鐵道工程電子教材-9路基的穩(wěn)定性分析(已修改)
2025-07-11 18:45 本頁面
【正文】 概述 路基是軌道的基礎(chǔ)，也稱線路下部結(jié)構(gòu)。如果路基不穩(wěn)定，則自然影響上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和使用。但由于客觀和人為的多種因素的影響，在實(shí)際工作中，從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)到設(shè)計(jì)施工，能真正把吃苦工程當(dāng)作基礎(chǔ)、當(dāng)作一種土木結(jié)構(gòu)物對待是較困難的。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大軸重、高密度、高速度的設(shè)計(jì)要求和運(yùn)營技術(shù)已經(jīng)提出并開始發(fā)展，這就對路基的穩(wěn)定提出了更高的要求。實(shí)踐表明，過去那種“重結(jié)構(gòu)、輕路基”的做法已給運(yùn)營帶來了嚴(yán)重后患。因此，隨著高速、重載技術(shù)的發(fā)展，必須提高路基的設(shè)計(jì)嚴(yán)格控制工程質(zhì)量，從而保證提供一個穩(wěn)定可靠的下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。 在邊坡穩(wěn)定計(jì)算方法中，通常采用整體的極限平衡方法來進(jìn)行分析。根據(jù)邊坡不同破裂面形狀而有不同的分析模式。邊坡失穩(wěn)的破裂面形狀按土質(zhì)和成因不同而不同，粗粒土或砂性土的破裂面多呈直線形；細(xì)粒土或粘性土的破裂面多為圓弧形；滑坡的滑動面為不規(guī)則的折線或圓弧狀。這里將主要介紹邊坡穩(wěn)定性分析的基本原理以及在某些邊界條件下邊坡穩(wěn)定的計(jì)算理論和方法。 一、邊坡穩(wěn)定性計(jì)算方法 在邊坡穩(wěn)定計(jì)算方法中，通常采用整體的極限平衡方法來進(jìn)行分析。根據(jù)邊坡不同破裂面形狀而有不同的分析模式。邊坡失穩(wěn)的破裂面形狀按土質(zhì)和成因不同而不同，粗粒土或砂性土的破裂面多呈直線形；細(xì)粒土或粘性土的破裂面多為圓弧形；滑坡的滑動面為不規(guī)則的折線或圓弧狀。這里將主要介紹邊坡穩(wěn)定性分析的基本原理以及在某些邊界條件下邊坡穩(wěn)定的計(jì)算理論和方法。 （一）直線破裂面法 所謂直線破裂面是指邊坡破壞時其破裂面近似平面，在斷面近似直線。為了簡化計(jì)算這類邊坡穩(wěn)定性分析采用直線破裂面法。能形成直線破裂面的土類包括：均質(zhì)砂性土坡；透水的砂、礫、碎石土；主要由內(nèi)摩擦角控制強(qiáng)度的填土。 圖 9 － 1 為一砂性邊坡示意圖，坡高 H，坡角 β ，土的容重為 γ ，抗剪度指標(biāo)為 c 、 φ 。如果傾角 α 的平面 AC 面為土坡破壞時的滑動面，則可分析該滑動體的穩(wěn)定性。 沿邊坡長度方向截取一個單位長度作為平面問題分析。 圖91 砂性邊坡受力示意圖 已知滑體 ABC 重 W ，滑面的傾角為 α ，顯然，滑面 AC 上由滑體的重量 W= γ（Δ ABC）產(chǎn)生的下滑力T和由土的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的抗滑力Tˊ分別為：T=W sina和 則此時邊坡的穩(wěn)定程度或安全系數(shù) 可用抗滑力與下滑力來表示，即 為了保證土坡的穩(wěn)定性，安全系數(shù) Fs 值一般不小于 ，特殊情況下可允許減小到 。對于 C=0 的砂性土坡或是指邊坡，其安全系數(shù)表達(dá)式則變?yōu)? 從上式可以看出，當(dāng) α =β時，F(xiàn)s 值最小，說明邊坡表面一層土最容易滑動，這時 當(dāng) Fs =1時，β=φ，表明邊坡處于極限平衡狀態(tài)。