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1、土石坝坝坡稳定分析现在学习的是第1页，共30页4.1概述概述4.2土石坝滑坡的形式土石坝滑坡的形式4.3稳定分析方法一稳定分析方法一:圆弧滑裂面法圆弧滑裂面法4.4稳定分析方法二稳定分析方法二:折线法折线法4.5土料的抗剪强度指标的选取土料的抗剪强度指标的选取4.6计算工况和安全系数计算工况和安全系数现在学习的是第2页，共30页土的强度与破坏理论土的强度与破坏理论在土力学中被广泛采用的强度理论是摩尔在土力学中被广泛采用的强度理论是摩尔库伦强度理论。土体的破坏主要是剪切库伦强度理论。土体的破坏主要是剪切破坏，其破坏面上法向应力破坏，其破坏面上法向应力和剪应力和剪应力之之间存在一定的函数关系：间存
2、在一定的函数关系：=f()摩尔摩尔库伦强度理论所表示的曲线也称为库伦强度理论所表示的曲线也称为摩尔破坏包线，在一定应力范围内，此包摩尔破坏包线，在一定应力范围内，此包线可以看作一条直线，即库伦方程：线可以看作一条直线，即库伦方程：现在学习的是第3页，共30页=c+tg 式中：式中：为土的内摩擦角；为土的内摩擦角；c为土的凝聚力。为土的凝聚力。现在学习的是第4页，共30页土的抗剪强度计算有两种方法：土的抗剪强度计算有两种方法：（1）总应力法）总应力法:=c+tg,代表破坏面上代表破坏面上的总法向应力的总法向应力。（2）有效应力法）有效应力法:=c+tg。土体在外。土体在外力作用下，控制土体强度和
3、变形二者变化力作用下，控制土体强度和变形二者变化的，并不是作用在破坏面上的总法向应力，的，并不是作用在破坏面上的总法向应力，而是土体骨架所承受的有效应力而是土体骨架所承受的有效应力，有效应，有效应力力=-u。u为孔隙压力，对于非饱和土体，孔隙压力为孔隙压力，对于非饱和土体，孔隙压力包括孔隙水压力和孔隙气压力。对于饱和包括孔隙水压力和孔隙气压力。对于饱和土体，孔隙压力即为孔隙水压力。土体，孔隙压力即为孔隙水压力。现在学习的是第5页，共30页土坡的稳定分析方法土坡的稳定分析方法土坡的稳定分析方法，主要是建立在极限平衡理论基础之上，假定土体为理想塑性材料，达到极限平衡状态时，土体将沿某一滑裂面产生剪
4、切破坏而失稳,此为刚体极限平衡法。现在学习的是第6页，共30页对于由凝聚性土类组成的均质或非均质土对于由凝聚性土类组成的均质或非均质土坝，比较简单实用的稳定分析方法是条分坝，比较简单实用的稳定分析方法是条分法：计算时将可能滑动面以上的土体划分法：计算时将可能滑动面以上的土体划分成若干铅直土条，对作用于各土条上的力成若干铅直土条，对作用于各土条上的力进行力和力矩的平衡分析，求解出极限平进行力和力矩的平衡分析，求解出极限平衡状态下土坡稳定安全系数。衡状态下土坡稳定安全系数。条分法最早是条分法最早是1927年由瑞典的费纶纽斯年由瑞典的费纶纽斯（Fellenius）提出，故也称为瑞典圆弧法。）提出，故
5、也称为瑞典圆弧法。此后不少学者致力于条分法的改进，如毕此后不少学者致力于条分法的改进，如毕肖普（肖普（Bishop）等。）等。现在学习的是第7页，共30页现在学习的是第8页，共30页（1）瑞典圆弧法（简单条分法）：不考虑）瑞典圆弧法（简单条分法）：不考虑土条间相互作用力的影响。土条间相互作用力的影响。1927年由瑞典年由瑞典的费伦纽斯的费伦纽斯(Fellenius)提出。提出。（2）简化的毕肖普法：近似考虑了土条间）简化的毕肖普法：近似考虑了土条间相互作用力的影响。相互作用力的影响。对于无粘性土类组成的土坝，或以心墙、对于无粘性土类组成的土坝，或以心墙、斜墙为防渗体的砂砾石坝体，其坝坡的稳斜墙
6、为防渗体的砂砾石坝体，其坝坡的稳定分析常采用楔体极限平衡理论，如直线定分析常采用楔体极限平衡理论，如直线法或折线法。法或折线法。现在学习的是第9页，共30页土坝滑坡的型式土坝滑坡的型式（1）圆弧滑裂面）圆弧滑裂面当滑裂面通过粘性土当滑裂面通过粘性土边坡时，滑裂面的形式为圆弧滑裂面。边坡时，滑裂面的形式为圆弧滑裂面。现在学习的是第10页，共30页（2）直线或折线滑裂面）直线或折线滑裂面当滑裂面通过当滑裂面通过非粘性土边坡时，滑裂面的形式为直线或非粘性土边坡时，滑裂面的形式为直线或折线。折线。当坝坡干燥或全部浸入水中，滑裂面的形当坝坡干燥或全部浸入水中，滑裂面的形式一般为直线；当坝坡部分浸入水中，
