浸水和地震条件下路基边坡稳定性分析方法

浸水和地震条件下路基边坡稳定性分析方法

一、浸水路堤的边坡稳定性检算

浸水路堤：指修建在河滩上、跨越水库支沟或库湾地段的路堤。

浸水路堤工作特点：除了具有与旁边路堤相同的各种自然条件外，还要受到水的浸泡、流水的冲刷；在河面较宽处，将受到波浪的侵袭和冲击，当水位陡涨陡落时，路堤内水向外渗流产生渗透力，影响了边坡稳定性。

设计与施工措施：路基标高应满足《设计规范》要求，应根据具体情况加强坡面、坡脚防护如护坡、导流丁坝、顺坝等以保证边坡的稳固性。 施工时应对路堤填土注意压实并选用有一定级配的渗水性土为填料，有利于路堤的稳固。如用非渗水土，更应严格控制填土的压实密度。为了防止管涌和流土现象，在路堤坡脚处可设置较厚的反滤层及基底的护底铺盖。

浸水路堤边坡的稳定性检算方法：

浸水路堤稳定性检算与一般路堤相比需考虑浸水、渗流两方面的影响。 （一）只有浸水条件下路堤边坡的受力条件及稳定性检算方法

图1 部分浸水路堤

图1表示一常年浸水边坡。图中AC为可能的滑动面，DE为浸水高度线，因不考虑渗流，DE线为水平线。按透水土分析，滑动体ABC的受力，浸水线以下AD坡面及AE滑弧面上的静水压力（分布为P2、P1）对滑体ABC作用之合力等于滑体浸在水中部分AED受到的浮力，其大小与滑体AED同体积的水重相等。

滑体AECBD 被DE线分为二部分，BDEC为不浸水的天然状态，其重量由天然容重与断面积的乘积表示。DE线以下即AED部分为饱和状态，其重量由饱和容重与断面积的乘积表示。当边坡破坏时，沿AE弧将产生饱和土的抗剪强度。

要点：只考虑浸水路堤边坡稳定性分析采用圆弧条分法进行检算时，与一般非浸水路堤不同的是在安全系数Fs的计算式中，各分条的重量被浸润线分成上、下两部分，浸润线以上采用天然容重，浸润线以下采用浮容重。沿滑动面的抗剪强度指标，也同样根据是否浸水采用天然状态指标和饱和状态的强度指标。计算式如下：

[(wiAEi上wi下)cositg1iC1iLi](iwicositgiCiLi)'ECFs(wiAEi上'wi下)siniiwisiniEC (3.7) （1）

式中 —天然容重； '—浮容重；

wi上、wi下—分别为每一土条浸润线以上、以下的体积； 1i、C1i—饱和土的强度指标； i、C1i—天然土的强度指标。[(wiAEi上wi下)cositg1iC1iLi](iwicositgiCiLi)'ECFs(wiAEi上wi下)siniiwisini' EC (3.7)式中 —天然容重； '—浮容重； wi上、wi下—分别为每一土条浸润线以上、以下的体积； 1i、C1i—饱和土的强度指标； i、C1i—天然土的强度指标。（二）考虑渗流作用边坡稳定分析

当浸水路堤坡外水位有陡涨、陡落现象时，路堤内将有渗流作用，在边坡稳定分析中，还需计入由渗流产生的渗透力的作用，并将渗透力作为滑动力来考虑。下面介绍二种渗透力的计算方法。

