西南交通大学土木工程系高路堤工程抗震优化毕业设计_百度

1、西 南 交 通 大 学 毕业设计(论文高路堤工程抗震优化设计年 级 :2006级学 号 :200x0000姓 名 :xxx专 业 :土木工程指导老师 :xxx教授2010年 6月院 系 专 业年 级 姓 名题 目指导教师评 语指导教师 (签章 评 阅 人评 语评 阅 人 (签章 成 绩答辩委员会主任 (签章 年 月 日 毕 业 设 计 任 务 书班 级 学 生 姓 名 x x x 号 发 题 日 期 :年 月 日 完 成 日 期 :毕 业 当 年 的 月 日 题 目 高路堤工程抗震优化设计1、设计原始资料2、 设计各部分内容及时间分配:(共第一部分 收集资料、学习补充相关知识 ( 2 周第二部

2、分 高路堤稳定性分析 ( 2 周第三部分 坡率、加筋的抗震优化设计 ( 2 周第四部分 设计说明书、文整 ( 1 周评阅及答辩 ( 1 周3、计算说明书内容汶川震区公路路基震害调查与分析(2高路堤稳定性分析(一般工况,不同坡率的加筋与不加筋对比(3高路堤抗震优化设计(地震工况,不同坡率的加筋与不加筋对比(4结论应交出之图纸及文件 (1设计说明书; (2设计图纸; 4、(2 道路勘测设计 ,赵永平 唐勇主编,高等教育出版社;(3 路基及支挡结构 池淑兰等编 中国铁道出版社(5 土力学 ,刘成宇编著,中国铁道出版社(6公路工程抗震设计规范 JTJ004-89指导教师:年 月 日审 批 人:年 月

3、日摘要:近年来我国西部山区地震频发,路堤工程面临严峻考验,高路堤工程在地震作 用下的稳定性问题也日益突出。由汶川地震路基工程震害调查发现,山区高路堤一 般采用阶梯型边坡,主要震害模式有路基边坡开裂、臌胀或局部坍塌,但能保持整 体稳定;未铺设土工格栅的高路堤边坡易发生坍塌破坏,而铺设土工格栅的高路堤 仅发生局部变形。因此本文主要研究内容就是在地震工况下对路堤进行优化设计, 使路堤的稳定性系数能满足规范要求。优化设计有两种方法:(1放缓路堤边坡坡 度; (2在路堤内部铺设土工合成材料即加筋土路堤。本文利用理正软件分别计算 两种方案在正常工况下和地震工况(地震烈度为 7、 8、 9度时的稳定性系数,

4、确 定优化设计方案。通过分析两种方法的优缺点,可以发现铺设土工格栅的高路堤工 程适应土体自身变形能力强,能抵消地震能量,有良好的抗震性能,占用土地面积 少,节省填料,减少对生态环境的破坏。加筋土路堤在目前虽然属于新技术,但是 实用性强,前景较好,因此在综合考虑各种因素后,确定路堤抗震优化设计方案时 采用铺设土工合成材料的路堤。关键词:地震;高路堤;土工格栅;优化设计AbstractIn recent years, the embankment in earthquake-prone mountain areas in western China, is facing a severe chal

5、lenge, the stability of the high embankment under earthquake is a prominent problem. Damage from the earthquake subgrade survey, the high embankment slope in the mountain areas commonly used ladder-type, The main damage mode include the slope of the main embankment cracking damage, tympanites or par

6、tial collapse, but maintain the overall stability; The damage in the high embankment without laying geogrid prone slope collapse, while laying geogrid embankment occurred only local deformation. The main research content in this article is to optimize the design so that the stability of embankment c

7、an meet the regulatory requirements .Optimization design have two kinds of methods (1Slow down embankment slope (2 Laying geosynthetics in the internal embankment. LLZHENG program is used to calculate the stability factor of the two methods in normal operating conditions and seismic conditions (seis

8、mic intensity for the 7,8,9 degrees, to determine the optimal design. By analyzing the advantages and disadvantages of the two methods can find that the highembankment laying geogrid soil works to adapt its deformation ability, offset the seismic energy, good seismic performance, take up less land a

9、rea, saving packing, reduce the ecological environment damage. Reinforced embankment at present although belonging to the new technologies, but the practicability and prospect is good, and therefore, after comprehensive consideration of various factors to determine the optimum design of embankment p

10、rogram using the Embankment installation of geosynthetics.Key words:earthquake; high embankment; geogrid; optimal design目录第 1章 绪论1.1 汶川地震交通工程震害概论2008 年 5 月 12 日四川汶川发生 8.0 级特大地震,震惊世界。地震起始破裂 点在汶川县映秀镇的龙门山中央断裂,并在短时间内沿龙门山断裂带的中央断裂和 前山断裂迅速向北东方向破裂,形成长达近 300km 的破裂带。这是新中国成立以来 破坏性最强、波及范围最广、救灾难度最大的一次地震,重灾区的范围超过