7、滑式一般为直线；当坝坡部分浸入水中，滑裂面的形式一般为折线。裂面的形式一般为折线。现在学习的是第11页，共30页（3）复式滑裂面）复式滑裂面当滑裂面通过粘性土当滑裂面通过粘性土和非粘性土组成的边坡时，滑裂面的形式和非粘性土组成的边坡时，滑裂面的形式为复式滑裂面。为复式滑裂面。最终可统一为多折线滑动形式，可以模拟最终可统一为多折线滑动形式，可以模拟单一直线，多段折线，任意曲线等，通过单一直线，多段折线，任意曲线等，通过优化方法找到最危险滑动面。优化方法找到最危险滑动面。现在学习的是第12页，共30页稳定分析方法一：圆弧滑裂面法稳定分析方法一：圆弧滑裂面法 基本原理基本原理假定不同的半径及圆心位置
8、，画出一系列假定不同的半径及圆心位置，画出一系列的假定圆弧滑裂面。的假定圆弧滑裂面。对所假定的每一圆弧上的土体进行受力分对所假定的每一圆弧上的土体进行受力分析，求出土体上的力对圆心的抗滑力矩和析，求出土体上的力对圆心的抗滑力矩和滑动力矩。圆弧滑裂面上的抗滑安全系数滑动力矩。圆弧滑裂面上的抗滑安全系数为阻滑力矩与滑动力矩的比值。为阻滑力矩与滑动力矩的比值。现在学习的是第13页，共30页比较一系列圆弧滑裂面上的Kc，其中Kmin 所对应的圆弧面为最危险滑弧，要求Kmin Kc。现在学习的是第14页，共30页具体计算步骤具体计算步骤（1）假定圆心和半径画弧。）假定圆心和半径画弧。现在学习的是第15页
9、，共30页（2）将滑面上的土体分条编号。）将滑面上的土体分条编号。为简化计算，土条取等宽为简化计算，土条取等宽b；圆心以下的为；圆心以下的为0号土条：号土条：向上游依次为向上游依次为1、2、3.，向下游依次为，向下游依次为-1、-2、-3.。（3）分别求出各土条上的作用力，及各力对圆心的）分别求出各土条上的作用力，及各力对圆心的力矩（不计土条间作用力）力矩（不计土条间作用力）浸润线以上土体，按湿容重浸润线以上土体，按湿容重1计；计；为近似考虑渗透水压力对稳定的影响，浸润线以下、为近似考虑渗透水压力对稳定的影响，浸润线以下、下游水位土体，在计算抗滑力矩时，按浮容重下游水位土体，在计算抗滑力矩时，
10、按浮容重2计，计，计算滑动力矩时则取饱和容重；计算滑动力矩时则取饱和容重；下游水位以下土体，按浮容重下游水位以下土体，按浮容重2计；计；坝基土体，按浮容重坝基土体，按浮容重4计。计。现在学习的是第16页，共30页现在学习的是第17页，共30页抗滑力矩抗滑力矩i土条自重土条自重:沿切线方向的分力沿切线方向的分力:沿法线方向的分力沿法线方向的分力:沿切线方向的摩擦力：沿切线方向的摩擦力：现在学习的是第18页，共30页对圆心的抗滑力矩：对圆心的抗滑力矩：现在学习的是第19页，共30页滑动力矩滑动力矩自重：自重：其中其中为土体的饱和容重。为土体的饱和容重。对圆心的滑动力矩：对圆心的滑动力矩：现在学习的
11、是第20页，共30页（4）计算滑裂面上的抗滑安全系数）计算滑裂面上的抗滑安全系数Kc 其中粘聚力和内摩擦角取有效抗剪强度指标。其中粘聚力和内摩擦角取有效抗剪强度指标。简单条分法并不满足每个条块的力平衡和力矩平简单条分法并不满足每个条块的力平衡和力矩平衡条件，一般使安全系数偏低。如果考虑土条间衡条件，一般使安全系数偏低。如果考虑土条间的法向作用力，则为简化的毕肖普法，需迭代求的法向作用力，则为简化的毕肖普法，需迭代求解。解。现在学习的是第21页，共30页稳定分析方法二：折线法稳定分析方法二：折线法 以心墙坝的上游坝坡为例：以心墙坝的上游坝坡为例：现在学习的是第22页，共30页ADC为任一滑裂面，
