路堑边坡施工方案组织PPT课件

1、1 1、前言、前言 边坡危害： 20022002年5 5月武隆，边坡坍塌死7979人 19721972年6 6月香港，边坡坍塌死138138人 滑坡危害： 19631963年意大利，瓦依昂水库死26002600人 19831983年中国，东乡县洒勒黄土滑坡死227227人第1页/共50页第2页/共50页技术不成熟： 勘察搞不清，设计凭经验，资金花费大。 云南元磨高速公路147147公里， 3030米以上高边坡370370余个，修建时已滑177177次以上。边坡分类： 一般边坡：土坡、岩石边坡 高边坡：土坡（高于1515米） 岩石边坡（高于3030米） 第3页/共50页 边坡稳定分析方法：有限元

2、单元网格划分边坡体的垂直条分和受力分析下滑力抗滑力sF 安全系数有限元法有限元强度折减法极限平衡法第4页/共50页2 用极限平衡法求边坡稳定安全系数的 统一求解格式 平面滑面解析解 圆弧滑面和任意滑面条分法(求每一条块体滑面上的下滑力与抗滑力，然后加起来。) 若已知整个滑面上下滑力等于抗滑力F=1条件，则问题为静定。 超静定问题：未知数多于方程数，都需作假定。常用13种方法。第5页/共50页 条分法分类： 严格条分法力全部平衡（4个未知数（ ,N ）和三个方程，假设 或 h 非严格条分法力部分平衡 （3个未知数（ ,N ）和二个方程）,假设Fh ,F,第6页/共50页 整体力及力矩平衡方程 (

3、包含各种方法的假设条件) 条底法向力方程 条间力及条间力矩逆推方程 安全系数统一求解格式 第7页/共50页FpEhcTaviwiiiaviitan)( 2.1 平衡条件 （1）考虑所有平衡条件（水平、垂直方向、力矩平衡）：HVM：Spencer法（条间力倾角为常数）Morgenstern-Price法（条间力倾角为某一函数）Sarma （）法（界面上剪切强度与界面上强度成比例） itan)(taniixf第8页/共50页(a)图2.1 边坡体的垂直条分及条块体的几何尺寸和受力分析 ixi( xb , i -1,yb,i-1)( xw , i -1,yw,i-1)(xbi,ybi)(xwi,yw

4、i)(xti,yti)( xt , i -1,yt,i-1)iKsWiWiWiQiUiNiSiTi-1Tipw,i-1pwiEi-1Ei(b)(c)第9页/共50页Correia法 （假设条间力 分布） 严格Janbu法 （假设条间力作用点位置)(itpixfy)(iixfTSarma （）法 （界面上剪切强度与滑面上强度成另一函数关系）FpEhcxfTaviwiiiaviiitan)()(iT第10页/共50页（2）考虑垂直力方向与力矩平衡（VM法） 简化Bishop法（设条间力合力作用方向水平）（3）考虑垂直方向与水平方向力平衡（VH法） 简化Janbu法 （设条间力合力方向水平） 罗厄法

5、（设条间力倾角为底面角与顶面角之和之半）0i00FfF )tan(tan21taniii第11页/共50页陆军工程师团法 （设条间力方向与坡面平行） 不平衡推力法（传递系数法） (条间力方向与底面方向平行） Sarma （）法 （界面上剪切力为界面剪切强度）（4）仅考虑求矩中心平衡（M）瑞典法（不考虑条间力）avi1iiFpEhcTaviwiiiaviitan)(ii第12页/共50页图2.2 算例边坡1算例1：第13页/共50页表2.4 算例边坡1中土的材料参数土层容重g (kN/m3)粘结力c (kPa)内摩擦角j ()15.05.020.018.010.025.0编号计算方法迭代次数Fs

6、En(kN)Mn(kNm)1瑞典法11.2803 2简 化Bishop法11.4760 21.4951 31.4967 41.4969 3简 化Janbu法11.2803 -27.5745 21.4803 106.1733 31.3216 3.0149 41.3175 0.0776 51.3174 -2.2410e-004 表2.5 安全系数迭代计算过程 第14页/共50页4陆军工程师团法11.2803 -329.1905 21.4803 -156.1743 31.6609 -43.9446 41.7315 -7.6262 51.7464 -0.4426 61.7473 -0.0047 71.

7、7473 -2.9496e-006 5罗厄法11.2803 -117.5780 21.4803 -31.5271 31.5536 -4.4894 41.5658 -0.2000 51.5663 -0.0013 61.5663 -3.9641e-007 6不平衡推力法（传递系数法）11.2803 -82.9049 21.4803 -2.2525 31.4859 -0.2350 41.4866 -7.4705e-004 表2.5 安全系数迭代计算过程（续）第15页/共50页7Sarma法（）11.2803 -89.8761 21.4803 -31.7893 31.5898 1.3168 41.58

8、54 0.0049 51.5854 -1.5175e-006 8Spencer法11.28030.1708-110.2594-69.478221.46220.2208-7.7872217.555531.50180.2547-0.6144-1.210741.50330.2552-7.6800e-004-5.5869e-0049Morgenstern-Price法11.28030.1708-79.4333841.769521.47220.220819.6548700.299431.50160.270818.1017378.277441.50190.32082.668754.777051.50190

