第四章-路基邊坡穩(wěn)分析計(jì)算

基本內(nèi)容第一節(jié)概述第二節(jié)直線滑動(dòng)面的邊坡穩(wěn)定性分析第三節(jié)曲線滑動(dòng)面的邊坡穩(wěn)定性分析第四節(jié)軟土地基的路基穩(wěn)定性分析第五節(jié)浸水路堤的穩(wěn)定性分析第六節(jié)路基邊坡抗震穩(wěn)定性分析第一節(jié)概述一、邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象

路基邊坡滑坍是公路上常見(jiàn)的破壞現(xiàn)象之一。在巖質(zhì)或土質(zhì)山坡上開(kāi)挖路塹，有可能因自然平衡條件被破壞或者因邊坡過(guò)陡，使坡體沿某一滑動(dòng)面產(chǎn)生滑坡。對(duì)河灘路堤、高路堤或軟弱地基上的路堤，因水流沖刷、邊坡過(guò)陡或地基承載力過(guò)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。-內(nèi)部原因（1）土質(zhì)：各種土質(zhì)的抗剪強(qiáng)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(lái)的強(qiáng)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)下伏土層(或巖層)不透水時(shí)，容易在交界上發(fā)生滑動(dòng)。（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(shí)尚可直立，但隨時(shí)間和氣候的變化，也會(huì)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(qiáng)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(dòng)、靜水壓力，促使土體失穩(wěn)，故設(shè)計(jì)斜坡應(yīng)針對(duì)這些原因，采用相應(yīng)的排水措施。（2）振動(dòng)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(dòng)時(shí)易使土的結(jié)構(gòu)破壞，從而降低土的抗剪強(qiáng)度；車輛運(yùn)動(dòng)、施工打樁或爆破，由于振動(dòng)也可使鄰近土坡變形或失穩(wěn)等。（3）人為影響：由于人類不合理地開(kāi)挖，特別是開(kāi)挖坡腳；或開(kāi)挖基坑、溝渠、道路邊坡時(shí)將棄土堆在坡頂附近；在斜坡上建房或堆放重物時(shí)，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(gè)面上的剪應(yīng)力達(dá)到了它的抗剪強(qiáng)度。具體原因：（1）滑面上的剪應(yīng)力增加；（2）滑面上的抗剪強(qiáng)度減小。◆路基穩(wěn)定性分析的原因：

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

一、邊坡穩(wěn)定原理

路基邊坡穩(wěn)定的力學(xué)計(jì)算方法是分析失穩(wěn)滑動(dòng)體沿滑動(dòng)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(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，都按平面問(wèn)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(shí)滑動(dòng)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(shí)，近似方法并假定1、不考慮滑動(dòng)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(dòng)面上達(dá)到，滑動(dòng)主體整體下滑3、極限滑動(dòng)面位置通過(guò)試算來(lái)確定二、邊坡穩(wěn)定性分析的計(jì)算參數(shù)路塹：天然土層中開(kāi)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(duì)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(lái)實(shí)際情況一致。㈠所需土的試驗(yàn)資料：1、對(duì)于路塹或天然邊坡取：原狀土的容重r，內(nèi)摩擦角Φ，粘聚力c2、對(duì)路堤邊坡：取與現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度一致的壓實(shí)土試驗(yàn)數(shù)據(jù)。r

、Φ、c同上

※路堤各層填料性質(zhì)不同時(shí)，所采用驗(yàn)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(shí)，對(duì)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(shí)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(gè)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(gè)滑動(dòng)面力學(xué)平衡原理計(jì)算，找出極限滑動(dòng)面。

2、圖解或表解法—在計(jì)算機(jī)或圖解的基礎(chǔ)上，制定圖或表，用查圖或查表來(lái)進(jìn)行，簡(jiǎn)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(dòng)面的傾角；

f——摩擦系數(shù)，f=tanφ；

L——滑動(dòng)面的長(zhǎng)度；

N——滑動(dòng)面的法向分力；

T——滑動(dòng)面的切向分力；

c——滑動(dòng)面上的粘結(jié)力；

Q——滑動(dòng)體的重力。BDAHRQNT1:mαωω直線滑動(dòng)面上的力系示意圖方法：假定ω，計(jì)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(yùn)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(yàn)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。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(jì)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(yàn)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、已知某碎石路塹邊坡，高11m,坡率為1：0.75，碎石土的單位體積的重力=22kN/m3，內(nèi)摩擦角=40°，粘結(jié)力=12kpa。試分析此邊坡的穩(wěn)定性。3、一、圓弧滑動(dòng)面的條分法

原理：靜力平衡(Staticequilibrium)

假定土質(zhì)均勻，不計(jì)滑動(dòng)面以外的土體位移所產(chǎn)生的作用力，取單位長(zhǎng)度，將滑動(dòng)體劃分為若干土條，計(jì)算各土條對(duì)于滑動(dòng)圓心的滑動(dòng)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(jì)算之前需要先用圓心輔助線法確定滑動(dòng)圓弧的圓心位置。

