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1、第八章 土坡稳定性分析,8.1 概述 8.2 无黏性土土坡稳定性分析 8.3 黏性土土坡稳定性分析 8.4 土坡稳定性分析的几个问题,【学习目标】理解土坡滑动失稳的原因及影响因素;掌握无黏性土坡稳定性分析方法,黏性土坡圆弧滑动面的整体稳定分析,确定最危险滑动面圆心的方法,条分法分析土坡稳定性的基本原理、方法步骤;了解土的抗剪强度指标的选用对边坡稳定性分析的影响。 【导读】当土坡内潜在滑动面上的剪应力超过土的抗剪强度时,土坡中的部分土体就会沿着滑动面发生滑动。滑坡常常给工农业生产以及人民生命财产造成巨大损失,有的甚至是毁灭性的灾难。如,2000年4月9日,西藏波密易贡高速公路发生的特大山体滑坡,
2、垂直落差达3300m,滑程约8500m,最大速度达44m/s,滑坡体截断了易贡藏布河,形成长约2500m,宽约2500m,高约60m,体积约3亿m3的堆积体,成为“天然大坝”,这是近100年来国内发生的最大滑坡事件,在世界上也属罕见。 土坡稳定性分析是土力学研究的主要内容之一,土坡稳定性常用滑动面稳定安全系数评价,出现在土坡中的滑动面形状决定于该土坡的断面构造和土的性质,通常可假定为圆弧面、若干个平面组成的折面或任意形状的曲面。本章重点介绍无黏性土坡、黏性土坡稳定性分析的原理和方法。,8.1 概述,土坡：是指具有倾斜坡面的土体。简单土坡的几何形态及各部位名称如图8-1所示。土坡分为天然土坡和人
3、工土坡。 天然土坡：是由于地质作用自然形成的土坡,如山坡、江河的岸坡等。 人工土坡：是经过人工挖、填的土工建筑物,如基坑、渠道、土坝、路堤等的边坡。,8.1 概述,滑坡：土体自重以及渗透力等在坡体内引起剪应力,如果剪应力大于土的抗剪强度,就要产生剪切破坏,一部分土体相对于另一部分土体滑动的现象,称为滑坡。 建筑边坡(Building Slope):是指在建筑场地或其周边的对建筑物有影响的自然边坡,或由于土方开挖、填筑形成的人工边坡。,8.1 概述,土坡滑动失稳的原因一般有以下两类情况: 1)外界力的作用破坏了土体内原来的应力平衡状态。如,基坑的开挖、路堤的填筑、土坡顶面上作用外荷载、土体内水的
4、渗流、地震力的作用等都会破坏土体内原有的应力平衡状态,导致土坡坍塌。 2)土的抗剪强度由于受到外界各种因素的影响而降低,促使土坡失稳破坏。如,外界气候等自然条件的变化、土坡附近因打桩、爆破或地震力的作用引起土的液化或触变,使土的强度降低。,8.1 概述,1 影响土坡稳定性的因素 影响土坡稳定性的有多种因素,主要包括土坡的边界条件、土质条件和外界条件等几方面。具体包括: (1)土坡的外形 坡角过大,土坡稳定性差;坡角过小,则不经济。因此,应选择合理的坡角,达到即安全又经济的目的。土坡的坡高H增大,土坡稳定性降低。 (2)土的性质 包括土的密实性,含水量和强度指标c、。土的密实性越好,强度指标c、
5、越大,土坡稳定性就越好。土的含水量是影响土坡稳定性的重要因素。含水量增加,土坡稳定性降低。在斜坡上堆有较厚的土层,特别是当下伏土层(或岩层)不透水时,容易在交界上发生滑动。,8.1 概述,1 影响土坡稳定性的因素 (3)降水或地下水的作用 持续的降水或地下水渗入土层中,可使土中含水量增高,土中易溶盐溶解,土质变软,强度降低;还可使土的重度增加以及孔隙水压力产生,使土体作用有动、静水压力,促使土体失稳。因此在土坡设计时应采用相应的排水措施。 (4)振动的作用 在地震荷载作用下,砂土极易发生液化。黏性土振动时,易使土的结构破坏,从而降低土的抗剪强度。施工打桩或爆破时,由于振动也可使邻近土坡变形或失
