路基边坡抗震稳定性分析

地震的危害：软弱地基沉陷；液化；挡土墙等结构物破坏；边坡路基失稳等。

要求：对地震烈度大于等于8的地区进行地震验算。

地震力：地面产生地震波加速度形成的力。

边坡抗震稳定性的计算方法：

图解法：按照非地震地区的路基边坡稳定性验算方法确定最危险的滑动面，然后再考虑地震力的作用。

路堤失稳的防治措施：

在使用过程或施工过程中，路基出现失稳或显示失稳征兆时，应该详细调查地形、地质、水文条件，了解设计和施工等方面的问题，对坡体变化和滑动面情况进行及时的观察，并进行必要的试验，以便分析路基失稳的原因，从而制定出合理有效的防治措施。

减重：滑动范围大且滑动面上陡下缓时，应将其顶部的土石挖除，减小下滑推力，切忌在底部坡脚处刷方。减重弃方的土体应堆填在滑动体的抗滑部位，以提高稳定性。

削坡：挖方边坡的坍塌范围不大，可清除塌方削坡减缓坡度。削坡时不要过多切割坡底部的支撑部位，以免引起坡体失稳。

反压：软土地基上的路堤失稳，可在原堤脚处加设反压护道。

排水防护：设置良好的地面和地下排水系统，做好拦截、疏干和排除滑动区域内外地表水和地下水的工作，并采取防护措施以防止地表水渗入坡体或冲陶坡脚。

支撑：在滑动体底部设置抗滑片石跺、抗滑挡土墙等支档结构物，可以增加坡体的稳定性，阻止滑动体的下滑。也可将抗滑桩埋入稳定的地层中，依靠桩的锚固作用来支撑滑动体。支档结构物与排水、减压等措施配合 使用，效果更好。

加固：易滑动或已出现滑动迹象的坡体，可采用化学灌浆、加筋等加固措施，已获得良好的稳固效果。

浸水路堤：指受到季节性或长期浸水的沿河路堤、河滩路堤等。

浸水路堤的水的浸润曲线：由于土体内渗水速度远慢于河水，因此，当堤外水位升高时，堤内水位的比降曲线（即浸润线）成凹形，当堤外水位下降时，堤内水位的比降曲线成凸形。

浮力、渗透压力影响路堤稳定性。

动水压力的作用和计算

对浸水路基，计算土的自重时，在静水位以下浸水部分应采用浮重度，同时还要考虑动水压力。

浮重度：浸水土体单位体积中土颗粒的重量扣除水的浮力以后的有效重量。

动水压力：渗流过程中水对单位体积土体中土颗粒的压力。

水位上升时，水从路堤边坡的两侧或一侧渗入路堤内，水位下降时，水从堤身内向外渗出。由于水在堤内土体中的升降速度较慢，其浸润曲线的形状将随水位的升降而有所不同。

水位上升，土体内的浸润曲线比边坡外水位低，经一段时间后，才与边坡外水位相同。此时土体除承受竖直向上的浮力的作用外，还受到渗透动水压力的作用，其作用力方向指向土体内部，有利于路堤的稳定。

当堤外水位下降时，土体内部的水分流出边坡外需要较长时间，由于水位的差异，其渗透动水压力的方向指向土体外部，将破坏路堤边坡的稳定性，产生边坡凸起或滑坡现象。渗透水流还能带走路堤中的细小土粒而引起路堤的变形。

