《土质学与土力学》土坡稳定性分析精品.ppt

Nanjing University of Technology 土 坡 稳 定 分 析 土坡是具有倾斜坡面的土体，由自然地质作用所形成的土坡，如山坡、江河的岸坡等，称为天然土坡。由人工开挖或回填而形成的土坡，如基坑、渠道、土坝、路堤等的边坡，则称为人工土坡。土体自重以及渗透力等在坡体内引起剪应力，如果剪应力大于土的抗剪强度，就要产生剪切破坏，一部分土体相对于另一部分土体滑动的现象，称为滑坡。 滑 坡 类 型 无粘性土坡的稳定分析 由粗粒土所堆筑的土坡称无粘性土坡 一、均质干坡和水下坡 均质干坡和水下坡指由一种土组成、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。 稳定条件：只要坡面上的土颗粒在重力作用下能够保持稳定，整个土坡就处于稳定状态。 稳定性分析 从坡面上取一土体单元。 土体重量为W。 滑动力 T＝W sin? 正压力 N＝W cos? 抗滑力 R＝N tan ? ＝Wcos?tan? ? — 土的内摩擦角；? — 土坡的坡角 当Fs＝1时,? ＝?, ?称为天然休止角。 土体的稳定安全系数Fs为： 二、有渗透水流的均质土坡 挡水土堤内形成渗流场，如果浸润线在下游坡面逸出，这时在浸润线以下，下游坡内的土体除受重力作用外，还受渗透力的作用，会降低下游边坡的稳定性。 　　在坡面上渗流逸出处取一单元土体v的土骨架为隔离体，土体除受重力作用外，还受渗透力的作用。 有效重量为W ′＝? ′V。如果水流的方向与水平面成夹角?，则沿水流方向的渗透力 j＝??i。作用在土骨架上的总渗透力为 J＝??iV。 沿坡面的全部滑动力（包括重力和渗透力）为 坡面的正压力为 土体沿坡面滑动的安全系数： 若水流在逸出段顺坡面流动， 即? ＝ ? ，i=sin ?, 则 Fs的变化 粘性土坡的稳定分析 粘性土由于粘聚力的存在，粘性土坡不像无粘性土坡一样仅沿坡面表面滑动。研究表明，均质粘性土坡的滑动面为对数螺线曲面，形状近似于圆柱面，在工程设计中常假定滑动面为圆弧面。建立在这一假定基础上的土坡稳定分析方法称为圆弧滑动法。 圆弧滑动法（ ?u＝0分析法） 1915年瑞典彼得森(K.E.Petterson)用圆弧滑动法分析边坡的稳定性。均质的粘性土坡失去稳定是由于滑动土体绕圆心发生转动。把滑动土体当成一个刚体，滑动土体的重量W，将使土体绕圆心O旋转，滑动力矩为Ms＝Wd。 抗滑力矩由两部分组成：一是滑动面AC上粘聚力产生的抗滑力矩；另一项是土体的支承反力所产生的抗滑力矩，支承反力的大小和方向与土的内摩擦角?值有关。但是滑动面上反力的分布无法确定，因此对于 ?0的土，必须采用条分法分析，才能求得摩擦力所产生的抗滑力矩。对于饱和粘土，在不排水条件下，?u＝0，τf＝cu时，滑动面是一个光滑面，反力的方向必垂直于滑动面，即通过圆心O，不产生力矩。这时安全系数可用下式定义： 粘性土坡的稳定分析 静力平衡方程 极限平衡方程 条分法的基本概念 为了将圆弧滑动法应用于?＞o的粘性土，通常采用条分法。条分法就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，然后求土坡的稳定安全系数。 已知量Pi、Hi、hi 未知量Pi＋1、Hi＋1、hi＋1、 Ni 和Ti 条间切向力 条间法向力 底面法向力 底面抗剪力 作用点位置 未知数和方程 如果滑动土体分成n个条块，则条块间的分界面有(n－1)个。土条界面上力的未知量为3(n－1)，滑动面上力的未知量为 2n，加上待求的安全系数Fs，总计未知量个数为(5n－2)。可以建立的静力平衡方程和极限平衡方程为 4n个。待求未知量与方程数之差为(n－2)。一般条分法计算中，n在10以上，因此是一个高次的超静定问题。 问题求解 要使问题得解，必须建立新的条件方程。有两个可能的途径： 一、抛弃刚体平衡的概念，把土当成变形体，通过有限元法对土坡进行应力变形分析，计算滑动面上的应力分布，从而分析土坡的稳定性。 二、以条分法为基础，对条块间作用力进行简化假定，以减少未知量或增加方程数。 条分法求解 目前有许多种不同的条分法，其差别都在于采用不同的简化假定上。各种简化假定，大体上分为三种类型： 不考虑条块间作用力或仅考虑其中的一个