第三章 路基邊坡穩(wěn)

3.2路基穩(wěn)定性分析計算第一節(jié)概述一、邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象

路基邊坡滑坍是公路上常見的破壞現(xiàn)象之一。在巖質(zhì)或土質(zhì)山坡上開挖路塹，有可能因自然平衡條件被破壞或者因邊坡過陡，使坡體沿某一滑動面產(chǎn)生滑坡。對河灘路堤、高路堤或軟弱地基上的路堤，因水流沖刷、邊坡過陡或地基承載力過低而出現(xiàn)填方土體（或連同原地面土體）沿某一剪切面產(chǎn)生坍塌。

一般路基——套用典型橫斷面圖（無需論證和驗算）高路基、深路塹、浸水沿河路堤、特殊地質(zhì)地段的路基個別設(shè)計，穩(wěn)定性驗算用以確定合理的路基橫斷面形式。

常見的分析計算方法：

1、工程地質(zhì)法

2、力學(xué)分析法

3、圖解法-內(nèi)部原因（1）土質(zhì)：各種土質(zhì)的抗剪強度、抗水能力是不一樣的，如鈣質(zhì)或石膏質(zhì)膠結(jié)的土、濕陷性黃土等，遇水后軟化，使原來的強度降低很多。（2）土層結(jié)構(gòu)：如在斜坡上堆有較厚的土層，特別是當(dāng)原土層(或巖層)不透水時，容易在交界上發(fā)生滑動。（3）邊坡形狀：突肚形的斜坡由于重力作用，比上陡下緩的凹形坡易于下滑；由于粘性土有粘聚力，當(dāng)土坡不高時，尚可直立，但隨時間和氣候的變化，也會逐漸塌落?！袈坊Х€(wěn)的原因：-外部原因（1）降水或地下水的作用：持續(xù)的降雨或地下水滲入土層中，使土中含水量增高，土中易溶鹽溶解，土質(zhì)變軟，強度降低；還可使土的重度增加，以及孔隙水壓力的產(chǎn)生，使土體作用有動、靜水壓力，促使土體失穩(wěn)，故設(shè)計斜坡應(yīng)針對這些原因，采用相應(yīng)的排水措施。（2）振動的作用：如地震的反復(fù)作用下，砂土極易發(fā)生液化；粘性土，振動時易使土的結(jié)構(gòu)破壞，從而降低土的抗剪強度；車輛運動、施工打樁或爆破，由于振動也可使鄰近土坡變形或失穩(wěn)等。（3）人為影響：由于人工不合理地開挖，特別是開挖坡腳；或開挖基坑、溝渠、道路邊坡時將棄土堆在坡頂附近；在斜坡上建房或堆放重物時，都可引起斜坡變形破壞?！袈坊€(wěn)定性分析的原因：根本原因:邊坡中土體內(nèi)部某個面上的剪應(yīng)力達(dá)到了它的抗剪強度。具體原因：（1）滑面上的剪應(yīng)力增加；

（2）滑面上的抗剪強度減小?！袈坊€(wěn)定性分析的原因：一、邊坡穩(wěn)定原理

路基邊坡穩(wěn)定的力學(xué)計算方法是分析失穩(wěn)滑動體沿滑動面上的下滑力T與抗滑力R，按靜力平衡原理，取兩者之比值為穩(wěn)定系數(shù)K，㈠破裂面1、用力學(xué)方法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時，為簡化計算，都按平面問題處理2、松散的砂性土和礫石內(nèi)摩擦角較大，粘聚力較小，破裂面近似直線破裂面法。3、粘性土粘聚力較大，內(nèi)摩擦角較小，破裂時滑動面為圓柱形、碗形，近似于圓曲面，采用圓弧破裂面法(二）在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時，近似方法并假定1、不考慮滑動主體本身內(nèi)應(yīng)力的分布2、認(rèn)為平衡狀態(tài)只在滑動面上達(dá)到，滑動主體整體下滑3、極限滑動面位置通過試算來確定二、邊坡穩(wěn)定性分析的計算參數(shù)路塹：天然土層中開挖，土類別、性質(zhì)天然生成的路堤：人工填筑物、填料性質(zhì)和類別多為人為因素控制，對于土的物理力學(xué)數(shù)據(jù)的選用以及可能出現(xiàn)的最不利情況，力求能與路基將來實際情況一致。㈠所需土的試驗資料：1、對于路塹或天然邊坡?。涸瓲钔恋娜葜豶，內(nèi)摩擦角Φ，粘聚力c2、對路堤邊坡：取與現(xiàn)場壓實度一致的壓實土試驗數(shù)據(jù)。r

