地基承载力与土坡稳定性
高填方路基边坡稳定性研究
高填方路基边坡稳定性研究一、研究背景边坡的稳定性问题也是岩土工程学科中最古老的研究课题之一。
当前，我国高等级公路建设逐渐由发达地区转向落后地区，由平原转入山区，西部高等级公路通车里程不断增多。
伴随着高速公路进入山区，西部山区或库区地形地质复杂带来的问题也逐步显现：山区坡陡山高、地形起伏大，高速公路布线难度也较大，导致山区高速公路桥隧比例高、桥墩高达上百米、公路填挖量大（高达80余米的挖方或填方边坡屡见不鲜）、巨大的填挖高度带来巨大的占地面积及巨大的土石方工程工程量，进而导致高速公路每千米造价屡屡攀高。
一般而言，山区高等级公路深沟路段一般采取桥梁方式跨越，而高山路段一般采取隧道方式穿越，这就是山区常见的桥接隧、隧接桥的现象，这容易导致棘手的土石方平衡问题：由于桥跨路段不能消耗弃土，隧道洞渣就不能用于填筑路堤，大量过剩的隧道洞渣则必须寻找弃土场，而山区起伏不平的地形也很难找到合适的弃土场，即使找到弃土场，又将对库区水系、V形冲沟带来不利影响。
这些都对当代土木工程师提出了考验。
因此，当高等级公路跨越冲沟时，如果存在隧道洞渣废方，以超高填方路堤替代桥跨结构无疑也是一种解决方案，这与设置桥梁的方案相比较而言，既经济又环保：消除了挖方废方，减少了弃土场，保护了原始植被和耕地。
这种情况在已建的成渝高速公路、成雅高速公路、西攀高速公路、达陕高速公路、成南高速公路和柳桂高速公路上均有运用。
但是，已建成的多条高速公路的超高路堤已经发现了不同程度的破坏。
既然高速公路建设中出现了如此大量的超高路堤，由此而产生的超高路堤稳定性问题也变得十分突出，成为了建设、施工和科研等单位需要破解的难题之一。
山区高速公路的地形更加复杂，冲沟发育，沟深壁陡，很多呈“V”字形。
在这些地方填筑的填方路堤高度一般属于高路堤，一般的高填方都在20m以上，少数地方填方高度达到40m，甚至更高。
这种超高路堤填筑体积巨大，就更容易发生路基病害，超高路堤边坡的稳定性也更差，超高路堤对其支护结构物的土压力也较大。
土力学介绍
土力学介绍
土力学是一门研究土壤力学行为和特性的学科，主要涉及土壤的变形、强度、稳定性和渗流等方面。
它是土木工程、地质工程、环境工程等领域的重要基础学科之一。
土力学的研究对象是土壤，包括土体的物理性质、力学性质和工程性质等。
通过实验和理论分析，土力学研究人员可以了解土壤在不同条件下的力学行为和变形特征，以及如何预测和控制土壤的稳定性和变形。
土力学的研究内容包括土体的本构关系、固结理论、土压力理论、地基承载力、土坡稳定等方面。
在工程实践中，土力学的知识被广泛应用于基础工程、地下工程、道路工程、水利工程等领域。
土力学的发展历程可以追溯到古代，但现代土力学的发展始于 20 世纪初期。
随着现代科学技术的不断进步，土力学的研究方法和技术也在不断更新和完善。
总之，土力学是一门非常重要的学科，它的研究成果对于保障工程建设的安全和可靠性具有重要意义。
对于从事土木工程、地质工程、环境工程等相关领域的人员来说，掌握土力学的基本知识和技能是必不可少的。
工程地质与地基基础06土压力地基承载力和土坡稳定
Gt
m为基底摩
Gn G
Ean
d Ea
擦系数，根 据土的类别
O
a0
Eat 查表得到
a
工程地质与地基基础06土压力地基承 载力和土坡稳定
2.地基承载力验算
基底平均应力p≤f 基底最大压应力pmax≤1.2f
f为地基承载 力设计值
工程地质与地基基础06土压力地基承 载力和土坡稳定
3.墙身强度验算
根据墙身材料分别按砌体结构、素混凝土 结构或钢筋混凝土结构的有关计算方法进行。
2. 粘性土
临界深度
工程地质与地基基础06土压力地基承 载力和土坡稳定
de
a
H
Ea
b
c
粘性土的主动土压力强度分布图
