路基路面工程第四章

1、HPU路路 基基 路路 面面 工工 程程Subgrade and pavement engineering 河南理工大学土木工程学院道路与桥梁教研室河南理工大学土木工程学院道路与桥梁教研室主讲：主讲： 徐徐 平平HPU4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 河南理工大学土木工程学院道路与桥梁教研室河南理工大学土木工程学院道路与桥梁教研室1238边坡稳定性分析原理与方法直线滑动面边坡稳定性分析曲线滑动面边坡稳定性分析目目 录（录（contents）4浸水路堤稳定性分析一、边坡破坏的机理一、边坡破坏的机理1、土体强度破坏、土体强度破坏2、受水侵蚀、受水侵蚀3、设计施工不当、设计施工不

2、当4、荷载过大、荷载过大5、地震或其它自然因素、地震或其它自然因素均由剪切破坏引起均由剪切破坏引起4.1 边坡稳定性分析原理与方法边坡稳定性分析原理与方法4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 一、边坡失稳现象一、边坡失稳现象 路基边坡滑坍是公路上常见的破坏现象之一。在岩路基边坡滑坍是公路上常见的破坏现象之一。在岩质或土质山坡上开挖路堑，有可能因自然平衡条件被破质或土质山坡上开挖路堑，有可能因自然平衡条件被破坏或者因边坡过陡，使坡体沿某一滑动面产生滑坡。对坏或者因边坡过陡，使坡体沿某一滑动面产生滑坡。对河滩路堤、高路堤或软弱地基上的路堤，因水流冲刷、河滩路堤、高路堤或软弱地基上的

3、路堤，因水流冲刷、边坡过陡或地基承载力过低而出现填方土体（或连同原边坡过陡或地基承载力过低而出现填方土体（或连同原地面土体）沿某一剪切面产生坍塌。地面土体）沿某一剪切面产生坍塌。4.1 边坡稳定性分析原理与方法边坡稳定性分析原理与方法4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 深圳汕头高速公路深圳汕头高速公路K102滑坡滑坡 抗滑桩与明洞处理花费抗滑桩与明洞处理花费8000余万元余万元4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 同江三亚高速公路闽北八尺门互通区同江三亚高速公路闽北八尺门互通区 设在设在2个古滑坡上，治理费个古滑坡上，治理费5000余万元余万元4 4 路基边坡

4、稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 云南元江磨黑高速公路三菁公隧道进口云南元江磨黑高速公路三菁公隧道进口 高边坡发生滑坡，高高边坡发生滑坡，高130m，推倒中隔墙，推倒中隔墙4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 山西长治晋城高速公路山西长治晋城高速公路K31 砂泥岩顺层滑坡，体积达砂泥岩顺层滑坡，体积达25万万m34 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 北京珠海高速公路粤北段北京珠海高速公路粤北段K108高边坡滑坡高边坡滑坡 三次变更设计，治理费用三次变更设计，治理费用2000余万元余万元4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 西安秦岭某试验基地花

5、岗岩高边坡滑坡西安秦岭某试验基地花岗岩高边坡滑坡4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 花岗岩中长花岗岩中长100多多m、宽、宽80cm的张裂缝的张裂缝4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 因此，必须对可能出现失稳或已出现失稳的路基进行稳因此，必须对可能出现失稳或已出现失稳的路基进行稳定性分析，保证路基设计既满足稳定性要求，又满足经济定性分析，保证路基设计既满足稳定性要求，又满足经济性要求。性要求。 边坡失稳时滑动体的形状边坡失稳时滑动体的形状 1. 平面形平面形：松散的砂性土及砂土：松散的砂性土及砂土 2. 圆柱形圆柱形：粘土：粘土 3. 碗碗 形形：粘土：粘土

6、4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 第一节第一节 边坡稳定性分析原理与方法边坡稳定性分析原理与方法 TWN NTWa)直线破坏面直线破坏面 T1N1WT2N2b)折线破坏面折线破坏面 TNWC)曲线破坏面曲线破坏面 图图4-1 边坡的滑动面边坡的滑动面 二、边坡稳定性分析原理二、边坡稳定性分析原理1滑动面形状滑动面形状与土质有关与土质有关 粘性土粘性土圆柱形、碗形圆柱形、碗形 砂性土及砂土砂性土及砂土平面平面2力学求解问题力学求解问题单一平面问题单一平面问题静力平衡问题，静力平衡问题，如图如图4-1a）两个破坏面问题两个破坏面问题超静定问题，超静定问题，如图如图4-1b）多个