11、 13万平 方公里,其震动的强度、烈度均超过了唐山大地震,死亡和失踪人数达 87000多 人。汶川地震使四川省交通基础设施损毁十分严重,损失十分巨大。通往灾区的公 路基础设施遭受巨大破坏,道路中断,给抗震救灾带来极大困难,而且地震引发的 崩塌、滑坡、泥石流以及落石、飞石等次生灾害,数量之多,分布之广、类型之复 杂、破坏之巨大,举世罕见。汶川地震对四川交通基础设施尤其是公路交通系统的损毁是空前的,它具有下 列特点:一是受损范围广。四川省 20 个市 (州 、 139 个县 (市、区 的高速公路、国省 干线、农村公路以及码头、客运站点和养护设施不同程度受损,其中重灾区的阿 坝、广元、绵阳、成都、德

12、阳、雅安等市 (州 、 39 个县 (市 的各类交通设施严重受 损。通往汶川、茂县、北川、青川等重灾县以及 254 个乡镇公路交通一度完全中 断。灾害造成 21 条高速公路、 16 条国省干线公路、 2.4×104 km 农村公路的路基 路面、桥梁隧道等结构物不同程度受损,受损里程近 2.8×104 km(其中高速公路近 200 km、国省干线公路约 3 800 km、农村公路 2.41×104 km,损坏国省干线桥梁 670 座,总长 45 323 m;其中隧道 24 座,总长 20 417 m,受损的客运站为 395 个, 其中国家级枢纽 9 个、县级站 44

13、 个。二是损害程度重。许多经过多年努力才建成的交通设施毁于一旦,一些路段全 面损毁,造成毁灭性、根本性破坏。据不完全统计,四川省交通基础设施直接经济损失按原值价测算达人民币 580 亿元以上。三是抢通难度大。震后 3 个月仍有 3 条国省主干线未抢通 (国道 213 线映秀汶 川段,省道 303 线映秀至耿达段,省道 302 线茂县北川公路擂鼓镇禹里乡段 。 四是保通工作艰巨。山体滑坡、崩塌、泥石流等次生灾害频繁发生,还将会造 成交通基础设施新的破坏,给恢复重建工作带来新的困难。汶川地震大面积、大规模的山体滑坡造成灾区公路交通瘫痪,其中道路受阻、 桥梁损毁的想象尤为严重。地震灾区受破坏的国道有

14、 3条:G317、 G213、 G212。 灾区破坏较重的省道有 5条:S105、 S205、 S210、 S302和 S303。同时,数量众多 的县道、乡道也遭受严重破坏。公路系统的典型震害表现为:次生地质灾害(滑 坡、崩塌、泥石流、落石掩埋、摧毁道路;下面详细介绍汶川地震典型震害模 式:(1汶川地震使得原都汶公路某段一侧山体在山脊处发生大型岩崩、滑坡,将公路 完全掩埋,破坏严重。由于掩埋严重,都汶公路交通完全中断。见图 1-1: 图 1-1 都汶公路的大型崩塌(2地震引发的落石砸坏道路路面,引起交通阻断。见图 1-2:图 1-2 落石阻断公路(3地震断层造成的断层引起公路隆起破坏,见图 1

15、-3图 1-3 断层造成公路破坏(4公路路基滑塌,见图 1-4: 图 1-4 彭州银厂沟景区外的路基滑塌,路面悬空 桥梁震害按照表现的形式分为直接震害和间接震害。桥梁直接震害主要有桥梁 倒塌、落梁及梁体移位 (横移、纵移、平面转动以及三者的组合 等。桥梁间接震害 主要有山体崩塌、滑坡、堰塞湖等次生灾害导致桥梁损毁。具体震害形式有: (1百花大桥第五联 5×20m 连续梁完全倾覆倒塌,见图 1-5图 1-5 百花大桥第五联倒塌(2墩柱破坏 图 1-6 墩柱破坏(3滑坡掩埋桥梁 图 1-7 滑坡掩埋桥梁 (5地震造成桥梁移位 图 1-8 桥梁移位 (6地震造成落梁 图 1-9 地震引起落

16、梁隧道震害主要表现为:隧道洞口被山体滑坡崩塌掩埋、洞门开裂、结构破损; 衬砌开裂掉块甚至坍塌、施工缝开裂错台、衬砌开裂后渗漏水;排水系统遭到堵塞 和破坏、积水严重,路面及仰拱隆起、错台等。具体震害有:(1震区隧道洞门典型的震害特征为墙身开裂、结构倾斜、断裂、沉陷、洞门 结构破坏等情况。见图 1-10图 1-10 隧道洞门破坏(2隧道洞身结构破坏地震引起衬砌支护结构破坏主要表现为震区的既有隧 道存在衬砌开裂、碎裂、剥落、掉块、坍塌、错断、错台、渗漏水等情况;在 建隧道初期支护变形、掉块以及钢支撑扭曲变形,围岩坍塌等情况。见图 1-11图 1-11 二衬破坏大面积坍塌(3地震引起的隧道初衬、二衬破

17、坏见图 1-12、 1-13 图 1-12 二衬掉块 图 1-13 初支变形1.2高路堤工程震害特征与分析四川是一个多山地区,山区面积大约占全部面积的三分之二,在这些地区修建 铁路和公路比平原地区更见困难。山区工程地质条件非常复杂,地形地貌变化大, 水量丰富,且地震活动频繁,因此对线路修建维修造成很大影响。并且线路工程属 于带状结构物,一条线路少则十几公里,多则几百公里,甚至上千公里,很多线路 都不得不通过地震断裂带。山区很多地方都要进行高填土路基和深挖路堑的施工, 其中高填土路基大多很高,从几米到几十米不等,因此研究地震作用下高填土路基 的稳定性和抗震加固措施就至关重要。下面介绍高路堤工程在