6、稳等。 (5)人为影响 由于人类不合理地开挖,特别是开挖坡脚,或开挖基坑、沟渠、道路边坡时将弃土堆在坡顶附近,在斜坡上建房或堆放重物时,都可能引起斜坡变形破坏。,8.1 概述,2 提高边坡稳定性的措施 1)防水排水措施。防水措施:一是防止外围的水进入场地,如在场地周边做截水沟;二是防止场地地表水渗入土坡,如应用黏土或土工防渗膜在边坡表面做防渗层。排水措施:一是排除场地地表水,保证排水通畅;二是排除渗入土坡中的水,如在土坡中设置排水暗管。 2)设置挡土结构。 3)削坡减载和堆载反压。 4)改良土质。 5)降水防渗。降水防渗可减小水力梯度和渗透力,以提高土坡稳定性。,8.1 概述,2 提高边坡稳定
7、性的措施 在土木工程中常常会遇到边坡稳定性问题,如图8-2所示土坡,当土坡内某一滑动面上作用的滑动力达到土的抗剪强度时,土坡即发生滑动破坏。 由于一些不确定因素的影响(如,滑动面形式的确定,土的抗剪强度参数取值,土的非均匀性以及土坡内雨水渗流影响等),土坡稳定性分析比较复杂。,8.2 无黏性土土坡稳定性分析,如图8-3所示的均质无黏性土简单土坡,已知土坡高度为H,坡角为,土的重度为,土的抗剪强度为f=tan。若假定滑动面是通过坡脚A的平面AC,AC的倾角为,则可计算滑动土体ABC沿AC面上滑动的稳定安全系数K。 沿土坡长度方向截取单位长度土坡,作为平面应变问题分析。已知滑动土体ABC的重力W为
8、 W=VABC 式中 VABC单位长度土体ABC的体积。,8.2 无黏性土土坡稳定性分析,W在滑动面AC上的法向分力N及正应力分别为 N=Wcos W在滑动面AC上的切向分力T及剪应力分别为 T=Wsin 土坡的滑动稳定安全系数K为 从式(8-1)可见,当=时稳定安全系数最小,即此时土坡面上的一层土是最易滑动的。因此,无黏性土的土坡滑动稳定安全系数为 ，一般要求K1.25。,8.3 黏性土土坡稳定性分析,黏性土土坡的坍滑与工程地质条件有关,在非均质土层中,如果土坡下面有软弱层,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,如图8-4a所示。如果土坡位于倾斜的岩层面上,则滑动面往往沿岩层
9、面产生,如图8-4b所示。,8.3 黏性土土坡稳定性分析,均质黏性土的土坡失稳破坏时,其滑动面常常是一曲面,通常近似地假定为圆弧滑动面。圆弧滑动面的形式一般有三种。 1)圆弧滑动面通过坡脚B点,如图8-5a所示,称为坡脚圆。 2)圆弧滑动面通过坡面E点,如图8-5b所示,称为坡面圆。 3)圆弧滑动面发生在坡脚以外的A点,如图8-5c所示,称为中点圆。,8.3 黏性土土坡稳定性分析,土坡稳定分析时采用圆弧滑动面首先由瑞典工程师彼得森(K.E.Petterson,1916)提出,此后费伦纽斯(W.Fellenius, 1927)和泰勒(D.W.Taylor,1948)做了研究和改进。他们提出的分析
10、方法可以分成两种: 土坡圆弧滑动体整体稳定性分析法。主要适用于均质简单土坡。所谓简单土坡是指土坡上、下两个土面是水平的,坡面BC是一平面,如图8-6所示。条分法分析土坡稳定性。对于非均质土坡、土坡外形复杂、土坡部分在水下等情况时适用。,8.3 黏性土土坡稳定性分析,8.3.1 土坡圆弧滑动面的整体稳定性分析,1 基本概念 分析如图8-6所示的均质简单土坡,若可能的圆弧滑动面为AD,其圆心为O,半径为R。分析时在土坡长度方向上截取单位长土坡,按平面问题分析。滑动土体ABCDA的重力为W,它是促使土坡滑动的力;沿着滑动面AD上分布的土的抗剪强度f是抵抗土坡滑动的力。将滑动力W及抗滑力f分别对滑动面
11、圆心O取矩,得滑动力矩Ms及稳定力矩Mr分别为 式中 W滑动体ABCDA的重力(kN); aW对O点的力臂(m); f土的抗剪强度(kPa),按库仑定律f=c+tan; 滑动圆弧AD的长度(m);R滑动圆弧面的半径(m)。,8.3 黏性土土坡稳定性分析,8.3.1 土坡圆弧滑动面的整体稳定性分析,1 基本概念 土坡滑动的稳定安全系数K可以用稳定力矩Mr与滑动力矩Ms的比值表示,即 由于土的抗剪强度f沿滑动面AD上的分布不均匀,因此直接按式(8-5)计算的土坡稳定安全系数有一定的误差。,8.3 黏性土土坡稳定性分析,8.3.1 土坡圆弧滑动面的整体稳定性分析,2 摩擦圆法 摩擦圆法由泰勒提出,他
