第四章路基穩(wěn)定性驗(yàn)算

1、第四章第四章 路基穩(wěn)定性驗(yàn)算路基穩(wěn)定性驗(yàn)算第第二二篇篇 路基工程路基工程（第一分篇）（第一分篇）教學(xué)要求教學(xué)要求1.描述需要進(jìn)行路基邊坡穩(wěn)定性分析和驗(yàn)算的情況，說明邊坡穩(wěn)定性分析常用的兩種驗(yàn)算方法；2.通過試驗(yàn)確定邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算中所需的土的參數(shù)資料；3.描述力學(xué)驗(yàn)算法、工程地質(zhì)法的概念及直線滑動(dòng)面法、圓弧滑動(dòng)面法的驗(yàn)算思路，步驟及適用性；4.描述圓心輔助線的兩種確定方法；5.描述陡坡路堤穩(wěn)定性驗(yàn)算的思路、步驟及適用性,會(huì)選擇路基穩(wěn)定性的加固措施。主要內(nèi)容v 第一節(jié) 概念v 第二節(jié) 高路堤和深路塹的邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算v 第三節(jié) 陡坡路堤的穩(wěn)定性驗(yàn)算第一節(jié)第一節(jié) 概述概述v 路基邊坡穩(wěn)定性分析驗(yàn)算，是

2、路基設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一。v 邊坡穩(wěn)定性分析和驗(yàn)算方法邊坡穩(wěn)定性分析和驗(yàn)算方法:力學(xué)驗(yàn)算法工程地質(zhì)法v 其中其中:在力學(xué)驗(yàn)算法在力學(xué)驗(yàn)算法數(shù)解法圖解或表解法v 路基邊坡穩(wěn)定性分析驗(yàn)算，是路基設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。路基邊坡穩(wěn)定性分析驗(yàn)算，是路基設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。v 有幾種情況須進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)算有幾種情況須進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)算:1)邊坡高度超過20m的路堤2)土質(zhì)挖方邊坡高度超過20m路塹3)巖石挖方邊坡高度超過30m路塹4)陡斜坡路堤5)浸水的沿河路堤6)特殊地段的路基一、邊坡滑動(dòng)面分析一、邊坡滑動(dòng)面分析v 路基邊坡滑坍，是公路上常見的破壞現(xiàn)象之一，常發(fā)生于長(zhǎng)期降雨。v 邊坡滑坍滑動(dòng)面的形狀與土質(zhì)有關(guān)，一般的形狀

3、有： 平面、曲面，折線直面 為簡(jiǎn)化計(jì)算，邊坡滑動(dòng)斷面可選用：v 直線砂土及砂性土；圓曲線黏性土；折線不同土層v 滑動(dòng)面形狀如圖所示：圖2-1-4-1 滑動(dòng)面的各種形式a）填砂性土?xí)r；b）填粘性土?xí)r；c）；地基為軟弱土層時(shí)；d）邊坡為折線時(shí)；e）橫斷面為陡坡時(shí)（整體滑動(dòng)）二、汽車荷載當(dāng)量高度計(jì)算二、汽車荷載當(dāng)量高度計(jì)算v 目的：計(jì)算車輛荷載在路基填士破壞棱體上引起的附加土側(cè)壓力v 要求：按車輛最不利情況排列，規(guī)定作橫向布置，車輛外側(cè)車輪中線距路面邊緣0.5mv 方法：v 1.按圖排列：v 2.計(jì)算：圖2-1-4-2 汽車荷載布置示意圖三、邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算的計(jì)算參數(shù)三、邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算的計(jì)算參數(shù)v 1

4、.邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算所需土的試驗(yàn)資料v (1)土的重度，KNm3。v (2)內(nèi)摩擦角v (3)黏結(jié)力c，KPa。v 2.圖解或表解法中多層土體驗(yàn)算參數(shù)的確定v 圖解或表解法中多層土的參數(shù)的確定：圖解或表解法中多層土的參數(shù)的確定：圖2-1-4-3 圖解或表解法時(shí)的邊坡取值a）折線形邊坡；b）階梯形邊坡 用圖解或表解法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，對(duì)于折線形邊坡（圖2-1-4-3a），一般可取各坡度的算術(shù)平均值；對(duì)于階梯形邊坡（圖2-1-4-3b），則取坡角點(diǎn)與坡頂點(diǎn)的連線。第二節(jié)第二節(jié) 高路堤和深路塹的邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算高路堤和深路塹的邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算 路堤邊坡高度超過20m時(shí)稱為高路堤；土質(zhì)挖方邊坡高度超過20