7、破坏面问题多个破坏面问题多次超静定问多次超静定问题，如图题，如图4-1c）4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 二、边坡稳定性分析原理二、边坡稳定性分析原理3.3.假设假设使求解静不定问题变为静定问题使求解静不定问题变为静定问题 滑动土体沿滑动面整体滑动（刚塑体）滑动土体沿滑动面整体滑动（刚塑体）, ,不考虑土体的相对不考虑土体的相对运动（不考虑内应力）；运动（不考虑内应力）； 土体在滑动面上达到极限平衡，滑动面唯一；土体在滑动面上达到极限平衡，滑动面唯一； 最不利滑动面，位置通过计算确定；最不利滑动面，位置通过计算确定； 滑动面通过坡脚。滑动面通过坡脚。 第一节第一节 边坡稳

8、定性分析原理与方法边坡稳定性分析原理与方法 原理原理：采用极限平衡原理：采用极限平衡原理缺点缺点：不能分析下滑体的中的真实内力和反力，不能得到其中不能分析下滑体的中的真实内力和反力，不能得到其中的应力和变形，只有一个安全系数。的应力和变形，只有一个安全系数。4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 4 4边坡稳定性计算方法边坡稳定性计算方法 直线法直线法 砂土、砂性土砂土、砂性土土质：圆弧法土质：圆弧法 条分法条分法 粘性土粘性土 极限平衡法（考虑了安全系极限平衡法（考虑了安全系数）数） 表解法表解法石质：工程地质比拟法石质：工程地质比拟法5 5评定指标评定指标稳定系数：稳定系数：

9、工程中，工程中，k k1.251.251.51.5111k ，稳定抗滑力（矩） ，临界下滑力（矩），不稳定二、边坡稳定性分析原理二、边坡稳定性分析原理第一节第一节 边坡稳定性分析原理与方法边坡稳定性分析原理与方法 4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 第一节第一节 边坡稳定性分析原理与方法边坡稳定性分析原理与方法 三、边坡稳定性分析的计算参数三、边坡稳定性分析的计算参数 1.1.土的计算参数土的计算参数 ， ：填土路堤一致，天然路堑：填土路堤一致，天然路堑 多层土体：利用加权平均法多层土体：利用加权平均法 2 2边坡的取值边坡的取值对于折线形或阶梯形边坡，一般取平均值，或坡脚点

10、和坡顶点的连线。对于折线形或阶梯形边坡，一般取平均值，或坡脚点和坡顶点的连线。3 3荷载当量高度荷载当量高度h h0 0汽车荷载汽车荷载 以相等压力的土层厚度来代替荷载以相等压力的土层厚度来代替荷载 当量土柱当量土柱高高11niiicc hH11niiitgh tgH11niiihHc、 、4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 汽车菏载当量换算汽车菏载当量换算 对于作用在路基上的行车荷载，按最不利情况排列，将车对于作用在路基上的行车荷载，按最不利情况排列，将车辆的设计荷载换算成当量土柱高。辆的设计荷载换算成当量土柱高。h0的计算式为：的计算式为： BLNQh0其中：其中：B为横

11、向分布车辆轮胎最外缘为横向分布车辆轮胎最外缘之间总距（之间总距（m）：）：dNNbB) 1(4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 四、边坡稳定分析时的简化1形状简化形状简化 平面状平面状直线直线 园柱状（碗状）园柱状（碗状）圆曲面（投影）圆曲面（投影）圆弧圆弧4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 2力的简化：超静定力的简化：超静定静定静定4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 土体划分为土体划分为n个土条，一个土条可列出三个平衡方程，总个土条，一个土条可列出三个平衡方程，总计计3n个平衡方程。个平衡方程。条分法条分法4 4 路基边坡稳定性分析计算路

12、基边坡稳定性分析计算 直直 线线 法法 一、适用条件一、适用条件1. 砂类土的路堤和路堑；砂类土的路堤和路堑； 2. 有近似直线的软弱夹层的路堑；有近似直线的软弱夹层的路堑； 3. 单坡的陡坡路堤。单坡的陡坡路堤。 4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 二、数学表达式二、数学表达式sincosGCLtgGTCLtgNK下滑力抗滑力由于砂类土的粘结力由于砂类土的粘结力C很小，若取很小，若取C=0，则上式为：，则上式为： tgtgK 4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 三、稳定性分析步骤三、稳定性分析步骤1. 均质砂类土路堤边坡（试算法）均质砂类土路堤边坡（试算法

