CN109235295A - 一种用于山区公路的棚洞结构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于山区公路的棚洞结构及其设计方法，包括整体框架以及由整体框架支撑的曲型顶板；所述整体框架包括公路远离山体一侧的外侧支撑构件以及位于公路顶部的顶部构件，其中所述顶部构件一端与山体削坡坡面固定锚固，另一端与外侧支撑构件的顶部固定连接，所述曲型顶板固定铺装在顶部构件上；所述曲型顶板的顶面为开口向上的一段以抛物线为母线平移形成的曲面，并且曲型顶板与山体削坡坡面连接的一侧高于远离山体削坡坡面的另一侧。本发明提高了棚洞结构的耐冲击性能，使其结构整体性、适用性和安全性都大大提高，有效防止高陡边坡泥石流及滚石灾害对公路建设、车辆行驶造成的安全隐患，并且施工工期短，施工便利，易于后期维护。
Description
技术领域
本发明属于路桥技术，具体涉及一种用于山区公路的棚洞结构及其设计方法。
背景技术
我国幅员辽阔，地貌复杂。山地丘陵占国土总面积的2/3以上，许多交通路线不可避免的行走于山谷、丘陵之间，而由于气候环境等影响，这些高陡地形区泥石流及滚石频繁发生，轻则道路阻断，重则对造成公路损坏，人员伤亡，存在着严重的安全隐患。
在路桥施工过程中，为避免高陡地形区泥石流及滚石灾害的影响，工程建设中常通过修建棚洞来实现公路的边坡落石防护。目前棚洞建设中存在几个关键性问题仍待解决：一是棚洞主体结构的选型，由于传统的棚洞结构阻断滚石下泄路径，导致众多碎石淤停在棚洞顶部，需要人工定期清理，后期维护成本高；二是棚洞主体结构的施工采用现浇钢筋混凝土，导致棚洞结构施工工期长、造价高、施工对交通运输干扰较大，经济效益不佳；三是棚洞顶部防冲层采用沙土作为缓冲材料，不仅消能作用差，而且由于较大的自重较大而严重影响了棚洞结构的稳定性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有山区公路的棚洞结构存在的技术问题，提供一种新型的用于山区公路的棚洞结构及其设计方法，能够达到降低高陡地形区泥石流及滚石灾害对山区公路的影响，提高经济效益的目的。
本发明采用如下技术方案实现：
一种用于山区公路的棚洞结构，包括整体框架以及由整体框架支撑的曲型顶板8；
所述整体框架包括公路远离山体一侧的外侧支撑构件以及位于公路顶部的顶部构件，其中所述顶部构件一端与山体削坡坡面固定锚固，另一端与外侧支撑构件的顶部固定连接，所述曲型顶板8固定铺装在顶部构件上；
所述曲型顶板8的顶面为开口向上的一段抛物线为母线形成的曲面，并且曲型顶板8与山体削坡坡面连接的一侧高于远离山体削坡坡面的另一侧。
进一步的，所述外侧支撑构件包括沿公路远离山坡坡面一侧设置的若干外侧立柱3，所述外侧立柱3底部通过柱下基础4与路基锚固连接。
进一步的，所述顶部构件包括若干曲型顶梁7以及将相邻外侧立柱3顶部之间固定连接的纵向连梁6，所述曲型顶梁7一端与外侧立柱3的顶部固定连接，另一端通过混凝土卡座12与山体锚固连接，所述曲型顶梁7的顶面弧线与曲型顶板8相同。
进一步的，所述曲型顶梁7与山体的连接处设有加强钢架11，所述加强钢架11包括分别固定在曲型顶梁7底部和山体削坡坡面上的垫板，所述垫板之间通过带肋板的支撑板固定连接。
在本发明的一种用于山区公路的棚洞结构中，所述曲型顶板8的顶面与山体削坡坡面之间设有过渡滑面10。