路堤两侧水位不同时，将产生横穿路堤的渗透，即使是水位相差很小，也应考虑。

动水压力D：作用于浸润线以下滑动土体的重心，方向与平均水力坡降I平行。

浸水路堤边坡稳定性计算方法：浸水路堤的稳定性，应按路堤处于最不利的情况进行验算。

最不利的情况：浸水路堤边坡的破坏通常发生在最高洪水位骤然降落的时候。

措施：通过调查，充分预估——浪高、洪水位；放缓边坡；设置护坡道；设置导流结构物。

软土地基的路基稳定性分析

临界高度的计算：

临界高度：指天然路基状态下，不采取任何加固措施，所容许的路基最大填土高度。

总应力法——地基抗剪强度采用总强度（天然十字板快剪强度），或采用直剪快剪指标。

有效固结应力法——可以求固结过程中任意时刻已知固结度的安全系数，但本身不计算固结度，只是将其作为已知条件。

路基边坡分析设计中的几个问题

路基稳定验算程序与步骤

荷载组合（通常考虑主要组合、附加组合和地震组合三种）

主要组合：滑动坡体的重力、汽车荷载、常水位时的浮力（对浸水路基而言）。

附加组合：将主要组合中的汽车荷载改用平板挂车或履带车，或者考虑在最不利时的浮力和渗流力。

地震组合：滑动坡体的重力、地震力及常水位条件下的浮力。

对各种荷载组合，应根据路基工作条件依次进行验算，各种组合下均满足要求时才可认为路基是稳定的。

边坡取值：边坡稳定性分析时，对于折线形或阶梯形边坡，一般可取平均值。

地震震动可分为竖向和水平两种，一般情况下竖向震动对路基的危害比水平震动要小得多，可略去不计，只考虑垂直路线走向的水平地震力。

路基边坡稳定性分析原理与方法：

路基能否稳定，不仅取决于路基的断面形状和尺寸（边坡坡度和高度等），而且还受岩土性质、荷载、排水条件、气候、地震等诸多环境因素的影响。

工程地质法——对照当地具有类似工程地质条件而处于极限稳定状态的自然山坡和稳定的人工边坡，以判别路基是否稳定的一种类比经验法。

工程地质法的关键——认真、详细的调查和勘察、如实反映路段土质及水文状况、根据实际情况进行类比分析。

路基挖方边坡的坡度常用该法确定；结构面与边坡面的关系是其中最重要的因素。

直线法适用范围：砂土和砂性土（两者合称砂类土），土的抗力以内摩擦力为主，粘聚力甚小。边坡破坏时，破裂面近似平面。

边坡种类：天然边坡、人工边坡。

边坡：具有倾斜坡面的岩土体。（江、河、湖、海岸坡；山、岭、丘、岗、天然坡）

土坡：具有倾斜坡面的土体。（挖方——沟、渠、坑、池；填方——堤、坝、路基、堆料）

滑坡：边坡丧失其原有稳定性，一部分土体相对与另一部分土体滑动的现象称滑坡。

土坡滑坡前征兆：坡顶下沉并出现裂缝，坡脚隆起。

路基失稳的原因：

内部原因：土质、土层结构、边坡形状。

外部原因：降水或地下水的作用、振动的作用、认为影响。

根本原因：边坡中土体内部某个面上的剪应力达到了它的抗剪强度。

具体原因：滑面上的剪应力增加；滑面上的抗剪强度减小。

边坡稳定性分析的计算参数：

汽车荷载的当量换算。采用换算成相当于路基岩土层厚度，计入滑动体的重力中。换算时刻按荷载最不利布置条件，取单位长路段。

边坡的取值：可取综合坡度值，也可用坡顶与坡脚连线近似表达。

土坡稳定性分析方法

按失稳土体的滑动面特征划分——直线、曲线、折线。

稳定性分析计算方法——工程地质法（比拟法）、力学分析法、图解法。

路基工程的有关附属设施

为了确保路基稳定和行车安全，一般路基工程有关的附属设施除路基排水、防护加固外，还与取土坑、弃土堆、护坡道、碎落台、堆料坪及错车道等。这些设施是路基设计组成部分，应正确合理设置。