18、地震作用下的震害特征:(1普通高路堤图 1-14所示的边坡位于进入银厂沟景区的公路边路基外侧由条石堆砌而成,地 震中条石滚落,发生较大规模的坍塌,防护栏等遭到严重破坏,掉入了深谷。 图 1-14 路基坍塌普通高路堤边坡在地震作用下很容易失稳破坏,尤其是在河岸或地下水丰富的沙质地层上填筑路堤时,在强地震力作用下会发生沙土液化现象,从而造成路堤边 坡失稳(2都汶公路一高路堤工点,处于高烈度区,距汶川震中 15.25公里。最高路 堤填土高度达 42米,长约 179米,见图1-15 图 1-15 42米加筋土路堤本路堤为高填方路堤,最高填方 42米,边坡进行多次放坡,路堤顶部与底部均 放置土工格栅,保

19、证路堤本体稳定。路堤整体在 5.12大地震完好,局部路面有拉裂、鼓起现象。两边坡局部有裂缝 出现。由此可见铺设土工格栅的高路堤抗震性能良好。(3都汶公路落石工点,位置距汶川震中 11.1公里。路堤高 16米,长约 42米,汶川地震后路堤边坡角附近有轻微鼓起,见图 1-16: 图 1-16 落石工点处加筋土路堤本段路堤的特点也是在路堤内铺设土工格栅,间隔 0.5米。护坡采用浆砌片 石,加土工膜防水设计。(3牛圈沟震源工点本段路堤位于牛圈沟震源处,在 5.12地震作用下,路肩墙与路堤本体发生分 离,路堤本体沿圆弧形滑面发生破坏。见图 1-17、 1-18 图 1-17 路肩墙与路堤本体发生分离 图

20、 1-18 路堤本体沿圆弧形滑面滑动1.3 小结由于高路堤工程大多都是几十米高,因此稳定性就比普通路堤差,尤其是在地 震作用下,极易失稳。从汶川地震中就可以发现加筋土路堤大多未受到严重破坏, 而普通高路堤在地震作用下坍塌很多。由此可见加筋土路堤在抵抗地震方面确实有 着普通路堤无法比拟的优势。发现问题做什么(报数量怎么做技术路线第 2章 路堤工程稳定性分析与抗震设计原理2.1 概述天然土坡或人工填筑的堤坝,在一定条件、地质条件下,由于各种自然因 素及人为因素的影响,破坏了土体内部应力的平衡,不稳定土体在自重或外力 作用下,沿途中某个面滑动而导致土坡的破坏。它严重影响了铁路、公路、河 道的正常运行

21、及其他建筑工程的安全,因而研究土坡稳定性是很重要的。 影响土坡稳定性的因素很多,有地形、地质、水文、气象等因素,而边坡 愈高、愈陡,其稳定性愈差。土坡稳定性丧失,是由于土体内部发生剪切作用 并形成了贯通的滑动面,使土体沿此面滑动而破坏。这是因为作用在该面上的 剪切力达到并超过了该面上由抗剪强度而形成的抵抗土体滑动的能力。土体稳定程度通常用安全系数 Fs 表示。它表明土坡在预计的最不利条件下 具有的安全保障。土坡安全系数定义为:可能出现的破裂面上,阻抗土体滑动 的力系与土体沿该面滑动力系之比。大量观察及量测证明:砂性土坡的滑动面近似一平面,在横断面上近似一 直线;而黏性土坡的滑动面近似一圆柱面,

22、在横断面上近似为圆弧状。因而在 分析土坡稳定性时,常假定土坡破坏时是沿着平面或圆柱面破坏,从而简化了 土坡稳定性检算的计算方法。2.2 砂性土坡的稳定性分析由砂性土构成的土坡,包括黏聚力较小的黏砂土、砂土、砾石、碎石等边坡,经大量观测发现,边坡破坏时其破裂面近似平面,在断面上近似直线,为了简化计 算这类土坡稳定性分析采用直线破裂面法,并假定土坡破坏时,不稳定土体沿平面 破裂面整体滑动。在无粘性土坡表面取一小块土体来进行分析 (图 2-1 ,设该小块土体的重量为 W ,其法向分力 N = W cos ,切向分力 T = W sin 。法向分力产生摩擦阻力,阻止 土体下滑,称为抗滑力,其值为 R

23、= N ·tg =W cos ·tg 。切向分力 T 是促使 小土体下滑的滑动力。则土体的稳定安全系数 F s 为:F s tg tg sin tg cos =W W T R 滑动力 抗滑力 (2-1 式 中 : 土 的 内 摩 擦 角 (° ; 土 坡 坡 角 (° 。 图 2-1 砂性土土坡为了保证土坡的安全性, F s 值必须满足设计规范的要求。 设计规范规定:“安全系数一般不小于 1.25,如有充分资料或其他有利因素时,可允许减小 到 1.15。 ”安全系数如不满足要求,必须放缓边坡或采取适当的加固措施2.3 黏性土坡的稳定性分析黏性土坡的稳定性