进一步的，所述曲型顶板8和过渡滑面10的顶面固定铺设有顶面防护层9。
具体的，所述顶面防护层9从上至下依次分为光滑涂层9-1、防水层9-2和橡胶减震层9-3。
进一步的，所述外侧立柱3、纵向连梁6、曲型顶梁7和曲型顶板8均采用预制超高性能混凝土构件，所述外侧立柱3、纵向连梁6和曲型顶梁7之间的连接部分通过预留钢筋现浇混凝土形成后浇刚结点14，各构件连接后浇部位的钢筋通过焊接连接。
本发明还公开了一种棚洞结构设计方法用来设计曲型顶板8的顶面曲面，所述曲型顶板8的顶面为开口向上的一段抛物线为母线平移形成的曲面；
对形成曲型顶板8的顶面的抛物线在x-y平面坐标系中建模，令该抛物线远离山体的下端点横坐标为0，设定公路路宽W为抛物线在x轴上的投影，则抛物线靠近山体的上端点横坐标为W；
设抛物线方程为：y＝a(x+b)2，该方程中的参数a、b为待定参数；
计算所述抛物线的导数方程为：y’＝2ax+2ab；
根据落石在曲型顶板8上的受力分析，要求落石在曲型顶板8的顶面任意位置均能够顺利滑落，需要满足Gsinθ≥μGcosθ，即tanθ≥μ，其中G为落石重力，μ为曲型顶板8顶面任意位置的摩擦系数，θ为曲型顶板8的抛物线任意位置的切线角度，即抛物线上任意点的斜率不小于对应曲型顶板8顶面的摩擦系数；
分别选取抛物线的上端点和下端点来计算a、b，
其中，下端点的斜率等于对应曲型顶板8的摩擦系数，即y(0)’＝2ab＝μ，
上端点的斜率大于对应曲型顶板8的摩擦系数，即y(W)’＝2aW+2ab＞μ，并选取大于摩擦系数μ范围中的一个数值进行等式计算，最终计算得到a、b的准确数值。
本发明的棚洞结构将曲型顶梁以及曲型顶板选型采用抛物线型构造，确保棚洞顶面下端点斜率不小于其摩擦系数即可保证该棚洞上方泥石顺利滑落，以利于将山体上方滑下的泥石流及落石引流至下坡面。外侧立柱下设置现浇式普通混凝土独立的柱下基础，柱下基础设置锚杆，锚杆与基础底部钢筋焊接，并打入地基，以加强棚洞结构的整体稳定性。
曲型顶梁在曲型顶板与山体交界处下方设置加强钢架，以防止应力集中导致靠山侧的曲型顶梁锚固系统局部破坏。
本发明还在曲型顶板上铺设的顶面防护层，从下至上依次包括橡胶减震层、沥青防水层和聚四氟乙烯光滑涂层。橡胶减震层铺装在曲型顶板板面上，用铆钉固定，用以降低泥石流及滚石的冲击，其上铺设一层沥青防水层，最上方设置一层聚四氟乙烯涂层。聚四氟乙烯摩擦系数极低，可以降低泥石流及滚石与板面的流滞阻尼和摩擦力，与曲型滑面的抛物线型构造相配合，实现了泥石流及滚石的引导作用，有效地解决淤积问题。
本实施例中的曲型顶梁、曲型顶板、外侧立柱、纵向连梁均采用预制超高性能混凝土(UHPC，Ultra-High Performance Concrete)构件，其超高性能体现在高强度、高抗冲击性及高耐久性，相比于普通混泥土，以超高性能混凝土做棚洞顶面，能够更有效抵抗泥石流和滚石的冲击，而不产生不必要的损坏，外侧立柱、纵向连梁和曲型顶梁之间的后浇刚节点等后浇连接部分均采用预留钢筋焊接、现浇混凝土的施工方式，施工方便。
本发明的有益效果在于：本发明通的棚洞结构利用了曲型顶面抛物线型构造对滑体和滚体的引导作用，疏通了泥石流及滚石的下泄路径，实现将泥石流及危岩滚石向公路外侧引导的目的，能够有效防止高陡边坡泥石流及滚石灾害对公路建设、车辆行驶造成的安全隐患；采用超高性能混凝土及抗震缓冲面材，提高了棚洞结构的耐冲击性能，使其结构整体性、适用性和安全性都大大提高；构件之间采用预制与现浇相结合，缩短了施工工期，施工过程更加便利，更加易于后期维护。