12、认为如图8-7所示滑动面AD上的抵抗力包括土的摩阻力及黏聚力两部分,它们的合力分别为F及C。 假定滑动面上的摩阻力首先得到充分发挥,然后才由土的黏聚力补充。下面分别讨论作用在滑动土体ABCDA上的三个力。,8.3 黏性土土坡稳定性分析,8.3.1 土坡圆弧滑动面的整体稳定性分析,2 摩擦圆法 第一个力是滑动土体的重力W,它等于滑动土体ABCDA的面积与土的重度的乘积,其作用点位置在滑动土体ABCDA的形心。因此,W的大小和作用点都是已知的。 第二个力是作用在滑动面AD上黏聚力的合力C。为了维持土坡稳定,沿滑动面AD上分布的需要发挥的黏聚力为c1,可以求得黏聚力的合力C及其对圆心O的力臂x分别为
13、 式中 AD, AD的弧长及弦长。 所以C的作用线是已知的,但其大小未知,因为c1未知。,8.3 黏性土土坡稳定性分析,8.3.1 土坡圆弧滑动面的整体稳定性分析,2 摩擦圆法 第三个力是作用在滑动面AD上的法向力及摩擦力的合力,用F表示。泰勒假定F的作用线与圆弧AD的法线成角,也即F与圆心O点处半径为Rsin的圆相切,同时F还一定通过W与C的交点。因此,F的作用线是已知的,其大小未知。 根据滑动土体ABCDA上三个作用力W、F、C的静力平衡条件,可以从如图8-7所示的力三角形中求得C,由式(8-6),可求得维持土坡平衡时滑动面上所需要发挥的黏聚力c1。这时,土体的稳定安全系数K为 式中 c土
14、的实际黏聚力(kPa)。,8.3 黏性土土坡稳定性分析,8.3.1 土坡圆弧滑动面的整体稳定性分析,3 费伦纽斯确定最危险滑动面圆心的方法 (1)土的内摩擦角=0 费伦纽斯提出当土的内摩擦角=0时,土坡的最危险滑动面通过坡脚,其圆心为D点,如图8-8a所示。D点是由坡脚B及坡顶C分别作直线BD及CD的交点,BD与CD线分别与坡面及水平面成1及2角。1及2与土坡坡角有关,可由表8-1查得。,8.3 黏性土土坡稳定性分析,8.3.1 土坡圆弧滑动面的整体稳定性分析,3 费伦纽斯确定最危险滑动面圆心的方法 (2)土的内摩擦角0 费伦纽斯提出这时最危险滑动面也通过坡脚,其圆心在ED的延长线上,如图8-
15、8b所示。E点的位置距坡脚B点的水平距离为4.5H,竖直距离为H。值越大,圆心越向外移。计算时从D点向外延伸取几个试算圆心O1,O2,分别求得其相应的稳定安全系数K1,K2,绘K值曲线可得到最小稳定安全系数Kmin,其相应的圆心Om即为最危险滑动面的圆心。,8.3 黏性土土坡稳定性分析,8.3.1 土坡圆弧滑动面的整体稳定性分析,3 费伦纽斯确定最危险滑动面圆心的方法 实际上土坡的最危险滑动面圆心有时不一定在ED的延长线上,而可能在其左右附近,因此圆心Om可能并不是最危险滑动面圆心,这时可以通过Om点作DE线的垂线FG,在FG上取几个试算滑动面的圆心O1,O2,求得其相应的滑动稳定安全系数K1
16、,K2,绘得K值曲线,相应于Kmin的圆心O才是最危险滑动面圆心。 从上述可见,根据费伦纽斯提出的方法,虽然可以把最危险滑动面圆心的位置缩小到一定范围,但其试算工作量还是很大。泰勒对此做了进一步的研究,提出了确定均质简单土坡稳定安全系数的图表。,8.3 黏性土土坡稳定性分析,8.3.1 土坡圆弧滑动面的整体稳定性分析,4 泰勒的分析方法 泰勒认为圆弧滑动面三种形式与土的内摩擦角、坡角以及硬层埋置深度等因素有关。泰勒经大量计算分析后提出: 1)当3,滑动面为坡脚圆,其最危险滑动面圆心位置,可根据及,从如图8-9所示的曲线上查得及后作图求得。,8.3 黏性土土坡稳定性分析,8.3.1 土坡圆弧滑动面的整体稳定性分析,4 泰勒的分析方法 2)当=0,且53时,滑动面也是坡脚圆,其最危险滑动面圆心位置,同样可根据及,从如图8-9所示的曲线上查得及后作图求得。 3)当=0,且53时,滑动面可能是中点
