一种铁路路基边坡坡面冲刷稳定性分析方法技术

本发明专利技术公开了一种铁路路基边坡坡面冲刷稳定性分析方法。所述方法包括下列步骤：S1.建立铁路路基边坡坡面起动流速公式；S2.绘制起动粒径与起动流速曲线图；S3.确定判别标准；S4.坡面土颗粒粒径分析；S5.计算坡面流速；S6.判定稳定性。判定稳定性。判定稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种铁路路基边坡坡面冲刷稳定性分析方法


[0001]本专利技术属于铁路边坡防护
，具体涉及一种铁路路基边坡坡面冲刷稳定性分析方法。

技术介绍

[0002]降雨作为诱发路基边坡失稳的主要因素，主要引起边坡整体(局部)的滑坡破坏或边坡冲刷破坏。关于铁路路基边坡整体(局部)的滑坡破坏，国内外规范均提出了稳定性验算方法。对于均质边坡整体深层稳定性分析，我国采用圆弧滑动面、平面滑动面或折线滑动面假定的极限平衡法进行稳定性计算。滑坡破坏可通过采取边坡防护措施提高边坡整体稳定性。对于因雨水入渗导致的边坡浅层稳定性分析，日本《铁道土工构筑物设计标准》中对于标准的路堤断面，规定了简易降雨设计模型的降雨渗透等高线图(即饱和度图)，基于土体强度参数的折减利用圆弧滑动法进行稳定性检算。对于特殊路堤形状和土质条件及降雨条件，可采用有限元法进行浸透流分析，在此基础上进行稳定性验算。但是对于边坡冲刷破坏，现有技术中未充分考虑，相关规范中均未提及降雨引起的坡面冲刷分析方法，仅提出了坡面防护措施。
[0003]由降雨引起的边坡冲刷初始发生在坡面表层，坡面经过长期多次的剥离，出现片蚀、细沟等侵蚀现象，随着坡面持续冲刷，侵蚀会进一步向内部发展，可能引发溜坍等问题。因此坡面冲刷破坏给铁路运营带来了巨大的安全隐患。
[0004]相关学者开展了路基边坡坡面冲刷研究，主要集中在坡面冲刷起动机理、坡面冲刷发展过程、坡面冲刷量计算等方面。现有技术CN111879645A公开了一种路基边坡水动力学稳定特性分析实验装置，通过实验的方式研究边坡受雨水冲刷的作用。现有技术CN112461704A，公开了一种人工降雨条件下可变坡度的边坡冲刷物收集与监测系统，通过模拟自然界的边坡在不同降雨强度下的破坏情况，为弄清边坡降雨冲刷破坏机理提供了一种方法，但是现有技术无法对边坡坡面进行准确的稳定性分析。现有冲刷起动研究主要从起动拖曳力入手，分析坡面冲刷的临界条件，起动拖曳力公式推导多通过一定的假设利用水平面与坡面的转换而进行间接推导，存在一定误差，并且公式中缺少土体抗剪强度值等参数，未充分考虑土体性质对坡面冲刷起动的影响。
[0005]如何克服现有技术的不足，形成铁路路基边坡坡面稳定性分析方法，为铁路路基边坡坡面稳定性分析提供支撑，成为本领域亟待解决的问题。