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为实施例中的棚洞结构三维构造示意图。
图2为实施例中的棚洞结构断面结构示意图。
图3为实施例中的曲型顶梁与山体之间的锚固结构示意图。
图4为实施例中的顶面防护层断面结构示意图。
图5为实施例中的曲型顶板的抛物线建模示意图。
图中标号：1、山体削坡坡面，2、公路，3、外侧立柱，4、柱下基础，5、第一锚杆，6、纵向连梁，7、曲型顶梁，8、曲型顶板，9、顶面防护层，9-1、光滑涂层，9-2、防水层，9-3、橡胶减震层，10、过渡滑面，11、加强钢架，11-1、上垫板，11-2、下垫板，11-3、支撑板，11-4、肋板，12、混凝土卡座，13、第二锚杆，14、后浇刚结点。
具体实施方式
实施例一
参见图1，图示中的棚洞结构为本发明的一种具体实施方案，该棚洞结构设置在山体削坡坡面1一侧的公路2上，目的是利用棚洞结构将山体高陡地形区的泥石流及滚石引导到公路另一侧，避免泥石流及滚石灾害对公路2造成影响。该棚洞结构具体包括外侧立柱3、柱下基础4、第一锚杆5、纵向连梁6、曲型顶梁7、曲型顶板8、顶面防护层9、过渡滑面10、加强钢架11、混凝土卡座12和第二锚杆13。
结合参见图2，外侧立柱3、纵向连梁6以及曲型顶梁7构成棚洞结构的整体框架，外侧立柱3采用预制构件，在外侧立柱3的安装基坑内设置现浇混凝土柱下基础4，柱下基础4下设置第一锚杆5，第一锚杆5的顶端与柱下基础4底部钢筋焊接，另一端并打入地基，外侧立柱3通过柱下基础与路基锚固连接，加强棚洞结构的整体稳定性，外侧立柱3及柱下基础4沿公路延伸布置在远离山体的路基一侧。
相邻的外侧立柱3顶部之间通过纵向连梁6固定连接，形成位于公路2远离山体一侧的外侧支撑构件框架，将曲型顶梁7下端部与外侧立柱3的顶部固定连接，上端部与山体削坡坡面固定锚固，形成公路2上方的顶部构件框架，纵向连梁6和曲型顶梁7同样采用预制构件，外侧立柱3、曲型顶梁7与其相邻纵向连梁6的相接部分通过预留钢筋现浇混凝土形成后浇刚结点14，各构件之间连接后浇部位的钢筋连接方式采用焊接连接。
结合图3中所示，曲型顶梁7的上端部延伸至山体削坡坡面1内部，通过在山体内部注浆形成的混凝土卡座12以及打入山体岩石的第二锚杆13进行固定。为了提高棚洞的受压强度，在曲型顶梁7与山体削坡坡面1交界处下方设置加强钢架11，以防止应力集中导致曲型顶梁7与山体之间的锚固结构发生破坏。
加强钢架11包括上垫板11-1、下垫板11-2、支撑板11-3和肋板11-4。其中上垫板11-1、下垫板11-2分别紧贴曲型顶梁底部和山体削坡坡面，并通过锚钉锚接，上垫板11-1和下垫板11-2之间通过支撑板11-3焊接连接，并焊接肋板11-4加强支撑板11-3的支撑强度。
再次参见图1，在相邻曲型顶梁7之间铺设与曲型顶梁弧度和倾角相同的曲型顶板8，并在相邻曲型顶板间缝以及曲型顶板和曲型顶梁相交部位预留钢筋局部现浇连接成整体。在曲型顶板8与山体削坡坡面交界处设置混凝土现浇的过渡滑面10，过渡滑面10为弧形曲面，将曲型顶板8的顶面与山体削坡坡面圆滑过渡连接，用以引导泥石流及滚石。
