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1、第四章第四章路基稳定性分析计算东南大学交通学院黄晓明Tel: 025-8379 5184第四节第四节 软土地基的路基稳定性分析软土地基的路基稳定性分析公路工程线长面广，沿线地质、水文条件复杂公路工程线长面广，沿线地质、水文条件复杂多变，受多种因素制约，线路不可避免要穿越多变，受多种因素制约，线路不可避免要穿越软土区；软土区；软土特点是细粒土组成的软土特点是细粒土组成的空隙比大（空隙比大（e e 1 1）、天然含水量高（天然含水量高（wwwwL L , ,大于大于303050%50%）、压缩性压缩性高（高（a a1-21-20.5Mpa0.5Mpa-1-1）、强度低（强度低（C Cu u30Kp
2、a30Kpa）和和具有灵敏结构性的土层。具有灵敏结构性的土层。 School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，China China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科软土分类：软土分类：河海沉积河海沉积湖泊沉积湖泊沉积江滩沉积江滩沉积沼泽沉积沼泽沉积 软土分布：软土分布：沿海地区、内陆湖泊和河流谷地沿海地区、内陆湖泊和河流谷地分布着大量淤泥、淤泥质粘分布着大
3、量淤泥、淤泥质粘土等软土。土等软土。软土地段高填方路基软土地段高填方路基第四节第四节 软土地基的路基稳定性分析软土地基的路基稳定性分析School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，China China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科第四节第四节 软土地基的路基稳定性分析软土地基的路基稳定性分析主要病害主要病害在软土地基上修建高速公路会遇到在软土地基上修建
4、高速公路会遇到路基不稳定路基不稳定沉降过大及沉降过大及不均匀沉降不均匀沉降等问题等问题且工程性质恶劣，尤其在振动荷载的作用下，易产生且工程性质恶劣，尤其在振动荷载的作用下，易产生侧向滑移及蠕变，对路基、构筑物的影响较大。侧向滑移及蠕变，对路基、构筑物的影响较大。 School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，China China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重
5、点学科第四节第四节 软土地基的路基稳定性分析软土地基的路基稳定性分析主要措施主要措施:薄层软土薄层软土原则上清除换土原则上清除换土厚层软土厚层软土-稳定分析稳定分析,达到要求达到要求;加固措施加固措施;采用其他结构物采用其他结构物-修筑桥梁修筑桥梁School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，China China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科 临界高度
6、临界高度 指天然路基状态下，不采取任何加固措施，所容许指天然路基状态下，不采取任何加固措施，所容许的路基最大填土高度。的路基最大填土高度。 计算公式计算公式11、临界高度的计算、临界高度的计算1）均质薄层软土地基）均质薄层软土地基2）均质厚层软土路基）均质厚层软土路基式中：式中： Hc容许填土的临界高度；容许填土的临界高度； c 软土的快剪粘结力；软土的快剪粘结力； 填土的容重；填土的容重； Nw稳定因数，其值与路堤坡角及深度因素稳定因数，其值与路堤坡角及深度因素=（d+Hd+H）/H/H有关。如后图有关。如后图第四节第四节 软土地基的路基稳定性分析软土地基的路基稳定性分析School of
7、Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，China China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科第四节第四节 软土地基的路基稳定性分析软土地基的路基稳定性分析临临界界高高度度的的计计算算School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，Chi
8、na China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科l浸水路堤浸水路堤 浸水路堤是指受到季节性或长期浸水的沿河路堤、河滩路堤等。浸水路堤是指受到季节性或长期浸水的沿河路堤、河滩路堤等。l浸水路堤的水的浸润曲线浸水路堤的水的浸润曲线 由于土体内渗水速度远慢于河水，因此，当堤外水位升高时，堤内水位的比降由于土体内渗水速度远慢于河水，因此，当堤外水位升高时，堤内水位的比降曲线（即浸润线）成凹形，当堤外水位下降时，堤内水位的比降曲线成凸形。曲线（即浸润线）成凹形，当堤外水位下降时，堤内水位的比降曲线成
