1、 岩土边坡稳定性分析岩土边坡稳定性分析二一八年二月二一八年二月 冬春培训讲座：目 录 一、边坡及分类 二、边坡的滑塌模式及识别 三、边坡稳定性分析 四、边坡分析中存在的问题讨论一、边坡及其分类 1 1、边坡的概念 倾斜的坡面称为坡或斜坡，因斜坡常常构成了倾斜的坡面称为坡或斜坡，因斜坡常常构成了工程边界工程边界，故称为，故称为边坡。边坡。如建筑边坡、矿山边如建筑边坡、矿山边坡、公路边坡、铁路边坡、人工河库岸边坡、坡、公路边坡、铁路边坡、人工河库岸边坡、大坝边坡等等。包括大坝边坡等等。包括自然边坡自然边坡（自然斜坡构成（自然斜坡构成了工程边界）和了工程边界）和人工边坡人工边坡。2 2、自然斜坡的概
2、念自然斜坡的概念 受岩土自身条件的约束，在外在自然条件的作受岩土自身条件的约束，在外在自然条件的作用下所形成的倾斜坡面。分稳定斜坡和不稳定用下所形成的倾斜坡面。分稳定斜坡和不稳定斜坡。斜坡。一、边坡及其分类3 3、滑坡的概念产生变形和滑移的边坡或自然斜坡，统称为滑坡，其根源都是破坏了坡体的力学平衡，使坡体处于不稳定状态。在滑坡中，大略统计，边坡大概占90%(工程滑坡)，自然斜坡可能只有10%（自然滑坡）。自然斜坡产生滑坡受地震，大风，长期风化作用、库（河）水位上升等外力影响。滑坡失稳下滑前地面上的系统变形开裂迹象滑坡失稳下滑前地面上的系统变形开裂迹象 4 4、边坡与滑坡的区别（1）边坡是涉及工
3、程建设中的人工斜坡，即使是自然边坡也必须与工程建设有关；而滑坡通常是由自然原因引发的自然斜坡，只有工程滑坡才与工程建设有关。（2）边坡坡体的滑面是由于人工开挖与填筑后才形成的，原先并不存在，且坡体无蠕动与滑动迹象；而滑坡具有自然的滑面，且坡体有蠕动与滑动迹象。一、边坡及其分类二、边坡的滑塌模式及识别 1 1、边坡滑塌模式(1)边坡滑塌野外状态的确定 见到一个滑塌的边坡，确定当下其存在状态很重要，稳定、基本稳定、欠稳定、不稳定。这是定性确定。慎重。有利于反演 C、值。野外工作方法：查明滑坡边界、地质水文条件、估计滑坡体厚度、绘图（平面、剖面）、确定破坏模式及状态。只求判断准确，不求计算精确（2）
4、确认边坡的滑塌模式 平面滑坡滑动面常由沉积面或软夹层等地质面构成 当滑体的滑动方向与滑面倾向一致时，称为顺层滑坡二、边坡的滑塌模式及识别 楔体滑坡楔体滑坡的滑面由两组相交切的结构面构成，它们与坡面及坡顶组合将岩体切割成四面楔体。圆弧滑坡土坡（包括土坡、破碎岩体、尾砂坝、废石场）中无近控制性地质结构面，滑面的形成完全取决于土的力学性质。只有均质土坡和强裂破碎的岩坡的滑面在剖面上接近为圆弧形。搜索最不稳定的圆弧面。倾倒破坏如崩塌、块状坠落等。岩体倾角陡、坡面陡，岩体结构面复杂。二、边坡的滑塌模式及识别 2 2、边坡滑塌识别方法 识别边坡滑塌的方法主要有：（1）弹塑性力学计算方法 主要以微元为单位，
5、通过计算微元的应力、应变是否达到屈服、拉伸、断裂、弯曲等破坏，从面判断材料的局部或全域性的破坏。（2）极限平衡分析法 岩土体的特点是非均质、非线性，不连续的各向异性体，不能按弹塑性理论严格推理出滑移面，因为它涉及到大范围岩土体、多种岩性土体、结构面、地下水以及各种难以查清的细节，因此在详细工作基础上，判断准确很关键。极限平衡分析法特点是：滑移面是事先假定的、任意的，滑移面包含的变形区中破坏判剧并非处处满足，而是整体满足。真实滑移面取决于地质间断面的空间分布和抗剪强度。表达方式：稳定系数：Fs=抗滑力/下滑力=S/T（3）极射赤平投影分析法该方法常用于岩质边坡的定性判断中，主要由软弱结构面与开挖
