铁道工程电子教材-9.路基的稳定性分析

概述

路基是轨道的基础，也称线路下部结构。如果路基不稳定，则自然影响上部结构的稳定和使用。但由于客观和人为的多种因素的影响，在实际工作中，从技术标准到设计施工，能真正把吃苦工程当作基础、当作一种土木结构物对待是较困难的。随着经济的发展，大轴重、高密度、高速度的设计要求和运营技术已经提出并开始发展，这就对路基的稳定提出了更高的要求。实践表明，过去那种“重结构、轻路基”的做法已给运营带来了严重后患。因此，随着高速、重载技术的发展，必须提高路基的设计严格控制工程质量，从而保证提供一个稳定可靠的下部基础结构。

在边坡稳定计算方法中，通常采用整体的极限平衡方法来进行分析。根据边坡不同破裂面形状而有不同的分析模式。边坡失稳的破裂面形状按土质和成因不同而不同，粗粒土或砂性土的破裂面多呈直线形；细粒土或粘性土的破裂面多为圆弧形；滑坡的滑动面为不规则的折线或圆弧状。这里将主要介绍边坡稳定性分析的基本原理以及在某些边界条件下边坡稳定的计算理论和方法。

一、边坡稳定性计算方法

在边坡稳定计算方法中，通常采用整体的极限平衡方法来进行分析。根据边坡不同破裂面形状而有不同的分析模式。边坡失稳的破裂面形状按土质和成因不同而不同，粗粒土或砂性土的破裂面多呈直线形；细粒土或粘性土的破裂面多为圆弧形；滑坡的滑动面为不规则的折线或圆弧状。这里将主要介绍边坡稳定性分析的基本原理以及在某些边界条件下边坡稳定的计算理论和方法。

（一）直线破裂面法

所谓直线破裂面是指边坡破坏时其破裂面近似平面，在断面近似直线。为了简化计算这类边坡稳定性分析采用直线破裂面法。能形成直线破裂面的土类包括：均质砂性土坡；透水的砂、砾、碎石土；主要由内摩擦角控制强度的填土。

图9 －1 为一砂性边坡示意图，坡高H，坡角β ，土的容重为γ，抗剪度指标为c、υ 。如果倾角α的平面AC面为土坡破坏时的滑动面，则可分析该滑动体的稳定性。

沿边坡长度方向截取一个单位长度作为平面问题分析。

图9-1 砂性边坡受力示意图

已知滑体ABC重W ，滑面的倾角为α，显然，滑面AC上由滑体的重量W= γ（Δ ABC）产生的下滑力T和由土的抗剪强度产生的抗滑力Tˊ分别为：

T=W · sina

和

则此时边坡的稳定程度或安全系数可用抗滑力与下滑力来表示，即

为了保证土坡的稳定性，安全系数F s 值一般不小于1.25 ，特殊情况下可允许减小到1.15 。对于C=0 的砂性土坡或是指边坡，其安全系数表达式则变为

从上式可以看出，当α =β时，F s 值最小，说明边坡表面一层土最容易滑动，这时

当F s =1时，β=υ，表明边坡处于极限平衡状态。此时β角称为休止角，也称安息角。

此外，山区顺层滑坡或坡积层沿着基岩面滑动现象一般也属于平面滑动类型。这类滑坡滑动面的深度与长度之比往往很小。当深长比小于0.1时，可以把它当作一个无限边坡进行分析。

图9-2表示一无限边坡示意图，滑动面位置

在坡面下H深度处。取一单位长度的滑动土条进行分析，作用在滑动面上的剪应力为

,在极限平衡状态时，破坏面上的剪应力等于土的抗剪强度，即

得

式中N s =c/ γ H称为稳定系数。通过稳定因数可以确定α和υ 关系。当c=0 时，即无粘性土。α =υ ，与前述分析相同。

二圆弧条法

根据大量的观测表明，粘性土自然山坡、人工填筑或开挖的边坡在破坏时，破裂面的形状多呈近似的圆弧状。粘性土的抗剪强度包括摩擦强度和粘聚强度两个组成部分。由于粘聚

力的存在，粘性土边坡不会像无粘性土坡一样沿坡面表面滑动。根据土体极限平衡理论，可以导出均质粘这坡的滑动面为对数螺线曲面，形状近似于圆柱面。因此，在工程设计中常假定滑动面为圆弧面。建立在这一假定上稳定分析方法称为圆弧滑动法和圆弧条分法。

