棚洞及其设计方法技术

针对现有墙式、拱式、悬臂式、柱式等棚洞结构对大规模群发、高速高强冲击的滚石防治效果有限，且建造费用高、适用性低的缺陷，本发明专利技术提供了一种棚洞结构体。棚洞布置在山区路基与山体边坡之间，包括Y形架梁，Y形架梁的顶部联接下凹圆弧形盖板，盖板的固定侧边与山体边坡相切，盖板自由侧边顶端切线与水平面夹角β≤45°。棚洞的盖板采用上、下蒙皮板间填充耗能材料的夹心结构。本发明专利技术还提供棚洞的设计方法，用于盖板曲率半径值R、棚洞灌浆钢管桩结构立柱的埋深值Lp、棚洞盖板侧边锚固深度值Lb的设计。本发明专利技术棚洞采用全新“滑跃自抛排导”技术构思，对于预防坡面高位滚石对道路的冲击破坏具有优势。棚洞结构简洁，环境适应性高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种棚洞与其设计方法，特别是一种防治山区道路内侧高速坡面滚石灾害的结构体及其设计方法，属于山区灾害防治、路桥工程领域。
技术介绍
公路干线在通过高山峡谷时，其路基常由较稳定一侧坡体削坡开挖而成，多属坡面高位路基。这类桥路工程因位于特殊的地质地貌环境，特别是中/高位崩塌形成的高速坡面滚石灾害，常砸毁车辆、阻断交通，严重影响经济和社会的发展。尤其在西部山区的交通干线上，崩塌滚石灾害严重，危害尤为严重。棚洞作为滚石防治最有效最普遍的工程技术之一，已被大规模广泛应用于道路边坡滚石防治中。现有棚洞主要形式包括墙式、拱式、悬臂式、柱式等等，材料有钢筋混凝土、轻钢、砂石等等。现有棚洞虽然种类繁多，但多是通过“拦挡滚石”来实现对路基的防护，属于“被动拦挡”。工程实践表明，这些“被动拦挡”棚洞对大规模群发、高频反复、高速高强冲击的滚石防治效果有限。其技术缺陷表现在：首先，由于阻断滚石下泄路径并淤停在洞顶，因而棚顶在“大规模群发”滚石作用下承担的荷载持续增加，直接降低了结构安全性。其次，这类结构主要基于“力的控制”理论设计，刚度较大，直接拦挡“高速高强”滚石冲击，虽然通过保守设计可保证单次冲击的安全性，但整体结构会因“高频反复”滚石作用而不断损伤，最终当损伤累积到一定程度后就会出现系统性无征兆的突发破坏，危害极大。最后，传统拦挡型棚洞多为钢筋混凝土结构，其建造费用高、施工周期长、在高山峡谷区修建难度大、损毁后不易修复、大自重增加桥隧荷载等不利因素也限制了其在高山峡谷区的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提供一种与现有棚洞的“拦挡”构思不同、便于在山区快速组装施工的棚洞结构体，以及该棚洞的设计方法为实现上述目的，本专利技术首先提供一种棚洞，其技术方案如下：一种棚洞，布置在山区路基与山体边坡之间，其特征在于：所述棚洞包括Y形架梁，Y形架梁的顶部联接下凹圆弧形盖板，所述盖板的固定侧边与山体边坡相切，所述盖板自由侧边顶端切线与水平面夹角β≤45°。上述棚洞是一种以“滑跃自抛排导”为技术构思的滚石棚洞结构体。棚洞盖板采用下凹圆弧形，且固定侧边与山体边坡相切。当滚石沿山体坡面坠落时，直接沿相切面滚入棚洞盖板，再以盖板的下凹圆弧形轮廓线为运动轨迹，自盖板的另一侧边向外“滑跃抛出”到棚洞的安全空域外侧的峡谷中，避免了滚石的直接冲击。崩塌滚石是地球外营力作用下地貌削高填低的过程。从地学角度看，它是地球物质大循环中客观存在、不可逆也不能消亡的一环。上述棚洞结构改拦挡滚石使其静止为引导滚石使其依轨迹运动，更符合自然规律。引导滚石滑跃抛出的方法也使本专利技术棚洞结构比传统棚洞结构更能防治高速滚石坠落的危害。以上述棚洞为基础，在优选设计中，棚洞的盖板采用夹心结构，包括上、下蒙皮板。蒙皮板是刚性材料，上、下蒙皮板间填充耗能材料。该结构的盖板是一种耗能结构，能够针对超出设计的滚石冲击做出响应，并通过耗能材料的塑性变形来耗散极端冲击，控制作用在棚洞主体结构上的荷载，保证棚洞的安全。依照弧形结构面的常设施工设计，盖板由盖板单元沿盖板的圆弧轮廓拼接构成。进一步地，上述棚洞的Y形架梁包括下部立柱与上部桁架结构，立柱固定在地基中，盖板覆盖在桁架结构上。