工程地质与地基基础06土压力地基承 载力和土坡稳定
三、被动土压力计算
1. 无粘性土
工程地质与地基基础06土压力地基承 载力和土坡稳定
H
Ep
无粘性土的被动土压力强度分布图
工程后的坡间挡土墙 工程地质与地基基础06土压力地基承 载力和土坡稳定
挡土墙发生事故的例子
• 多瑙河码头岸墙滑动
工程地质与地基基础06土压力地基承 载力和土坡稳定
• 英国伦敦铁路挡土墙滑动图
工程地质与地基基础06土压力地基承 载力和土坡稳定
垮塌的重力式挡墙
工程地质与地基基础06土压力地基承 载力和土坡稳定
6.5.2 挡土墙计算
1.稳定性验算：抗倾覆稳定和抗滑稳定
抗倾覆稳定验算 挡土墙在土压力作用下可能绕墙趾O
点向外倾覆
抗倾覆稳定条件
G
Eaz Ea
d
O
a0
a
x0 xf b
Eax
土力学-第六章土压力、地基承载力和土坡稳定
土楔在三力作用下，静力平衡
E 1 2 h Ka 2
滑裂面是任意给定的，不同滑裂面得 到一系列土压力E，E是q的函数，E 的最大值Emax，即为墙背的主动土压 力Ea，所对应的滑动面即是最危险滑 动面
1 2 Ea h 2 cos 2 ( ) sin( )sin( ) 2 cos cos( ) 1 cos( ) cos( )
36.6kPa
paB下 1h1K a 2 2c2 K a 2＝ .2kPa － 4 paC ( 1h1 2 h2 ) K a 2 2c2 K a 2 36.6kPa
＝ 主动土压力合力 Ea 10.4 2 / 2 (4.2 36.6) 3 / 2 71.6kN / m
hKp ＋2c√Kp
1.粘性土被动土压力强度不存在负侧压力区 2.合力大小为分布图形的面积，即梯形分布图形面积 3.合力作用点在梯形形心
hp
四、例题分析 【例】有一挡土墙，高6米，墙背直立、光滑，墙后填土
面水平。填土为粘性土，其重度、内摩擦角、粘聚力如下 图所示 ，求主动土压力及其作用点，并绘出主动土压力 分布图
pa zKa 2c K a
pa zK a
h
hKa
1.无粘性土主动土压力强度与z成正比，沿墙高呈三角形分布 2.合力大小为分布图形的面积，即三角形面积 3.合力作用点在三角形形心，即作用在离墙底h/3处
h/3
Ea
(1/ 2)h2 Ka
当c＞0, 粘性土
pa zKa 2c K a
z0 ≤0说明不存在负侧压力区，
2.成层填土情况（以无粘性土为例）
h1
h2 h3
A B
稳定性计算
1、围堰断面边坡安全稳定校核
由于收纳区围堰分为两种，取其中稳定性最差的边坡比为1：1边坡进行安全稳定校核。
（1）、土层参数：围堰采用分层堆积土堤，土质与现场天然土质接近，故计算时采用的是淤泥质土（夹细砂）的力学指标：
（2）、计算围堰的容许高度H，并判断围堰边坡的稳定状态。
根据洛巴索夫的土坡稳定计算图，查得稳定系数N=0.10
由N=C/γH
可得H=10.9/（0.1*16.8）=6.5m〉3m，故判断围堰坡比为1：1的边坡是稳定的。
洛巴索夫的土坡稳定计算图
2、围堰地基承载力校核
鉴于外纳区所在地存在较多积水区域，计算时选用淤泥质土（夹细砂）的力学指标进行，计算时以满载时荷载：
（1）地基承载力：P=γH=16.8*3=50.4Kpa
（2）淤泥质土的设计允许承载力[P]=60 Kpa～90 Kpa
实际作用满载时的荷载P=50.4 Kpa
[P]=60 Kpa～90 Kpa>1.1*P=50.4*1.1=55.44 Kpa，满足要求。
土压力、地基承载力
必须注意，在图中所 示的土压力分布图只 表示其大小，而不代 编辑ppt 表其作用方向。
3)墙背对土楔体的反力E，与它大小相等、方向相反 的作用力就是墙背上的土压力。反力E的方向必与墙 背的法线N2成δ角。当土楔下滑时，墙对土楔的阻力 是向上，故反力E必在N2的下侧。