24、分析目前广泛采用条分法,随着条分法的提出,通过改进 到发展,可以分为瑞典条分法、毕肖普法、传递系数法、分块极限平衡法、简布 法等。条分法是以极限平衡理论为基础的一种刚体极限平衡分析法。其基本思路 是:假定边坡的岩土体破坏是由于边坡内部产生了滑动面,部分坡体沿着滑动面滑动造成的,滑动面上的坡体服从破坏条件。假设滑动面已知,通过考虑滑 动面形成的隔离体的静力平衡,确定沿着滑面发生滑动时的破坏荷载,或者说 判断滑动面上的滑体的稳定状态或稳定程度。该滑动面为人为确定,其形状可 以是平面、圆弧面、对数螺旋面或其他不规则曲面。隔离体的静力平衡可以是 滑面上的力平衡或力矩的平衡。隔离体可以是一个整体,也可以

25、由若干人为分 隔的竖向土条组成。由于滑动面是假定的,因而只有通过系统地求出一系列滑 面发生滑动时的破坏荷载,得出最小的破坏荷载,其中最小的破坏荷载要求的 极限荷载与之相应的滑动面就是可能存在的最危险的滑动面。条分法是将滑动土体竖直分成若干土条,把土条当成刚体,分别求作用于 各土条上的力对圆心的滑动力矩和抗滑力矩,然后按下式求土坡的稳定安全系 数 Fs : (2-1 受力分析如图 2-1: 图 2-2 条分法受力分析图从其中选出一个土条 i ,所受的力包括1 重力 ;2 条块侧面法向力 ,其作用点离弧面为 ;3 条块侧面切向力4 土条底部的法向力 ,切向力 ,条块弧段长为 ;土条 i 满足平衡方

26、程:力的平衡方程 (2-2 极限平衡方程:(2-3 求解方法:(1假定条间力的大小与方向的 毕肖普法和瑞典条分法;(2假定条间力的作用方向的不平衡推力传递法;(3假定条间力的作用点位置的简布法。瑞典法亦称 Fellenious 法,是边坡稳定分析领域最早出现的一种方法。该方法 假定滑裂面为圆弧形,在计算安全系数时,简单的将条块重量向滑面法向方向分解 来求得法向力。此法构成了近代土坡稳定分析条分法的雏型。 图 2-3 瑞典条分法其基本假定如下:(1假定土坡稳定属于平面应变问题,即可取其某一剖面为代表进行分析计算。(2假定滑裂面为圆柱面,即在横剖面上滑裂面为圆弧;弧面上的滑动土体视为 刚体,即计算

27、中不考虑滑动土体内部的相互作用。(3定义安全系数为滑裂面上所能提供的抗滑力矩之和与外荷载及滑动土体在滑裂面上所产生的滑动力矩和之比;所有力矩都以圆心 0为矩心。(4采用条分法进行计算。不考虑条块间的推力(或假定条块间的推力是作用在 一条直线上的,且大小相等,方向相反,即推力产生的合力、合力矩为 0 。 由于不考虑条快间的作用力,条块 i 仅受到重力 i W 、切向力 、 i T 法向力 i N 的作 用。根据径向力的平衡条件 0F xi = 有 :(2-4 根据圆弧滑面上极限平衡有:cos sii i i i s i i i i s fi i F tg W l c F tg N l c F T

28、 T +=+=安 全 系 数 抗 剪 强 度(2-5根据整体力矩平衡条件,外力对圆心的力矩法向力 通过圆心不产 生力矩,则有:(2-6 (2-7 将 (2-5、 (2-7带入 (2-6得:(2-8 整理得:(2-9 式中:填料的粘聚力, k ; 圆弧滑面断面长度, m ; 各土条中心处切线与水平方向的夹角,度; 填料的内摩擦角,度; 各土条宽度, m ; 瑞典条分法通过假定不同的圆弧,通过优化,从中找到最小的 Fs 值,即土坡的 稳定安全系数。由于忽略了土条侧面的作用力,它只能满足滑动土体整体力矩平衡 条件,不满足条块的精力平衡条件,因此算出的稳定安全系数比其它严格的方法可能偏低 10%-20

29、%。这种误差随着滑弧圆心角和孔隙水压力的增大而增大,严重时可 使算出的安全系数比其它较严格的方法小一半。瑞典法通常使用总应力强度指标, 因此是一种总应力分析方法,虽然也可以用于有效应力分析,但因误差较大,工程 上很少使用。此法是在瑞典法的基础上提出的一种简化方法,它仍然保留滑裂面的形状为圆 弧形和通过力矩平衡条件求解这些特点,毕肖普法与瑞典法实际上是属于同一类型 的方法,但毕肖普法在公式推导时考虑了土条两侧的作用力。毕肖普体提出的土坡安全系数的定义为:沿土体内部,滑动面上的抗剪强度 ,并考虑了各土条侧面存在着条间力。 图 2-4 毕肖普条分法考虑条块侧面力,取条块 i 进行分析,在条块 i 上

