土体蠕变的铁路边坡稳定性分析

张东亮

摘要：

目前，我国铁路的密度正在不断增大，我们不仅要保证线路长度的增加，还要不断提高运输的质量以及速度。因此，我们必须不断加强铁路自然灾害的防范措施，而边坡则是影响铁路正常营运的重要因素之一。本文简要介绍了研究土体蠕变对铁路边坡稳定性的意义以及边坡稳定性的分析方法。

关键词：土体蠕变；边坡工程；稳定性分析

铁路是一种跨越了不同自然区的大型线状工程，易受到自然灾害等的侵袭。在我国，铁路需要满足货运和客运两重需求，一旦遭到自然灾害，就会造成严重的经济损失。因此，我们需要加深对土体蠕变结构的研究，提高铁路边坡的稳定性，确保铁路的正常营运。

一、边坡土体的蠕变分析

蠕变学是一门研究材料的变形与流动的学科，通常流动和变形都是物体的中质点之间的相对运动变化的结果。混凝土介质通常具有粘弹塑性的特性，其常用模型为Kelvin粘弹性模型为蠕变模型，其蠕变的结构图，如图一。

图一

其中，E为弹性模量，η表示粘滞系数。由此，可以得出粘弹性体所受到的总剪应力为τ以及总剪应力的关系。设弹性应力为τ1，应变γ1和粘滞性应力为τ2，应变γ2，根据其并联特点，应变相加，应力相加，所以：

τ=τ1+τ2（1）

γ=γ1=γ2(2)

τ2=ηγ2 (3)

σ=Eε+ηε(4)

其中，σ表示应力，E表示模量，η表示粘滞系数。

众所周知，蠕变可以分为非稳定蠕变和稳定蠕变两类。稳定蠕变的变形随着时间的增加而变淡，但是，其最终的蠕变速度接近零，变形处在稳定值，通常不会造成蠕变破坏。非稳定蠕变变形随着时间的持续而不断发展，其蠕变曲线可以分为衰减蠕变、等速蠕变及加速蠕变三个阶段，最终导致破题损坏。在研究中常使用非线性蠕变理论来证明，其体积行为公式是：

（5）

其中，Sij是应力偏张量，eij是应变偏张量，G是剪切模量，g是塑性势函数，η是粘滞系数，δij是克氏符号，σ11，σ33是最大最小主应力，K表示体积模量。所以，M-C的屈服函数可表示为：

其中，I1是应力张量的第一不变量，J2，J3是应力偏张量的第二、第三不变量。在计算中，根据相关联流动法则，忽略土体的弹性变形，则可由串联模型应力相等，应变相加的原则得出：

（6）

（7）

由式（5）-式（7），得到边坡蠕变的方程：(8)

在具体应用中，我们就可以根据得到的方程来对边坡的稳定性进行判断。

二、常用的边坡稳定性的分析方法

铁路岩质边坡的稳定分析可以概括为定量分析、定性分析和非确定性分析三类方法。

（一）、定性分析方法

边坡稳定性的定性分析法主要是通过工程地质的勘察，发现影响边坡稳定性的主要原因以及可能引起边坡变形破坏的形式和失稳的力学机制，同时调查变形边坡的地质体的演化过程，最终给出一个稳定性状况和可能发展趋势的定性解释。这种方法的优点就是可以综合考虑影响边坡稳定性的多方面因素，从而对边坡的稳定状况和发展作出客观的评价。

1. 工程类比法

边坡的破坏形态非常复杂，不仅与施工方法、气候条件、水文条件等有关，还与地质条件有着密切的关系。目前，针对边坡的破坏形态的判断仍没有一套公正合理的方法。但是，在实际工程中，大都是结合当地的地质和地貌条件，采用计算分析和工程经验相结合的方法来判断。在对工程地质进行对比分析时，不仅要对相似工程的地质因素进行对比，还要进行差异性工程的地质因素对比，要分清影响边坡稳定性的主导因素和次要因素。通常，主导因素包括边坡的岩石性质、岩体中地下水的作用、岩体结构和风化程度等。次要因素包括边坡的方位、气候条件、地震作用等。显然，主导因素和次要因素并不是完全固定的，在特定的条件下仍会进行相互转化。所以，我们在影响边坡的稳定性因素进行分析时，要重点考虑以下因素：一是岩土的性质。岩土的矿物成分、成因类型和岩土的结构是决定边坡稳定性的重要因素。由矿物较为稳定、抗风化效果强、外表坚硬、强度高的岩土建成的边坡，其稳定性一般较高；二是岩体结构；三是水文地质条件。边坡失稳与地下水的活动也有着密切的联系。岩体的力学性质受水体的影响程度较大，地下水丰富的地方会增大破题的下滑力，同时，降低软弱夹层以及结构面的康健程度，造成空隙水的压力上升，大幅度降低了滑动面的正应力，致使滑动面的抗滑力降低；四是地震、风化作用、人工活动等。

2. 图解法

图解法边坡稳定性的分析主要包含以下步骤：一是判断边坡的破坏类型。通常岩体的破坏都是沿着岩体的结构面发生的，与结构面的分布、组合和密度有着密切的关系。因此，我们可以使用赤平极射投影法来判断边坡的破坏类型；二是进行滑动方向的分析。层状结构的边坡或者但滑动面的边坡，在自重作用下，沿滑动面的倾斜方面会产生大量的滑移势能。单滑面边坡的倾斜方向就是其滑移方向。边坡受到两个相交的结构面切割时，其滑移体大多是楔形体；三是推断边坡滑动的可能性及其稳定坡角。通过对边坡岩体结构的分析，我们可以初步断定边坡产生滑动的可能及稳定的边坡角的大小。

（二）、定量分析方法

边坡岩体稳定性的定量分析法包括数值法和极限平衡法两种。

1.数值计算法

随着计算机技术的飞速发展，数值计算的方法在边坡的稳定性分析理论和工程的具体应用方面已经取得了较大的发展，有限单元法在20世纪70年代便开始用于研究边坡的稳定性问题。边界元法、发格朗日法和离散元法等方法也被应用于边坡稳定性的分析中。

2.极限平衡法

极限平衡法最早由瑞典学者K.E.Petterssson和S.Hultin提出的一种传统的边坡稳定性分析方法。目前，已经成为一套应用广泛的边坡稳定性的分析计算理论。同时，大量的岩土工程实践也证明，在满足对应计算方法的假设前提下，极限平衡法能够得到令人满意的效果。当粘性土坡发生滑动时，其滑面为圆弧形；而圆弧形滑面的突破稳定性分析方面有瑞典圆弧法和毕肖普法。

结语：

大量工程的实际经验显示，边坡的变形及破坏是一个长期的发展过程，为了确保铁路运输的安全运营，我们应深入研究土体蠕变的边坡稳定性的分析方法，并在铁路高边坡的设计之初就需要充分考虑蠕变变形的特点。

参考文献：

[1]王凌.基于蠕变效应的公路边坡稳定性分析[J].大众科技.2010（4）.

[2]李天竞.边坡蠕变失稳研究[J].贵州工业大学学报（自然科学版）.2008,37（1）.

[3]王安明等.层状盐岩蠕变变形相互作用研究[J].岩土力学.2010（12）.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。