道路工程-路基稳定分析计算课件

1、土木工程学院道路工程系路基边坡稳定性分析与支挡工程路基边坡稳定性分析主要内容第一节 概述第二节 直线滑动面的边坡稳定性分析第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析第一节 概述边坡指的是为保证路基稳定，在路基两侧做成的具有一定坡度的坡面。1、边坡种类（1）按成因分类：天然边坡、人工边坡。（2）按地层岩性分类：土质边坡和岩质边坡。（3）按使用年限分类：可分为永久性边坡和临时性边坡。第一节 概述天然边坡：江、河、湖、海岸坡 山、岭、丘、岗、天然坡第一节 概述人工边坡：挖方：沟、渠、坑、池 填方：堤、坝、路基、堆料露天矿小浪底土石坝第一节 概述2、什么是滑坡? 边坡丧失其原有稳定性，一部分土体相对与另一部分

2、土体滑动的现象称滑坡。土坡滑坡前征兆：坡顶下沉并出现裂缝，坡脚隆起。第一节 概述2007年常吉高速朱雀洞大型滑坡滑坡近景GIF第一节 概述第一节 概述-内部原因（1）土质：各种土质的抗剪强度、抗水能力是不一样的，如钙质或石膏质胶结的土、湿陷性黄土等，遇水后软化，使原来的强度降低很多。（2）土层结构：如在斜坡上堆有较厚的土层，特别是当下伏土层(或岩层)不透水时，容易在交界上发生滑动。（3）边坡形状：突肚形的斜坡由于重力作用，比上陡下缓的凹形坡易于下滑；由于粘性土有粘聚力，当土坡不高时尚可直立，但随时间和气候的变化，也会逐渐塌落。3、路基边坡失稳的原因：第一节 概述-外部原因（1）降水或地下水的作

3、用：持续的降雨或地下水渗入土层中，使土中含水量增高，土中易溶盐溶解，土质变软，强度降低；还可使土的重度增加，以及孔隙水压力的产生，使土体作用有动、静水压力，促使土体失稳，故设计斜坡应针对这些原因，采用相应的排水措施。（2）振动的作用：如地震的反复作用下，砂土极易发生液化；粘性土，振动时易使土的结构破坏，从而降低土的抗剪强度；车辆运动、施工打桩或爆破，由于振动也可使邻近土坡变形或失稳等。（3）人为影响：由于人类不合理地开挖，特别是开挖坡脚；或开挖基坑、沟渠、道路边坡时将弃土堆在坡顶附近；在斜坡上建房或堆放重物时，都可引起斜坡变形破坏。3、路基边坡失稳的原因：第一节 概述根本原因: 边坡中土体内部

4、某个面上的剪应力达到了它的抗剪强度。具体原因： （1）滑面上的剪应力增加； （2）滑面上的抗剪强度减小。3、路基边坡失稳的原因：第一节 概述土的计算参数 、 （可分层划段，使参数一致，一般采用直接快剪或三轴不排水剪切试验；高路堤时宜采用直接固结快剪或三轴固结不排水剪切试验；软土地基宜采用直接固结快剪或三轴不固结不排水剪切试验）边坡的取值 可取综合坡度值，也可用坡顶与坡脚连线近似表达汽车荷载的当量换算 L=12.8m；Q=550kN；双车道N=2，单车道N=1；B=Nb+(N-1)m+d,b=1.8m,m=1.3m,d=0.6m。4、边坡稳定性分析的计算参数第一节 概述5、假定1）基本假定不考虑

5、滑动土体本身内应力分布；认为平衡状态只在滑动面上达到，滑动时成整体下滑；最危险的破裂面位置通过试算确定。第一节 概述5、假定均质粘性土：光滑曲面 （圆柱面/圆弧） 非均质的多层土或含软弱夹层的土坡: 复合滑动面2）滑动面的形状无粘性土:平面第一节 概述直线曲线折线力学分析法工程地质法（比拟法）图解法6、土坡稳定性分析方法1）按失稳土体的滑动面特征划分：2）稳定性分析计算方法： 直线法适用于砂土和砂性土（两者合称砂类土），土的抗力以内摩擦力为主，粘聚力甚小。边坡破坏时，破裂面近似平面。直线滑动面示意图a)高路堤 b)深路堤 c)陡坡路堤BDA1:ma)1:nABDb)ADc)1、适用范围第二节