、Φ、c同上

※路堤各層填料性質(zhì)不同時，所采用驗算數(shù)據(jù)可按加權(quán)平均法求得。（二）邊坡穩(wěn)定分析的邊坡取值

邊坡穩(wěn)定性分析時，對于折線型或階梯形邊坡，一般可取平均值。

荷載分布寬度：⑴可分布在行車道寬度范圍內(nèi)⑵考慮實際行車有可能偏移或車輛停放在路肩上，也可認(rèn)為Ｈ1厚當(dāng)量土層分布于整個路基寬度上。三、邊坡穩(wěn)定性分析方法：※力學(xué)分析法：1、數(shù)解法—假定幾個滑動面力學(xué)平衡原理計算，找出極限滑動面。2、圖解或表解法—在計算機(jī)或圖解的基礎(chǔ)上，制定圖或表，用查圖或查表來進(jìn)行，簡單不精確。㈠力學(xué)分析法：

直線法—適用于砂土和砂性土（兩者合稱砂性土）破裂面近似為平面。

圓弧法—適用于粘性土，破裂近似為圓柱形◆試算法式中：ω——滑動面的傾角；f——摩擦系數(shù)，f=tanφ；L——滑動面的長度；N——滑動面的法向分力；T——滑動面的切向分力；c——滑動面上的粘結(jié)力；Q——滑動體的重力。BDAHRQNT1:mαωω直線滑動面上的力系示意圖方法：假定ω，計算K與ω的關(guān)系?！艚馕龇ㄟ吰路€(wěn)定系數(shù)最小值：BDATNQHαωω式中：解析法的理解和工程運用某挖方邊坡，已知φ=25°，с=14.7kPa,γ=17.64kN/m3,H=6.0m?，F(xiàn)擬采用1：0.5的邊坡，試驗算其穩(wěn)定性?？紤]到穩(wěn)定系數(shù)偏高，試求允許的邊坡度。求允許的最大高度。擬采用1：0.5的邊坡㈢汽車荷載當(dāng)量換算

路基承受自重作用、車輛荷載（按車輛最不利情況排列，將車輛的設(shè)計荷載換算成相當(dāng)于土層厚度Ｈ0）Ｈ0稱為車輛荷載的當(dāng)量高度或換算高度。b-后輪輪距1.8mm-相鄰兩輛車后輪的中心間距，1.3mB=Nb+(N-1)m+dm1、已知某路堤有雙層土體組成。上層邊坡坡率為1：1.5，土層高位8m，上層土單位體積的重力為17.5kN/m3，內(nèi)摩擦角為30°，粘結(jié)力為5.0kpa；下層邊坡坡率為1：1.75，土層高為7m，下層土的單位體積的重力為19.0kN/m3，內(nèi)摩擦角為40°，粘結(jié)力為2.0kpa。試確定邊坡穩(wěn)定性驗算參數(shù)單位體積的重力、內(nèi)摩擦角和粘結(jié)力的取值。2、已知某土質(zhì)路堤邊坡，高10m,坡率為1：1.4，土的單位體積的重力=18kN/m3，內(nèi)摩擦角=20°，粘結(jié)力=14kpa。試分析此邊坡的穩(wěn)定性。3、一、圓弧滑動面的條分法

原理：靜力平衡(Staticequilibrium)

假定土質(zhì)均勻，不計滑動面以外的土體位移所產(chǎn)生的作用力，取單位長度，將滑動體劃分為若干土條，計算各土條對于滑動圓心的滑動力矩Moi和抗滑力矩Myi，取兩力矩比值K為穩(wěn)定系數(shù)以判定是否穩(wěn)定。

計算之前需要先用圓心輔助線法確定滑動圓弧的圓心位置。

圓弧法的計算精度主要與分段數(shù)有關(guān)。分段愈多則計算結(jié)果愈精確，一般分8～10段。小段的劃分，還可結(jié)合橫斷面特性，如劃分在邊坡或地面坡度變化之處，以便簡化計算。計算式：式中：Ni——各土條的法向應(yīng)力；Ti——各土條的切向應(yīng)力；αi——各土條重心與圓心連接線對豎軸y的夾角；L——滑動面圓弧全長；α0——圓心角。穩(wěn)定性分析步驟1.按比例繪制路基橫斷面圖2.確定圓心的大致位置和圓弧的形狀:通過坡腳任意選定可能發(fā)生的圓弧滑動面AB，其半徑為R，沿路線縱向取單位長度1m。3.根據(jù)情況分段:將滑動土體分成若干個一定寬度的垂直土條，其寬一般為2-4m。4.計算分段土條的Qi、αi、Ni、Ti，進(jìn)而計算出K15.重復(fù)1～4，得出K2~Kn，作圖求出最小的Kmin6.穩(wěn)定性判斷：Kmin≥[K]=1.25～1.5圓弧圓心確定