取土坑原则：充分利用，借之有利。

弃土堆原则：充分利用，弃之无害。

护坡道：保护路基边坡稳定的一种措施→其加宽路基边坡横距，减小了边坡的平均坡度→边坡稳定性↑。

特点：护坡道愈宽→边坡稳定性↑→填方数量↑。

碎落台：常设于土质或石质土的挖方边坡坡脚处，位于边沟的外缘，有时亦可设置在挖方边坡的中间。

目的：主要是供零星土石碎块下落时临时堆积，不致堵塞边沟，同时也起护坡道的作用。

堆料坪：可根据地形及用地条件在公路的一侧或两侧交错设置，并与路肩毗连，面积可结合地形与材料数量而定。

单车道公路，由于会车和避让的需要，通常每隔200-500米设置错车道一处，供错车和停车用。

路基压实

压实土的特性：最佳含水量——土的压实效果同压实时的含水量有关→存在一最佳含水量→一定的压实功能可以达到最大密实度，获得最经济的压实效果。

压实标准：

两种标准击实试验的压实标准：

轻型：6-8t压路机，重型：12-15t压路机。

实际工程中压实要求的特点：

路基材料受荷载影响→分层特点，不同层压实度不同；

自然因素影响特点（冬季冰冻地区与干旱地区）；

高速公路特点。

实际工程中的压实标准：

压实度：以应达到的干密度绝对值与标准击实法得到的最大干密度之比值的百分率表征。

适用范围：

重型：高速公路，一、二级公路；铺高级路面的三、四级公路。

轻型：铺中、低级路面的三、四级公路；高速、一、二级公路采用特定材料难以达到重型标准→下路床、上下路堤可采用轻型标准→上路床-重型标准。

路基设计

对路基的要求：路基是路面的支撑结构物，对路面的使用 性能有重要影响。

1、整体稳定

填挖引起路基失稳】软土上高路基、岩质土质山坡上开挖

严重性：交通阻断，易引起交通事故

措施：正确设计，采取排水、防护和加固、支撑工程。

2、压缩性低

自重、车辆荷载作用下变形；地基软弱、填土疏松、过分潮湿时产生沉陷和变形。

危害：导致路面出现过量的变形和应力增大，使路面过早损坏并影响舒适性。

措施：争取合适填料充分压实，改善水温状况，加固软弱地基。

路基基本构造：路基几何尺寸由宽度、高度和边坡坡度三者构成。

路基宽度取决于公路技术等级。

路基高度取决于地形和公路纵断面设计（包括路中心线的填挖高度、路基两侧的边坡高度）。

路基边坡坡度取决于地质、水文条件、路基高度和横断面经济性等因素。

路基的边坡坡度及相应采取的措施，是路基设计的主要内容。

注意：尽量少用高路堤、深路堑；稳定性、排水、通风、视距等因素。

减小水的影响→考虑路基临界高度→确定路基最小填土高度→保证路基处于干燥或中湿状态。

路基边坡坡度：土石方工程量；横断面的经济合理性；施工难易程度；路基整体稳定性。

影响因素：边坡土质、岩石性质；边坡高度；水文地质条件；自然因素。

地震区→放缓边坡。

路堑边坡影响因素：开挖深度；坡体的岩性或土质】地址构造特征（顺层或逆层）；岩石的风化和破碎程度、土层的成因类型；地面水和地下水；当地气候条件、坡面的方位（向阳/背阳）等。

坡度确定：1、类比→2、稳定性分析

路堑基本型式：

全挖式路基（排水通风，行车视距，施工困难，自然灾害）；台口式路基；半山洞路基

注意事项：少用深长路堑；合适的边坡坡率；加强排水；处治基底。

边坡形状：直线；折线；台阶形。

一般要求：1、路堑开挖→破坏了原地层的天然平衡状态→边坡稳定性→地质、水文地质条件、边坡高度和坡度；2、路堑成巷道式→不利于排水和通风，行车视距较差，行驶条件降低，深路堑施工困难→病害多余路堤→设计时应注意避免采用很深的较长路堑；3、选用合适的边坡坡率，加强排水，处置基底，确保边坡的稳定可靠；4、水文状况对路堑的影响较大，路堑的排水至为重要→边沟与截水沟；5、路堑以下天然土基→规定的密实度，必要时应翻挖重新分层填筑或换土，或采取加铺隔离层，并设置必要的地下排水设施；6、排水沟可用三角形或梯形横断面，当水量大时，宜设置30cmx30cm的矩形、三角形或U型排水沟；7、高等级公路，当挖方为软质、风化岩层及土质边坡时→根据坡面稳定状况与碎落情况设置挡土墙或矮墙或进行坡面防护，并应考虑绿化与工程措施相结合；8、容易产生碎落的风化破碎岩石、软质岩石、砾（碎）石类土等地段的挖方路基→应在边沟外侧设置碎落台。