9、凸形。11、浸水路堤及水的浸润曲线、浸水路堤及水的浸润曲线涨潮涨潮落潮落潮水流曲线水流曲线双侧渗水路堤水位变化示意图双侧渗水路堤水位变化示意图单侧渗水路堤水位变化示意图单侧渗水路堤水位变化示意图第五节第五节 浸水路堤的稳定性分析浸水路堤的稳定性分析 水位急速上升时水位急速上升时，浸水路堤的浸润曲线下凹，土体除承受竖向，浸水路堤的浸润曲线下凹，土体除承受竖向的向上浮力外，还承受渗透动水压力的作用，作用方向指向土体的向上浮力外，还承受渗透动水压力的作用，作用方向指向土体内部，有利于土体稳定，经过一定时间的渗透，土体内水位趋于内部，有利于土体稳定，经过一定时间的渗透，土体内水位趋于平衡，不再存在渗透
10、动水压力。平衡，不再存在渗透动水压力。 水位骤然下降时水位骤然下降时，浸水路堤的浸润曲线上凸，渗透动水压力的，浸水路堤的浸润曲线上凸，渗透动水压力的作用方向指向土体外，这将剧烈破坏路堤边坡的稳定性，并可能作用方向指向土体外，这将剧烈破坏路堤边坡的稳定性，并可能产生边坡凸起和滑坡，不利于土体稳定，但经过一定时间的渗透，产生边坡凸起和滑坡，不利于土体稳定，但经过一定时间的渗透，土体内水位也会趋于平衡，不再存在渗透动水压力。土体内水位也会趋于平衡，不再存在渗透动水压力。浸水路堤边坡稳定的最不利情况一般发生在浸水路堤边坡稳定的最不利情况一般发生在最高洪水水位骤然降最高洪水水位骤然降落的时候落的时候，此
11、时渗透动水压力指向路基体外。，此时渗透动水压力指向路基体外。22、渗透动水压力对浸水路堤的作用、渗透动水压力对浸水路堤的作用第五节第五节 浸水路堤的稳定性分析浸水路堤的稳定性分析School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，China China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科1 1）浸水路堤的受力浸水路堤的受力: :自重、行车荷载、浮力自重、行车荷载、浮
12、力 渗透动水压力。渗透动水压力。2 2）浸水路堤的不利时刻：浸水路堤的不利时刻：涨水？、落水？。涨水？、落水？。3 3）土的渗透性：）土的渗透性：由于土中含有空隙，在水位变化过程中伴有土由于土中含有空隙，在水位变化过程中伴有土中含水量的变化。中含水量的变化。 对砂性土渗透性好，动水压力较小；对砂性土渗透性好，动水压力较小； 对黏性土渗透性不好，动水压力也不大；对黏性土渗透性不好，动水压力也不大； 对亚砂土、亚黏土具有一定的渗透性，动水压力较大，对亚砂土、亚黏土具有一定的渗透性，动水压力较大，边坡容易失稳。边坡容易失稳。33、渗透动水压力对浸水路堤的作用、渗透动水压力对浸水路堤的作用第五节第五节
13、 浸水路堤的稳定性分析浸水路堤的稳定性分析School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，China China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科第五节第五节 浸水路堤的稳定性分析浸水路堤的稳定性分析4 4）动水压力的计算）动水压力的计算DI B 0 D作用于浸润线以下土体重心的渗透动水压力，作用于浸润线以下土体重心的渗透动水压力，kN/m；I渗流水力坡降（取
14、用浸润曲线的平均坡降）；渗流水力坡降（取用浸润曲线的平均坡降）；B浸润曲线与滑动弧之间的面积，浸润曲线与滑动弧之间的面积，m2； 0水的容重，水的容重，kN/m3School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，China China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科第五节第五节 浸水路堤的稳定性分析浸水路堤的稳定性分析4 4、措施、措施p通过调查通过调查通过调
15、查通过调查, ,充分预估浪高、洪水位；充分预估浪高、洪水位；充分预估浪高、洪水位；充分预估浪高、洪水位；p放缓边坡；放缓边坡；放缓边坡；放缓边坡；p设置护坡道；设置护坡道；设置护坡道；设置护坡道；p设置导流结构物。设置导流结构物。设置导流结构物。设置导流结构物。School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，China China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点
16、学科地震的危害地震的危害 软弱地基沉陷；软弱地基沉陷； 液化；液化； 挡土墙等结构物破坏；挡土墙等结构物破坏； 边坡路基失稳等边坡路基失稳等要求：对地震烈度大于等于要求：对地震烈度大于等于8的地区进行地震验算。的地区进行地震验算。第六节第六节 路基边坡抗震稳定性分析路基边坡抗震稳定性分析School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，China China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南
17、大学道路与铁道工程国家重点学科第六节第六节 路基边坡抗震稳定性分析路基边坡抗震稳定性分析1、地震力、地震力地面产生地震波加速度形成的力；地面产生地震波加速度形成的力；School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，China China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科第六节第六节 路基边坡抗震稳定性分析路基边坡抗震稳定性分析2、边坡抗震稳定性的计算方法：、边