5、m或巖石挖方邊坡高度超過30m時(shí)稱為深路塹。 高路堤和深路塹的邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算一般可采用力學(xué)驗(yàn)算法，其基本原理是在邊坡上假定幾個(gè)不同的滑動(dòng)面，按力學(xué)平衡原理對(duì)每個(gè)滑動(dòng)面進(jìn)行驗(yàn)算，從中找出最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，按此最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的穩(wěn)定程度來判斷邊坡的穩(wěn)定性。 1.力學(xué)驗(yàn)算法包括：直線法、圓弧法和不平衡推力法三種。 2.工程地質(zhì)類比法 根據(jù)穩(wěn)定的自然山坡或已有的人工邊坡進(jìn)行土類及其狀態(tài)的分析研究，通過工程地質(zhì)條件相對(duì)比，擬定出與路基邊坡條件相類似的穩(wěn)定值的參考數(shù)據(jù)，作為確定路基邊坡值的依據(jù)。 一般情況下： 土質(zhì)邊坡力學(xué)驗(yàn)算法（設(shè)計(jì)），工程地質(zhì)類比法（校核）。 巖石或碎石土類邊坡工程地質(zhì)類比法。一、直線滑動(dòng)面法

6、一、直線滑動(dòng)面法sintancosGcLGTFK 直線滑動(dòng)面法適用于松散的砂土和砂性土（兩者合稱砂類土）。 如圖2-1-4-4a）所示，驗(yàn)算時(shí)先通過坡腳或變坡點(diǎn)假設(shè)一直線滑動(dòng)面AD，下滑土楔體ABD沿假設(shè)的滑動(dòng)面滑動(dòng)，其穩(wěn)定系數(shù)K按下式計(jì)算（按邊坡縱向單位長(zhǎng)度計(jì)）： 如圖2-1-4-4a，通過坡腳A點(diǎn)，繼續(xù)假設(shè)幾個(gè)（34個(gè)）不同的滑動(dòng)面，按上式求出相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)K1，K2，K3等值，并繪出Kf()曲線（圖2-1-4-4b），在此關(guān)系曲線上找到最小穩(wěn)定系數(shù)Kmin及對(duì)應(yīng)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面時(shí)的傾斜角0。 為保證邊坡穩(wěn)定性必須有足夠的安全儲(chǔ)備，穩(wěn)定系數(shù)Kmin1.25，但K值也不宜太大，以免造成工程不經(jīng)濟(jì)

7、。當(dāng)路堤填料為純凈的粗砂、中砂、礫石、碎石時(shí)：tantanTFK二、圓弧滑動(dòng)面法二、圓弧滑動(dòng)面法圓弧滑動(dòng)面法圓弧滑動(dòng)面法適用于粘性土邊坡。適用于粘性土邊坡。 基本假定基本假定：1.滑動(dòng)面為通過坡腳的圓柱面；2.不考慮土體的內(nèi)應(yīng)力分布及各土條之間相互作用力的影響；3.安全系數(shù)為抗滑力矩比滑動(dòng)力矩。需解決問題需解決問題：1.滑動(dòng)面位置；2.安全系數(shù)K；3.最小安全系數(shù)Kmin；4.判斷邊坡穩(wěn)定性。粘性土邊坡的滑動(dòng)面 1.1.條分法條分法 1）計(jì)算公式及步驟 （1）如圖2-1-4-5所示，通過坡腳任意選定一個(gè)可能的圓弧滑動(dòng)面AB，其半徑為R。將滑動(dòng)土體分成若干個(gè)垂直土條，其寬度一般為24m，通常分8

8、10個(gè)土條，為了計(jì)算方便，分條時(shí)，垂直分條線分別與圓心垂直軸重合，與不同土層和邊坡交接點(diǎn)及圓弧滑動(dòng)面交接點(diǎn)重合。（2）根據(jù)每個(gè)土條的面積，縱向以單位長(zhǎng)度計(jì)，計(jì)算出每個(gè)土條的土體重Q，引至滑動(dòng)圓弧面上并分解為：切向分力 法向分力 式中：為第i條土體弧段中心點(diǎn)的徑向線與該點(diǎn)垂線之間的夾角，。 （3）以圓心O點(diǎn)，半徑R，計(jì)算滑動(dòng)面上各力對(duì)O點(diǎn)的滑動(dòng)力矩。 滑動(dòng)力矩滑動(dòng)（ii） 抗滑力矩抗滑（ii）iiiQTsinsiniiQN （4）求穩(wěn)定系數(shù)K： （5）按上述步驟通過坡腳再假設(shè)幾個(gè)可能的滑動(dòng)圓弧，分別計(jì)算各個(gè)滑動(dòng)面的穩(wěn)定系數(shù)相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)K，從中得出Kmin值。Kmin值所對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)面就是最危險(xiǎn)滑

