(土力学课件)土坡稳定性分析

第九章土坡稳定性分析土坡天然土坡(naturalsoilslope)人工土坡(artificialsoilslope)滑坡(landslope)土中一部分土体对另一部分土体产生相对位移，以致丧失原有稳定性的现象。挖方边坡填方边坡9.1概述土堤滑坡 土坡滑动面的形状(填空常考题）无粘性土坡平面滑动面粘性土坡圆弧曲面坝基中存在软弱夹层复合滑动面 世界重大滑坡灾害实例 北川县城坍塌的大部分建筑物是由一个大型滑坡（左侧的老县城）和一个大型崩塌（右侧的新县城，包括北川中学）引起，造成了最为惨烈的的伤亡 地震诱发滑坡暴雨诱发滑坡 1786年（乾隆51年）6月1日发生的大渡河磨西面滑坡堵江从外因上讲滑坡为地震诱发，内因上闪长岩山体极为破碎。滑坡堵塞大渡河9日，溃坝后洪水造成下游人员死亡达10万 滑坡在大渡河对岸（左岸）的残存遗迹毁坝后残留的直径达20m的大孤石铁庄庙地震记事碑（现存于泸定县地震办公室） 叠溪地震滑坡（1931）地震滑坡堵塞岷江及其支流，形成１２个堰塞湖，其中大海子已成为旅游点，毁灭千年古镇——叠溪。溃坝后茂县，汶川等县死亡2500余人。 三峡库区湖北秭归千将坪滑坡（2003.7.13）滑坡方量近2000万方，发生于135m蓄水1个月后。蓄水是滑坡的主要诱因，部分学者认为蓄水后库区的微震事件（2~3级）也是触发因素之一，滑坡涌浪造成21人死亡。 开挖边坡滑坡 天然边坡滑坡 紫坪铺堆积体发生滑坡实景紫坪铺堆积体滑坡后地貌 V标边坡支护 土坡失稳原因1、内因土坡的土质：不同土质，抗剪强度、抗水能力差别较大。土坡的外形2、外因地震、降雨、地下水、人为影响（如不合理开挖）等。土坡稳定性分析按平面问题处理。土坡稳定性分析目的：1、验算已有或已设计土坡的稳定性、合理性；2、据土坡预定高度、土的性质等已知条件设计合理断面。 9.2无粘性土边坡的稳定性分析1、全干或全淹的均质土坡指由一种土组成，完全在水位以上或完全在水位以下，没有渗透水流作用的无粘性土坡。无粘性土颗粒间无粘聚力，只要坡面上的土粒在自重作用下能够保持稳定，则整个土坡将是稳定的。在坡面上取一小块土体，看作刚体分析其稳定条件 重力平行于坡面的分量垂直于坡面的分量下滑力抗滑力土坡稳定安全系数(safetyfactor) 静止角（休止角）Fs＝1时，β＝φ，土坡处于极限平衡状态，β称为天然休止角，其值等于无粘性土在松散状态时没有法向力作用时的内摩擦角。 2、有渗流作用的均质土坡在浸润线逸出坡面处取一小块土体：有效自重沿渗流出逸方向渗透力土坡稳定安全系数(safetyfactor) 当渗流在逸出段顺坡面流动时无渗流作用时有渗流作用比无渗流作用时安全系数降低一半。 第三节粘性土边坡的稳定性分析Section3Stabilityanalysisofcohesionsoilslope一、瑞典圆弧法（图9-5）Swedishcirclemethod1.假设(Postulation)（1）滑动面形状为圆弧(Slipsurfaceiscircle)（2）滑动土体为刚塑性体Slidingmassisrigid-plasticbodyd d安全系数对饱和粘性土(9-4)(9-5) 3.最小安全系数及最危险滑弧（图9-6）Minimumsafetycoefficientandmostdangerousslipcircle（1）φ＝0的简单土坡（图9-6（a））β1、β2的值可按P214表9-1确定（2）φ≠0的土坡（图9-6（b））最危险滑弧圆心在MO的延长线上 2、泰勒图表法 坡趾圆斜坡圆中点圆 （1）β>53°，Ns=f(β,φ)，坡趾圆(Slopetoecircle)（2）φ>3°，坡趾圆β<53°坡趾圆(Slopetoecircle)φ≈0°，随nd值不同中点圆(Midpointcircle)斜坡圆(Slopecircle)稳定因数Ns图(Graphofstablefactor)(图9-7) 练习：例题9－1利用图解法解决两个土坡稳定性问题:1、求坡高；2、求坡角。