13、） 先假设几个破裂面，按上式计算对应的稳定系数先假设几个破裂面，按上式计算对应的稳定系数Ki； 4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 绘制绘制i-Ki曲线图曲线图 在图中确定最小在图中确定最小Kmin以及相应的极限破裂角以及相应的极限破裂角0 稳定性判断：稳定性判断：KminK=1.251.5 4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 2. 均质砂类土路堑边坡（解析法）均质砂类土路堑边坡（解析法） )()(sincos00ctgactgafGCLtgGK)sin(sinh21LGhc20tanf其中：其中：4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 按微分

14、方法，当按微分方法，当dK/d=0可求稳定系数可求稳定系数K最小时破裂面最小时破裂面倾斜角倾斜角0值值 。 0)(sin1sin1)(/d2020fdKcsccotcot000f可得：可得：csc)(2cot)2(000minffK可得：可得：最后进行判断？最后进行判断？4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 4-3 4-3 圆圆 弧弧 法法 一、适用条件一、适用条件 圆弧法适用于粘性土，土的抗力以粘聚力为主，内圆弧法适用于粘性土，土的抗力以粘聚力为主，内摩擦力较小。边坡破坏时，破裂面近似圆柱形。摩擦力较小。边坡破坏时，破裂面近似圆柱形。适用于适用于边坡有不同的土层的均质粘性土边

15、坡，部分被淹没的均边坡有不同的土层的均质粘性土边坡，部分被淹没的均质粘性土坝，局部发生渗漏、边坡为折线或台阶形的粘质粘性土坝，局部发生渗漏、边坡为折线或台阶形的粘性土路堤与路堑。性土路堤与路堑。 4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 二、圆弧法原理二、圆弧法原理 1.原理原理:将圆弧滑动面上的土体划分为若干竖向土条，依次计算将圆弧滑动面上的土体划分为若干竖向土条，依次计算每一土条沿滑动面的下滑力和抗滑力，然后叠加计算出整个滑每一土条沿滑动面的下滑力和抗滑力，然后叠加计算出整个滑动土体的稳定性。动土体的稳定性。圆弧法的计算精度主要与分段数有关。分段愈多圆弧法的计算精度主要与分段数

16、有关。分段愈多则计算结果愈精确，一般分则计算结果愈精确，一般分810段。小段的划分，还可结合横断段。小段的划分，还可结合横断面特性，如划分在边坡或地面坡度变化之处，以便简化计算。面特性，如划分在边坡或地面坡度变化之处，以便简化计算。2.假设假设: 土体为均质和各向同性；土体为均质和各向同性； 滑动面通过坡脚；滑动面通过坡脚； 不考虑土体的内应力分布及各土条之间相互作用力的不考虑土体的内应力分布及各土条之间相互作用力的影响，土条不受侧向力作用，或虽有侧向力，但与滑动圆弧的影响，土条不受侧向力作用，或虽有侧向力，但与滑动圆弧的切线方向平行切线方向平行 4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分

17、析计算 四、四、边坡稳定性分析方法边坡稳定性分析方法力学分析法力学分析法 （3 3）步骤）步骤 （1 1）通过坡脚任意选定可能发生的圆弧滑动面）通过坡脚任意选定可能发生的圆弧滑动面ABAB，其半径为，其半径为R R，沿路线纵，沿路线纵向取单位长度向取单位长度1m1m。将滑动土体分成若干个一定宽度的垂直土条，其宽一般为。将滑动土体分成若干个一定宽度的垂直土条，其宽一般为2 24m4m。 （2 2）计算每个土条的土体重）计算每个土条的土体重G Gi i( (包括小段土重和其上部换算为土柱的荷载包括小段土重和其上部换算为土柱的荷载在内在内) )。G Gi i可分解为垂直于小段滑动面的法向分力可分解为

18、垂直于小段滑动面的法向分力N Ni i=G=Gi icoscosi i和平行于该面的和平行于该面的切向分力切向分力T Ti ii isinsini i，其中，其中i i为该弧中心点的半径线与通过圆心的竖线之为该弧中心点的半径线与通过圆心的竖线之间的夹角，间的夹角， i i( (其中其中x xi i为圆弧中心点距圆心竖线的水平距离，为圆弧中心点距圆心竖线的水平距离，R R为圆弧半径为圆弧半径) ) （3 3）计算每一小段滑动面上的反力）计算每一小段滑动面上的反力( (抵抗力抵抗力) )，即内摩擦力，即内摩擦力N Ni if f( (其中其中f=tgf=tg i i ) )和粘聚力和粘聚力cLcL

