巖土邊坡穩(wěn)定性分析

1、 巖土邊坡穩(wěn)定性分析巖土邊坡穩(wěn)定性分析二一八年二月二一八年二月 冬春培訓講座：目 錄 一、邊坡及分類 二、邊坡的滑塌模式及識別 三、邊坡穩(wěn)定性分析 四、邊坡分析中存在的問題討論一、邊坡及其分類 1 1、邊坡的概念 傾斜的坡面稱為坡或斜坡，因斜坡常常構成了傾斜的坡面稱為坡或斜坡，因斜坡常常構成了工程邊界工程邊界，故稱為，故稱為邊坡。邊坡。如建筑邊坡、礦山邊如建筑邊坡、礦山邊坡、公路邊坡、鐵路邊坡、人工河庫岸邊坡、坡、公路邊坡、鐵路邊坡、人工河庫岸邊坡、大壩邊坡等等。包括大壩邊坡等等。包括自然邊坡自然邊坡（自然斜坡構成（自然斜坡構成了工程邊界）和了工程邊界）和人工邊坡人工邊坡。 2 2、自然斜坡的

2、概念自然斜坡的概念 受巖土自身條件的約束，在外在自然條件的作受巖土自身條件的約束，在外在自然條件的作用下所形成的傾斜坡面。分穩(wěn)定斜坡和不穩(wěn)定用下所形成的傾斜坡面。分穩(wěn)定斜坡和不穩(wěn)定斜坡。斜坡。一、邊坡及其分類3 3、滑坡的概念產(chǎn)生變形和滑移的邊坡或自然斜坡，統(tǒng)稱為滑坡，其根源都是破壞了坡體的力學平衡，使坡體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在滑坡中，大略統(tǒng)計，邊坡大概占90%(工程滑坡)，自然斜坡可能只有10%（自然滑坡）。自然斜坡產(chǎn)生滑坡受地震，大風，長期風化作用、庫（河）水位上升等外力影響?；率Х€(wěn)下滑前地面上的系統(tǒng)變形開裂跡象滑坡失穩(wěn)下滑前地面上的系統(tǒng)變形開裂跡象 4 4、邊坡與滑坡的區(qū)別 （1）邊坡是涉

3、及工程建設中的人工斜坡，即使是自然邊坡也必須與工程建設有關；而滑坡通常是由自然原因引發(fā)的自然斜坡，只有工程滑坡才與工程建設有關。 （2）邊坡坡體的滑面是由于人工開挖與填筑后才形成的，原先并不存在，且坡體無蠕動與滑動跡象；而滑坡具有自然的滑面，且坡體有蠕動與滑動跡象。一、邊坡及其分類二、邊坡的滑塌模式及識別 1 1、邊坡滑塌模式 (1)邊坡滑塌野外狀態(tài)的確定 見到一個滑塌的邊坡，確定當下其存在狀態(tài)很重要，穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定、不穩(wěn)定。這是定性確定。慎重。有利于反演 C、值。 野外工作方法： 查明滑坡邊界、地質水文條件、估計滑坡體厚度、繪圖（平面、剖面）、確定破壞模式及狀態(tài)。只求判斷準確，不求計

4、算精確 （2）確認邊坡的滑塌模式 平面滑坡滑動面常由沉積面或軟夾層等地質面構成 當滑體的滑動方向與滑面傾向一致時，稱為順層滑坡二、邊坡的滑塌模式及識別 楔體滑坡楔體滑坡的滑面由兩組相交切的結構面構成，它們與坡面及坡頂組合將巖體切割成四面楔體。 圓弧滑坡土坡（包括土坡、破碎巖體、尾砂壩、廢石場）中無近控制性地質結構面，滑面的形成完全取決于土的力學性質。只有均質土坡和強裂破碎的巖坡的滑面在剖面上接近為圓弧形。搜索最不穩(wěn)定的圓弧面。 傾倒破壞如崩塌、塊狀墜落等。巖體傾角陡、坡面陡，巖體結構面復雜。二、邊坡的滑塌模式及識別 2 2、邊坡滑塌識別方法 識別邊坡滑塌的方法主要有： （1）彈塑性力學計算方法

5、 主要以微元為單位，通過計算微元的應力、應變是否達到屈服、拉伸、斷裂、彎曲等破壞，從面判斷材料的局部或全域性的破壞。 （2）極限平衡分析法 巖土體的特點是非均質、非線性，不連續(xù)的各向異性體，不能按彈塑性理論嚴格推理出滑移面，因為它涉及到大范圍巖土體、多種巖性土體、結構面、地下水以及各種難以查清的細節(jié)，因此在詳細工作基礎上，判斷準確很關鍵。極限平衡分析法特點是：滑移面是事先假定的、任意的，滑移面包含的變形區(qū)中破壞判劇并非處處滿足，而是整體滿足。真實滑移面取決于地質間斷面的空間分布和抗剪強度。表達方式：穩(wěn)定系數(shù)：Fs=抗滑力/下滑力=S/T（3）極射赤平投影分析法該方法常用于巖質邊坡的定性判斷中，