6、直线滑动面的边坡稳定性分析2、试算法式中：滑动面的倾角； f摩擦系数，f=tan； L滑动面的长度； N滑动面的法向分力； T滑动面的切向分力； c滑动面上的粘结力； Q滑动体的重力。BDAHRQNT1:m直线滑动面上的力系示意图方法：假定，计算K与的关系。第二节 直线滑动面的边坡稳定性分析第二节 直线滑动面的边坡稳定性分析3、解析法边坡稳定系数最小值：BDATNQH式中：土的粘力使边坡滑动面多呈现曲面，通常假定为圆弧滑动面。圆弧法适用于粘土，土的抗力以粘聚力为主，内摩擦力力较小。边坡破坏时，破裂面近似圆柱形。1、适用范围第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析2、分析方法瑞典圆弧法简化的Bisho

7、p法传递系数法第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析NfWROBd假定滑动面为圆柱面，截面为圆弧，利用土体极限平衡条件下的受力情况： 滑动面上的最大抗滑力矩与滑动力矩之比 CA3、圆弧滑动面的分析法第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析abcdiiOCRABH各土条对滑弧圆心的抗滑力矩和滑动力矩 滑动土体分为若干垂直土条土坡稳定安全系数 4、圆弧滑动面的条分法- 条分法基本思路第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析假定不考虑土条间的作用力 滑动力矩 抗滑力矩 条分法基本思路第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析条分法计算步骤圆心O，半径R分条编号列表计算 Wi bi i变化圆心O和半径RFs最小ENDAORC

8、aibBn i 321第三节 曲线滑动面的边坡稳定性分析边坡稳定性的几点思考：（1）滑动面形状（2）复杂影响因素（3）分析方法极限分析极限平衡小结1、边坡、滑坡的定义以及路基失稳的原因。内部原因、外部原因、根本原因、具体原因2、计算参数与假定、，基本假定、几何假定3、稳定性分析方法分类4、直线滑动面边坡稳定性分析适用范围5、曲线滑动面边坡稳定性分析适用范围、条分法的假设与分析步骤挡土墙设计主要内容 第一节 概述 第二节 挡土墙的构造与布置 第三节 挡土墙土压力计算 第四节 挡土墙的设计原则 第五节 挡土墙设计第一节 概述 挡土墙的定义与的作用 挡土墙是支撑天然边坡或人工填土边坡以保持土体稳定的

9、结构物。公路中主要作用是支撑路堤、路堑、隧道洞口、桥梁两端及河岸壁等。 1、挡土墙的定义第一节 概述按挡土墙位置分:路堑挡墙，路堤挡墙，路肩挡墙和山坡挡墙等。按挡土墙的墙体材料分:石砌挡墙，混凝土挡墙，钢筋混凝土挡墙，砖砌挡墙，木质挡墙和钢板墙等。按挡土墙的结构形式分:重力式，半重力式，衡重式，悬臂式，扶壁式，锚杆式，拱式，锚定板式，板桩式和垛式等。2、挡土墙的类型第一节 概述 挡土墙位置分：a）路肩挡墙、b）路堤挡墙、c）路堑挡墙、d）山坡挡墙 abdc第一节 概述（1）刚性挡土墙本身变形极小，只能发生整体位移重力式悬臂式 锚拉式（锚碇式）扶壁式第一节 概述（2）柔性挡土墙本身会发生变形，墙

10、上土压力分布形式复杂锚杆板桩板桩变形板桩上土压力 实测 计算第一节 概述挡土墙照片第一节 概述3、挡土墙的作用路肩墙：护肩及改善综合坡度；路堤墙：收缩坡脚，防止边坡或基底（对于陡坡）路堤滑动，沿河路堤可防水流冲刷等；路堑墙：减少开挖，降低边坡高度；山坡墙：支挡坡上覆盖层，可兼起拦石作用；隧道及明洞口挡墙：缩短隧道或明洞口长度；桥梁两端挡墙：护台及连接路堤，作为翼墙或桥台。第一节 概述4、各式挡土墙的使用条件垮塌的重力式挡墙5、挡土墙的破坏第一节 概述第一节 概述垮塌的护坡挡墙5、挡土墙的破坏第二节 挡土墙的构造与布置墙面（墙胸）墙背（俯斜、仰斜、垂直）有直线形墙背和折线形墙背之分墙顶及护栏墙底

11、（墙趾、墙踵）1、挡土墙的构造挡土墙的组成示意图墙背墙身基础墙踵墙顶墙面墙趾基底墙身第二节 挡土墙的构造与布置基础 设计的主要内容包括基础形式的选择和基础埋置深度的确定。排水设施 通常由地面排水和墙身排水两部分组成。沉降缝和伸缩缝 为防止因地基不均匀沉陷而引起墙身开裂，应根据地基地质条件及墙高墙身断面的变化情况，设置沉降缝；为了减少圬工砌体因硬化收缩和温度变化作用而产生的裂缝，须设置伸缩缝。1、挡土墙的构造第二节 挡土墙的构造与布置横向布置主要是在路基横断面图上选定挡土墙的位置，确定是路堑墙、路肩墙、路堤墙还是浸水挡墙？并确定断面形式及初步尺寸。纵向布置在墙趾纵断面图上进行墙的纵向布置，布置后