E1 2H 2c co 2 o s s s)i(cn o )( s s)i(sn i n ( ))(
压力通过梯形压力分布图的形心。
Ep1 2H2Kp2cHKp
编辑ppt
3.4 几种情况下的土压力计算
3.4.1 填土面有均布荷载
a）连续均布荷载q
方法：将均布荷载换算成当量的土重，当量的土层
厚度（虚构） hq/ ;
由均布荷载q换算成虚构填土高h,产生的土压力按 墙高为h+H计算。
b）填土面和墙背倾斜
编辑ppt
—土压力与土坡稳定性—
土坡可分为天然土坡和人工土坡，由于人工开挖 和不利的自然因素，土坡可能发生整体滑动而失稳。 土坡的滑塌常造成严重的工程事故，并危及人身安 全。因此对影响工程安全的天然边坡或人工边坡都 应进行边坡的稳定性验算，对不稳定边坡宜采取必 要的工程措施予以加固。对于某些人工边坡，如高 层建筑深基坑周缘、人工堆填土边缘，由于空间限 制使边坡角设计很陡，临空面附近的土体会沿着直 线面或弧形面下滑，因此必须预先采用挡土墙等结 构物以平衡土坡的侧向压力，我们把这种压力称为 土压力。土压力的计算是对人工土坡进行支挡结构 设计的前提。
φ--墙后填土的内摩擦角（度）；
α--墙背的倾斜角（度），俯斜时取正号，仰斜
为负号；
β--墙后填土面的倾角（度）；
δ--土对挡土墙背的摩擦角根据墙背填土的内摩
擦角φ查表确定。
建筑物地质差异较大时的地基处理措施
浅谈建筑物地质差异较大时的地基处理措施我们地基所面临的问题主要有以下几个方面:1)承载力及稳定性问题;2)压缩及不均匀沉降问题;3)渗漏问题;4)液化问题;5)特殊土的特殊问题。
当天然地基存在上述五类问题之一或其中几个时，我们需采用地基处理措施以保证上部结构的安全与正常使用。
通过地基处理，达到以下一种或几种目的。
(1)提高地基土的承载力地基剪切破坏的具体表现形式有建筑物的地基承载力不够，由于偏心荷载或侧向土压力的作用使结构失稳;由于填土或建筑物荷载，使邻近地基产生隆起;土方开挖时边坡失稳基坑开挖时坑底隆起。
地基土的剪切破坏主要因为地基土的抗剪强度不足，因此，为防止剪切破坏，就需要采取一定的措施提高地基土的抗剪强度。
(2)降低地基土的压缩性地基的压缩性表现在建筑物的沉降和差异沉降大，而土的压缩性和土的压缩模量有关。
因此，必须采取措施提高地基土的压缩模量，以减少地基的沉降和不均匀沉降。
(3)改善地基的透水特性基坑开挖施工中，因土层内夹有薄层粉砂或粉土而产生管涌或流砂，这些都是因地下水在土中的运动而产生的问题，故必须采取措施使地基土降低透水性或减少其动水压力。
(4)改善地基土的动力特性饱和松散粉细砂(包括部分粉土)在地震的作用下会发生液化在承受交通荷载和打桩时，会使附近地基产生振动下降，这些是土的动力特性的表现。
地基处理的目的就是要改善土的动力特性以提高土的抗振动性能。
(5)改善特殊土不良地基特性对于湿陷性黄土和膨胀土，就是消除或减少黄土的湿陷性或膨胀土的胀缩性。
常用的地基处理方法有:换填垫层法、强夯法、砂石桩法、振冲法、水泥土搅拌法、高压喷射注浆法、预压法、夯实水泥土桩法、水泥粉煤灰碎石桩法、石灰桩法、灰土挤密桩法和土挤密桩法、柱锤冲扩桩法、单液硅化法和碱液法等。
1、换填垫层法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。
其主要作用是提高地基承载力，减少沉降量，加速软弱土层的排水固结，防止冻胀和消除膨胀土的胀缩。
土压力和边坡稳定性分析
Ⅱ
Ⅰ
0
a K0 z
z
主动朗肯状态时的莫尔圆
如果挡土墙继续位移，土体只能产生塑性变形，而不会改变其应力状态。
土压力和边坡稳定性分析
土体在水平方向压缩(被动朗肯状态)