此時β角稱為休止角，也稱安息角。 此外，山區(qū)順層滑坡或坡積層沿著基巖面滑動現(xiàn)象一般也屬于平面滑動類型。這類滑坡滑動面的深度與長度之比往往很小。當(dāng)深長比小于 ，可以把它當(dāng)作一個無限邊坡進(jìn)行分析。 圖 92表示一無限邊坡示意圖，滑動面位置在坡面下H深度處。取一單位長度的滑動土條進(jìn)行分析，作用在滑動面上的剪應(yīng)力為,在極限平衡狀態(tài)時，破壞面上的剪應(yīng)力等于土的抗剪強(qiáng)度，即得 式中 Ns =c/ γ H稱為穩(wěn)定系數(shù)。通過穩(wěn)定因數(shù)可以確定 α 和 φ 關(guān)系。當(dāng) c=0 時，即無粘性土。 α =φ ，與前述分析相同。二 圓弧條法 根據(jù)大量的觀測表明，粘性土自然山坡、人工填筑或開挖的邊坡在破壞時，破裂面的形狀多呈近似的圓弧狀。粘性土的抗剪強(qiáng)度包括摩擦強(qiáng)度和粘聚強(qiáng)度兩個組成部分。由于粘聚力的存在，粘性土邊坡不會像無粘性土坡一樣沿坡面表面滑動。根據(jù)土體極限平衡理論，可以導(dǎo)出均質(zhì)粘這坡的滑動面為對數(shù)螺線曲面，形狀近似于圓柱面。因此，在工程設(shè)計(jì)中常假定滑動面為圓弧面。建立在這一假定上穩(wěn)定分析方法稱為圓弧滑動法和圓弧條分法。 1. 圓弧滑動法 1915 年瑞典彼得森（ ）用圓弧滑動法分析邊坡的穩(wěn)定性，以后該法在各國得到廣泛應(yīng)用，稱為瑞典圓弧法。 圖 9 － 3 表示一均質(zhì)的粘性土坡。 AC為可能的滑動面， O 為圓心， R為半徑。假定邊坡破壞時，滑體 ABC 在自重 W作用下，沿 AC 繞 O點(diǎn)整體轉(zhuǎn)動?；瑒用?AC上的力系有：促使邊坡滑動的滑動力矩 M s =W d；抵抗邊坡滑動的抗滑力矩，它應(yīng)該包括由粘聚力產(chǎn)生的抗滑力矩 M r =c AC R，此外還應(yīng)有由摩擦力所產(chǎn)生的抗滑力矩，這里假定 φ ＝ 0 。邊坡沿 AC 的安全系數(shù) Fs 用作用在 AC 面上的抗滑力矩和下滑力矩之比表示，因此有 這就是整體圓弧滑動計(jì)算邊坡穩(wěn)定的公式，它只適用于 φ ＝ 0 的情況。 圖93 邊坡整體滑動 2. 瑞典條分法 前述圓弧滑動法中沒有考慮滑面上摩擦力的作用，這是由于摩擦力在滑面的不同位置其方向和大小都在改變。為了將圓弧滑動法應(yīng)用于 φ ＞ 0 的粘性土，在圓弧法分析粘性土坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，瑞典學(xué)者 Fellenius 提出了圓弧條分析法，也稱瑞典條分法。條會法就是將滑動土體豎向分成若干土條，把土條當(dāng)成剛塑體，分別求作用于各土條上的力對圓心的滑動力矩和抗滑力矩，然后按式（ 95 ）求土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。 采用分條法計(jì)算邊坡的安全系數(shù) F，如圖 9 － 4 所示，將滑動土體分成若干土條。土條的寬度越小，計(jì)算精度越高，為了避免計(jì)算過于繁瑣，并能滿足設(shè)計(jì)要求，一般取寬為 2 ～ 6m 并應(yīng)選擇滑體外形變休和土層分界點(diǎn)作為分條的界限。于任意第 i 條上的作用力如下。 圖94 瑞典條分法 (1)土條的自。其中 γ為土的容得， 為土條的斷面面積。將 沿其斷面積的形心作用至圓弧滑面上并分解成垂直滑面的法向分力 和切于滑面的切向分力 ，由圖 9 － 4 （ b ）可知： 顯然， 是推動土體下滑的力。但如果第 i 條們于滑弧圓心鉛垂線的載側(cè)（坡腳一邊），則 起抗滑作用。對于起抗滑作用的切向分力采用符號 T
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