30、作用的力如下: (1土条重引起的切向反力和法向反力 ,分别作用在该分条圆弧的 中心处。(2土条侧面作用的力 , ,。根据圆弧滑面上竖向力平衡方程 有:(2-10 当土坡未破坏时,滑弧上土的抗剪强度只发挥了一部分,毕肖普假定其值与滑 面上的切向力 T 相平衡,即(2-11 将式(2-11代入式(2-10,得为:(2-12 式中(2-13 在极限平衡时,各土条对圆心的力矩之和应为零,此时,条间力的作用将相互抵 消,得:(2-14 将 式 (2-11、 式 (2-12 式 (2-14,且, 假设 ,假设=0,即条块间 只存在水平作用力 ,不存在切向力 经整理得毕肖普的土坡稳定安全系数的普遍 公式为:

31、(+=ii i i i i i is W tg H W b c m F sin 1(2-15毕肖普方法的特点:(1 假设条块间作用力只有法向力没有切向力;(2 满足滑动土体整体力矩平衡条件,满足各条块力的多边形闭合条件,不满 足条块的力矩平衡条件;(3 满足极限平衡条件;(4 得到的安全系数比瑞典条分法略高一点。简布普遍条分法将最初的圆弧法推广到任意土坡滑动面的情,通过假设土条间 推力的作用点位置,合理解决问题。简布普遍条分法等基本假定(1假定整个滑裂面上的稳定安全系数是一样的;(2假定土条上所有垂直荷载的合力 W 作用线和滑裂面的交点与 N 的作用 点相同;(3假定滑体中各土条间推力的作用点

32、的连线为直线分布,即推力作用线的位 置假定已知。如果坡面没有超载,对于非粘性土 0C =',推力线选在土条下三分点 处;对于粘性土 C' > 0时,推力作用点位置稍高于三分点处在被动区 (滑体出口部 分 ,或稍低于三分点主动区 (滑体上端部位 ;如果坡面有超载,侧向推力成梯形分 布,推力线应通过梯形的形心。简布普遍条分法的计算公式 图 2-5 简布普遍条分法 图 2-6 有渗透孔隙水压力的分布取第 i 号土条作为对象分析,如图所示。以底部 i N 作用点为矩心,建立力矩平衡条 件方程有:i i i i i i i 21i i Z Q h E h E X T X T -=+

33、 (2-16ii i i i ii i i 2i X ZQ X h E tan E T T -+-=+ (2-17当分界面上有渗透压力 1i 1i i u u +-, , 时,假定接触压力 E 的作用位置,建立平衡方 程时,将 1i 1i i u u +-, , 作为外力处理,如图 2-4所示,安全系数 s F 可以表示为(+=ii i i isii 2i iiiis tan T W Q tan F 1sec -TW X C F (2-1870年代末,我国水利电力部西北勘测设计院土复来对简布条分法作出改进条划 分为 m 条,土复来假设土条侧的水平土压力呈三角形分布,其合力作在界面高度的 下三分

34、点处,解题时可用试算法或迭代法。整理得出安全系数公式为(=+'+=1i i i i i 1i si2i i i i i s tan T W Q F tan tan 1sec tan -T W X C F (2-19此方法的基本出发点与普遍条分法一致,精度也相当,但使用起来却更方便。(1斯宾塞法斯宾塞假定相邻土条之间的法向条间力 E 与切向条间力 X 之间有一固定的常数 关系,即tan E X E X 1i 1i i i =+ (2-20 因此,各条间力合力的方向是互相平行的。美国陆军工程师团法与斯宾塞法相似,但假定条间力合力方向是一个定值,等 于土坡的平均坡度,可直接通过力的平衡方程来

35、求得 Fs 。(2摩根斯坦一普赖斯法摩根斯坦一普赖斯法对任意曲线形状的滑裂面进行了分析,导出了满足力的平 衡和力矩平衡微分方程式。假定两相邻土条切向条间力和法向条间力之间存在 1个 对水平方向坐标的函数关系,根据整个滑动土体的边界条件求出问题的解答。摩根 斯坦一普赖斯法是对土坡稳定进行极限平衡分析计算的最一般的方法。如果 f(x为一常数,其结果和斯宾塞相同 ; 更特殊的取 f(x=0,则相当于简化毕肖普法。我国水 利水电科学研究院陈祖煌在摩根斯坦指导下对此方法作了改进,解决了收敛困难的 问题,同时提出条间力的方向斜率函数要满足端部条件。(3沙尔玛法沙尔玛法也是一种严格条分法,假想在每一土条重心

36、作用着一个水平地震惯性 力,使滑裂面正好达到极限状态,同时还假设沿两相邻土条的垂直分界面,所有平 行于土条底面的刹面均处于极限平衡状态,在此前提下推导出切向条间力 X 的分 布。对于任意形状的滑动面假定条间力方向的刹率为各种可能的函数,建立力和力 矩的平衡方程。使超静定问题变成静定的。(4不平衡推力传递法不平衡推力传递法假定土条侧向力的倾角等于该土条条底面倾角。我国工民建 和铁道部门在核算滑坡稳定时使用非常广泛,同样适合于任意形状的滑裂面。假定 条间力的合力与上一土条底面相平行,根据力的平衡条件,逐条推导,直至最后一 条土条的推力为零。条分法至今已有 70多年的历史,之间经过许多学者的研究改进