技术实现思路

[0006]为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种铁路路基边坡坡面冲刷稳定性分析方法。本专利技术具体采用如下技术方案：
[0007]一种铁路路基边坡坡面冲刷稳定性分析方法，包括下列步骤：
[0008]S1.建立铁路路基边坡坡面起动流速公式；
[0009]S2.绘制起动粒径与起动流速曲线图；
[0010]S3.确定判别标准；
[0011]S4.坡面土颗粒粒径分析；
[0012]S5.计算坡面流速；
[0013]S6.判定稳定性。
[0014]进一步，所述步骤S1中所述的铁路路基边坡坡面起动流速公式为：
[0015][0016][0017]式中，γ
s
为土颗粒重度，N/m3；γ
w
为水的重度，N/m3；J
s
为渗流水力坡度；φ为土体内摩擦角，
°
；C为土体粘聚力，kN；D为土颗粒粒径，m；U
*
为摩阻流速，m/s；ν为粘性系数；χ为校正值；K
s
为粗糙尺寸，m；R为水力半径，m。
[0018]进一步，所述步骤S1具体包括：
[0019]渗透压力F
S
与土颗粒浮重度w'在坡面方向的分力大小为(F
S
+w')sinθ，沿垂直于坡面方向的分力大小为(F
S
+w')cosθ。与水平面条件下的受力方式相比，边坡土颗粒的浮重度w'在斜坡方向上有一个分力w'sinθ，此力的存在加速了土体颗粒的冲刷起动，而C与F
D
方向相反，且与边坡轴线夹角为β。
[0020]由颗粒受力分析，沿坡面方向(β＝90
°
)土颗粒起动的临界状态为
[0021][0022]代入各分力表达式得：
[0023][0024]由流体力学原理将u0＝U
*
f1(U
*
D/v)；ρgJh＝τ
c
代入式(1
‑
2)，其中f1(U
*
D/v)为雷诺数的函数。得：
[0025][0026]而C
L
,C
D
均为雷诺数函数，且假定冲刷临界起动时摩擦系数为常数定值，整合得：
[0027][0028]代入式(2
‑
3)，化简得坡面上颗粒的起动拖曳力为：
[0029][0030]坡面流速场和剪力场之间存在一定的关系，在颗粒起动拖曳力基础上可推求冲刷水流的起动流速。
[0031]从对数流速分布出发分析，通过积分求出水流断面的平均流速。分下面两种情况：
[0032]①
坡面光滑
[0033][0034]②
坡面粗糙
[0035][0036]式中，U为水流断面的平均流速，m/s；R为水力半径，m，在坡面冲刷条件下，与水深h相当。
[0037]综合上式,得到：
[0038][0039]利用坡面上土颗粒的起动条件，推导出所述路基边坡起动流速的表达式。
[0040]进一步，所述步骤S2具体包括：根据起动流速表达式，绘制起动粒径与起动流速曲线图，位于曲线上方为发生坡面冲刷的颗粒起动区域。
[0041]进一步，所述步骤S3具体包括：将d23粒径作为边坡坡面土颗粒冲刷起动界限粒径。
[0042]进一步，所述步骤S4具体包括：对边坡土体取样进行筛分试验，明确土颗粒级配，确定d23粒径，即小于该粒径的含量占总质量的23％的粒径。
[0043]进一步，所述步骤S5具体包括：采用下列计算公式，
[0044][0045]根据降雨强度计算坡面流速，计算时假设坡面表层土体处于饱和状态,入渗率取为0；式中，n为曼丁系数；I为降雨强度，m/s；λ为坡面入渗率，m/s；H为路堤高度，m；θ为路堤坡度；B为路堤顶面宽度m。
[0046]本专利技术通过提出铁路路基边坡坡面土颗粒起动流速公式，减少了假设，引入了粘聚力C参数，充分考虑了边坡土体性质对坡面冲刷起动的影响，形成铁路路基边坡坡面稳定性分析方法，为铁路路基边坡坡面稳定性分析提供支撑。
附图说明
[0047]图1为本专利技术涉及的坡面土颗粒受力情况示意图。
[0048]图2为本专利技术起动流速与起动粒径关系曲线图。
具体实施方式
[0049]下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。
[0050]除非另有指明，本文使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁路路基边坡坡面冲刷稳定性分析方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：S1.建立铁路路基边坡坡面起动流速公式；S2.绘制起动粒径与起动流速曲线图；S3.确定判别标准；S4.坡面土颗粒粒径分析；S5.计算坡面流速；S6.判定稳定性。2.根据权利要求1所述的铁路路基边坡坡面冲刷稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤S1中所述的铁路路基边坡坡面起动流速公式为：骤S1中所述的铁路路基边坡坡面起动流速公式为：式中，γ
s
为土颗粒重度，N/m3；γ
w
为水的重度，N/m3；J
s
为渗流水力坡度；φ为土体内摩擦角，
°
；C为土体粘聚力，kN；D为土颗粒粒径，m；U
*
为摩阻流速，m/s；ν为粘性系数；χ为校正值；K
s
为粗糙尺寸，m；R为水力半径，m。3.根据权利要求2所述的铁路路基边坡坡面冲刷稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：渗透压力F
S
与土颗粒浮重度w'在坡面方向的分力大小为(F
S
+w')sinθ，沿垂直于坡面方向的分力大小为(F
S
+w')cosθ。与水平面条件下的受力方式相比，边坡土颗粒的浮重度w'在斜坡方向上有一个分力w'sinθ，此力的存在加速了土体颗粒的冲刷起动，而C与F
D
方向相反，且与边坡轴线夹角为β。由颗粒受力分析，沿坡面方向(β＝90
°
)土颗粒起动的临界状态为代入各分力表达式得：由流体力学原理将u0＝U
*
f1(U
*
D/v)；ρgJh＝τ
c
代入式(1<...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏少伟，蔡德钩，吕宋，郑新国，石越峰，楼梁伟，曹渊东，魏培勇，刘瑞，曾帅，耿琳，李吉亮，王鹏程，杨伟利，韩正国，孙宣，李斯，张也，林佳木，
申请(专利权)人：北京铁科特种工程技术有限公司中国铁道科学研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：