9、動(dòng)面。 一般情況下，容許穩(wěn)定系數(shù)K=1.21.5。取值時(shí)可根據(jù)土的特性、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的可靠程度、公路等級(jí)和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)綜合考慮確定。當(dāng)Kmin1.25時(shí)，則應(yīng)放緩邊坡、更換填料，重新按上述方法進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。 2）危險(xiǎn)圓心輔助線確定）危險(xiǎn)圓心輔助線確定 為了較快地找到最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓心，減少試算的工作量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，危險(xiǎn)滑動(dòng)面的圓心在一條直線上，該直線稱為圓心輔助線。確定圓心輔助線的方法有4.5H法和36法。 （1）4.5H法（如圖2-1-4-6所示）4.5H法的步驟如下：由坡腳E向下引垂線并取邊坡高度H得F點(diǎn)。自F點(diǎn)向右引水平線并量取4.5H得M點(diǎn)。連接坡腳E和坡頂S，求ES的斜度 ，根據(jù)i由表2-1

10、-4-1查得1、2的角值。自E點(diǎn)引與ES成1角的直線，又由S點(diǎn)引與水平線成2角的直線，兩直線交于I點(diǎn)。 連接M與I，并向左上方延長(zhǎng)，即得圓心輔助線。如土僅有粘結(jié)力，而 0，則最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧的圓心就是I點(diǎn)；如土除了粘結(jié)力之外還有摩擦力，則最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的圓心將隨值的增加，而在輔助線上向外移動(dòng)。mi10輔助線作圖角值表 表2-1-4-14.5H法較精確，求出的穩(wěn)定系數(shù)值較小，此法適用于驗(yàn)算重要建筑物的穩(wěn)定性。 (2)36法 此法是一種簡(jiǎn)化的方法，如圖2-1-4-7所示，由E點(diǎn)作與水平線成36角的射線EF，即為圓心輔助線。36法較簡(jiǎn)便，但精確度不如4.5H法，若不計(jì)汽車荷載當(dāng)量高度，計(jì)算結(jié)果也出入不大

11、。圖2-1-4-7 36法確定圓心輔助線a）考慮行車荷載時(shí)；b）不計(jì)行車荷載時(shí) 2.表解法 按條分法進(jìn)行路基邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)計(jì)算工作量較大，所以對(duì)均質(zhì)、直線形邊坡路堤，滑動(dòng)面通過坡腳，坡頂為水平并延伸到無限時(shí)，可用表解法進(jìn)行驗(yàn)算。 如圖2-1-4-8所示，穩(wěn)定系數(shù)為： BHcfAK式中： 邊坡高度，； 、取決于幾何尺 寸的系數(shù)，查 表2-1-4-2； 土的粘結(jié)力，kPa； 土的內(nèi)摩擦系數(shù)，f tan 。制表時(shí)略去行車荷載，用36法確定圓心輔助線，假定滑動(dòng)面通過坡腳，如圖2-1-4-9所示。各個(gè)滑動(dòng)圓弧的圓心自路基邊緣S點(diǎn)開始，取SO1（0.25+0.4m）H，其中m為邊坡率，H為邊坡高度。自O(shè)

12、1起，每隔0.3H定一點(diǎn),分別為O2、O3、O4、O5。此時(shí)其A、B值見表2-1-4-2?；瑒?dòng)面通過坡腳時(shí)表解法的A、B值 表2-1-4-225陡坡路堤v 當(dāng)路基修筑在陡坡上，且地面橫破大于1：2.0或在不穩(wěn)固的山坡上，路基不僅要分析路堤邊坡穩(wěn)定性，還要分析路堤沿陡坡或不穩(wěn)定山坡下滑的穩(wěn)定性。v 陡坡路堤邊坡穩(wěn)定性分析假定路堤整體沿滑動(dòng)面下滑，邊坡穩(wěn)定性分析方法可按滑動(dòng)面形狀的不同分為直線和折線兩種方法。第三節(jié)第三節(jié) 陡坡路堤的穩(wěn)定性驗(yàn)算陡坡路堤的穩(wěn)定性驗(yàn)算一、陡坡路堤邊坡穩(wěn)定性分析方法一、陡坡路堤邊坡穩(wěn)定性分析方法 1.1.直線法直線法 基底為單一坡面，土體沿直線滑動(dòng)面整體下滑時(shí)，可用直線滑