在曲型顶板8和过渡滑面10的顶面固定铺设有顶面防护层9，结合参见图4，顶面防护层9从上至下依次分为光滑涂层9-1、防水层9-2和橡胶减震层9-3，其中，橡胶减震层9-3铺装在曲型顶板以及过渡滑面10的顶面上，并用铆钉固定，用以降低泥石流及滚石对曲型顶板的冲击，橡胶减震层9-3上铺设一层沥青作为防水层9-2，再在防水层9-2上方设置一层聚四氟乙烯涂层作为光滑涂层9-1，利用聚四氟乙烯摩擦系数极低的特点，降低泥石流及滚石与顶面防护层9的流滞阻尼和摩擦力，与曲型顶板的抛物线型构造相配合，实现了泥石流及滚石的引导作用，有效地解决淤积问题。
以下详细说明本实施例的棚洞结构施工的具体过程
以双向两车道公路为例，公路2宽度不超过10m。曲型顶梁7整体采用超高性能钢筋混凝土预制构件，曲型顶梁7的矩形截面b×h＝0.3m×0.6m。曲型顶梁7下端设置在外侧立柱3之上，与外侧立柱3柱顶后浇，形成后浇刚结点14，后浇带高度与纵向连梁6高度相等；曲型顶梁7上端深入锚固刚结在山体削坡内。
外侧立柱3采用普通钢筋混凝土预制构件，立柱矩形截面b×h＝0.6m×0.6m，预制构件总长6.5m，地下埋深1.5m。外侧立柱3下设置现浇式普通混凝土作为柱下基础4，柱下基础的尺寸b×h＝2.4m×2.4m。柱下基础4与外侧立柱3连接部分做成杯口，空隙部位后浇混凝土。柱下基础4下设置四根第一锚杆5，第一锚杆5与柱下基础4底部的钢筋焊接，并打入地基内部，以加强棚洞结构的整体稳定性；第一锚杆5长度3m，采用φ32螺纹钢筋。外侧立柱3及柱下基础4沿公路延伸方向布置。
沿公路延伸方向每隔5m距离设置外侧立柱3、柱下基础4及曲型顶梁7，通过纵向连梁6连接成为整体框架。纵向连梁6采用超高性能钢筋混凝土预制构件，预制构件长4m，截面b×h＝0.4m×0.8m。外侧立柱3、曲型顶梁7与其相邻纵向连梁6的相接部分通过预留钢筋现浇混凝土形成后浇刚结点14，各构件连接后浇部位的钢筋连接方式采用焊接。相邻曲型顶梁7之间铺设与曲型顶梁7弧度和倾角相同的曲型顶板8，并在相邻板间缝和板梁相交部位预留钢筋局部现浇形成整体。曲型顶板8采用分块预制，现场拼装并后浇，曲型顶板8分块尺寸：长×宽×厚＝5m×3m×0.4m。
曲型顶梁7、曲型顶板8、外侧立柱3、纵向连梁6均采用超高性能混凝土预制构件，采取场外加工再运至现场安装；后浇刚节点14等后浇连接部分均采用预留钢筋焊接、现浇超高性能混凝土的施工方式。后浇部位浇筑施工时，将所有浇筑面均打磨粗糙处理，以加强接触面粘结强度。
超高性能混凝土选用湖南明湘科技发展有限公司生产的钢纤维混凝土，主要成分包括水泥、硅粉、粉煤灰、超活性矿渣粉、石英粉、石英砂、聚羧酸减水剂、消泡剂和钢纤维等，其干混料配合比为水泥：硅粉：粉煤灰：超活性矿渣粉：石英粉：石英砂：聚羧酸减水剂：消泡剂：钢纤维＝1：0.2：0.1：0.2：0.1：1.1：0.02：0.0015：0.25。钢纤维长度10mm，质量比掺量为2％，高温蒸汽养护2天。
曲型顶梁7延伸至山体削坡1内，通过注浆形成现浇式混凝土卡座12及打入岩体的第二锚杆13进行固定。施工时先在岩体中采用钻孔爆破形成可以埋置曲型顶梁7上端的硐室，再在硐室中布置钢筋网并焊接第二锚杆13后，进行注浆灌注混凝土，即形成与曲型顶梁7紧密相连的混凝土卡座12。
曲型顶板8与山体削坡坡面的交界处上方设置过渡滑面10，用以引导泥石流及滚石；过渡滑面采用现浇混凝土找坡，也可以采用钢构架、抗冲减震材料等。