9、.32950.01270.2477表2.5 安全系数迭代计算过程（续）第16页/共50页表2.5 2.5 安全系数迭代计算过程（续） 61.50190.32952.7646e-0075.4375e-00610Sarma法（）11.28030.5000-64.62422.4473e+00321.48030.55005.8188219.067231.50320.60009.0001-8.210241.50350.65004.3377-5.912451.50350.69580.0677-0.274561.50350.69651.5617e-005-6.9678e-00511Sarma法（）11.28

10、031.000-89.40302.4652e+00321.48030.9500-9.1200227.781931.50220.9355-0.02771.693041.50230.9359-3.4094e-0061.4254e-00412Correia法11.280395.6067-147.8511-506.431421.471895.5908-18.0105-56.217131.502895.6408-0.00405.993041.503495.69080.29215.979651.503495.74080.22994.705461.503495.79080.16773.430771.5034

11、95.84080.10542.156181.503495.89080.0431-2.8299e-0130.881491.503495.9254-3.1997e-012第17页/共50页表2.5 2.5 安全系数迭代计算过程（续） 13严 格Janbu法11.2803 -182.2920 21.4803 -18.5925 31.5030 11.8118 41.4942 -5.5222 51.4970 -1.6202 61.4982 0.2850 71.4980 -0.0136 81.4980 -1.1140e-004 算例2 ：图2.3 算例边坡2 第18页/共50页土层 rd容重g (kN/m

12、3)粘结力c(kPa)内摩擦角j ()上土层18.8428.4520.0软弱夹层18.840.010.0下土层18.8428.4520.0表2.7 安全系数迭代计算过程编号计算方法迭代次数FsEn(kN)Mn(kNm)3简 化Janbu法11.5000 121.4872 21.3000 -30.9322 31.3406 3.1547 41.3368 0.0746 51.3367 -1.8428e-004 4陆军工程师团法11.5000 40.2560 21.3000 -95.6678 31.4408 3.9742 41.4343 -0.1838 51.4346 8.0201e-004 表2.6

13、 算例边坡2中土的材料参数第19页/共50页表2.7 安全系数迭代计算过程（续） 5罗厄法11.5000 47.7243 21.3000 -63.5397 31.4142 3.4483 41.4075 -0.2027 51.4079 8.1236e-004 6不平衡推力法11.5000 41.5662 21.3000 -59.2800 31.4176 3.0005 41.4112 -0.1645 51.4115 6.1657e-004 7Sarma法（）11.5000 82.8738 21.3000 472.2542 31.5426 -6.1204 41.5396 0.0593 51.5397

14、 4.0721e-005 8Spencer法11.50000.182790.87951.5825e+00321.36800.2287-6.2172-202.797231.37080.19860.0044-5.013841.37040.1968-1.8345e-004-0.006551.37040.1968-6.2262e-013-6.2788e-009第20页/共50页表2.7 安全系数迭代计算过程（续）9Morgenstern-Price法11.50000.182793.37971.0822e+00321.35410.2126-6.8887-22.676431.36630.2337-0.14

15、29-3.758241.36640.23266.5625e-0050.002751.36640.23262.3884e-0119.6463e-01010Sarma法（）11.50000.1827-310.2037-1.3823e+00421.36390.13271.0497-5.265231.36180.1204-0.0052-0.100541.36180.1204-4.7448e-008-1.2752e-00611Sarma法（）11.50000.1827-341.5321-1.4975e+00421.36500.1730-5.7898-274.789031.36160.16580.0026

16、0.105741.36160.1658-1.0785e-009-4.4480e-00812Correia法11.500023.5000102.67221.3476e+00321.346823.4500-10.1432-132.839731.359323.4517-0.0806-1.027341.359423.4530-5.3248e-006-6.8045e-00513严 格Janbu法不收敛第21页/共50页2.3 各种算法的比较算例2.01.030.00.0任意滑动面圆弧滑动面算例边坡图2.42.8 算例边坡中土的材料参数土层容重g (kN/m3)粘结力c(kPa)内摩擦角 ()18.220

17、.032.018.025.030.018.540.018.018.840.028.0第22页/共50页表2.9 各种极限平衡条分法安全系数的比较计算方法安 全 系 数圆 弧 滑 动 面一 般 滑 动 面瑞典法1.066 简化Bishop法1.278 简化Janbu法1.1121.022陆军工程师团法1.3771.059Lowe-Karafiath法1.2901.077Sarma法（）1.3401.229Spencer法1.2931.155Morgenstern-Price法1.3031.119Sarma法（）1.2891.154Sarma法（）1.3031.112Correria法1.2841

18、.119严格Janbu法1.3181.137第23页/共50页表2.10 各种算法与Spencer法的相差值 计算方法 算 例（圆弧滑动面）（一般滑动面）（圆弧滑动面）（一般滑动面）严格法SpencerSarmar()Sarmar()Morgenstern-PriceCorreriaJanbu00.013304-0.06652-0.093130.006652-0.352560-0.62755-0.64215-0.29189-0.80269不收敛0-0.309360.7733950.773395-0.696061.9334880-0.08658-3.72294-3.11688-3.11688-1