泰勒图表法的适用范围：坡高<10m的均质土坡 Review:土坡天然土坡(naturalsoilslope)人工土坡(artificialsoilslope)滑坡(landslope)土中一部分土体对另一部分土体产生相对位移，以致丧失原有稳定性的现象。挖方边坡填方边坡 土坡滑动面的形状(填空常考题）无粘性土坡平面滑动面粘性土坡圆弧曲面坝基中存在软弱夹层复合滑动面 1、全干或全淹的均质土坡Review:无粘性土边坡的稳定性分析土坡稳定安全系数(safetyfactor) 2、有渗流作用的均质土坡土坡稳定安全系数(safetyfactor)当渗流在逸出段顺坡面流动时 Review:粘性土边坡的稳定性分析1、瑞典圆弧法 2、泰勒图表法利用图解法解决土坡稳定性问题:1、求坡高；2、求坡角。 3、条分法 不考虑条间作用力的费伦纽斯太沙基条分法（要求推证过程） 太沙基条分法总应力计算公式太沙基条分法有效应力计算公式 练习：例题9－2 考虑条间作用力的毕肖普公式 ①Ni的求解：将所有力投影到法线方向P220式(9-9)②Ti的求解：土体处于极限平衡状态时，各土条对圆心力矩之和＝0 ③将Ni和Ti表达式代入Fs的表达式有：P220式(9-10)④若不计条件切向力，由Hi+1-Hi=0，得P220式(9-11) ⑤Pi+1-Pi的求取 将式（9-11)代入（9-10），得有效应力分析的安全系数(9-13,a)(9-13,b)采用迭代法计算 为计算方便，令可绘出αi、φi、Fs与mαi的关系曲线，如图9-12所示，采用试算得出结果。注意：当mαi≤0.2时，应考虑Hi的影响或采用其它方法 图9-12ma值 第四节几种特殊情况下的土坡稳定性分析Section4Slopestabilityanalysisforseveralspecialcases一、坡顶开裂的情况(Casesofslopetopcraze)二、成层土坡及有超载的情况Casesofstratifiedslopewithsurcharge 1.成层土坡(Stratifiedsoilslope)2.作用有均布超载q(Actedonuniformsurcharge)(9-14)(9-15) 三、土坡在不同时期的稳定校核Stabilitycheckforslopeatdifferentphases土坡稳定最不利工况稳定渗流期下游边坡施工期上下游库水位骤降期上游边坡 抗剪强度的总应力表示法抗剪强度的有效应力表示法简化Bishop法的总应力表示法:P220式(9-13a)简化Bishop法的有效应力表示法:P220式(9-13b) 施工期：对于渗透系数小、填筑速度快的粘性填土，随着坝体填土逐渐加高，下部填土受到上部填土压力作用，来不及固结，出现超静孔隙水压力。可用有效应力法也可用总应力法。总应力法:UU剪或q剪三、土坡在不同时期的稳定校核Stabilitycheckforslopeatdifferentphases （2）有效应力法分析(Effectivestressanalysis)①估算施工期的孔隙水压力Estimationofporewaterpressureduringconstruction令(9-16,a)(9-16,b)(9-16,c)②用有效应力强度指标Usetheeffectivestrengthparameters Stabilityanalysisasslopepartiallyunderwaterorduringsteadystateseepage（1）部分浸水的土坡稳定分析（图9-17）Stabilityanalysisasslopepartiallyunderwater(9-17)2.部分浸水及稳定渗流期的土坡稳定分析 （2）稳定渗流期的土坡稳定分析Slopestabilityanalysisduringsteadystateseepage稳定渗流期：坝体内施工期由填筑土体产生的超静孔压已全部消散，水库长期蓄水，上下游水位差在坝体内形成稳定渗流，坝体内流网可唯一确定。