圓弧法的計(jì)算精度主要與分段數(shù)有關(guān)。分段愈多則計(jì)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(jiǎn)化計(jì)算。

計(jì)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(duì)豎軸y的夾角；

L——滑動(dòng)面圓弧全長(zhǎng)；

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(guò)坡腳任意選定可能發(fā)生的圓弧滑動(dòng)面AB，其半徑為R，沿路線縱向取單位長(zhǎng)度1m。3.根據(jù)情況分段:將滑動(dòng)土體分成若干個(gè)一定寬度的垂直土條，其寬一般為2-4m。4.計(jì)算分段土條的Qi、αi、Ni、Ti，進(jìn)而計(jì)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(dòng)面，減少試算工作量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，極限滑動(dòng)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(diǎn)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(dòng)水壓力（路堤兩側(cè)水位高低不同時(shí)，水從高的一側(cè)滲透到低的一側(cè)產(chǎn)生動(dòng)水壓力）最不利情況：水位降落時(shí)動(dòng)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(shí)，對(duì)路堤最不利。二、滲透動(dòng)水壓力的作用二、路基穩(wěn)定性的計(jì)算方法

有效固結(jié)應(yīng)力法可以求固結(jié)過(guò)程中任意時(shí)刻已知固結(jié)度的安全系數(shù)，但本身不計(jì)算固結(jié)度，只是將其作為已知條件。安全系數(shù)為：

三、滲透動(dòng)水壓力的計(jì)算—浸潤(rùn)曲線與滑動(dòng)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(yàn)算。河灘路堤最不利情況：最高洪水位驟然降落時(shí)通常采用圓弧法（條分法）計(jì)算公式如下：

注意情況：1、礫石、片石等無(wú)粘性透水材料填筑的路堤水位變化時(shí)，不發(fā)生動(dòng)水壓力D=0，C=0，Cb=02、用不透水或透水極小的粘性土填筑的路堤水位變化時(shí)，不發(fā)生動(dòng)水壓力D=03、用一般粘性土（亞粘土、亞砂土）填筑的路堤水位變化時(shí)，堤身產(chǎn)生動(dòng)水壓力必須繪制浸潤(rùn)曲線（假定為直線，坡度為降落曲線的平均坡度）用前式計(jì)算4、河灘路堤的安全系數(shù)，一般規(guī)定不小于1.25，按最大洪水位驗(yàn)算時(shí)，其安全系數(shù)可采用k≥1.15

第二節(jié)陡坡路堤穩(wěn)定性驗(yàn)算地面橫坡陡于1：2.5（土質(zhì)路堤）或陡于1：2（不易風(fēng)化的巖石基底）或不穩(wěn)固山坡上的路堤，需驗(yàn)算路堤邊坡的穩(wěn)定性以預(yù)防路堤沿地面陡坡下滑?；瑒?dòng)面可分為：路堤沿基底接觸面滑動(dòng)路堤連同基底下的山坡覆蓋層沿基巖面下滑驗(yàn)算中：①應(yīng)采用滑動(dòng)面附近較為軟弱的土的有關(guān)數(shù)據(jù)②假定滑動(dòng)面上土體沿滑動(dòng)面整體滑動(dòng)

1、滑動(dòng)面為單一坡度傾斜面時(shí)（直線滑動(dòng)面穩(wěn)定性驗(yàn)算）整個(gè)路堤沿直線斜坡面滑動(dòng)的下滑力E為剩余下滑力E指滑動(dòng)面上的土體下滑力T與抗滑力R之差值，并考慮安全系數(shù)K（規(guī)范規(guī)定K大于等于1.3）1、直線滑動(dòng)面陡坡路堤穩(wěn)定性驗(yàn)算滑動(dòng)面為單一坡度的傾斜面。

※當(dāng)驗(yàn)算設(shè)得下滑力E為零或負(fù)值時(shí)，此路堤可認(rèn)為是穩(wěn)定的即：E≤0路堤穩(wěn)定

2、折線滑動(dòng)面穩(wěn)定性驗(yàn)算步驟：①將折線劃分為幾個(gè)直線段路堤按各直線劃分為若干塊土體②從上側(cè)山坡到下側(cè)山坡，逐塊計(jì)算每塊沿滑動(dòng)面的下滑力③最后一塊土體下滑力大于零不穩(wěn)定，小于或等于零穩(wěn)※若算得第n塊土體下滑力En為負(fù)值，則可不列入下一塊土體的計(jì)算（保守算法）En平行于各相應(yīng)土塊的滑動(dòng)面，最后一塊土體En為正值時(shí)土體不穩(wěn)定剩余下滑力：En≤0穩(wěn)定

En>0不穩(wěn)定3、穩(wěn)定措施：⑴改善基底狀況，增加滑動(dòng)面的摩擦力或減小滑動(dòng)力清除松軟土層，夯實(shí)基底，使路堤位于堅(jiān)實(shí)的硬層上開(kāi)挖臺(tái)階，放穩(wěn)坡度，減小滑動(dòng)力路堤上方排水，阻止地面水浸濕基底⑵改變填料及斷面形式：采用大顆粒填料，嵌入地面