12、为任一滑裂面，DE将土体分为两块，假将土体分为两块，假设两土块间的作用力为设两土块间的作用力为P，方向与，方向与DC平行。平行。BCDE的极限平衡方程式：ADE的极限平衡方程式：现在学习的是第23页，共30页式中：式中：G1、G2分别为分别为ADE和和BCDE两个楔两个楔形体的自重；形体的自重；分别为分别为AD面和面和DC面的土面的土体内摩擦角；体内摩擦角；、分别为分别为AD面和面和DC面面与水平方向的夹角。与水平方向的夹角。联立二式可求解滑动体的安全系数联立二式可求解滑动体的安全系数Kc和土和土块间的作用力为块间的作用力为P。土块间作用力的方向，土块间作用力的方向，碾压式土石坝设碾压式土石坝
13、设计规范计规范（SL274-2001）中建议了两种假）中建议了两种假定，一是假定土块间的相互作用力为水平定，一是假定土块间的相互作用力为水平的；二是假定土块间的相互作用力为平行的；二是假定土块间的相互作用力为平行于上游坡面和楔底斜面的平均坡度。于上游坡面和楔底斜面的平均坡度。现在学习的是第24页，共30页土料的抗剪强度指标的选取土料的抗剪强度指标的选取土料的抗剪强度指标主要是指颗粒间的内土料的抗剪强度指标主要是指颗粒间的内摩擦角摩擦角和凝聚力和凝聚力c。对同一种土料，其抗剪强度指标对同一种土料，其抗剪强度指标c、，并，并不是一个常量，它与土的性质、土料的固不是一个常量，它与土的性质、土料的固结
14、度、应力历史，荷载条件等诸多因素有结度、应力历史，荷载条件等诸多因素有关。关。现在学习的是第25页，共30页（1）粘性土的抗剪强度）粘性土的抗剪强度 抗剪强度指标测定的三种代表性试验抗剪强度指标测定的三种代表性试验不排水剪。试样不固结，在不排水条件不排水剪。试样不固结，在不排水条件下剪切，剪切前及过程都有孔隙水压力，下剪切，剪切前及过程都有孔隙水压力，用以模拟坝体竣工期。（用以模拟坝体竣工期。（UU）固结不排水剪。试样固结后，在不排水固结不排水剪。试样固结后，在不排水条件下剪切，剪切过程产生孔隙水压力。条件下剪切，剪切过程产生孔隙水压力。（CU）排水剪。试样固结后，在排水条件下缓排水剪。试样固
15、结后，在排水条件下缓慢剪切，不产生孔隙水压力。（慢剪切，不产生孔隙水压力。（CD）现在学习的是第26页，共30页抗剪强度指标的选用 施工期与竣工时，按不排水剪或快剪测施工期与竣工时，按不排水剪或快剪测定的指标进行总应力分析，总应力分析中定的指标进行总应力分析，总应力分析中常采用常采用UU和和CD的最小强度包线图。（但实的最小强度包线图。（但实际上施工期，孔隙水压力会部分消散，故际上施工期，孔隙水压力会部分消散，故按总应力分析偏于保守。）按总应力分析偏于保守。）现在学习的是第27页，共30页稳定渗流期应采用有效应力强度指标进稳定渗流期应采用有效应力强度指标进行分析。为了计入剪切过程中孔隙水压力行
16、分析。为了计入剪切过程中孔隙水压力变化，可采用变化，可采用强度包线的指标进行强度包线的指标进行有效应力分析。有效应力分析。水库水位降落期是上游坝坡的控制情况，水库水位降落期是上游坝坡的控制情况，适宜采用有效应力分析。适宜采用有效应力分析。对于重要的工程，抗剪强度指标的选择，对于重要的工程，抗剪强度指标的选择，应注意填土的各向异性、应力历史等。应注意填土的各向异性、应力历史等。现在学习的是第28页，共30页（2）非粘性土的抗剪强度）非粘性土的抗剪强度 非粘性土的透水性强，其抗剪强度取决于非粘性土的透水性强，其抗剪强度取决于有效法向应力和内摩擦角，一般通过排水有效法向应力和内摩擦角，一般通过排水剪
17、确定强度指标。剪确定强度指标。非粘性土的抗剪强度的选取，浸润线以上非粘性土的抗剪强度的选取，浸润线以上的土体，采用湿土的抗剪强度，浸润线以的土体，采用湿土的抗剪强度，浸润线以下的土体，采用饱和土的抗剪强度。下的土体，采用饱和土的抗剪强度。现在学习的是第29页，共30页计算工况和安全系数计算工况和安全系数土石坝的稳定分析需要考虑以下具有代表土石坝的稳定分析需要考虑以下具有代表性的工况：性的工况：（1）施工期与竣工。在该工况，粘性土坝）施工期与竣工。在该工况，粘性土坝坡和防渗体在填筑过程中产生的孔隙水压坡和防渗体在填筑过程中产生的孔隙水压力一般还来不及消散，故需要考虑孔隙水力一般还来不及消散，故需要考虑孔隙水压力对坝坡的影响。压力对坝坡的影响。现在学习的是第30页，共30页