路基填筑施工：

含草皮土、生活垃圾、树根和含有腐朽物质的土不能用作填筑路堤。

实际施工中，沿线土质经常变换，应特别注意避免不同性质的土任意混填而造成路基病害，填筑时，需遵守下列规则：

1.纵向使用不同土质填筑相邻路堤时，为防止发生不均匀变形应将交接处做成斜面，并将透水性差的土填在斜面下部；

2.不同性质的土应分层填筑，透水性差的土填在下面，其顶面做成4%的双向横坡，以保证上层透水性土有排水出路；

3.如透水性较大的土层位于透水性较小的土层下面，则透水性较大的土层表面，应做成水平的；

4.不同填料的层次安排，应考虑路基工作条件。凡不会因潮湿或冻融影响而改变体积的优质土应填在上层；

5.路堤的浸水或受水位涨落影响的部分，宜尽可能选用透水性较好而不易被水冲蚀的材料，如漂（卵）石、砂砾、片（碎）石等；当路堤稳定受到地下水或地表长期将水影响时，路堤底部也应填以水稳定性好、不易风化的砂石材料或采用无机结合料处治的土；

6.为了防止雨水浸蚀边坡，可采用透水性较小的土包边，但包边部分的土应与中间部分一起分层压实，并设置盲沟，以利排水；

7.当路堤两部分填料的颗粒尺寸相差较大时，应在其间加设反滤层，以防止两部分填料相互掺杂污染，而引起路堤下沉。

路基类型与构造

路基横断面的型式因线路设计标高与 地面标高的差而不同，一般可归纳为四种类型：

路堤，全部用岩土填筑而成

路堑，全部在天然地面开挖而成

半填半挖，一侧开挖、另一侧填筑

不填不挖，路基标高与原地面标高相同

路堤按其填土高度可划分为矮路堤、高路堤和一般路堤。

矮路堤：填土高度低于1.0-1.5m→矮路堤→常在平坦地区取土困难时选用。特点：a）平坦地区往往地势低、水文条件较差→易受地面水和地下的影响→满足最小填土高度的要求。b）路基工作区范围内土的压实度。c）加强排水→两侧设置边沟→有时可与取土坑结合（挖沟填筑路堤）。

高路堤：填土高度大于规范规定的数值→即填方总高度超过18m（土质）或20m（石质）的路堤。特点：a）填方数量大，占地宽，行车条件差，处理不当极易造成沉陷、失稳；b）为使路基边坡稳定和横断面经济，需作个别设计；c）采用上陡下缓的折线形或台阶边坡；d）对边坡进行适当的防护和加固；e)放宽路肩或加护栏，增加安全感。

一般路堤：填土高度介于高、矮路堤两者之间→随其所处的条件和加固类型不同，主要有浸水路堤、陡坡路堤及挖沟填筑路堤等型式。特点：a）常规设计，不做特殊处治；b）h不大时（2-3m），可在路堤两侧设取土坑，使之与排水沟相结合；c）路堤近旁有较宽沟渠或沿河浸水路堤，应设置护坡道。

注：台阶形边坡是在边坡中部每隔8-10m设置护坡平台一道，平台宽度为1-3m，用浆砌片石或水泥混凝土预制块防护；并将平台做2%-5%向外倾斜的横坡，以利排水。

路堤填料：理想材料——强度高、水稳定性好、压缩性小、施工方便以及运距短的岩土材料。

累积变形与疲劳特性

1）重复作用下路面结构的破坏状态

累积变形：材料→弹塑性→塑性变形积累→沉陷与车辙→路面使用性能↓（非结构破坏）

疲劳破坏：材料→弹性→内部微量损伤累积扩大→疲劳极限→疲劳断裂（结构破坏）

2）特点

破坏极限的发生不仅同荷载应力的大小有关，而且同荷载应力作用的次数有关。

变形积累：具有塑性的材料→弹性工作状态→荷载重复作用→塑性变形累积→累积变形过度→永久变形（沉陷或车辙）

1）颗粒类材料

应力较小时→压实

应力较大时→破坏→重复应力临界值（塑性应变随应力重复作用次数增大）

级配不良的材料不适合作路面材料。

2）沥青混合料：单轴压缩试验，三轴压缩试验

a）重复作用次数↑→塑性应变累积↑

b）温度↑→塑性应变累积↑

结论：在同一温度条件下，累积应变量不仅与荷载重复作用次数有关，而且还与“加荷的总时间”有关；加荷频率以及应力循环的间隔时间对“累积应变——时间”关系的影响不大。

c）影响因素：温度，施加应力大小、加荷时间、集料的状况（棱角/级配）、压实的方法、压实的效果等。

路面材料的疲劳特性→相对于较具有弹性的材料

疲劳：材料强度随荷载作用次数增加而降低的现象；

疲劳破坏：由于材料疲劳而导致结构破坏的现象；

疲劳强度：出现疲劳破坏的重复应力值即为疲劳强度，其随重复作用次数的增大而降低；

疲劳极限：疲劳强度随重复作用次数的增加而降低；有些材料在应力重复作用一定次数后，疲劳强度不再下降，趋于稳定值→疲劳极限。当重复应力低于疲劳极限时，材料可经受无限多次的作用而不出现破坏。