為了較快地找到極限滑動面，減少試算工作量，根據(jù)經(jīng)驗，極限滑動圓心在一條線上，該線即是圓心輔助線。確定圓心輔助線可以采用4.5H法或36°線法。⑴4.5H法

⑵36°線法

由荷載換算土柱高頂點作與水平線成36°角的線EF，即得圓心輔助線。由坡頂處作與水平線成36°角的線EF，即為圓心輔助線。

第三節(jié)浸水路堤穩(wěn)定性一、河灘路堤受力：

普通路堤外力、自重、浮力（受水浸泡產(chǎn)生浮力）、滲透動水壓力（路堤兩側(cè)水位高低不同時，水從高的一側(cè)滲透到低的一側(cè)產(chǎn)生動水壓力）

最不利情況：水位降落時動水壓力指向河灘兩側(cè)邊坡，尤其當(dāng)水位緩慢上漲而集聚下降時，對路堤最不利。二、滲透動水壓力的作用浸水路堤浸水路堤是指受到季節(jié)性或長期浸水的沿河路堤、河灘路堤等。浸水路堤的水的浸潤曲線

由于土體內(nèi)滲水速度遠(yuǎn)慢于河水，因此，當(dāng)?shù)掏馑簧邥r，堤內(nèi)水位的比降曲線（即浸潤線）成凹形，當(dāng)?shù)掏馑幌陆禃r，堤內(nèi)水位的比降曲線成凸形?！?、浸水路堤及水的浸潤曲線漲潮落潮水流曲線雙側(cè)滲水路堤水位變化示意圖單側(cè)滲水路堤水位變化示意圖第五節(jié)浸水路堤的穩(wěn)定性分析

水位急速上升時，浸水路堤的浸潤曲線下凹，土體除承受豎向的向上浮力外，還承受滲透動水壓力的作用，作用方向指向土體內(nèi)部，有利于土體穩(wěn)定，經(jīng)過一定時間的滲透，土體內(nèi)水位趨于平衡，不再存在滲透動水壓力。

水位驟然下降時，浸水路堤的浸潤曲線上凸，滲透動水壓力的作用方向指向土體外，這將劇烈破壞路堤邊坡的穩(wěn)定性，并可能產(chǎn)生邊坡凸起和滑坡，不利于土體穩(wěn)定，但經(jīng)過一定時間的滲透，土體內(nèi)水位也會趨于平衡，不再存在滲透動水壓力。浸水路堤邊坡穩(wěn)定的最不利情況一般發(fā)生在最高洪水水位驟然降落的時候，此時滲透動水壓力指向路基體外?！?、滲透動水壓力對浸水路堤的作用第五節(jié)浸水路堤的穩(wěn)定性分析1）浸水路堤的受力:自重、行車荷載、浮力滲透動水壓力。

2）浸水路堤的不利時刻：漲水？、落水？。3）土的滲透性：由于土中含有空隙，在水位變化過程中伴有土中含水量的變化。

對砂性土－滲透性好，動水壓力較?。?/p>

對黏性土－滲透性不好，動水壓力也不大；

對亞砂土、亞黏土－具有一定的滲透性，動水壓力較大，邊坡容易失穩(wěn)?！?、滲透動水壓力對浸水路堤的作用第五節(jié)浸水路堤的穩(wěn)定性分析第五節(jié)浸水路堤的穩(wěn)定性分析4）動水壓力的計算

D＝IB0

D——作用于浸潤線以下土體重心的滲透動水壓力，kN/m；

I——滲流水力坡降（取用浸潤曲線的平均坡降）；

ΩB——浸潤曲線與滑動弧之間的面積，m2；

0——水的容重，kN/m3

三、滲透動水壓力的計算—浸潤曲線與滑動面之間的土體面積—水的容重，取10kn/

三、河灘路堤邊坡穩(wěn)定性驗算。河灘路堤最不利情況：最高洪水位驟然降落時通常采用圓弧法（條分法）計算公式如下：

注意情況：1、礫石、片石等