13、動(dòng)面法。 ()costg+cL/ ()sin2.折線滑動(dòng)面法折線滑動(dòng)面法計(jì)算途中出現(xiàn)En0，則此塊剩余下滑力不向下一塊傳遞；當(dāng)最終的剩余下滑力Ez0時(shí)，判斷路堤為穩(wěn)定。二、穩(wěn)定加固措施二、穩(wěn)定加固措施v 1.1.改善基底，增加滑動(dòng)面的抗滑力或減少滑動(dòng)力改善基底，增加滑動(dòng)面的抗滑力或減少滑動(dòng)力開挖臺(tái)階，放緩邊坡清除坡積層，夯實(shí)基底選擇較大顆粒填料。v 2.2.加強(qiáng)排水設(shè)施加強(qiáng)排水設(shè)施v 3.3.設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)物設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)物可在坡腳處設(shè)置石砌護(hù)腳、干砌或漿砌擋土墻等 當(dāng)驗(yàn)算最終一塊土體的剩余下滑力Ez0時(shí)，則路堤為不穩(wěn)定，必須采取以下措施，以增加陡坡路堤的穩(wěn)定性。本本 章章 小小 結(jié)結(jié)（1）對(duì)于高

14、路堤、深路塹、陡坡路堤、浸水路堤以及地質(zhì)水文條件特殊地段的路基，應(yīng)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析和驗(yàn)算。 （2）邊坡穩(wěn)定性分析和驗(yàn)算方法常用的有力學(xué)驗(yàn)算法、工程地質(zhì)法兩種。在力學(xué)驗(yàn)算法中又可分為數(shù)解法、圖解或表解法兩類。一般土質(zhì)路基的邊坡設(shè)計(jì)常用力學(xué)驗(yàn)算法進(jìn)行驗(yàn)算；巖石或碎石土類路基的邊坡則常采用工程地質(zhì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。（3）在一般情況下，當(dāng)路基填筑的是砂類土?xí)r，滑 動(dòng)面類似于直線平面，在邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)可采用直線滑動(dòng)面法；當(dāng)路基填筑的是粘性土?xí)r，滑動(dòng)面類似于圓曲面，在邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)可采用圓弧滑動(dòng)面法。（4）邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算所需土的試驗(yàn)資料為土的容重、內(nèi)摩擦角、粘結(jié)力c。（5）直線滑動(dòng)面法驗(yàn)算的思路是：先通過

15、坡腳或變坡點(diǎn)假設(shè)一直線滑動(dòng)面，下滑土楔體沿假設(shè)的滑動(dòng)面滑動(dòng)，計(jì)算其穩(wěn)定系數(shù)K；然后通過坡腳點(diǎn)，繼續(xù)假設(shè)不同的滑動(dòng)面，求出相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)Ki值，繪出Kf()曲線，在此曲線上找到最小穩(wěn)定系數(shù)Kmin，并要求不小于1.25。（6）圓弧滑動(dòng)面法驗(yàn)算的思路是：首先用4.5H法作圓心輔助線，然后通過坡腳選一個(gè)可能的圓弧滑動(dòng)面，將滑動(dòng)土體分成若干個(gè)垂直土條，利用條分法計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)K；再假設(shè)幾個(gè)可能的滑動(dòng)圓弧，分別計(jì)算相應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)，在圓心輔助線上繪出穩(wěn)定系數(shù)關(guān)于圓心的關(guān)系曲線，找出最小的穩(wěn)定系數(shù)Kmin，并要求不小于1.25。（7）陡坡路堤的穩(wěn)定性驗(yàn)算的思路是：根據(jù)路堤可能滑動(dòng)的方向，整塊或逐塊計(jì)算剩余下滑力，由最終剩余下滑力的正負(fù)來判斷路堤的穩(wěn)定性。 （8）當(dāng)陡坡路堤的邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算不足時(shí)，可采用的改善措施有：改善基底，增加滑動(dòng)面的抗滑力或減少滑動(dòng)力；加強(qiáng)排水設(shè)施；設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)物。思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題1.什么情況下需要進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析和驗(yàn)算？2.常用邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算方法有哪兩種？力學(xué)驗(yàn)算法中又可分為哪兩種？3.如何正確地選用可能的滑動(dòng)面？4.何謂汽車荷載當(dāng)量高度？換算時(shí)以哪層土為基準(zhǔn)？5.邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)所需土的試驗(yàn)資料有哪些？6.何謂工程地質(zhì)法？什么情況下適用？ 7.直線滑動(dòng)面法適用于什么土？其驗(yàn)算思路及步驟如何？ 8.圓弧滑動(dòng)面法適用