19、i i（i i为为i i小段弧长小段弧长) )。 （4 4）以圆心）以圆心O O为转动圆心，半径为转动圆心，半径R R为力臂，计算滑动面上各力对为力臂，计算滑动面上各力对O O点的滑动点的滑动力矩和抗滑力矩力矩和抗滑力矩 （5 5）求稳定系数）求稳定系数K K值值 4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 4.数学表达式数学表达式 miiniiniiiniiiTTtgNlcMMK1111滑动力矩抗滑力矩滑动抗滑4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 三、稳定性分析步骤三、稳定性分析步骤 1. 按比例绘制路基横断面图按比例绘制路基横断面图 2. 确定圆心的大致位置和圆弧

20、的形状确定圆心的大致位置和圆弧的形状 3. 根据情况分段根据情况分段 4. 计算分段的计算分段的Gi、i、Ni、Ti，进而计算出，进而计算出K1 5. 重复重复14，得出，得出K2Kn，作图求出最小的，作图求出最小的Kmin 6. 稳定性判断：稳定性判断：KminK=1.251.5 iiiGNcosiiiGTsinRxii1sin4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 四、圆弧圆心确定四、圆弧圆心确定 为了较快地找到极限滑动面，减少试算工作量，根为了较快地找到极限滑动面，减少试算工作量，根据经验，极限滑动圆心在一条线上，该线即是圆心辅助据经验，极限滑动圆心在一条线上，该线即是圆心

21、辅助线。确定圆心辅助线可以采用线。确定圆心辅助线可以采用4.5 H法或法或36线法。线法。 4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 4.5 H法法 4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 36线法线法 由荷载换算土柱高顶点作与水平线成由荷载换算土柱高顶点作与水平线成36角的线角的线EF，即得圆心辅助线。即得圆心辅助线。 由坡顶处作与水平线成由坡顶处作与水平线成36角的线角的线EF，即为圆心辅助，即为圆心辅助线。线。 4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 陡坡路堤稳定性陡坡路堤稳定性 一、陡坡路堤滑动的成因及滑动形式一、陡坡路堤滑动的成因及滑动形式 1

22、. 1. 陡坡路堤：陡坡路堤：原地面横坡大于原地面横坡大于1:2.51:2.5的路堤。陡坡路堤应同的路堤。陡坡路堤应同时满足路堤边坡稳定性和沿着原地面滑动的稳定性。时满足路堤边坡稳定性和沿着原地面滑动的稳定性。 4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 2 2 可能滑动的陡坡路堤形式可能滑动的陡坡路堤形式 原 因：基底接触面较陡或强度较弱表现形式：路堤整体沿基底接触面滑动 原 因：基底修筑在软弱土层上 表现形式：路堤连同其下的软弱土层沿某一滑 动面滑动原 因：基底下岩层强度不均匀，如泥质页岩表现形式：路堤沿某一最弱的层面滑动4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 二、

23、陡坡路堤稳定性验算二、陡坡路堤稳定性验算 1. 滑动面强度指标的确定滑动面强度指标的确定 基底开挖台阶时：基底开挖台阶时：c和和应选择填土和基底土中较小应选择填土和基底土中较小的一组，并按滑动面受水浸湿程度予以降低的一组，并按滑动面受水浸湿程度予以降低 基底不设台阶时：考虑到水的渗流影响，基底不设台阶时：考虑到水的渗流影响，c可忽略不可忽略不计，基底摩擦系数计，基底摩擦系数f =tg，一般在，一般在0.250.60之间。之间。 4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 2. 稳定性验算方法稳定性验算方法 直线法：直线法：当基底为单一坡面，土体沿直线滑动面整体下当基底为单一坡面，土体

24、沿直线滑动面整体下滑时，可用直线滑动面法进行分析。稳定系数按下式计算：滑时，可用直线滑动面法进行分析。稳定系数按下式计算： sin)(cos)(PQcLtgPQK4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 折线法：折线法：当滑动面为多个坡度的折线倾斜面时，可将滑当滑动面为多个坡度的折线倾斜面时，可将滑动面上土体按折线段划分为着干条块，自上而下分别计算动面上土体按折线段划分为着干条块，自上而下分别计算各土体的剩余下滑力，根据最后一块的剩余下滑力的数值各土体的剩余下滑力，根据最后一块的剩余下滑力的数值判断路堤的整体稳定性。稳定分析过程如下：判断路堤的整体稳定性。稳定分析过程如下： 4 4