12、绘成挡土墙正面图。包括： 1）分段，设伸缩缝与沉降缝； 2）考虑始、末位置在路基及 其它结构处的衔接； 3）基础的纵向布置； 4）泄水孔布置。平面布置对于个别复杂的挡土墙，例如高的、长的沿河挡墙和曲面挡墙；绕避建筑物挡墙，除了横、纵向布置外，还应作平面布置，并绘制平面布置图。2、挡土墙布置第三节 挡土墙土压力计算（1）主要力系：挡土墙自重及位于墙上的恒载；墙后土体的主动土压力（包括超载）；基底的支撑力与摩阻力；墙前土体的被动土压力；浸水墙的常水位静水压力及浮力。（2）附加力：季节性或规律性作用于墙的各种力，如波浪冲击、洪水。（3）特殊力：偶然出现的力，如地震力、浮力、水面物撞击力等。1、作用在

13、挡土墙上的力系图6-5 作用在挡土墙上的力系第三节 挡土墙土压力计算2、挡土墙的移动形式（1）墙体外移（2）墙体内移（3）墙体不移动Ea:墙体外移,土压力逐渐减小,当土体破坏,达到极限平衡状态时所对应的土压力(最小)Ep:墙体内移,土压力逐渐增大,当土体破坏,达到极限平衡状态时所对应的土压力 (最大)墙位移与土压力E关系 15%15土压力EEpE0 EaE0:墙体不移动,土压力即是土体产生的侧压力3、墙位移与土压力关系第三节 挡土墙土压力计算第三节 挡土墙土压力计算1）静止土压力：土静止不动2）主动土压力Ea ：土推墙土体达到主动极限平衡状态3）被动土压力Ep ：墙推土 土体达到被动极限平衡状

14、态三种不同性质的土压力 4、不同类型土压力需满足的条件第三节 挡土墙土压力计算5、路基挡土墙的土压力考虑1）主动土压力与被动土压力的区分：假定挡土墙处于极限移动状态，土体有沿墙及假想破裂面移动的趋势，则土推墙即为主动土压力，墙推土即为被动土压力。2）路基挡土墙的土压力考虑：路基挡土墙一般都有可能有向外的位移或倾覆，因此，在设计中按墙背土体达到主动极限平衡状态考虑，即只考虑Ea ，且取一定的安全系数以保证墙背土体的稳定。墙趾前土体的被动土压力Ep一般不计。第三节 挡土墙土压力计算墙背倾斜形式仰斜、直立和俯斜E1仰斜E2直立E3俯斜E1E2E36、不同墙背倾斜形式的土压力大小第三节 挡土墙土压力计

15、算7、挡土墙的土压力计算理论（1）朗肯土压力理论1857年英国学者朗肯（Rankine）从研究弹性半空间体内的应力状态，根据土的极限平衡理论，得出计算土压力的方法，又称极限应力法。 （2）库仑土压力理论1776年法国的库伦（C.A.Coulomb）根据极限平衡的概念，并假定滑动面为平面，分析了滑动楔体的力系平衡，从而求算出挡土墙上的土压力，成为著名的库伦土压力理论。第三节 挡土墙土压力计算（3）朗肯理论的基本假设：墙本身刚性，因此，不考虑墙身的变形；墙后填土延伸到无限远处，填土表面水平（=0）；墙背垂直光滑（墙与垂向夹角=0，墙与土的摩擦角=0）。无粘性土粘性土第三节 挡土墙土压力计算（4）库

16、伦理论的基本假设墙后填土为均匀的无粘性土（c=0），填土表面倾斜（0）；挡土墙刚性，墙背倾斜，倾角为；墙面粗糙，墙背与土本之间存在摩擦力（0）；滑动破裂面为通过墙踵的平面。（a） （b） （c）库伦主动土压力计算图式第三节 挡土墙土压力计算（5）分析方法的异同 朗肯理论和库伦理论都是研究土压力问题的简化方法。它们各有其不同的基本假定、分析方法和适用条件。共同点：朗肯理论和库伦理论均属于极限状态土压力理论。用这两种理论计算出的土压力均为墙后土体处于极限平衡状态下的主动土压力Pa和被动土压力Pp。不同点：朗肯理论从土体中一点的极限平衡状态出发，由处于极限平衡状态时的大小主应力关系求解（极限应力法）