研究目的：探索提高疲劳强度，延长路面使用年限的方法，为路面设计提供参数。

总结：

1、水泥混凝土路面：弹性工作状态（疲劳破坏）

2、沥青路面：低温——弹性状态（疲劳破坏）

                       高温——弹塑性状态（累积变形→车辙、沉陷等）

3、半刚性路面（无机结合料）：早期——弹塑性

后期——弹性（疲劳破坏）

4、以黏土为结合料的碎砾石路面：弹塑性状态（累积变形）

沥青混合料高温稳定性的主要影响因素：

内因：沥青混合料的黏聚力、内摩擦角；

外因：行车荷载轴重、作用次数、自然因素。

沥青混合料低温力学性能

大幅度降温→柔性逐渐损失，脆硬→低温裂缝（低温区裂缝类型）。

路面材料的应力——应变特性

颗粒类材料：

影响因素（材料的级配、颗粒形状、密实度）

通常，密实度↑→Er↑；颗粒棱角↑→Er↑；细料含量不多时，含水量的影响很小；取值范围为100-700MPa。

水泥稳定类及无机结合料类

三轴试验：无机结合料混合料早期强度低，后期强度高。

沥青混合料应力应变关系

应力应变特点：随温度/加载时间变化而变化。

道路材料：

路基→土→以刚度为主→模量的确定

路面：颗粒类材料→力学性质

           沥青类材料→力学性质

           无机结合料→力学性质

力学性质：

强度：抗剪强度；抗拉强度/抗压强度→疲劳强度

刚度→应力应变关系→模量→变形累积

沥青材料抗剪强度：沥青的粘度、用量、试验温度、加荷的速率、集料级配、棱角等有关。

沥青混合料/温度敏感性材料

常温：试验温度↑→抗拉强度↓；

负温：试验温度↓→抗拉强度↑→存在峰值-脆化点→温度↓→强度↓。

影响因素：

水泥砼：集料组成，结合料含量与活性，拌制的均匀性与压实度；

沥青砼：材料性质（沥青性质/用/矿料性质/混合料均匀性/压实度）、加荷状况（重复次数/应力增长速度）、温度。

路基的变形、破坏及防治

路基的常见病害

1）路基沉陷：路基表面在垂直方向产生较大的沉落

A）类型：路基沉缩与地基沉陷

B）原因：路基沉陷：软弱地基的沉降；路堤内有过度饱水区；压实不足；施工方法不合理等。

地基沉陷：天然地面承载力不足。

2）边坡滑塌：可分溜方与滑坡两种

A）溜方——少量被水饱和的土体沿土质边坡向下移动所形成。主要原因：流水冲刷边坡或施工不当。

B）滑坡——部分土体在自重作用下沿某一滑动面向下滑动。主要原因：土体稳定性不足引起。

路堤边坡：边坡坡度过陡、边坡坡脚被水淘空、土过于潮湿、填土层次安排不当；

路堑边坡：边坡高度与天然岩层的性质不适应、存在粘土层与蓄水砂石层交替分层及有倾向于路堑方向的斜坡层理、边坡超载。

3）边坡崩塌和碎落

A）碎落——软弱石质土经风化而成的碎块沿坡面大量向下滚落。

B）崩塌——大块岩石脱离原边坡坡面向下滚落。原因：岩体风化破碎，边坡较高。

4）路堤沿山坡滑动

原因：山坡较陡、原地面未清除杂草或人工挖台阶、坡脚未进行必要的支撑。

5）路堤坍塌：边坡失去正常的形状，边坡表面下沉

6）不良地质水文条件造成路基破坏：泥石流、溶洞、大暴雨地区（较大自然灾害）。

路基病害产生的主要原因及防治措施

1）主要原因

路基土体整体或一部分不稳定；

路基以下的地基土体不稳定；

重复的行车荷载作用；

填土方法不正确或压实不足；

自然因素的作用（含水量变化、温度变化）。

2）防治措施

正确设计路基横断面；

正确选择良好的路基用土填筑路堤，必要时对地基上层土壤作稳定处理；

采用正确的填筑方法，不同性质的土分层填筑，充分压实路基，提高土基水稳定性；