37、,基本出发点都 是一样,但计算方法日趋完善。瑞典圆弧法是条分法中最古老而又简单的方法。此法假定滑裂面是圆弧面,还 假定不考虑土条两侧的作用力,安全系数定义为各土条在滑裂面上所提供的抗滑力 矩和外力及滑动土体在滑裂面上所产生的滑动力矩之比。由于不考虑条间力的作 用,对每一土条力和力矩的平衡条件是不满足的,只能满足整个滑动土体的整体力 矩平衡条件,因此产生的误差使求出的安全系数偏低 10%-20%,并随滑裂面圆心角 和孔隙水压力的增大误差也增大。一般对于等于零或数值很小的软粘土,滑裂面底 部的正应力对有效抗剪强度影响较小,用瑞典圆弧法求出的安全系数不比其它方法 保守。对于圆弧滑裂面的总应力法可得出

38、基本正确的结果。简化毕肖普法对传统的费伦纽斯法做了重要改进。提出安全系数的的定义,通 过假定土条件间的作用力为水平方向,求出土条底的法向力,通过力矩平衡方程确 定安全系数。得到的安全系数比较瑞典条分法的精度要高些,仅适用于圆弧形滑裂面。简布法也是一种严格条分法,适用于任意形状的滑裂面,坡面作用着各种荷 载。该法中推力线的位置变化主要影响着土条侧向力的分布,对安全系数的影响很 小;对于任意形状的滑裂面假定条间力的作用点,同时考虑力和力矩的平衡得到复 杂的安全系数方程式,求解需要反复迭代。该法计算过程比较简单,可用手算或编 制简单程序计算;但是实际计算时存在严重的收敛困难问题。传递系数法是我国工程

39、技术人员创造的一种滑坡稳定分析的实用方法,计算简 单,且为滑坡治理提供设计推力,在国家规范和行业规范里都将其列为推荐方法使 用。但此法条间合力方向是规定的,只考虑力的平衡,未能考虑力矩平衡条件,当 滑裂面倾角较大时,求出的条间抗剪安全系数可能小于 1,与实际不符。在光滑曲 线滑裂面时,安全系数与毕肖普法十分接近,但遇到有软弱夹层问题是,求得的安 全系数偏大。目前的认识水平还无法保证传递系数法在任何情况下都能提供准确的 答案。斯宾塞法和摩根斯坦一普赖斯法得到的结果与简化毕肖普法计算结果基本上一 样。莎尔玛法的基本假定是和摩根斯坦一普赖斯法一样,但该法采用假想的临界水 平地震加速度作为衡量土坡稳定

40、程度的标准而使安全系数等于 1,这样可以不用试 算或迭代,使计算工作大为简化。但由于缺少使用方面的经验,影响了该法的广泛 使用。这里介绍了用于边坡稳定分析计算的确定性分析方法,在边坡稳定性工程地质 评价方面,由于系统规模较大,评价指标的类型以及度量标准不同,评价信息不完 整等原因,人们难以用确定性分析方法对它进行精确的描述,因此在边坡工程中我 们可以根据实际需要选择恰当的边坡稳定分析方法。很据大量计算的经验,最危险滑动圆弧的圆心,是在一条辅助线上,辅助线的 位置,可按下述方法绘出:1、 4.5H 法(如图 2-7所示 图 2-7 4.5H法由坡脚 A 点向下做垂线,量取路堤高 H 得 M 点;

41、由 M 点引水平线,量取 4.5H ,得 D 点,在 A 点作一与边坡夹角为 的直线 AE 。在堤顶 B 点作与堤顶水平线成夹角的直线 BE ,并与 AE 相交于 E 点(和 角的数值,见表 2-1 。联结 DE 点,并向外延伸。当填料为软粘土(时,最危险滑动圆的圆心 位置即在 E 点;而当 时,最危险的圆心位置在 DE 线的延长线上。可在此延长 线上定 35个圆心位置,计算相应的稳定系数,由此得出最小值。有时为可靠起 见,在此最小值附近,沿垂直 DO 延长线的方向。再设几个圆心,求算有无更小的稳 定系数值。表 2-1 和 角的数值 2、 36°法(如图 2-8 图 2-8 36&#

42、176;法在堤顶 B 处作与堤顶水平线成夹角 36°的直线 BE ,最 危险圆弧的圆心位置, 可找再找到最危险的圆心位后,还垂直此直线方向,再补找几个圆心位置,验算有 无更小的稳定系数值。36°法比较简便,但精度不如 4.5H 法。对于重要的边坡,宜采用 4.5H 法。 以上两种方法均适用于边坡坡顶水平、滑动圆弧通过边坡破脚的情况。用前面 已叙述的方法确定临界圆心的位置,寻找临界圆弧,计算最小安全系数 ,用以 判别土坡的稳定性。工程上有如下要求: (2-212.4 路堤工程地震稳定性计算原理中国地震烈度区划图中所规定的基本烈度为 7、 8、 9度地区的公路工程抗震设 计。对

43、于基本烈度大于 9度的地区,公路工程的抗震设计应进行专门研究,基本烈度 为 6度地区的公路工程,除国家特别规定外,可采用简易设防。在进行地震优化设计以后,在发生与之相当的基本烈度地震影响时,位于一般 地段的高速公路、一级公路工程,经一般整修即可正常使用;位于一般地段的二级 公路工程及位于软弱粘性土层或液化土层上的高速公路、一级公路工程,经短期抢 修即可恢复使用,三、四级公路工程和位于抗震危险地段、软弱粘性土层成液化土 层上的二级公路以及位于抗震危险地段的高速公路、一级公路工程,保证桥梁、隧 道及重要的构造物不发生严重破坏。对构造物的地震作用,应根据路线等级及构造物的重要性和修复(抢修的难 易程