18、坡抗震稳定性的计算方法： 数解法数解法 图解法图解法3、数解法、数解法-按照非地震地区的路基边坡稳定性验算方法确定按照非地震地区的路基边坡稳定性验算方法确定最危险的滑动面，然后再考虑地震力的作用。最危险的滑动面，然后再考虑地震力的作用。School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，China China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科11、陡坡路堤及其稳定
19、性、陡坡路堤及其稳定性 1 1）陡坡路堤）陡坡路堤 陡坡路堤是指修筑在陡坡（地面横坡大于陡坡路堤是指修筑在陡坡（地面横坡大于1:21:2）上及不稳固）上及不稳固山坡上的路堤山坡上的路堤 2 2）陡坡路堤的稳定性问题：）陡坡路堤的稳定性问题： 路堤有沿陡坡或不稳定山坡下滑的可能性，涉及稳定问题，路堤有沿陡坡或不稳定山坡下滑的可能性，涉及稳定问题，有以下几种可能情况：有以下几种可能情况： 基底接触面较陡或强度较弱，路堤整体沿基底接触面基底接触面较陡或强度较弱，路堤整体沿基底接触面 滑动；滑动； 路堤修筑在较厚的软弱土层上，路堤连同其下的软弱路堤修筑在较厚的软弱土层上，路堤连同其下的软弱 土层沿某一
20、滑动面滑动；土层沿某一滑动面滑动； 基底岩层强度不均匀，致使路堤沿某一最弱层面滑动。基底岩层强度不均匀，致使路堤沿某一最弱层面滑动。 第七节第七节 陡坡路堤的稳定性分析陡坡路堤的稳定性分析School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，China China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科 3 3）陡坡路堤稳定性分析：）陡坡路堤稳定性分析： 陡坡路堤产生下滑
21、的主要原因是地面横坡较陡、基陡坡路堤产生下滑的主要原因是地面横坡较陡、基底土层软弱或强度不均匀，因此，计算参数应取滑动底土层软弱或强度不均匀，因此，计算参数应取滑动面附近较软弱的土的实测数据，并考虑浸水后的强度面附近较软弱的土的实测数据，并考虑浸水后的强度降低。一般可在基底开挖台阶时选择测试数据中较低降低。一般可在基底开挖台阶时选择测试数据中较低的值并按受水浸湿的程度予以适当折减。的值并按受水浸湿的程度予以适当折减。 陡坡路堤的稳定性分析假定路堤整体沿滑动面下滑陡坡路堤的稳定性分析假定路堤整体沿滑动面下滑，因此，稳定性分析方法可按滑动面形状分为直线法，因此，稳定性分析方法可按滑动面形状分为直线
22、法和折线法。和折线法。 第七节第七节 陡坡路堤的稳定性分析陡坡路堤的稳定性分析School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，China China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科22、陡坡路堤稳定性分析方法、陡坡路堤稳定性分析方法 1 1）直线法）直线法 当滑动面为基底的单一坡面时按直线滑动当滑动面为基底的单一坡面时按直线滑动面考虑面考虑 F=(Q+P)
23、F=(Q+P)coscos tgtg + + cLcL T=( T=(Q+P)Q+P)sin sin 稳定系数：稳定系数： K=F/T K=F/T 第七节第七节 陡坡路堤的稳定性分析陡坡路堤的稳定性分析School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，China China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科 2 2）折线法）折线法 当滑动面为基底的多个坡度的折线
24、倾斜面时，可按当滑动面为基底的多个坡度的折线倾斜面时，可按折线滑动面考虑，将滑动面上土体按折线段划分成若折线滑动面考虑，将滑动面上土体按折线段划分成若干条块，自上而下分别计算各土体的剩余下滑力，根干条块，自上而下分别计算各土体的剩余下滑力，根据最后一块土体的剩余下滑力的正负值确定整个路堤据最后一块土体的剩余下滑力的正负值确定整个路堤的整体稳定性。的整体稳定性。 即：剩余下滑力即：剩余下滑力 = = 下滑力下滑力 - ( - (抗滑力抗滑力)/K)/K 其中：其中： T Tn n=(Q=(Qn n+P+Pn n) ) sinsin n n N Nn n=(=(Q Qn n+P+Pn n) ) c
25、os cos n n 第七节第七节 陡坡路堤的稳定性分析陡坡路堤的稳定性分析School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，China China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科3）折线法陡坡路堤稳定性分析示例）折线法陡坡路堤稳定性分析示例 请用剩余下滑力方法分析下图所示的折线请用剩余下滑力方法分析下图所示的折线坡上路堤的抗滑稳定性。已知：坡上路堤的抗滑稳定