1. 圆弧滑动法

1915 年瑞典彼得森（K.E.Petterson ）用圆弧滑动法分析边坡的稳定性，以后该法在各国得到广泛应用，称为瑞典圆弧法。

图9 － 3 表示一均质的粘性土坡。AC为可能的滑动面，O 为圆心，R为半径。假定边坡破坏时，滑体ABC在自重W作用下，沿AC绕O点整体转动。滑动面AC上的力系有：促使边坡滑动的滑动力矩M s =W· d；抵抗边坡滑动的抗滑力矩，它应该包括由粘聚力产生的抗滑力矩M r =c· AC·R，此外还应有由摩擦力所产生的抗滑力矩，这里假定υ＝ 0 。边坡沿AC 的安全系数F s 用作用在AC面上的抗滑力矩和下滑力矩之比表示，因此有

这就是整体圆弧滑动计算边坡稳定的公式，它只适用于υ＝ 0 的情况。

图9-3 边坡整体滑动 2. 瑞典条分法

前述圆弧滑动法中没有考虑滑面上摩擦力的作用，这是由于摩擦力在滑面的不同位置其方向和大小都在改变。为了将圆弧滑动法应用于υ＞ 0 的粘性土，在圆弧法分析粘性土坡稳定性的基础上，瑞典学者 Fellenius 提出了圆弧条分析法，也称瑞典条分法。条会法就是将滑动土体竖向分成若干土条，把土条当成刚塑体，分别求作用于各土条上的力对圆心的滑动力矩和抗滑力矩，然后按式（ 9-5 ）求土坡的稳定安全系数。

采用分条法计算边坡的安全系数F，如图 9 － 4 所示，将滑动土体分成若干土条。土条的宽度越小，计算精度越高，为了避免计算过于繁琐，并能满足设计要求，一般取宽为 2 ～6m 并应选择滑体外形变休和土层分界点作为分条的界限。于任意第i 条上的作用力如下。

图9-4 瑞典条分法

(1)土条的自。其中γ为土的容得，为土条的断面面积。将沿其断面

积的形心作用至圆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，

由图9 －4 （b ）可知：

显然，是推动土体下滑的力。但如果第i 条们于滑弧圆心铅垂线的载侧（坡脚一边），则起抗滑作用。对于起抗滑作用的切向分力采用符号T′表示。因作用线能过滑弧圆心O 点力矩为零，对边坡不起滑动作用，但决定着滑面上抗剪强度的大小。

(2)滑面上的抗滑力S，方向与滑动方向相反。根据库仑公式应有S=N i tanυ+cl i 。式中l i 为第i条的滑弧长。

(3)土条的两个侧面存在着条块间的作用力。作用在i条块的力，除重力外，条块侧面ac和bd作用有法向力P i 、P i+1 ，切向力H i 、H i+1 。如果考虑这些条间力，则由静力平衡方程可知这是一个超静定问题。要使问题得解，由两个可能的途径：一是抛弃刚体平衡的概念，把土当做变形体，通过对土坡进行应力变形分析，可以计算出滑动面上的应力分布，因此可以不必用条分法而是用有限元方法。另一途径是仍以条分法为基础，但对条块间的作用力作一些可以接受的简化假定。

Fellenius 假定不计条间力的影响，就是将土条两侧的条件力的合力近似地看成大小相等、方向相反、作用在同作用面上。实际上，每一土条两侧的条间力是不平衡的，但经验表明，土条宽度不大时，在土坡稳定分析中，忽略条间力的作用对计算结果的影响不显著。

将作用在各段滑弧上的力对滑动圆心取矩，并分别将抗滑作用、下滑作用的力矩相加得出用在整个滑弧上的抗滑力矩以及滑动力矩的总和，即

将抗滑力矩与下滑力矩之比定义为土坡的稳定安全系数，即