坝体内各点孔压均能流网确定。 ①流网法(Flownetmethod)(9-18) ②代替近似法（Replacedapproximatemethod）(9-23)与未考虑渗流力公式相比，只是滑动力矩中h2一项对应的不同。不考虑渗流力时用浮重度，考虑渗流力时用饱和重度。即自由水面以下，下游水位以上部分自重：计算下滑力时用饱和容重，计算抗滑力时用浮容重。 Slopestabilityanalysisduringwaterleveldrawdown（1）总应力法分析(Totalstressanalysis)计算抗滑力时扣除水位降落前渗流产生的孔隙水压力；采用总应力强度指标（2）有效应力法分析(Effectivestressanalysis)①估算水位降落后的孔隙水压力3.水位降落期的土坡稳定分析总应力法:CU剪或cq剪 对透水性较大的填土坡：②用有效应力强度指标(9-26,a)(9-24)(9-25)水位降落前水位降落后(9-26,b) 图9-19图9-21 1、瑞典圆弧法2、泰勒图表法3、条分法不考虑条间作用力的太沙基条分法只考虑条间水平推力，忽略条间切向力的简化毕肖普公式Review:粘性土边坡的稳定性分析粘性土坡圆弧曲面 3、条分法 不考虑条间作用力的太沙基条分法(要求推证过程) 只考虑条间水平推力的简化毕肖普公式：P220式(9-13a,b) (9-13,a)(9-13,b)采用迭代法计算 Review:土石坝边坡稳定最不利工况稳定渗流期下游边坡施工期上下游边坡库水位骤降期上游边坡 Section6Discussionofanalysisforslopestability一、关于计算方法的讨论Discussionaboutcalculationmethod1.均质土(Homogeneoussoil)—太沙基和毕肖普公式2.非均质土(Heterogeneoussoil)—复合滑动面近似法或其它方法3.空间问题(Spaceproblem)—简化为平面问题(Planeproblem)二、最危险滑弧和滑动圆心位置的确定Determinationofmostdangerouscircleanditscenterlocation1.费伦纽斯法第六节土坡稳定性分析的讨论 2.陈惠发法3.张天宝法 三、土的抗剪强度指标值的选用Choiceofshearstrengthparametersofsoil1.指标的合理选用比方法更重要Parametersaremoreimportantthanmethods2.不同情况下抗剪强度指标的测定方法和应用Measuringmethodsandapplicationofshearstrengthparametersondifferentconditions(P236表9-5)对总应力分析(图9-29)：施工期—采用“UU”强度包线水位骤降期—采用“CD-CU”强度包线 Review:6.8土的抗剪强度指标取值问题工程中应尽量采用有效应力强度指标，因为有效应力与抗剪强度的对应关系，但由于实测孔压困难，一般工程中仍较多采用总应力强度指标。对于能够得到孔压分布值的，尽量采用有效应力法。直剪试验快剪q固结快剪cq慢剪s三轴剪切试验不排水剪UU固结不排水剪CU固结排水剪CD？实际工况选用那一种强度指标？1、使用总应力强度指标还是有效应力强度指标？ 2、无粘性土强度指标的选用？土坝在稳定渗流期下游坡稳定性分析采用有效强度指标无粘性土透水性强，不产生孔隙水压力，现场受剪情况大体相当于?S剪或CD剪 q剪或UU剪练习：1、粘性土筑坝，施工时间短，施工期采用总应力法分析边坡稳定性时，宜采用那种抗剪强度指标？采用有效应力方法，S剪或CD剪得出的强度指标2、土石坝稳定渗流期，分析边坡稳定性采用有效应力方法还是总应力方法？3、粘性土筑坝，水库水位降落期，分析边坡稳定性采用那种指标？CQ剪或CU剪总应力指标表示粘性土的强度时，不同试验方法所得参数指标差别较大。