44、度,按表 2-2进行修正。表 2-2 重要性修正系数 验算构造物地震作用时,水平地震系数应按表2-3 采用。表 2-3 水平地震系数 路线走向的水平地震荷载。地震荷载应与结构重力、土的重力和水的浮力相组合, 其它荷载不考虑。地震荷载采用静力法计算。水平地震荷载按下式计算: (2-22 式中:重要性修正系数,取 1.0;综合影响系数,取 = 0.25; 水平地震系数,取 0.4; 路基计算土体的重 (kN; 作用于路基计算土体重心处的水平地震荷载 (kN; 2.5 典型案例分析已知一均质土坡,高 18.7m ,边坡坡率 1:1.5。土的容重=18kN/,内摩擦 角 =30°,粘聚力 c

45、=17,试用条分法检算土坡的稳定性。解:本算例按照瑞典条分法检算土坡稳定性。 图 2-9 计算简图1、如上图所示,在 CAD 作图,用 4.5H 法找到最危险圆弧画面,在图中辅助 线上定出圆心 。由图中查出=45.81°,由表 2-1查出=26°=35°。2、将滑体 ABC 分条,分为 11条,前 10条宽 4m ,第 12条 2.16m ,计算各 土条相应滑弧的倾角,计算各土条的重量,并分解为 。= 3、 总长为 =l(m 4、根据以上数据,列表计算如表 2-2表 2-4 条分法检算土坡的稳定性 根据上表计算,有1.77>=1.35 稳定性系数满足公路路基

46、设计规范的要求。因此该滑面稳定。 5、在辅助线上另找=1.58 ; 将五个圆心所确定的稳定性系数作比较,见图 2-10: 图 2-10 稳定性系数分析由此五个圆心的计算结果,得知最小安全系数为 >=1.35,所定边 坡属于稳定。6、地震工况下路基稳定性检算,只考虑垂直路线走向的水平地震荷载,水平地震荷 载按下式计算: 根据以上正常工况下计算的圆弧最危险滑面,圆心为 , 其稳定 性系数,因此在地震工况下此滑面自动满足最危险滑面,因此只需计算 此滑面对应的稳定性系数即可确定路堤整体稳定性是否满足规范要求。下面列表 2-3计算地震烈度为 9度工况下的稳定性系数。表 2-5 地震烈度为 9度工况

47、下的路堤稳定性检算 圆弧 l m 。根据上表计算: 地震烈度 9度工况下路基稳定性系数为 1.15,则本边坡属于稳定。2.6 小结本章的主要内容分为两部分:第一部分介绍边坡稳定性分析及抗震优化设计的 基本原理,着重介绍了分析黏性土坡稳定性问题是用到的极限平衡法,如瑞典条分 法、毕肖普法、简布普遍条分法等,这些方法都各有优缺点,必须根据实际工程的 需要选用。第二部分利用一个路堤边坡稳定性分析的典型案例来熟悉、验证这些原 理。第 3章 路堤工程抗震优化设计初探3.1 理正软件简介随着科技和计算机技术的发展,以往不可能靠手工完成的工作现在己经能够依 靠计算机的强大计算能力解决,在边坡稳定分析方面也是

48、如此,因此本部分设计计 算采用理正岩土工程计算软件,它能够计算挡土墙、护坡、基坑支护等与岩土工程 相关的支挡结构,应用较广。理正岩土软件采用瑞典条分法、简化 Bishop 法、 JanBu 法进行圆弧破裂面稳定 计算,采用摩根斯顿 普赖斯法、简化 Bishop 法、简化 JanBu 法进行折线破裂面稳 定计算,自动搜索最危险滑动面,输出安全系数彩色云图;可完成支线破裂面稳定 计算;计算支线、圆弧组合滑动面的剩余下滑力;考虑水浮力、渗透压力、地震 力、任意方向的附加里;提供三种土层模型。该软件具有下列功能:(1 本软件具有通用标准、堤防规范、碾压土石坝规范三种标准,以满足不 同行业的要求;(2本

49、软件提供三种地层分布模式(匀质地层、倾斜地层、复杂地层 ,可满 足各种地层条件的要求;(3 本软件可计算边坡的稳定安全系数、及剩余下滑力;(4 本软件提供多种方式计算边坡的稳定安全系数;(5本软件提供的自动搜索最小稳定安全系数的方法,是理正技术人员研制、 开发、应用到软件中,并取得良好的效果。一般情况下,都可以得到最优解。但是 对于较复杂的地质条件,建议先指定区域搜索、分不同精度进行分析,逐步逼近最 优解,这样才能既快、又准;(6 对于圆弧稳定计算,本软件提供三种方法:瑞典条分法、简化 Bishop 法、及 Janbu 法。集三种方法于一体,用户可以根据不同的要求采用不同的方法。 用户需要注意