6、主要由軟弱結構面與開挖坡面之間有不同的幾何關系引起的，這種幾何組合關系可用極射赤平投影表示，主要吳氏網(wǎng)和施密特網(wǎng)。 巖質邊坡穩(wěn)定性主要根據(jù)定性進行判定，方法主要為極射赤平投影法。能夠清楚查明滑移面的可用極限平衡法進行計算分析。在此不詳述。 下面主要講土質邊坡的穩(wěn)定性分析與設計（主要為極限平衡法）。三、邊坡穩(wěn)定性分析 1、 邊坡的滑動邊坡的失穩(wěn)常常是在外界的不利因素影響下觸發(fā)和加劇的，一般有以下幾種原因： (1)邊坡作用力發(fā)生變化：例如由于在坡頂堆放材料或建造建筑物使坡頂受荷。人工開挖等。 (2)土抗剪強度的降低：例如土體中含水量或孔隙水壓力的增加； 人為撓動。 (3)靜水力的作用：例如雨水或地

7、面水流入土坡中的豎向裂縫，對土坡產(chǎn)生側向壓力，從而促進土坡的滑動。2、無粘性土坡穩(wěn)定分析圖4-37表示一坡角為 的無粘性土坡。假設土坡及其地基都是同一種土，又是均質 的，且不考慮滲流的影響。 由于無粘性土顆粒之間沒有粘聚力，只有摩擦力，只要坡面不滑動，土坡就能保持穩(wěn)定。土顆粒的自重W在垂直和平行于坡面方向的分力分別為cosNWsinTW分力T將使土顆粒M向下滑動，是滑動力， 而阻止土顆粒下滑的抗滑力則是由垂直于坡面上的分力N引起的摩擦力TTTtancostanTNW抗滑力和滑動力的比值稱為穩(wěn)定安全系數(shù)，用K表示，亦即 costantansintanTWKTW由上式可見，當坡角與土的內摩擦角相等

8、( )時，穩(wěn)定安全系數(shù) ,此時抗 滑力等于滑動力，土坡處于極限平衡狀態(tài)。由此可知，土坡穩(wěn)定的極限坡角等于砂土的內摩擦角 ，特稱之為自然休止角。從上可以看出，無粘性土坡的穩(wěn)定性與坡高無關，僅取決于坡角 只要 ， 土坡就是穩(wěn)定的。為了保證土坡有足夠的安全儲備，可取1K1K5 . 11 . 1K 3、粘性土坡穩(wěn)定分析 粘性土坡由于剪切而破壞的滑動面大多數(shù)為一曲面一般在破壞前坡頂先有張力裂縫發(fā)生，繼而沿某一曲面產(chǎn)生整體滑動，為了簡化，穩(wěn)定分析中常假設滑動面為圓弧面，并按平面問題進行分析。 粘性土坡穩(wěn)定分析方法有總應力法(法)、瑞典條分法和畢肖譜法、有效應力法等。瑞典條分法由瑞典人賀爾汀和彼得森1916

9、年提出。畢肖譜法于1955年提出，考慮了土條側面作用力。下面只介紹畢肖譜條分法。 條分法是一種試算法，先將土坡剖面按比例畫出，如圖4所示。然后任選圓心o，以R為半徑作圓弧，此圓弧ab為假定的滑動面，將滑動面以上土體分成任意n個寬度相等的土條。設取第i條作為隔離體。如圖，則作用在土條土的力有 土條的自重，該土條上的荷載，滑動面ef上的法向反力和切向反力以及豎直面上的法向力和切向力。這一力系是超靜定的，為了要簡化計算手續(xù)， 假定 和 的合力等于 和 的合力且作用方向在同直線上。這樣，由土條的靜力平衡條件可得iE1iF1iE2iF2cosiiiiNWQsiniiiiTWQ作用在ef面上的法向應力及剪

10、應力分別等于 1cosiiiiiiiNWQll 1siniiiiiiiTWQll 顯然，作用在滑動面ab上的總剪切力等于各土條剪切力之和，即 siniiiiTTWQ 土條ef上的抗剪力為：(tan)cos taniiiiiiiiiiiiiSclc lWQu l 式中 ,c土的有效粘聚力和有效內摩擦角， iu, 有效應力和孔上的隙水壓力， iiiu沿著整個滑動面上的抗剪力為costaniiiiiiiiiSSc lWQu l抗剪力與剪切力的比值稱為穩(wěn)定安全系數(shù)K，即costansiniiiiiiiiiiic lWQu lSKTWQ 由于試算的滑動圓心是任意選定的， 因此所選的滑弧就不一定是真正的或