19、.55844非严格法瑞典法简化Bishop简化Janbu陆军工程师罗厄法Sarmar()不平衡推力法-19.6235-0.42573-12.366116.230964.190785.461318-1.11089 -2.459144.6847642.73642712.354062.999124-17.5561-1.16009-13.99856.49652-0.232023.634957 -11.5152-8.31169-6.753256.406926 第24页/共50页1. 6种严格法圆弧滑动面小于2% 一般滑动面小于4%2. 非严格法中瑞典法偏于过分安全 不平衡推力、 Bishop法误差很小、

20、 其它方法离散性太大，不适用。 推荐方法：严格解法或圆弧滑面采用 Bishop法；任意滑面采用不平衡推力法。第25页/共50页3、 边(滑)坡稳定安全系数的分析 影响边坡稳定安全系数的因素： 1. 边坡的失稳概率 2. 边坡重要性: 土石坝1.5，公路1.25 3. 计算稳定安全系数方法：瑞典法1.3 解析法1.35 4. 滑裂面形状与位置 当前采用状况：第26页/共50页边坡稳定安全系数与稳定分析方法部门工程名称安全系数分析方法备 注建筑地基边坡1.2瑞典法建筑地基基础设计规范(GB5007-2002)滑坡甲级建筑物1.25不平衡推力法(显式解)建筑边坡工程技术规范（GB50330-2002

21、）乙级建筑物1.15丙级建筑物1.05 建 筑边 坡 一级边坡1.30-1.35前面数据瑞典园弧法 后面数据平面解析法建筑边坡工程技术规范（GB50330-2002）二级边坡1.25-1.30三级边坡1.20-1.25边坡重要工程1.30-1.50采用多种方法综合评价岩工工程勘察规范（GB50021-2001）一级工程1.15-1.30次要工程1.05-1.15第27页/共50页 边坡稳定安全系数与稳定分析方法（续）1 计算或采用数值计算。 交通路堤边坡1.35毕肖普法公路路基设计规范（新规范）1.30路堑边坡高速公路、一级公路 1.2 1.3公路路基设计规范（新规范）二级公路 二级以下公路

22、铁 路滑 坡 一级边坡 1.25不平衡推力法显式解 铁路工程不良地质勘察规程（ TB10027/J125 -2001） 二级边坡 1.15三级边坡 1.05水利土石坝 1.50毕肖普法与严格法土石坝规范1.151.25不平衡推力法隐式解同上第28页/共50页香港新开挖边坡的稳定安全系数（十年降雨重现期）生命危害程度 经济风险程度微低高微1.01.21.4低1.21.21.4高1.41.41.4第29页/共50页几点结论： （1）边坡安全系数高于滑坡安全系数 （2）建筑边坡高于道路边坡 （3）重要建筑物高于次要建筑物 （4）不同边坡稳定分析方法采用不同安全系数 第30页/共50页式中a、隐式表达

23、式112121/ tan)sin(cos) ()cos(sin) (iisiiiiiiiiiiiiiiiiFFDWWLcDWWFsiiiiiiF/tan)sin()cos(1114 不平衡推力法的稳定安全系数分析4.1 不平衡推力法的两种表达形式第31页/共50页b、显式表达式111111)()(ninijnjininijnjisTTRRF式中)cos(sin) (21iiiiiiDWWTiiiiiiiiiil cDWRtan)sin(cos111tan)sin()cos(iiiiij第32页/共50页隐式与显式的不同:1. 显式解是令隐式解中的传递系数中的 安全系数为1；2.隐式解与显式解安

24、全系数的含义不同， 隐式解采用国际常用的安全系数定义。第33页/共50页4.2 圆弧滑面的比较结论：对于光滑圆弧，传递系数法隐式的稳定系数在任何条件下均与Bishop法十分接近。显式的结果并不总是与Bishop法接近，其误差随中心角的增大而增大，最大达40以上。第34页/共50页第35页/共50页1 计算或采用数值计算。 4.3 条间力倾角变化对稳定系数的影响其滑面为一圆弧。为了研究条间力倾角对稳定性的影响，将滑面分别用圆弧的2、3、4、6、8、12、24等分点作为滑面的中间控制点，连接这些控制点就形成了7条滑面，折点处土条左右两侧条间力的倾角差分别为45、30、22.5、15、7.5、3.75。第36页/共50页误差分析结果第37页/共50页1.51.71.92.12.32.52.72.93.13.301020304050滑面的倾角变化值()稳 定 系 数不平衡推力法隐式不平衡推力法显式Morgenstern-price法第38页/共50页结论1.滑移面直角很大时，显式与隐式解都有很大误差，必须进行修正。2.即使滑面光滑时，显式解也有较大误差， 偏于不安全，因而显式解不适用。第39页/共50页4.4 滑面控制点超限的处理 最下面一个滑面倾角为-30.96，建议滑面进行修正，实际倾角小于10 。第40页/共