6、坡面之间有不同的几何关系引起的，这种几何组合关系可用极射赤平投影表示，主要吴氏网和施密特网。岩质边坡稳定性主要根据定性进行判定，方法主要为极射赤平投影法。能够清楚查明滑移面的可用极限平衡法进行计算分析。在此不详述。下面主要讲土质边坡的稳定性分析与设计（主要为极限平衡法）。三、边坡稳定性分析 1、边坡的滑动边坡的失稳常常是在外界的不利因素影响下触发和加剧的，一般有以下几种原因：(1)边坡作用力发生变化：例如由于在坡顶堆放材料或建造建筑物使坡顶受荷。人工开挖等。(2)土抗剪强度的降低：例如土体中含水量或孔隙水压力的增加；人为挠动。(3)静水力的作用：例如雨水或地面水流入土坡中的竖向裂缝，对土坡产生
7、侧向压力，从而促进土坡的滑动。2、无粘性土坡稳定分析图4-37表示一坡角为 的无粘性土坡。假设土坡及其地基都是同一种土，又是均质 的，且不考虑渗流的影响。由于无粘性土颗粒之间没有粘聚力，只有摩擦力，只要坡面不滑动，土坡就能保持稳定。土颗粒的自重W在垂直和平行于坡面方向的分力分别为cosNWsinTW分力T将使土颗粒M向下滑动，是滑动力，而阻止土颗粒下滑的抗滑力则是由垂直于坡面上的分力N引起的摩擦力TTTtancostanTNW抗滑力和滑动力的比值称为稳定安全系数，用K表示，亦即 costantansintanTWKTW由上式可见，当坡角与土的内摩擦角相等()时，稳定安全系数 ,此时抗 滑力等于
8、滑动力，土坡处于极限平衡状态。由此可知，土坡稳定的极限坡角等于砂土的内摩擦角 ，特称之为自然休止角。从上可以看出，无粘性土坡的稳定性与坡高无关，仅取决于坡角 只要 ，土坡就是稳定的。为了保证土坡有足够的安全储备，可取1K1K5.11.1K 3、粘性土坡稳定分析 粘性土坡由于剪切而破坏的滑动面大多数为一曲面一般在破坏前坡顶先有张力裂缝发生，继而沿某一曲面产生整体滑动，为了简化，稳定分析中常假设滑动面为圆弧面，并按平面问题进行分析。粘性土坡稳定分析方法有总应力法(法)、瑞典条分法和毕肖谱法、有效应力法等。瑞典条分法由瑞典人贺尔汀和彼得森1916年提出。毕肖谱法于1955年提出，考虑了土条侧面作用力
9、。下面只介绍毕肖谱条分法。条分法是一种试算法，先将土坡剖面按比例画出，如图4所示。然后任选圆心o，以R为半径作圆弧，此圆弧ab为假定的滑动面，将滑动面以上土体分成任意n个宽度相等的土条。设取第i条作为隔离体。如图，则作用在土条土的力有 土条的自重，该土条上的荷载，滑动面ef上的法向反力和切向反力以及竖直面上的法向力和切向力。这一力系是超静定的，为了要简化计算手续，假定 和 的合力等于 和 的合力且作用方向在同直线上。这样，由土条的静力平衡条件可得iE1iF1iE2iF2cosiiiiNWQsiniiiiTWQ作用在ef面上的法向应力及剪应力分别等于 1cosiiiiiiiNWQll 1sini
10、iiiiiiTWQll 显然，作用在滑动面ab上的总剪切力等于各土条剪切力之和，即 siniiiiTTWQ 土条ef上的抗剪力为：(tan)cos taniiiiiiiiiiiiiSclc lWQu l 式中 ,c土的有效粘聚力和有效内摩擦角，iu,有效应力和孔上的隙水压力，iiiu沿着整个滑动面上的抗剪力为costaniiiiiiiiiSSc lWQu l抗剪力与剪切力的比值称为稳定安全系数K，即costansiniiiiiiiiiiic lWQu lSKTWQ 由于试算的滑动圆心是任意选定的，因此所选的滑弧就不一定是真正的或最危险的滑弧。为了求得最危险滑弧，需要用试算法，即选择若干个滑弧圆
