆,土体内部某个面上的剪应力达到了它的抗剪强度,稳定平衡遭到破坏。 剪应力的增加:如填土作用使边坡的坡高增加,渗流作用渗透力使下滑力增加,降雨使土体饱和、容重增加,地震作用等。 土体本身抗剪强度的减小:如浸水作用使土体软化,含水量减小使土体干裂、抗滑面面积减小,地下水位上
13、升使孔隙水应力升高、有效应力减小,气候变化产生的干裂冻融,粘土夹层因浸水而软化,膨胀土反复胀缩,粘性土的蠕变等。,7、引起滑坡的原因,要了解某个土坡在各种因素作用下是否具有足够的稳定性和工程经济性,需要对土坡进行稳定性分析.,(1)极限平衡法 (2)极限分析法 (3)数值计算法,8、边坡稳定分析基本方法,9、边坡稳定分析有待进一步研究的问题,(1)分析方法的不断完善 (2)岩土强度参数的合理选用。 (3)土的非均匀性 (4)降雨及地下水渗流的影响,(1)先假定破坏是沿土体内某一确定的滑动面滑动; (2)根据滑体的静力平衡条件和莫尔-库仑破坏准则计算滑体沿该滑动面滑动的可能性(用安全系数或破坏概
14、率表示); (3)系统地选取许多个可能的滑动面,用同样方法计算安全系数或破坏概率; (4)安全系数最低或破坏概率最高的滑动面就是滑动可能性最大的滑动面,最低安全系数或最高破坏概率即作为对该边坡安全性评价的指标。,(一)分析步骤,10、极限平衡法,(1)岩质边坡:软弱结构面(断层等)、软岩、软弱夹层。 (2)土质边坡:除非土体中存在明显的软弱环节,一般情况下预先是未知的。需要反复试算。,(1)平面形:由砂、卵石、风化砾石等粗粒料组成的均质无粘性土坡,倾斜平面岩体上的土坡等。 (2)弧面形:均质粘土边坡滑动面可近似看成是一圆柱面,其在平面上的投影近似看成一圆弧。 (3)复合形:非均质多层土或含软弱
15、夹层的土坡,往往沿着软弱层滑动,整个滑动面常常是直线和曲线组成的复合滑动面。,(三)滑动面的形状,(二)滑动面的位置的确定,总应力强度表示法,有效应力强度表示法,(四)安全系数的定义和计算,定义,(五)容许安全系数,1、无渗流作用时,根据实际观测,由均质砂性土构成的土坡, 破坏时滑动面大多近似于平面。 如图所示的简单土坡,若假定滑动面是通 过坡脚A的平面AC。,沿土坡长度方向截取单位长度土坡分析。 滑动土体ABC的重力为:,下滑力,垂直于坡面上的分力,抗滑力,力平衡法,10.2 无粘性土坡的稳定性,当 时滑动稳定安全系数最小,也 即无粘性土坡面上的一层土是最易滑动的。,1,z,边坡上土单元自重
16、为,下滑力,抗滑力,安全系数,力平衡法,讨论: (1)当= 时,K=1,土坡处于极限平衡状态。无粘性土的极限坡角等于内摩擦角也称为自然休止角。 (2)当 ,即K1,土坡就是稳定的。为了保证土坡具有足够安全,通常取 K1.3-1.5。 结论: 无粘性土土坡的稳定性与坡高无关,仅取决于坡角。,干砂的自然休止角,2、有渗流作用时,1,z,J,可知,当坡面有顺坡渗流作用时,无粘性土坡的稳定安全系数约降低1/2,渗透力,土单元体积,水头梯度,土单元自重,下滑力,抗滑力,安全系数,一般,力平衡法,若土坡下存在软弱层,则滑动面很大部分将通过软弱土层形成曲折的复合滑动面,而当土坡位于倾斜岩层面上时,滑动面往往
17、沿岩层面产生。,1、黏性土坡的滑动特点,黏性土坡的失稳形态与工程地质条件有关,非均质土层,10.3 粘性土坡的稳定性,滑动面大多为一曲面,破坏前,一般在坡顶首先出现张力裂缝,然后沿某一曲面产生整体滑动。此外,滑动体沿纵向也为一定范围的曲面,为了简化,进行稳定性分析时往往假设滑动面为圆筒面,并按平面应变问题处理。根据土坡的坡脚大小、土体强度指标以及土中硬层位置的不同,圆筒滑动面的形式一般有以下三种: (1) 圆弧滑动面通过坡脚,称为坡脚圆 (2) 圆弧滑动面通过坡面,称为坡面圆 (3) 圆弧滑动面通过坡脚以外的点,称为中点圆,均质土层,坡脚圆,坡面圆,中点圆,2、常用的稳定分析方法,整体圆弧滑动
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