上述单元体在水平截面上的法向应力z不变而竖 直截面上的法向应力x却逐渐增大，直至满足极限 平衡条件为止（称为被动朗肯状态）。此时，x达 到最高限值p，p是大主应力，z是小主应力，莫
E(土压力)
Ea E0
Ep
-δ
a
+δ
土 压b 力和边坡稳定性分析
※ 静止土压力(水平向自重应力)：可视为天然土层自重
应力的水平分量。在填土表面下任意深度z处的静止土压
力强度可按下式计算： 0 K0 z
kN/m2
静止土压力系数K0 的确定：
（a）通过侧限条件下的试验测定； （b )采用经验公式计算，即
上述单元体在水平截面上的法向应力z不变，而竖直截面上 的法向应力x却逐渐减小，直至满足极限平衡条件为止（称为
主动朗肯状态）。
450 2
此时，x达到最低限值a，a是小主应力，z是大主应
力，莫尔圆与抗剪强度包线（破坏包线）相切。剪切破坏 面与水平面的夹角为 45土压。力和边坡稳定性分析
2
f c tg
根据墙的位移情况和墙后土体所处的应力状态，土压力可分为 以下三种：
1. 主动土压力： 当挡土墙向离开土体方向偏移 至土体达到主动极限平衡状态时, 作用在墙上的土压力，一般用Ea表示。
土压力和边坡稳定性分析
滑
Ea
动
面
主动土压力
2. 被动土压力： 当挡土墙在外力作用下 向土体方向偏移至土体 达到被动极限平衡状态 时，作用在挡土墙上的 土压力，用Ep表示。
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§ 7.2 地基的破坏形式与过程
建筑物的地基破坏通常是由于承载力不 满足引起的剪切破坏。地基承受荷载会产生两 种变形，即压缩变形和剪切变形。沉降变形过 大会引起建筑物不同程度的破坏，同样剪切变 形过大，使土体剪切破坏以引起地基失稳滑动 而造成建筑物的倾倒破坏。
局部剪切破坏特征：随着荷载的增加，紧靠 地基的土层会出现轮廓分明的剪切滑动面，滑动 面不露出地表，在地基某一深度处终止。
基础竖向下沉降显著，基础周边地表有隆起现 象，曲线上拐点不明显。
刺入剪切破坏特征： 地基不出现明显连续的剪切滑动面，以竖向下
沉变形为主。荷载的增加，地基土不断被压缩， 基础竖向下沉，垂直刺入地基中，基础之外的土 体会变形。
较大
仅有 下沉
变形
缓慢 下沉
软弱
快速或 大 冲击荷
载
§7.3 临塑荷载与临界荷载
本节中针对整体剪切破坏形式，讨论以 极限平衡理论为基础的古典承载力理论计算 公式。
b
Po
d
P
z
M
σ1
σ3
无埋置深度
z
M
σ1
σ3
有埋置深度
均布的条形荷载作用下地基中的主应力
设一条形基础埋深D,假定土体积不变μ＝
0.5，侧压力系数k0＝1，自重压力γ(d+Z）作 用下，M点产生的主应力为 1' 3' (d Z)
Zmax b / 4 ,b为基宽
( 0d c cot 1 b)
p1 4
4
cot
2
而对于偏心荷载作用的基础，一般 取zmax=b/3对应的界限荷载p1/3作为地 基的承载力，即：
目前还没有定量准确判断地基破坏类型的 准则。
地基承载力是指地基承受荷载的能力 如右图所示整体破坏的压缩曲线，存在三 个变形阶段。
1、线性变形阶段：
荷载较小时，出现oa直线段， 土粒发生竖向变形，孔隙减小产生 地基的压密变形，土中各点均处于 弹性平衡状态，地基中应力应变问 题可用弹性力学理论求解。
基础 四周 地面
隆起
基础 基础 控制 沉降 表现 指标
较小 倾斜 强度
事故 出现 状况
突然 倾倒
适用条件
地基土
基础深 加荷速 宽比 率
密实 小 缓慢
局部剪 切
连续， 地基
内
拐点 不易 确定
有时 稍有 隆起
中等
可能 倾斜
变形 为主
较慢 下沉
松散
快速或 中 冲击荷
载
冲剪
不连 续
拐点 无法 确定
沿地 基 下陷
P—s曲线直线段不明显，转折点a、c不易确 定，荷载增大到c点，基础急剧下降，p—s曲线 变陡。