1.替代容重法

θibibao下游水位BC上游水位h1ih2ihtiAdOich3i

图3.7 替代法土坡稳定分析示意图图2 替代法土坡稳定分析示意图

即用浸润线、坡外水位线等处的不同容重来代替渗透力。

图2中，浸润线以上土的容重为压实容重γ，浸润线以下土的容重为饱和容重γγhtiLi，Li为滑弧长度。土条的重量Wi=(γh1i＋γ

Fsiiwiiiiisat，阴

影部分土的容重为浮容重γ’。土条i处于渗流场中，滑弧cd受渗透压力Pwi的作用，Pwi=

sath2i＋γ

ii’h3i)bi。则安全系数Fs为：

tiii[(W.cosP)tgC.L][(W.cos.hL)tgW.sinW.siniiiiCi.Li] (3.8) （2）

假定圆心角θi不大，且浸润线的坡度平缓，则bicosθi≌bisecθi＝Li，hti≌h2i。 在这种情况下，式（2）可简化为：

Fs[(i.h1i'h2i'h3i)bicosi.tgiCi.Li] (3.9)(.hh'h)bsini1isat2i3iii （3）

由式（3）看出，用替代法考虑渗透力对边坡稳定性的影响时，仅是在Fs的计算式中，土条重量在浸润线以上用天然容重，在浸润线以下，在分子式中用浮容重，在分母式中，在坡外水位线以下用浮容重，在坡外水位线以上采用饱和容重计算。这样计算很方便。但是由于替代法没有考虑渗透力对抗滑力矩的影响，因此计算结果是近似的，适用于浸润线与滑动面大致平行的情况，若两者方向相差较大，将产生较大的误差则不宜用此方法。

2.工程简化计算法

考虑渗透力对土坡稳定性不利的情况下，在土坡的稳定性检算时，把渗透力作为滑动力，

具体是将渗透力简化为一集中力，作用线通过浸水部分的形心，方向与浸润线方向平行。浸润线一般是曲线，简化为直线，其坡度采用平均坡度i（就是渗流的水力梯度）。

路堤端面渗透力为单位渗透力j（j=γw·i）与浸润面积Q乘积，即：J=jQ＝γw·i·Q. 采用圆弧条分法，考虑渗透力的影响，安全系数Fs的表达式为

[W.costgC.L]F (3.10)WsinJd/R （4）

iiiiisii式（4）中dFs[W.costgC.L] (3.11)WsinJ （5）

iiiiiii必须指出，浸润线以下部分土的γ和c、φ为非渗水土时，分别应采用饱和容重和饱和土的c、φ值，洪水位下降后水位以下的γ应用浮容重及相应的c、φ值。若浸水部分的填料为渗水土时，由于土的强度几乎不受浸水的影响，而且水位骤然下降时，土中的渗透力又近于0，故一般可以不作浸水稳定性检算。

二、地震对土坡稳定的影响

（一）地震对边坡的危害

地震烈度达7度以上对路基产生不同程度危害，路基受的震害分如下三大类： 1.由基底变形引起的破坏

处于活动性断裂带的路基，地震时将遭受重大破坏，路基将被拉开、错断和隆起：潮湿松软地基（如饱和粉细砂层、流塑状态的粘性土等），当覆盖地层厚度不足（小于7m）时，地震时易产生液化、喷砂冒水，造成路基沉陷；在滑坡或不稳定岩堆等不良地质地段，地震时路基将随滑坡或不稳定岩堆的变形而破坏；陡坡路堤、半填半挖路基、软硬层交界处的路基，由于土质不均匀，地震时易产生不均匀沉降或沿交界面开裂或滑动，在地下水位较高或较丰富的地段，地震时，由于破坏了地下水循环的规律，并使土的物理力学性质发生变化，震害一般较为严重，形成路基开裂与下沉。

2.由路堤变形引起的破坏

由于土体内应力的变化，常出现不均匀沉落和开裂，多见于路肩、边坡、轨枕头及道碴坡脚处产生纵向裂缝；对于砂土、砾石等填筑的路堤，易产生纵向滑移和边坡溜塌；桥头路堤由于路堤与桥台结构的刚度相差悬殊，除了下沉之外，还出现横向开裂和滑移等变形。

3.坡（山坡）变形

在岩石破碎、结构松散的山坡及堑坡，或基岩上有松散层，层面倾向于线路时，地震时易发生崩塌、落石、掩埋或砸坏路基

（二）地震地区边坡稳定性检算

将动态的地震力用一个静的惯性力代替，作用于条块的重心，地震惯性力由垂直分量与水平分量组成。通常只考虑水平分力即水平惯性力Qi，可按下式计算：

QiKHCZiWi (3 （6）

KH—水平地震影响系数；

CZ—综合影响系数，一般取0.25； αi--地震加速度分布系数； Wi—土条重及换算土条重。

在计算出惯性力后，就可按一般的边坡稳定分析方法进行地震情况下的边坡稳定性分析，称为拟静力法。按此法，用瑞典条分法计算地震时边坡的稳定安全系数为

Fs[W.cos-Qsin)tgC.L]（ (3.13)WsinQcos.r/R （7）

iiiiiiiiiiii上述计算方法有很强的经验性，路基抗震稳定性检算范围应根据土质条件、路基类型及铁路等级和设计烈度进行判断。