26、性。已知： 1) 1) 路堤的几何参数如图所示，其中：路堤的几何参数如图所示，其中： 2) 2) 土的参数为：土的参数为： ， ， ； 3) 3) 作用在路堤上的超载作用在路堤上的超载 ； 4) 4) 抗滑安全系数抗滑安全系数第七节第七节 陡坡路堤的稳定性分析陡坡路堤的稳定性分析第七节第七节 陡坡路堤的稳定性分析陡坡路堤的稳定性分析School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，China China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家
27、重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科 计算计算： 1) 1) 首先求土块首先求土块的剩余下滑力；的剩余下滑力； 的面积：的面积：S S1 11/2(4+6)2+1/266=28 m1/2(4+6)2+1/266=28 m2 2 的重量：的重量：G G1 1=2818=504 kN/m=2818=504 kN/m 的抗滑力：的抗滑力：R R1 1=1/K(G=1/K(G1 1+q+q b b1 1)cos)cos1 1tgtg c c L L1 1 1/1.255440.7070.2681/1.255440.7070.268106.0/0.707106.0
28、/0.707 150.36kN/m 150.36kN/m 的下滑力：的下滑力：T T1 1= =（G G1 1+q+q b b1 1）sinsin1 15440.7075440.707 384.608 kN/m384.608 kN/m 所以，所以，的剩余下滑力的剩余下滑力为为：F F1 1T T1 1R R1 1234.25 kN/m234.25 kN/m 第七节第七节 陡坡路堤的稳定性分析陡坡路堤的稳定性分析School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，Ch
29、ina China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科 2) F 2) F1 1当作外力，求土块当作外力，求土块的剩余下滑力；的剩余下滑力； 的面积：的面积：S S2 248=32 m48=32 m2 2 的重量：的重量：G G2 2=3218=576 kN/m=3218=576 kN/m 的的抗抗滑滑力力：R R2 2=1/K(G=1/K(G2 2+q+q b b2 2F F1 10.707)tg0.707)tg c c L L2 2 1/1.25781.610.2681/1.25781.6
30、10.268104.0104.0 199.58 kN/m199.58 kN/m 的下滑力：的下滑力：T T2 2=F=F1 10.7070.707234.250.707234.250.707 165.61kN/m165.61kN/m 的剩余下滑力为：的剩余下滑力为：F F2 2T T2 2R R2 2-33.97 kN/m0-33.97 kN/m0， 也即也即和和可以自平衡，所以令可以自平衡，所以令F F2 2为为0 0，不带入下块计算，不带入下块计算。 第七节第七节 陡坡路堤的稳定性分析陡坡路堤的稳定性分析School of Transportation Southeast Universi
31、tySchool of Transportation Southeast University，China China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科 3) 3) 求土块求土块的剩余下滑力；的剩余下滑力； 的面积：的面积：S S3 31/288=32 m1/288=32 m2 2 的重量：的重量：G G3 3=3218=576 kN/m=3218=576 kN/m 的抗滑力：的抗滑力：R R3 3=1/KG=1/KG3 3coscos2 2tgtg c c L L3 3 1/1.25576
32、0.970.2681/1.255760.970.268108.0/0.97108.0/0.97 185.8 kN/m185.8 kN/m 的下滑力：的下滑力：T T3 3= G= G3 3sinsin2 25760.2425760.242 139.4 kN/m139.4 kN/m 的剩余下滑力为：的剩余下滑力为：F F3 3T T3 3R R3 3-46.4 kN/m0-46.4 kN/m0 4) 4) 因因为为的剩余下滑力小于的剩余下滑力小于0 0，折，折线线路堤路堤满满足抗滑要求。足抗滑要求。 第七节第七节 陡坡路堤的稳定性分析陡坡路堤的稳定性分析School of Transportation Southeast UniversitySchool of Transportation Southeast University，China China 东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科东南大学道路与铁道工程国家重点学科