曲型顶梁7与山体削坡坡面交界处下方设置加强钢架11，加强钢架11的上垫板11-1和下垫板11-2分别紧贴曲型顶梁7和山体削坡坡面1，并采用锚钉固定锚接，上垫板11-1和下垫板11-2之间通过焊接设置支撑板11-3连接，并在支撑板11-3上焊接肋板11-4进行加强。以上各钢板厚度取20mm，尺寸可根据现场情况灵活选择，焊接方式为双面焊。
在曲型顶板8以及过渡滑面10顶面铺装顶面防护层9，首先将橡胶减震层9-3铺装在曲型顶板8板面上，厚度为20mm，用铆钉固定，用以降低泥石流及滚石的冲击，起到减震作用；其上铺设一层沥青作为防水层9-2，厚度为20mm；最上方设置一层聚四氟乙烯涂层作为光滑涂层9-1。顶面防护层9在过渡滑面10顶部通过铆钉与削坡坡面固定，防止顶面防护层9脱落。
实施例二
参见图5，本实施例详细说明实施例一中的曲型顶板8以及曲型顶梁7的曲面设计方法。
曲型顶梁7的顶面与曲型顶板8的顶面相同，曲型顶板8的顶面为开口向上的一段抛物线为母线平移形成的曲面，通过确定该抛物线的形状即可确定曲型顶板8以及曲型顶梁7的曲面形状。
建立如图5所示的x-y平面坐标系，使抛物线顶点在坐标轴x上；图中加粗线为棚洞结构的曲型顶板的抛物线型，令该段抛物线的下端点横坐标为0；给定公路2路宽W＝10m，可设棚洞曲型顶板沿x轴投影长10m，则抛物线的上端点横坐标为10。设定整个抛物线方程可为y＝a(x+b)2，式中a，b为待定参数；计算该抛物线的导数方程为y’＝2ax+2ab。由数理知识可知，抛物线上某点的斜率等于该点的导数，可以通过确定抛物线上两点的斜率来获得参数a、b的数值，这里选取抛物线的上端点和下端点进行计算，对应棚洞顶面的入物口和出物口。
根据落石在曲型顶板8上的受力分析，要求落石在曲型顶板8的顶面任意位置均能够顺利滑落，需保证：Gsinθ≥μGcosθ，即tanθ≥μ，其中G为落石重力，μ为曲型顶板8顶面任意位置的摩擦系数，θ为曲型顶板8的抛物线任意位置的切线角度，即抛物线上任意点的斜率不小于对应曲型顶板8顶面的摩擦系数
出于保守计算，聚四氟乙烯涂层的摩擦系数取μ＝0.2，故需保证tanθ≥μ＝0.2。
确保棚洞顶面下端点斜率不小于其摩擦系数，可令抛物线下端点斜率y(0)’＝tanθ1＝0.2，即可保证泥石顺利滑落；设上端点斜率y(10)’＝tanθ2＞0.2，在大于0.2的摩擦系数中取该点的摩擦系数为0.7，通过计算得到参数a＝0.025，b＝4。
则该抛物线的整体方程为：
y＝0.025x2+0.2x+0.4，
本实施例中的曲面顶板7曲面取该抛物线在横坐标(0，10)的一段作为母线进行加工。
通过抛物线方程可以确定棚洞顶面各点坐标，以此预制该模型，其中棚洞下端点坐标为(0，0.4)，棚洞上端点坐标为(10，4.9)，故棚洞上下端点相差4.5m，高度差合理。
以上抛物线曲线形成的棚洞顶面能够使落于其上的泥石流和滚石在自身重力和冲击力的作用下依然可以自行滑落，实现了泥石流及滚石的引导作用，有效地解决淤积问题，降低后期运营成本。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (9)
1.一种用于山区公路的棚洞结构，其特征在于：包括整体框架以及由整体框架支撑的曲型顶板(8)；