50、的是采用后两种方法计算时,有时不收敛,也是正常的。需要用户调整相关的参数再计算或用第一种方法;(7 软件可同时考虑地震作用、外加荷载、及锚杆、锚索、土工布等对稳定 的影响;(8特别是针对水利行业做了大量工作,除按水利的堤防、碾压土石坝规范 外,还参照了海堤等规范;提供按不同工况施工期、稳定渗流期、水位降落期计 算堤坝的稳定性(具有总应力法及有效应力法 ;详细的分析、考虑水的作用,包括堤坝内部的水(渗流水及堤坝外部的水 (静水压力的作用;尤其方便的是可以将渗流软件分析的流场数据直接应用到稳 定分析,使计算结果更逼近真实状况。(9 具有图文并茂的交互界面、计算书。并有及时的提示指导、帮助用户使 用

51、软件。本软件可应用于水利行业、公路行业、铁路行业和其它行业在岩土工程建设中 遇到的边坡(主要是土质边坡、岩石边坡可参考稳定分析。理正软件的优点是具 有集中的参数交互界面,即把几乎所有的参数置于一个界面上,操作简单,大大提 高了人机交互的效率,这是理正岩土系列软件的一个共性特征;并且同时提供了有 关参数的即时弹跳说明信息,方便用户理解参数的意义。本章正是利用理正软件对 高路堤工程进行优化设计分析及计算。3.2 高路堤工程初步设计本部分初步设计一山区高路堤工程,路堤高度 33.18m ,由于路堤较高,因此路 堤边坡放三级平台护坡,坡度均取 1:1.5。路提坡面超载采用汽车 -20级,采用横向双列车

52、队,荷载强度 19.481,分布 宽度 5.5m ,路肩宽度 0.5m 。正常工况下控制参数 :采用规范 : 通用方法计算目标 : 安全系数计算滑裂面形状 : 圆弧滑动法计算条件 :圆弧稳定分析方法 : 瑞典条分法土条重切向分力与滑动方向反向时 : 当下滑力对待稳定计算目标 : 自动搜索最危险滑裂面条分法的土条宽度 : 0.500(m搜索时的圆心步长 : 1.000(m搜索时的半径步长 : 0.500(m坡面信息 :坡面线段数 6坡面线号 水平投影 (m 竖直投影 (m 超载数1 25.385 17.230 02 1.500 0.000 03 11.640 7.760 04 1.500 0.0

53、00 05 12.290 8.190 06 8.500 0.000 1超载 1 距离 0.500(m 宽 5.500(m 荷载 (19.48-19.48kPa 270.00(度 其余计算参数如表 3-1所示(未列参数基本按软件默认参数取值 ,计算简图如 图 3-1所示:表 3-1 主要计算参数 图 3-1 高路堤工程计算简图(1正常工况下计算 :控制参数与初步设计相同,根据理正软件分析,最不利滑动面见图 3-2: 图 3-2 计算结果图滑动圆心 = (-4.734,36.222(m滑动半径 = 36.530(m滑动安全系数 = 1.291(2地震工况下地震烈度为 7度时计算结果:控制参数 :采

54、用规范 :通用方法 计算目标 : 安全系数计算 滑裂面形状 : 圆弧滑动法地震烈度 : 7 度水平地震系数 : 0.100地震作用综合系数 : 0.250地震作用重要性系数 : 1.000地震力作用位置 : 质心处水平加速度分布类型:矩形最不利滑动面见图3-3: 图 3-3 计算结果图滑动圆心 = (-4.774,36.382(m滑动半径 = 36.694(m滑动安全系数 = 1.228(3地震工况下地震烈度为 8度时计算结果:控制参数 :采用规范 :通用方法 计算目标 : 安全系数计算 滑裂面形状 : 圆弧滑动法地震烈度 : 8 度水平地震系数 : 0.200地震作用综合系数 : 0.250

55、地震作用重要性系数 : 1.000地震力作用位置 : 质心处水平加速度分布类型:矩形最不利滑动面见图 3-4: 图 3-4 计算结果图 滑动圆心 = (-4.828,36.544(m 滑动半径 = 36.861(m滑动安全系数 = 1.169(4地震工况下地震烈度为 9度时计算结果:控制参数 :采用规范 : 通用方法计算目标 : 安全系数计算滑裂面形状 : 圆弧滑动法地震烈度 : 9 度水平地震系数 : 0.400地震作用综合系数 : 0.250地震作用重要性系数 : 1.000地震力作用位置 : 质心处水平加速度分布类型:矩形最不利滑动面见图 3-5: 图 3-5 计算结果图滑动圆心 = (

56、-4.948,36.864(m滑动半径 = 37.194(m滑动安全系数 = 1.063以上情况是利用理正软件计算得到的初步设计再各种工况下的路堤边坡滑动安 全系数,将以上结果列表显示,见表 3-2:表 3-2 稳定性分析结果 从上表的各种工况下的滑动安全系数可以看出:本次初步设计的高路堤在正常 工况下,稳定性系数小于 1.35,不满足公路路基设计规范要求,而且在地震烈 度为 9度时小于 1.15,也不满足公路抗震规范要求,因此本次设计的高路堤无 论是正常工况还是地震工况都不满足要求,需要进行优化设计。本论文优化设计采 用两种方法: 1改变路堤边坡坡度; 2在路堤内部铺设土工格栅即采用加筋土路堤。下面再利用理正