CN110359381B - 柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统及其设计方法，包括柔性缓冲系统和刚性缓冲系统两部分，所述柔性缓冲系统包括支撑绳和金属柔性网，支撑绳包括横向支撑绳和纵向支撑绳；刚性缓冲系统包括缓冲垫层、钢桁架和立柱。采用本发明设计的自清理棚洞系统在遭受落石冲击后，柔性缓冲系统可作第一道防线，大幅度削弱落石的冲击动能，然后将落石以低速抛出；刚性缓冲系统则为第二道防线，其主要作用为引导低速抛出落石的滚落，使之逸出防护区域，避免落石的堆积，解决了传统柔性防护系统清理维护困难等现实问题。

Description

柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统及其设计方法

技术领域

本发明涉及边坡防护技术领域，具体为一种柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统及其设计方法。

背景技术

中国大陆的山区面积约占国土面积的2/3，落石、崩岩等山地灾害频繁发生，对民生安全与基础设施的正常运营造成了严重威胁。传统的落石灾害防治措施主要包括钢筋混凝土棚洞系统和柔性防护网系统两种。钢筋混凝土棚洞通常需要较大的占地面积，而通常一侧紧挨陡峭山边，另一侧邻近深切河谷，地狭路窄，导致钢筋混凝土棚洞施工难度较大，基础开挖困难，不具备适宜的场地条件。柔性防护网系统在工作以后，落石往往将在系统内部形成堆积，需要定期对其进行清理维护。而因其道路条件较为苛刻，导致系统的清理维护十分不便。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统及其设计方法。采用该方法可以设计出一种占地面积小、施工简便、并具有自清理和易维护等优点的防护系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一方面，本申请保护一种柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统，包括柔性缓冲系统和刚性缓冲系统两部分，所述柔性缓冲系统包括支撑绳和金属柔性网，支撑绳包括横向支撑绳和纵向支撑绳；刚性缓冲系统包括缓冲垫层、钢桁架和立柱；

所述横向支撑绳横向穿过所述金属柔性网并与两侧山坡锚固；所述纵向支撑绳一端锚固于山坡，另一端穿过所述金属柔性网到达网底部并固定于钢桁架上；所述的金属柔性网倾斜布置并具有弹性，使得落于其上的冲级物的冲击动能大幅度削弱并以低速抛出；

钢桁架一端与山体锚固，另一端通过立柱支撑于道路外侧，缓冲垫层设置在钢桁架上；作为第二道防线的刚性缓冲系统跨越行车道路，能够对低速抛出的冲级物进行二次防护与引导，使之逸出防护区域，避免落石的堆积。

进一步地，缓冲垫层的刚度可以根据对落石的引导需求进行调整。

另一方面，本申请保护一种如上所述的柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统的设计方法，包括以下步骤：

步骤1)：确定落石的运动轨迹

根据前期的地质勘察和可靠的落石轨迹分析，可以获得落石、崩岩等的总重量mg与系统接触前的运动轨迹，以明确落石冲击系统时其速度ν、水平面的夹角θ以及初始冲击能量；

步骤2)：确定柔性缓冲系统的构件配置、初始位置、系统高度H₁以及倾斜角度α

根据步骤1)中岩体的冲击能量确定柔性缓冲系统(1)的构件配置；根据步骤1)中落石的运动轨迹，山体坡度、道路宽度L、岩石特征以及期望的落石回弹范围，确定柔性缓冲系统的初始位置、系统高度H₁、系统宽度L₁、以及倾斜角度α；

其中：倾斜角度θ/2≤α≤90°且α≥45°

系统宽度：L/4≤L₁≤L/3

系统高度：H₁＝tanα*L₁

步骤3)：确定刚性缓冲系统的结构形式、跨度L₂、高度H₂、倾斜角度β及支撑高度h

根据步骤1)中落石的运动轨迹，步骤2)中柔性缓冲系统的初始位置、高度H₁以及倾斜角度α，并结合相应的落石回弹范围、确定刚性缓冲系统的结构形式、整体倾斜角度β、系统高度H₂、、及支撑高度h；

其中:倾斜角度β≤α/2，10°≤α≤30°

系统高度H₂＝tanα*L₂

跨度L₂＝L-L₁

支撑高度h>H

缓冲垫层的材料、密实度以及厚度可参考经验选择，保证落石的反弹速度大于5m/s。

进一步地，所述步骤1)中的落石轨迹分析是指，通过数值计算或理论分析对落石的运动进行模拟分析，并根据该分析结果确定落石冲击系统时其速度与水平面的夹角。

进一步地，柔性缓冲系统在水平面的投影宽度L₁可在道路宽度L的四分之一到三分之一之间取值；柔性缓冲系统的倾斜角度α应大于45度，以保证落石在回弹时，具有一定的水平速度，从而能够逸出防护区域。

进一步地，所述步骤2)中落石的回弹范围的确定是基于可靠的有限元计算方法，通过对落石的冲击过程进行模拟得到。

进一步地，支撑高度h不低于车辆通行的净高要求，支撑结构的倾斜角度β可根据山体坡度，并结合落石的回弹范围，在10度与30度之间取值。

本发明的原理为：底层支撑结构刚度适中，可兼顾缓冲、占地小、不侵界、降低环境干扰的特点；缓冲结构用于减缓落石冲击力、引导落石向公路外部弹出，从而实现结构可恢复、自清理的功能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明首次提出了一种柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统的设计方法，采用该方法设计出的防护系统形式简洁，施工方便，占地面积小，可以有效规避地狭路窄，施工难度大等现实问题；