所述整体框架包括公路远离山体一侧的外侧支撑构件以及位于公路顶部的顶部构件，其中所述顶部构件一端与山体削坡坡面固定锚固，另一端与外侧支撑构件的顶部固定连接，所述曲型顶板(8)固定铺装在顶部构件上；
所述曲型顶板(8)的顶面为开口向上的一段以抛物线为母线平移形成的曲面，并且曲型顶板(8)与山体削坡坡面连接的一侧高于远离山体削坡坡面的另一侧。
2.根据权利要求1所述的一种用于山区公路的棚洞结构，所述外侧支撑构件包括沿公路远离山坡坡面一侧设置的若干外侧立柱(3)，所述外侧立柱(3)底部通过柱下基础(4)与路基锚固连接。
3.根据权利要求3所述的一种用于山区公路的棚洞结构，所述顶部构件包括若干曲型顶梁(7)以及将相邻外侧立柱(3)顶部之间固定连接的纵向连梁(6)，所述曲型顶梁(7)一端与外侧立柱(3)的顶部固定连接，另一端通过混凝土卡座(12)与山体锚固连接，所述曲型顶梁(7)的顶面弧线与曲型顶板(8)相同。
4.根据权利要求3所述的一种用于山区公路的棚洞结构，所述曲型顶梁(7)与山体的连接处设有加强钢架(11)，所述加强钢架(11)包括分别固定在曲型顶梁(7)底部和山体削坡坡面上的垫板，所述垫板之间通过带肋板的支撑板固定连接。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种用于山区公路的棚洞结构，所述曲型顶板(8)的顶面与山体削坡坡面之间设有过渡滑面(10)。
6.根据权利要求5所述的一种用于山区公路的棚洞结构，所述曲型顶板(8)和过渡滑面(10)的顶面固定铺设有顶面防护层(9)。
7.根据权利要求6所述的一种用于山区公路的棚洞结构，所述顶面防护层(9)从上至下依次分为光滑涂层(9-1)、防水层(9-2)和橡胶减震层(9-3)。
8.根据权利要求4所述的一种用于山区公路的棚洞结构，所述外侧立柱(3)、纵向连梁(6)、曲型顶梁(7)和曲型顶板(8)均采用预制超高性能混凝土构件，所述外侧立柱(3)、纵向连梁(6)和曲型顶梁(7)之间的连接部分通过预留钢筋现浇混凝土形成后浇刚结点(14)，各构件连接后浇部位的钢筋通过焊接连接。
9.一种权利要求1-7中的棚洞结构设计方法，用于设计曲型顶板(8)的顶面曲面，其特征在于：所述曲型顶板(8)的顶面为开口向上的一段以抛物线为母线平移形成的曲面；
对形成曲型顶板(8)的顶面的抛物线在x-y平面坐标系中建模，令该抛物线远离山体的下端点横坐标为0，设定公路路宽W为抛物线在x轴上的投影，则抛物线靠近山体的上端点横坐标为W；
设抛物线方程为：y＝a(x+b)2，该方程中的参数a、b为待定参数；
计算所述抛物线的导数方程为：y’＝2ax+2ab；
根据落石在曲型顶板(8)上的受力分析，要求落石在曲型顶板(8)的顶面任意位置均能够顺利滑落，需要满足Gsinθ≥μGcosθ，即tanθ≥μ，其中G为落石重力，μ为曲型顶板(8)顶面任意位置的摩擦系数，θ为曲型顶板(8)的抛物线任意位置的切线角度，即抛物线上任意点的斜率不小于对应曲型顶板(8)顶面的摩擦系数；
分别选取抛物线的上端点和下端点来计算a、b，
其中，下端点的斜率等于对应曲型顶板(8)的摩擦系数，即y(0)’＝2ab＝μ；
上端点的斜率大于对应曲型顶板(8)的摩擦系数，即y(W)’＝2aW+2ab＞μ，并选取大于摩擦系数μ范围中的一个数值进行等式计算，最终计算得到a、b的准确数值。
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