上述三种破坏模式受很多因素的影响，施加 的荷载性质、速率、大小、基础的类型、材料、 刚度、尺寸、埋深地基土的性质等。一般压缩 性小的地基土，若发生失稳，多为整体剪切破 坏；饱和软黏土地基，若加荷载速度快，土体 内超静水压力上升过快，极易发生局部剪切破 坏。
/ 2 )]
c
tan
0d
如果zmax＝0，则表示地基刚要出现， 但尚未出现塑性区时相应的荷载为pcr :
、
pcr
( 0 cot
d ccot) /2
0d
设
ND cot / 2 1
cot N c cot / 2
则有: pcr N D D N c c
地基剪切破坏形式： 整体剪切破坏 局部剪切破坏 冲切破坏
整体剪切破坏的特征是：
有轮廓分明的从地基到地面的连续剪切滑移 面，邻近基础的土体有明显的隆起，地基的整 体破坏，使上部结构随基础发生倾斜，造成灾 难性破坏。
沉降量的曲线有如下特征：小荷载时，p—s 是直线，p增到a点，地基中开始出现塑性变形， 变形加剧，曲线斜率加大，直到地基失稳。
§7 地基承载力与土坡稳定性
7.1 概 述
❖ 地基承载力是指地基承受荷载的能力。当 地基承受的荷载达到不致使地基产生失稳破坏 的最大荷载，或者达到不适于继续承载的变形 时所对应的荷载，则称为极限荷载或极限承载 力，而将与建(构)筑物正常使用状态下允许的 地基变形值所对应的地基承载能力，称为地基 容许承载力。
3、破坏阶段：
p—s曲线b点以下的阶段，基础急剧 下沉，荷载不能增加，或荷载增加不多。
通过地基三阶段的讨论，可得出如下 概念：临塑荷载pcr是指地基中的刚要出现 塑性剪切区的临界荷载；
表7.1条形基础在中心荷载下地基破坏形式的特征
破坏形 式
地基 中滑 动面
p-s曲 线
整体剪 切
连续， 至地
面
有明 显 拐点
影响地基承载力的因素包括：
地基土的性质 基础的埋置深度、宽度、形状 建筑物的结构特性等。 确定地基承载力的方法有：
原位试验法 理论公式法 规范表格法 当地经验法
❖ 土坡是指具有 倾斜表面的土体， 典型土坡的剖面 形状和各部位名 称如图7.1所示。
❖导致土坡滑动破坏的主要原因：
➢ 一是外界荷载作用或土坡环境变化等导 致土体内部的剪应力增大。
2、弹塑性变形阶段：
a点的荷载为地基边缘将出现塑性区的边 界值，称为临塑荷载pcr。曲线ab不再是线性 表示，变形速率不断加大，主要是塑性变形。 随着荷载的加大，塑性变形区从基础的边缘 逐渐开展并加大加深，荷载加大到c点时，塑 性区扩展的连续滑动面，
则地基濒临失稳破坏，故称c点对应的荷载 为极限荷载pu。
N D、N c NDNc 为承载力系数，均是φ的函数
实际上，即使地基发生局部剪切破坏， 地基中的塑性有所发展，只要塑性区的范 围不超过地基限度，就不至影响建筑物的 使用。
因此，如果用pcr作为浅基础地基承载力无 疑是保守的，但究竟塑性区容许有多大的发展，
目前还没有明确的一致的意见，根据经验，一般
取
0
)
c tan
0
d
上式即为塑性区的边界方程，它表示
塑性区边界上任意点的Z于β0之间的关系， 如果D、p、γ、c、φ已知，可根据上式绘 出塑性区的边界线。
塑性区的最大深度Zmax可由
dz 0
do
则有， 即
cosβo sinφ
0
2
将上式带入“z＝”得表达式得
zmax
p 0d [cot ( d
如（a）图，在附加应力p0作用下引起土中M 点的大小主应力.
1" ＝ 3"
p0Biblioteka (0sin 0 )
（1）
d
P
z
σ1
σ3
条形基础底面边缘的塑性区
建立极限平衡方程，显然当M点处于极
限平衡状态时，有
sin
1 3
(2)
1 3 2c / tan
将(1)式代入（2）式得：
Z
P
0
d
(
sin 0 sin