11、心，按上述方法分别算出相应的稳定安全系数，与最小安全系数相应的滑弧就是最危险滑弧。最小安全系数大干l时土坡是稳定的，工程上一般要求K大于1.11.5 4 4、任意形状滑动面的土坡稳定性分析任意形状滑动面的土坡稳定性分析 瑞典条分法和简化毕肖普法仅适用于仅适用于圆弧滑动面圆弧滑动面，而，而简布的普遍条分法和不平衡推力传递法适合非圆弧滑动面。适合非圆弧滑动面。（一）、简布法 基本假定和受力分析（1）整个滑裂面上的稳定安全系数是一样的。（2）土条上所有垂直荷载的合力，其作用线和滑裂面的交点与滑裂面的交点与滑裂面上的法向力的作用点为同一点。（3）如果没有超载，对于非粘性土，推力合力在土条下三分点处，对
12、于粘性土，则在这点之上（被动），或在这点之下（主动）。如果坡面有超载，侧向推力成梯形分布，推力线应通过梯形的形心。土条侧面作用力合力不为零。其计算公式与毕肖谱法相似。该法满足全部静力平衡及整体力矩平衡。（二）、不平衡推力传递法（二）、不平衡推力传递法 它适用于任意形状的滑裂面，它假设土条间力的合力与上一土条底面平行，根据力的平衡条件，逐条向下推求，直至最后一条土条推力为零。只满足土条静力平衡，没有考虑力矩平衡。其中 第块段的剩余下滑力传递至第第块段的剩余下滑力传递至第+1+1块段时的传递系数（块段时的传递系数（j=j=），即），即W 第条块的重量（kN/m）；稳定系数。111111f)cos(
13、sin()tan)sincos)1(ninijnjDiiiinijnjniiiiDiiiuiTTAWRLCRArWKnnnnnnunnLCRDArWRtan)sincos)1(DnnnnnTAWT)cos(sin1121.nnijiiji;tan)sin()cos(111iiiiijaaaafK四、边坡分析中存在的问题讨论 1、抗剪强度力学参数C、值在边坡分析中的作用，以及如何取值 参数取值的理论基础？在不同情况下如何取值？（1）在非挠动边坡中（2 2）在挠动边坡中）在挠动边坡中（3 3）在滑坡中）在滑坡中 2、地下水对边坡稳定的影响（1 1）浸润线的确定，无雨和有雨情况又如何）浸润线的确定，
14、无雨和有雨情况又如何（2 2）地下水位野外确定方法）地下水位野外确定方法 1、土的抗剪强度莫尔库伦强度理论 1910年莫尔(Mohr)提出材料的破坏是剪切破坏，当任一平面上的剪应力等于材料的抗剪强度时该点就发生破坏，并提出在破坏面上的剪应力f，是该面上法向应力，的函数，即 ff 当土体中任意一点在某一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时，就发生剪切破坏，该 点即处于极限平衡状态，根据莫尔库伦理论，可得到土体中点的剪切破坏条件，即土的极限平衡条件 土中某点的应力状态（在压剪状态下）tanfc 2、直接剪切试验 2、经典土力学理论适用范围的局限性 压缩-固结-剪切（地基破坏模式）减压-拉张-孔隙率增大
15、（边坡破坏模式）在第一情况下，计算抗剪强度参数C、值取常数。而在实际斜坡土体中，C、可能完全同时减低变化至零的缺陷。事实上，任何斜坡和开挖边坡都会在原来长期平衡的岩土体中产生新的应力自由面，它使得新的表层土体受到的压应力变小，进入拉张或开裂变形状态，且不断向这个方向移动，由此造成土体增大孔隙，土体渗透和蓄水能力增大，从而土体各项强度参数降低，压应力降低，拉应力增大。因此，随着时间的增长和降雨次数的增加，斜坡土体的强度发生恶性循环，土体强度降低至破坏极限点或直至零点，从而滑坡灾害产生，这也就是斜坡工程安全设计理论的土体抗剪强度理论的参数变零的缺陷性。经典土力学理论（如固结理论、有效应力原理）在边坡工程安全设计上存在本质性缺陷性与局限性。它是在压缩剪切加载、土体孔隙减小工况条件下成立的。它仅能适用于土体压缩形变，孔隙减少排水，导致稳定土体变形过程，与实际斜坡土体拉张的过程相反。所以很多前辈说过，“岩土工程是一门应用科学，更是一门艺术，它的艺术价值在于面对千变万化的地质、土质岩性条件，创造性的酌情制宜”2016.22016.2