17、；库伦理论根据墙背与滑裂面之间的土楔处于极限平衡，用静力平衡条件求解（滑动楔体法） 。第三节 挡土墙土压力计算（6）适用条件1）朗肯理论的适用条件根据朗肯理论推导的公式，作了必要的假设，因此有一定的适用条件：填土表面水平（=0），墙背垂直（=0），墙面光滑（=0）的情况；墙背垂直，填土表面倾斜，但倾角的情况；地面倾斜，墙背倾角(45-/2）的坦墙；L型钢筋混凝土挡土墙；墙后填土为粘性土或无粘性土。第三节 挡土墙土压力计算（6）适用条件2）库伦理论的适用条件下述情况宜采用库伦理论计算土压力：需考虑墙背摩擦角时，一般采用库伦理论；当墙背形状复杂，墙后填土与荷载条件复杂时；墙背倾角(45-/2）的俯

18、斜墙；数解法一般只用于无粘性土，图解法则对于无粘性土或粘性土均可方便使用。挡土墙一般采用库伦理论第四节 挡土墙的设计原则1、挡土墙设计一般规定1）挡土墙类型应综合考虑工程地质、水文地质、冲刷程度、荷载作用情况、环境条件、施工条件、工程造价等因素；2）应根据墙背渗水合理布置排水沟造物。合理设置伸缩缝和沉降缝。3）挡土墙墙背填料宜采用渗水性强的砂性土、砂砾、粉煤灰等材料，严谨采用淤泥、膨胀土等；4）挡土墙的顶面不宜占据硬路肩、行车道及路缘带的路基宽度范围。第四节 挡土墙的设计原则1、挡土墙设计一般规定5）墙身构造重力式挡土墙的墙背坡度一股采用1:0.25仰斜，仰斜墙背坡度不宜缓于1:0.3,俯斜墙

19、背坡度一般为1:0.251:0.4；衡重式或凸折式挡土墙下墙墙背坡度多采用1:0.251:0.30仰斜，上墙墙背坡度受墙身强度控制，根据上墙高度，采用1:0.251:0.45俯斜。第四节 挡土墙的设计原则1、挡土墙设计一般规定6）排水措施挡土墙排水的作用在于疏干墙后土体和防止地表水下渗后积水，以免墙后积水致使墙身承受额外的静水压力；减少季节性冰冻地区填料的冻胀压力；消除粘性土填料浸水后的膨胀压力。(1)设置地面排水沟，截引地表水；(2)夯实回填土顶面和地表松土，防止雨水和地面水下渗，必要时可设铺砌层；(3)路堑挡土墙趾前边沟应予以铺砌加固，以防边沟水渗入基础。第四节 挡土墙的设计原则1、挡土墙

20、设计一般规定7）基础埋置深度基础埋置深度应按地基的性质、承载力的要求、冻胀的影响、地形和水文地质等条件确定。挡土墙基础置于土质地基时，其基础深度应符合下列要求：(1)基础埋置深度不小于lm;(2)受水流冲刷时，基础应埋置在冲刷线以下不小于lm； (3)路堑挡土墙基础顶面应低于边沟底面不小于0.5m。 (4)挡土墙基础置于斜坡地面时，其趾部埋人深度和距地面的水平距离应符合下表的要求。第四节 挡土墙的设计原则1、挡土墙设计一般规定7）基础埋置深度2、挡土墙的设计原则按“极限状态分项系数法”进行设计，其设计的极限状态分构件承载力极限状态和正常使用极限状态。（1）承载力极限状态：1）整个挡土墙或挡土墙

21、的一部分失去刚体平衡;2）挡土墙构件或连接部件因材料承受的强度超过极限而破坏，或因超过塑性变形而不适于继续承载；3）挡土墙结构变为机动体系或局部失去平衡极限状态分项荷载系数见表6-11第四节 挡土墙的设计原则2、挡土墙的设计原则按“极限状态分项系数法”进行设计，其设计的极限状态分构件承载力极限状态和正常使用极限状态。（2）正常使用极限状态：1）影响正常使用或外观变形；2）影响正常使用的耐久性局部破坏；3）影响正常使用的其他待定状态。极限状态的分项荷载系数除Ep取0.5外，其余均取1.0 （3）合力偏心距计算时的极限状态分项荷载系数取值同正常使用极限状态。第四节 挡土墙的设计原则第五节 挡土墙设计（1）抗滑稳定性验算1、挡土墙稳定性验算含：抗滑稳定性验算 抗倾覆稳定性验算目的：检查基底在土压力