立柱采用灌浆钢管桩结构，包括中心加强筋与中心加强筋外套装的至少一层钢性管。进一步地，钢性管是偏心套装，钢性管中心向坡体内侧偏移。在该偏心加筋优化设计中，刚性管的内径差异与相互间向坡体内侧偏移嵌套布置，能够在约束浆体材料、提升桩体抗压能力的同时，提升刚性管注浆桩的抗弯/抗剪能力。中心加强筋布置在内层钢性管的中心线上，用于增加抗拉强度，可采用碳纤维筋、石英纤维筋、螺纹钢筋、工字钢、三角钢等钢性材料，以增强桩体抗弯和抗剪性能。上述棚洞，盖板固定侧边一般采用锚杆/锚索的锚固结构保证盖板与山体坡面相切的固定联接关系，并为棚洞提供抗侧向冲击能力。在实际建设工程中，本专利技术棚洞可以先根据需保护路基的长度、山地坡面角度的特征分隔设计为多个棚洞单体。每个棚洞单体有一定长段，根据需要统一设计或分别设计。现场施工时，各棚洞单体按无缝顺序衔接的方式沿着滚石多发路段的内侧坡脚线性布置。上述棚洞中，桁架结构顶棚包括固定盖板的刚性环梁、连接在刚性环梁下的竖向桁架三角面、与竖向桁架三角面垂直的横向主梁、必要的边架、副梁。本专利技术棚洞在实际使用过程中为达到稳定地将坡面滚石向外“滑跃抛出”的目标，需解决盖板曲率半径值、立柱钢管桩埋深值、侧边锚固系统锚固深度值等关键性参数值的设计。该参数值的确定能够保证整个棚洞体承受坡面滚石坠冲击荷载，并使滚石沿盖板曲线继续运动，向外抛出，完成“滑跃”的运动过程。为实现上述目的，本专利技术还提供上述棚洞的设计方法，用于分别完成盖板曲率半径值R、棚洞灌浆钢管桩结构立柱的埋深值Lp、棚洞盖板侧边锚固深度值Lb的设计。在本专利技术棚洞结构中，盖板曲率半径值R决定了桁架结构顶棚与盖板的结构尺寸，间接决定了防治结构的空间形态、布局、工程量，并最终影响了其对滚石滑跃排导/遮挡的防护效果。R值还决定了滚石作用在结构上的荷载，直接影响了支撑桩体的直径、埋置深度，以及锚固结构锚固深度，决定了结构的整体安全性和可靠性。因此本专利技术首先提供棚洞的设计方法，用于下凹圆弧形盖板曲率半径值R的设计，其技术方案如下：棚洞设计方法，其特征在于：用于盖板曲率半径值R的设计，依如下步骤实施：步骤S1、获取基本数据现场勘察确定道路内侧坡面倾角α，根据工程设计确定棚洞安全空域有效高度h0；步骤S2、确定盖板曲率半径值R依式1计算确定下凹圆弧形盖板曲率半径值R式中，β—盖板自由侧边顶端切线与水平面夹角，取值45°，α—坡面倾角，单位°，步骤S1确定，h0—棚洞安全空域有效高度，单位m，步骤S1确定。上述棚洞设计方法中，为确定盖板曲率半径值R，关键性的技术是确定滚石滑跃抛出的角度，即盖板自由侧边顶端切线与水平面夹角β的最优取值。本专利技术方法设定角度β的最优取值45°基于以下技术原理：如图1所示，本专利技术棚洞结构防治滚石的核心思想是在不改变滚石动能的前提下，通过改变滚石运动方向将其再次抛起，形成高于路基待防护空域的抛物轨迹，向坡体外侧拓宽对滚石防治的安全空域。这个安全空域的长度即滚石从抛出点B抛出后又坠落至B点高度的时间段t内飞行的水平距离l(待保护空域的有效宽度l0≤l)，可以表示为式1.1：l＝vBcosβ·t式1.1式中：β为滚石抛出速度与水平面的夹角，vB为滚石从B点抛出时的速度，可由表示为式1.2：式中，g为重力加速度；h为滚石坠落点到抛出点B的垂直高度，即坠落高度；k为滚石坡面滚动能量损失系数，由现场原位试验确定；t为滚石从抛出点B向上抛出做抛物运动后又坠落至B点高度所需时间，可以表示为式1.3：将式1.3、式1.2带入式1.1可知，当滚石坠落高度h确定时，棚洞结构形成的安全空域长度是有上限的。即，当且仅当棚洞结构的滑跃抛出角β＝45°时滚石飞行的水平距离达到最大值lmax。如此，在倾角为α的道路内侧坡面上按最优抛出角度β＝45°设置棚洞结构体时，要求结构抛出点B位于道路内侧坡脚C点正上方安全高度h0处。设计棚洞顶部下凹圆弧形盖板时，要求其圆心角为α+β，且其外侧翼面与抛出方向相切与抛出点B，内侧翼面则与坡面自然相切并锚固本文档来自技高网...