25、 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 11111111cos1sinLctgWKWEnnnnnnnnnnnnnnLctgEWKEWE)sin(cos(1)cos(sin1111注意：注意：若第若第n块土体块土体En0，则，则En不列入下一土块的计算，不列入下一土块的计算，即令即令En=0 u最后一块土体的下滑力大于零时，则认为路堤不稳定；最后一块土体的下滑力大于零时，则认为路堤不稳定；否则，认为路堤是稳定的。否则，认为路堤是稳定的。 4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 三、增加陡坡路堤稳定性的措施三、增加陡坡路堤稳定性的措施 1. 改善基底状况，增加摩擦力或减少滑动

26、力。改善基底状况，增加摩擦力或减少滑动力。 F 清除松软的表层覆盖土，夯实基底；清除松软的表层覆盖土，夯实基底； F 开挖台阶，增加摩擦力；开挖台阶，增加摩擦力； F 在路堤上侧设置截水沟或边沟，以阻止地面水浸湿基底；在路堤上侧设置截水沟或边沟，以阻止地面水浸湿基底； F 受地下水影响时，设置盲沟疏干基底土层。受地下水影响时，设置盲沟疏干基底土层。2. 改变填料及断面形式改变填料及断面形式 采用大颗粒填料嵌入地面；采用大颗粒填料嵌入地面； 放缓坡脚处的边坡，以增加放缓坡脚处的边坡，以增加抗滑力。抗滑力。 3. 在坡脚处设置支挡结构物在坡脚处设置支挡结构物 设置右石料砌筑的护脚设置右石料砌筑的护

27、脚 ；设置挡土墙；设置挡土墙 4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 浸水路堤稳定性浸水路堤稳定性 一、浸水路堤及其作用力系一、浸水路堤及其作用力系概念：受到季节性或长期浸水的沿河路堤、河滩路堤等均概念：受到季节性或长期浸水的沿河路堤、河滩路堤等均称浸水路堤。称浸水路堤。力系：除承受普通路堤所承受的外力及自重力外还承受浮力系：除承受普通路堤所承受的外力及自重力外还承受浮力及渗透动水压力的作用力及渗透动水压力的作用 4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 u当水位上升：水从边坡一侧或两侧渗入路堤，路堤内水位当水位上升：水从边坡一侧或两侧渗入路堤，路堤内水位的浸润线成凹

28、形。的浸润线成凹形。 u当水位下降：水从堤身向外渗出，路堤内水位的浸润线成当水位下降：水从堤身向外渗出，路堤内水位的浸润线成凸形。凸形。渗透水流还能带走路堤细小的土粒而引起路堤的变形；渗透水流还能带走路堤细小的土粒而引起路堤的变形； u路堤两侧水位不一致，产生横穿路堤的渗透。路堤两侧水位不一致，产生横穿路堤的渗透。 图图4-15 4-15 路堤内浸润曲线路堤内浸润曲线 二、渗透动水压力的作用二、渗透动水压力的作用4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 三三 浸水路堤边坡稳定性分析浸水路堤边坡稳定性分析 1动水压力的考虑动水压力的考虑浸水路堤的稳定性按最不利的情况分析：最高洪水位骤

29、然降落时；浸水路堤的稳定性按最不利的情况分析：最高洪水位骤然降落时；几乎不透水的粘土路堤，水位涨落对土体内部影响较小，可不考虑动水压几乎不透水的粘土路堤，水位涨落对土体内部影响较小，可不考虑动水压力；力；透水性较强的土填筑，虽可发生横穿路堤的渗透，但其作用力一般较小；透水性较强的土填筑，虽可发生横穿路堤的渗透，但其作用力一般较小；若路堤采用不透水材料填筑，则不会发生横穿渗透现象，故也可不计算；若路堤采用不透水材料填筑，则不会发生横穿渗透现象，故也可不计算；当路堤用普通土填筑，浸水后土体内产生动水压力。当路堤用普通土填筑，浸水后土体内产生动水压力。2稳定性分析稳定性分析 =/ccBBccBBcBnccBBccBBcBnfNfNC LC LRMKMTTRD SfNfNc Lc LTTD S R抵 抗滑 动ccBBccBBcBfNfNc Lc LKTTD4 4 路基边坡稳定性分析计算路基边坡稳定性分析计算 3. 浸水路堤边坡稳定性分析应考虑的因素浸水路堤边坡稳定性分