土坡稳定分析

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2016年12月19日
ai
d H 6 R 8.35m 2 sin 2 sin sin 2 sin 40 cos 34
是否安全与合理,边坡过陡可能发生坍塌,过缓
则使土方量增加。 土坡的稳定安全度用稳定安全系数K表示,它是 指土的抗剪强度 f 与土坡中可能滑动面上产生的 剪应力 间的比值,
f K
2016年12月19日
砂性土的土坡稳定分析
砂性土中,一般均假定其滑动面为平面。 已知:土坡高度H,坡角β,土的容重γ,土的抗剪强度
稳定力矩 M r K 滑动力矩 M s Wa
f LR
泰勒的分析方法仅适用于均质简单土坡,对非均质、复 杂坡形以及有水渗流等情况均不适用。而费伦纽斯提出
的条分法很好地解决了这一问题,至今得到广泛应用。
2016年12月19日
基本原理
为了尽量减小计算τf 时的法向应力的误差,怎么办?
——化整为零 基本原理:将滑动土体分成若干块竖直土条,分别考虑 其法向应力和抗剪强度τf ,求各土条对滑动圆心的抗滑 力矩和滑动力矩,最后取其总和,计算安全系数。
2016年12月19日
泰勒的分析方法
泰勒提出了确定均质简单土坡稳定安全系数的图表法。他 认为圆弧滑动面的3种形式是同土的内摩擦角φ值、坡角β
以及硬层埋深等因素有关,经过大量计算分析后提出:
当φ>3°或当φ=0且 β>53°时,滑动面均
为坡脚圆,其最危险滑
动面圆心位臵,可根据 φ及β角值,从右图中的 曲线中查得θ及α值作图 求得。
c=16.7kPa。试用条分法验算土坡的稳定安全系数。
解:1)按比例绘出土 坡的剖面图。按泰勒 的经验方法确定最危 险滑动面圆心的位臵。
当φ=12°、β=55°
时,知土坡的滑动面 是坡脚圆,其最危险
滑动面圆心的位臵,
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可从图8-8中的曲线得到α=40°、θ=34°,由此作图可以
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解:当υ=10°,β=45°,由图8-10b)查得Ns=9.2。可求得 此时滑动面上所需要的粘聚力c1为: H 19.4 8 c1 16.9kPa Ns 9.2
土坡的稳定安全系数K为: c 25 K 1.48 c1 16.9 注意:上述土坡的稳定安全系数的意义与前述不同,前面是
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• 土坡滑动失稳的原因?
土坡滑动失稳的根本原因: 土坡内某一滑动面上作用的滑 动力达到了土的抗剪强度。
土坡滑动失稳的具体原因:
外界力的作用破坏了土体内原来的应力平衡状态;如: 土的抗剪强度由于受到 外界各种因素的影响而 降低,促使土坡坍塌。
2016年12月19日
分析土坡稳定的目的:是检验所设计的土坡断面
tg K tg
一般要求K>1.25~1.30。
2016年12月19日
粘性土的土坡稳定分析
土坡的失稳形态和当地的工程地质条件有关,主要是滑
动面的位臵及其形状。
在非均质土层中:
土坡下有软弱层
2016年12月19日
土坡位于倾斜的岩层面上
均质粘性土的土坡失稳破坏时,其滑动面常是一曲面,通
常近似地假定为圆弧滑动面。圆弧滑动面的形式一般有以
2016年12月19日
当υ=0且β<53°时,滑动面 可为三种形式中的某一种,它 取决于硬层的埋深。当土体高 为H,硬层的埋深为ndH(如图 )。若滑动面为中点圆,则圆 心位臵在坡面中点M的铅直线 上,且与硬层相切,滑动面与 土面的交点为A,A点距坡脚B 的距离为nxH,nx值可根据nd及
β值从右图中查得。
;沿滑动面AD上分布的土的抗剪强
度τf 是抵抗土坡滑动的力。
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a A
B
W
f
土坡滑动的稳定安全系数K值也可以用稳定力矩与滑动力 矩的比值表示:
稳定力矩 M r K 滑动力矩 M s Wa
f LR
f ——土的抗剪强度, f tg c 式中:
L ——滑动圆弧AD的长度(m)。
第八章 土坡稳定分析
Chapter 8 Slope Stability
2016年12月19日
概述

土坡:具有倾斜坡面的土体。 土坡种类:天然土坡、人工土坡。
2016年12月19日
• 土坡滑动失稳
土坡丧失其原有稳定性,一部分土体相对于另一部分土 体滑动的现象称土坡滑动失稳。
滑坡前征兆:坡顶下沉, 坡脚隆起。
2016年12月19日
土条i 上的作用力对圆心O产生的滑动力矩Ms及稳定力 矩分Mr别为:
M s Ti R Wi R sin i
M r fi li R (Wi cos i tgi ci li ) R
整个土坡相应于滑动面为AD时的稳定系数为:
Mr K Ms
R (Wi cos i tg i ci l i )

T W sin T W sin AC AC 土坡的滑动安全系数K值为:
W cos tg f tg tg AC K W sin tg AC
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土坡的滑动安全系数K值是α的函数。当α=β时,K最小 ,即土坡面上的一层土是最容易滑动的。因此,砂性土的 土坡稳定安全系数为:
Ni、Ti——滑动面ef上的法向反力和切向
反力,大小未知,假定方向作用在滑动 面ef的中点;
Ei、Ei+1和Xi、Xi+1——土条两侧的法向
力和竖向剪切力,其中Ei和Xi可由前面 一个土条的平衡条件求得,而Ei+1和Xi+1 的大小未知,Ei+1的作用点位臵也未知。
2016年12月19日
作用在土条i 上的作用力中有5个未知数,但只能建立3个 平衡条件,故为二次静不定问题。为此,费伦纽斯假设土 条两侧作用力相互抵消,即不考虑土条两侧的作用力,Ei
求得圆心O。
2)将滑动土体BCDB划分成竖直土条。滑动圆弧BD的水 平投影长度为 Hctg 6 ctg40 7.15m ,把滑动土体划 分成7个土条,从坡角B开始编号,把1~6条的宽度b均取 为1m,最后一条为1.15m。
3)计算各土条滑动面中点
与圆心的连线同竖直线的夹 角αi值。
ai sin i R
析方法可以分为两种:
土坡圆弧滑动按整体稳定分析法——简单土坡(见下图) 用条分法分析土坡稳定——非均质土坡、土坡外形复杂、 土坡部分在水下
简单土坡:土坡上、下两个土面是 水平的,坡面BC是一平面。
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土坡圆弧滑动面的整体稳定分析
基本假设:均质粘性土坡滑动时,其滑动面常近似为圆弧形 状,假定滑动面以上的土体为刚性体,即设计中不考虑滑动 土体内部的相互作用力,假定土坡稳定属于平面应变问题。 基本公式:取圆弧滑动面以上滑动体 为脱离体(如图)。滑动土体ABCD 的重力为W,它是促使土坡滑动的力 C O R D
下三种: (1)通过坡脚B点(见图a),称为坡脚圆;
(2)通过坡面上E点(见图b),称为坡面圆;
(3)通过坡脚以外的A点(见图c),称为中点圆;
图a
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图c 图b 与坡角大小、土的强度指标以及土中硬层的位臵等有关。
土坡稳定分析时采用圆弧滑动面首先由彼德森(K.E.Petter
-son,1916)提出,此后费伦纽斯(W.Fellenius,1927)和 泰勒(D.W.Taylor,1948)做了研究和改进。他们提出的分
f 沿滑动面AD上的分布是不均匀
的,因此直接按上式计算土坡的稳
定安全系数有一定的误差。
O 2月19日
B
费伦纽斯确定最危险滑动面圆心的方法
土的内摩擦角υ=0 时 费伦纽斯提出当土的内摩擦角υ=0 时,土坡的最危险 圆弧滑动面通过坡脚,其圆心为D点(如图)。D点是 由坡脚B及坡顶C分别作BD D
β2 β1 β
及CD线的交点,BD与CD线
分别与坡面及水平面成β1及 β2角。而β1及β2角与土坡坡 角β有关,可由表8-1查得。 B
2016年12月19日
C
土的内摩擦角υ>0 时
费伦纽斯提出此时最危险滑动面也通过坡脚,其圆心在ED的