【技术保护点】
棚洞，布置在山区路基与山体边坡之间，其特征在于：所述棚洞包括Y形架梁(1)，Y形架梁(1)的顶部联接下凹圆弧形盖板(2)，所述盖板(2)的固定侧边(21)与山体边坡相切，所述盖板(2)自由侧边顶端切线与水平面夹角β≤45°。

【技术特征摘要】
1.棚洞，布置在山区路基与山体边坡之间，其特征在于：所述棚洞包括Y形架梁(1)，Y形架梁(1)的顶部联接下凹圆弧形盖板(2)，所述盖板(2)的固定侧边(21)与山体边坡相切，所述盖板(2)自由侧边顶端切线与水平面夹角β≤45°。2.根据权利要求1所述的棚洞，其特征在于：所述盖板(2)是夹心结构，包括上、下蒙皮板(23)，所述蒙皮板(23)是刚性材料，所述上、下蒙皮板(23)间填充耗能材料(24)。3.根据权利要求1所述的棚洞，其特征在于：所述Y形架梁(1)包括下部立柱(11)与上部桁架结构顶棚(12)，所述立柱(11)固定在地基中，所述盖板(2)覆盖在桁架结构顶棚(12)上；所述立柱(11)是灌浆钢管桩结构，包括中心加强筋(111)与中心加强筋(111)外套装的至少一层钢性管(112)。。4.根据权利要求1所述的棚洞，其特征在于：所述盖板(2)的固定侧边(21)与山体边坡通过锚杆/锚索锚固系统锚固联接。5.权利要求1所述的棚洞的设计方法，其特征在于：用于盖板曲率半径值R的设计，依如下步骤实施：步骤S1、获取基本数据现场勘察确定道路内侧坡面倾角α，根据工程设计确定棚洞安全空域有效高度h0；步骤S2、确定盖板曲率半径值R依式1计算确定下凹圆弧形盖板曲率半径值R式中，β—盖板(2)自由侧边顶端切线与水平面夹角，取值45°，α—道路内侧坡面倾角，单位°，步骤S1确定，h0—棚洞安全空域有效高度，单位m，步骤S1确定。6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于：依式2计算确定竖向桁架三角面两外侧边架(124)长度：7.权利要求1所述的棚洞的设计方法，其特征在于：hmin≤l0/(2-2k)时，用于盖板曲率半径值R′的设计；所述hmin是坡面滚石最小坠落高度、由现场调查确定，l0是待防治路基安全空域的有效宽度、由工程设计确定，k是滚石坡面滚动能量损失系数、由现场实验测试确定；首先，依式8计算确定桁架结构顶棚的外侧翼面的外移量Δl：Δl＝l0-2(1-k)hmin式8其次，依式9计算确定盖板曲率半径值R′式中，β—盖板自由侧边顶端切线与水平面夹角，取值45°，α—道路内侧坡面倾角，单位°，现场勘察确定，h0—棚洞安全空域有效高度，单位m，根据工程设计确定。8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于：依式10计算确定竖向桁架三角面两外侧边架(124)长度w′：9.权利要求3所述的棚洞的设计方法，特征在于：棚洞灌浆钢管桩结构立柱的埋深值Lp的设计，依如下步骤实施：步骤S1、获取基本数据现场勘察确定道路内侧坡面倾角α、坡面滚石最大质量mmax、最大坠落高度hmax、，现场试验确定滚石坡面滚动能量损失系数k、钢管桩抗压强度σc、钢管桩侧阻力qsp；根据工程...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴永，李新坡，何思明，罗渝，王东坡，
申请(专利权)人：中国科学院，水利部成都山地灾害与环境研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51