有效指标表示土的强度时，不同试验方法所得参数指标较接近。3、粘性土强度指标的选用？ 四、安全系数的选用—依据规范1.考虑运用条件(Considertherunningconditions)2.土坡的重要性(Significanceofsoilslope)3.不同计算方法对应的安全系数不同4.不同规范对安全系数的要求不同 Section5Stabilityanalysisofsoilslopewithnon-circleslipsurface第五节土坡非圆弧滑动面的稳定性分析 一、复合滑动面的稳定性分析StabilityanalysisofsoilslopewithcompositeslipsurfaceP1、P2的求解：精确法和简化法(P1＝Pa、P2=Pp) 用试算法确定最危险滑弧Determinationthemostdangerousslipsurfaceusingtrialanderrormethod 二、简布普遍条分法Janbu’sgeneralslicemethod1.假定（Postulation）：推力的作用点和位置2.抗滑稳定安全系数coefficientofsafetyofsoilslopestability3.竖向条间力HiVerticalforceHibetweenslices(9-33)(9-35) 三、摩根斯坦—普赖斯法Morgenstern－Pricemethod1.假定（Postulation）两相邻土条：法向和切向条间力存在对水平方向坐标的函数关系2.力平衡和力矩平衡方程Forceandmomentequilibriumequations(9-38a)(9-38a) 一、土坡天然土坡(naturalsoilslope)人工土坡(artificialsoilslope)二、滑坡(landslope)土中一部分土体对另一部分土体产生相对位移，以致丧失原有稳定性的现象。挖方边坡填方边坡小结： 三、土坡滑动面的形状(填空常考题）无粘性土坡平面滑动面粘性土坡圆弧曲面坝基中存在软弱夹层复合滑动面 1、全干或全淹的均质土坡四、无粘性土边坡的稳定性分析土坡稳定安全系数(safetyfactor) 2、有渗流作用的均质土坡土坡稳定安全系数(safetyfactor)当渗流在逸出段顺坡面流动时 1、瑞典圆弧法2、泰勒图表法3、条分法①不考虑条间作用力的太沙基条分法③假定条间水平作用力位置的非圆弧普遍条分法(简布法)②只考虑条间水平推力，忽略条间切向力的简化毕肖普公式五、粘性土边坡的稳定性分析粘性土坡圆弧曲面 1、瑞典圆弧法 2、泰勒图表法利用图解法解决两个土坡稳定性问题:1、求坡高；2、求坡角。泰勒图表法的适用范围：坡高<10m的均质土坡 3、条分法 ①不考虑条间作用力的太沙基条分法(要求推证过程) ②只考虑条间水平推力的简化毕肖普公式：P220式(9-13a，b) ③假定条间水平作用力位置的非圆弧普遍条分法(简布法) 五、最危险滑动圆心位置的确定1.费伦纽斯法2.陈惠发法3.张天宝法 六、边坡稳定分析的总应力法和有效应力法 七、土石坝边坡稳定最不利工况①稳定渗流期下游边坡②施工期上下游边坡③库水位骤降期上游边坡 ①稳定渗流期：坝体内施工期由填筑土体产生的超静孔压已全部消散，水库长期蓄水，上下游水位差在坝体内形成稳定渗流，坝体内流网可唯一确定。坝体内各点孔压均能流网确定。用有效应力法而不用总应力法。 代替近似法（Replacedapproximatemethod）(9-23)自由水面以下，下游水位以上部分自重：计算下滑力时用饱和容重，计算抗滑力时用浮容重。 ②施工期：对于渗透系数小、填筑速度快的粘性填土，随着坝体填土逐渐加高，下部填土受到上部填土压力作用，来不及固结，出现超静孔隙水压力。可用有效应力法也可用总应力法。总应力法:UU剪或q剪 有效应力法: ③库水位降落期：可用有效应力法也可用用总应力法。总应力法:CU剪或cq剪 八、复合滑动面的稳定性分析P1、P2的求解：精确法和简化法(P1＝Pa、P2=Pp)