提高填土高度，防止水分从侧面深入，或由地下水位上升而进入路基工作区范围；

正确进行排水设计（包括地面排水、地下排水、路面结构排水及地基特殊排水）；

设置隔水层以阻断毛细水上升到通路；设置隔温层，减少路基冰冻深度和水分积聚，设置砂垫层以疏干土基；

采取边坡加固措施、修筑挡土构筑物以提高路基整体稳定性。

土基的承载能力

土基的承载能力采用土基在一定应力级位下的抗变形能力来表征：

模型：弹性半空间体地基模型、文克勒地基模型

土基的回弹模量：

1）物理意义：反映土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质→可以用弹性理论公式描述荷载-变形关系→可应用在以弹性理论为基础的各种设计方法中。

2）试验方法：圆形承载板试验（刚性压板/柔性压板）

工程实际中，多采用刚性承载板→挠度量测比较方便，压力也易于控制。承载板直径则常采用标准轴载当量圆半径（刚性路面路基→较大直径承载板）。

地基反应模量

1）地基模型：Winkler地基模型/稠密液体地基

2）试验方法：承载板试验

控制指标：

A）地基较为软弱→以弯沉作为控制指标（1.27mm）；

B）地基较为坚实→压力作为控制指标（70kPa）。

加州承载比（CBR）

1.定义：以抵抗局部荷载压入变形的能力表征材料的承载能力，并采用高质量标准碎石的承载能力为标准，以它们的相对比值CBR表示。

2.

对路基的要求：路基是路面的支撑结构物，对路面的使用性能有重要影响。

1.整体稳定，措施是正确设计，采取排水、防护和加固、支撑工程。

2.变形小，措施是采用合适填料充分压实，改善水温状况，加固软弱地基。

力学特性：

1）路基力学性质对道路结构整体强度/刚度影响很大；路面结构损坏原因（路面强度不足/路基变形过大）；

2）路基变形的影响

弹性变形——沥青面层或水泥砼面板疲劳开裂；

塑性变形——沥青路面：车辙、纵向不平整，

                     水泥路面：板底出现局部脱空引起断裂；

3）路面结构总变形中，路基变形占70%-90%

正确的设计思路：应使路基所受的力在路基弹性限度范围内，即当车辆驶过后，路基能恢复变形。保证路基相对温度，路面不致引起破坏。

路基受力状况——作用于路基的荷载：路基自重、汽车荷载。

重复荷载对路基的影响

1）重复作用的后果：两种截然不同的结果

稳定——土体被逐渐压密→土颗粒之间进一步互相靠拢→单次塑性变形了↓→直至稳定→固结硬化。

失稳——剪切变形不断发展→能引起土体整体破坏的剪切面→土基达到破坏→土体整体剪切破坏。

2）影响因素

土的性质（土类）和状态（含水量/密实度/结构状态）

重复荷载的大小：以相对荷载即重复荷载与一次静载时的极限强度之比表示

荷载作用的性质：加载速度/持续时间/作用频率

侧向应力的大小

3）重复应力的临界值

4）回弹模量ER的确定：重复加载的三轴压缩试验

环境因素对路面结构的影响原因：

1）强度、刚度、稳定性；2）温度应力、湿度应力

道路直接暴露于大气中，受温度、湿度影响大→温度湿度变化→体积变化→变化受限→涨缩应力（温度应力和湿度应力）→破坏。

温度对路面结构内温度的影响规律：

1）周期性；2）幅度性；3）滞后性

路面结构内温度状况的分析与预测

1）影响因素：

外部因素——气候条件（太阳辐射、气温、风速、降雨（雪）量和蒸发量）；

内部因素——路面结构层的热传导性能、热容量、对辐射热吸收能力。

2）预测方法

统计分析法；理论分析方法。

几面结构及层次划分。

全铺式横断面l