11、最危險的滑弧。為了求得最危險滑弧，需要用試算法，即選擇若干個滑弧圓心，按上述方法分別算出相應的穩(wěn)定安全系數(shù)，與最小安全系數(shù)相應的滑弧就是最危險滑弧。最小安全系數(shù)大干l時土坡是穩(wěn)定的，工程上一般要求K大于1.11.5 4 4、任意形狀滑動面的土坡穩(wěn)定性分析任意形狀滑動面的土坡穩(wěn)定性分析 瑞典條分法和簡化畢肖普法僅適用于僅適用于圓弧滑動面圓弧滑動面，而，而簡布的普遍條分法和不平衡推力傳遞法適合非圓弧滑動面。適合非圓弧滑動面。 （一）、簡布法 基本假定和受力分析 （1）整個滑裂面上的穩(wěn)定安全系數(shù)是一樣的。 （2）土條上所有垂直荷載的合力，其作用線和滑裂面的交點與滑裂面的交點與滑裂面上的法向力的作用點

12、為同一點。 （3）如果沒有超載，對于非粘性土，推力合力在土條下三分點處，對于粘性土，則在這點之上（被動），或在這點之下（主動）。如果坡面有超載，側向推力成梯形分布，推力線應通過梯形的形心。 土條側面作用力合力不為零。其計算公式與畢肖譜法相似。該法滿足全部靜力平衡及整體力矩平衡。 （二）、不平衡推力傳遞法（二）、不平衡推力傳遞法 它適用于任意形狀的滑裂面，它假設土條間力的合力與上一土條底面平行，根據(jù)力的平衡條件，逐條向下推求，直至最后一條土條推力為零。只滿足土條靜力平衡，沒有考慮力矩平衡。其中 第塊段的剩余下滑力傳遞至第第塊段的剩余下滑力傳遞至第+1+1塊段時的傳遞系數(shù)（塊段時的傳遞系數(shù)（j=j

13、=），即），即W 第條塊的重量（kN/m）； 穩(wěn)定系數(shù)。111111f)cos(sin()tan)sincos)1(ninijnjDiiiinijnjniiiiDiiiuiTTAWRLCRArWKnnnnnnunnLCRDArWRtan)sincos)1(DnnnnnTAWT)cos(sin1121.nnijiiji;tan)sin()cos(111iiiiijaaaafK四、邊坡分析中存在的問題討論 1、抗剪強度力學參數(shù)C、值在邊坡分析中的作用，以及如何取值 參數(shù)取值的理論基礎？ 在不同情況下如何取值？ （1）在非撓動邊坡中 （2 2）在撓動邊坡中）在撓動邊坡中 （3 3）在滑坡中）在滑坡中

14、 2、地下水對邊坡穩(wěn)定的影響 （1 1）浸潤線的確定，無雨和有雨情況又如何）浸潤線的確定，無雨和有雨情況又如何 （2 2）地下水位野外確定方法）地下水位野外確定方法 1、土的抗剪強度莫爾庫倫強度理論 1910年莫爾(Mohr)提出材料的破壞是剪切破壞，當任一平面上的剪應力等于材料的抗剪強度時該點就發(fā)生破壞，并提出在破壞面上的剪應力f，是該面上法向應力，的函數(shù)，即 ff 當土體中任意一點在某一平面上的剪應力達到土的抗剪強度時，就發(fā)生剪切破壞，該 點即處于極限平衡狀態(tài)，根據(jù)莫爾庫倫理論，可得到土體中點的剪切破壞條件，即土的極限平衡條件 土中某點的應力狀態(tài)（在壓剪狀態(tài)下）tanfc 2、直接剪切試驗 2、經(jīng)典土力學理論適用范圍的局限性 壓縮-固結-剪切（地基破壞模式） 減壓-拉張-孔隙率增大（邊坡破壞模式） 在第一情況下，計算抗剪強度參數(shù)C、值取常數(shù)。而在實際斜坡土體中， C、可能完全同時減低變化至零的缺陷。事實上，任何斜坡和開挖邊坡都會在原來長期平衡的巖土體中產(chǎn)生新的應力自由面，它使得新的表層土體受到的壓應力變小，進入拉張或開裂變形狀態(tài)，且不斷向這個方向移動，由此造成土體增大孔隙，土體滲透和蓄水能力增大，從而土體各項強度參數(shù)降低，壓應力降低，拉應力增大。因此，隨著時間的增長和降雨次數(shù)的增加，斜坡土體的強度發(fā)生惡性循環(huán)，土體強度降低至破壞極限點或直至零點