延长线上(如图)。E点的位臵距坡脚B点的水平距离为4.5H、 垂直距离为H。υ值越大,圆心越向外移。计算时从D点向外延 伸取几个试算圆心O1、 O2…,分别求得其相应 的滑动安全系数K1、K2 …,绘K值曲线可得到 最小安全系数值Kmin,
f tg 。若假定
AC为滑动面,其倾 角为α,则可计算 滑动土体ABC沿AC 面上滑动的稳定安全
系数K值。
2016年12月19日
截取单位长度,看作平面问题。已知滑动土体ABC的重力为
W S ABC ,W在滑动面AC上的法向分力N和正应力σ:
N W cos N W cos AC AC W在滑动面AC上的切向分力T及剪应力τ为:
和Xi的合力等于Ei+1和Xi+1的合力,同时它们的作用线也重
合。减去两个未知数,此时土条上仅作用Wi、Ni及Ti,根 据平衡条件可求得:
N i Wi cos i
Ti Wi sin i
滑动面ef上土的抗剪强度为:
1 1 fi i tg i ci ( N i tg i ci li ) (Wi cos i tg i ci li ) li li
其相应的圆心Om即为最
危险滑动面的圆心。
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实际上土坡的最危险滑动面的圆心位臵有时并不一定在
ED的延长线上,而可能在其左右附近,因此Om 可能并不是 最危险滑动面的圆心,这时可通过Om点做ED的垂线FG(如
图),在FG上取几个试算滑动面圆心O’1、O’2…,求得其
相应的滑动稳定安 全系数K’1、K’2…, 绘K’值曲线,相应 于K’min 值的圆心O 才是最危险滑动面 的圆心。
若硬层埋藏较浅,则滑动面可能是
坡脚圆或坡面圆,圆心位臵需通过 试算确定。 2016年12月19日
为了简化计算,泰勒将土坡分析中的三个参数c、γ、H组成一 个新的参数Ns,称为稳定因数,即:
φ=0时,Ns与β的关系曲线
Ns
H
c
φ>0时,Ns与β的关系曲线
2016年12月19日
泰勒分析简单土坡的稳定时,假定滑动面上土的摩阻力首 先得到充分发挥,然后才由土的粘聚力补充。因此,在求 得满足土坡稳定时滑动面上所需要的粘聚力c1后与土的实 际粘聚力c进行比较,即可求得土坡的稳定安全系数。 例题:如图所示简单土坡,已知土坡高度为H=8m,坡角 β=45°,土的性质为:γ=19.4 kN/m3,υ=10°,c= 25kPa。试用泰勒的 稳定因数曲线计算土 坡的稳定安全系数。
指土的抗剪强度与剪应力之比。而本例中,对土的内摩擦角 υ而言,其安全系数为1.0,而粘聚力c的安全系数是1.48,两
者并不一致。若要求c、 υ值具有相同的安全系数,则需要
采用试算法确定。
2016年12月19日
条分法分析土坡稳定
由于圆弧滑动面上各点的法向应力不同,因此土的抗剪 强度各点也不同,这样直接应用下述公式计算土坡稳定 安全系数就会有很大的误差。
n —— 土条分条数。
2016年12月19日
最危险滑动面圆心位臵的确定
上面是对某一个假定滑动面求得的稳定安全系数,因此 需要试算许多个可能的滑动面,相应于最小安全系数的 滑动面即为最危险滑动面。当然,也可以利用前面介绍 的费伦纽斯或泰勒的经验方法确定最危险滑动面。
2016年12月19日
例题:某土坡如图,已知土坡高度H=6m,坡角β=55°, 土的重度γ=18.6kN/m3,土的内摩擦角υ=12°,粘聚力
i 1
i n
R Wi sin i
i 1
i n
2016年12月19日
对于均质土坡,ci c、i ,相应于滑动面为AD时的
稳定系数为:
Mr K Ms tg Wi cos i cL
i 1 i n i 1 i n
W
i
sin i
式中:L —— 滑动面AD的弧长;
2016年12月19日
如图所示土坡,取单位长度土坡按平面问题计算。设可能
的滑动面为圆弧AD,圆心为O,半径为R。将滑动土体 ABCDA分成若干竖 向土条,其宽度一 般可取b=0.1R,则 可以分析任一土条 i 上的作用力。
2016年12月19日
Wi——土条的重力,其大小、作用点位 臵及方向均为已知;
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