落石冲击过程中，柔性缓冲系统与刚性缓冲系统各司其职，能够充分发挥各自的功效：柔性缓冲系统作为第一道防线，可有效缓解落石的冲击作用，大幅度削减落石的冲击能量后，并将其低速抛出；刚性缓冲系统作为第二道防线，其主要作用为对抛出的落进行引导，使之逸出防护区域，同时具备有一定的防护能力。系统工作的全过程中，对落石“拦而不截”，整个系统兼具防护和自清理双重功能，结构体系更加科学合理。

基于有限元计算方法，对落石冲击的全过程进行仿真模拟，使得整个设计方法更具备可操作性，结果更加精确可靠。

总体而言，本发明提供的一种柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统的设计方法构思巧妙、科学合理，所设计的结构形式简洁、传力受力途径明确、施工简便、安装快捷、清理维护方便，具有较高的工程适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统的轴测图。

图2为本发明一种柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统的侧视图。

图3为本发明一种柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统的设计方法的落石动能时程曲线。

图4为本发明一种柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统的设计方法的落石的全程轨迹曲线。

图中：1-柔性防护系统，2-钢桁架，3-缓冲垫层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

结合如图1-2，本申请的一种柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统，包括柔性缓冲系统1和刚性缓冲系统两部分，所述柔性缓冲系统1包括支撑绳和金属柔性网，支撑绳包括横向支撑绳和纵向支撑绳；刚性缓冲系统包括缓冲垫层3、钢桁架2和立柱；

所述横向支撑绳横向穿过所述金属柔性网并与两侧山坡锚固；所述纵向支撑绳一端锚固于山坡，另一端穿过所述金属柔性网到达网底部并固定于钢桁架2上；所述的金属柔性网倾斜布置并具有弹性，使得落于其上的冲级物的冲击动能大幅度削弱并以低速抛出；

钢桁架2一端与山体锚固，另一端通过立柱支撑于道路外侧，缓冲垫层3设置在钢桁架2上；作为第二道防线的刚性缓冲系统跨越行车道路，能够对低速抛出的冲级物进行二次防护与引导，使之逸出防护区域，避免落石的堆积。

其中，缓冲垫层3的刚度可以根据对落石的引导需求进行调整。

本发明提供的一种柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统的设计方法，包括以下步骤：

步骤(1)：确定落石的运动轨迹

根据前期的地质勘察和可靠的落石轨迹分析，可以获得落石、崩岩等与系统接触前的运动轨迹，以明确落石冲击系统时其速度与水平面的夹角；

步骤(2)：确定柔性缓冲系统的构件配置、初始位置、系统高度H₁以及倾斜角度α

根据步骤1)中岩体的冲击能量确定柔性缓冲系统(1)的构件配置；根据步骤(1)中落石的运动轨迹，山体坡度、道路宽度、岩石特征以及期望的落石回弹范围，确定柔性缓冲系统的初始位置、系统高度H₁以及倾斜角度α。

构件配置主要是指构件的规格，例如，柔性网部分就是按照冲击的能级然后参照柔性网规范选择。刚性缓冲部分是按照冲击力，根据钢结构设计规范兰确定。

步骤(3)：确定刚性缓冲系统的结构形式、跨度L、高度H₂、倾斜角度β以及支撑高度h

根据步骤(1)中落石的运动轨迹，步骤(2)中柔性缓冲系统的初始位置、系统高度H₁以及倾斜角度α，并结合相应的落石回弹范围、道路宽度以及车辆通行净高要求，确定刚性缓冲系统的结构形式、整体倾斜角度β、系统高度H₂、跨度L及支撑高度h。

其中：柔性缓冲系统设置在危岩落石隐患严重的区域，可作整系统的第一道防线，首先对落石形成拦截，大幅度削弱落石的冲击动能，然后将落石以低速抛出；柔性缓冲系统根据边坡柔性防护网的常规设计方法，以落石初始冲击能量作为标称能级，按能级选择金属柔性网的规格和各钢丝绳的规格。

刚性缓冲系统跨越行车道路，为系统的第二道防线，其主要作用为对抛出落石进行二次防护与引导，使之逸出防护区域，避免落石的堆积。

所述步骤(1)中的落石轨迹分析是指，通过数值计算或理论分析对落石的运动进行模拟分析，并根据该分析结果确定落石冲击系统时其速度与水平面的夹角。

柔性缓冲系统在水平面的投影宽度L₁可在道路宽度L的四分之一到三分之一之间取值；柔性缓冲系统的倾斜角度α应大于45度，以保证落石在回弹时，具有一定的水平速度，从而能够逸出防护区域。

所述步骤(2)中落石的回弹范围的确定是基于可靠的有限元计算方法，通过对落石的冲击过程进行模拟得到。

刚性缓冲系统的跨度等于道路的宽度L，支撑高度h不低于车辆通行的净高要求，支撑结构的倾斜角度β可根据山体坡度，并结合落石的回弹范围，在10度与30度之间取值。

刚性缓冲系统包括中缓冲垫层和支撑结构，缓冲垫层的刚度可以根据对落石的引导需求进行调整。支撑结构的形式可根据防护需求灵活设置；根据落石冲击力确定支撑钢架各构件规格。

具体实施例一

结合图3-4，采用本发明一种柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统的设计方法的防护能级为1000kJ，具体过程如下：

1.确定落石的运动轨迹

根据地质勘察，对山体进行三维扫描，确定危岩落石初始位置，同时采用有限元模拟计算落石的运动轨迹，获得落石冲击系统时其速度v＝25m/s，与水平面的夹角为θ＝85°；

2.系统选型与布置α

根据落石的运动轨迹，山体坡度、道路宽度、防护能级以及期望的落石回弹范围，确定柔性缓冲系统的防护能级为1000kJ，根据《铁路沿线斜坡柔性安全防护网》确定，金属网片采用R9/3/300,钢丝绳采用2Ф18。完成柔性缓冲系统(1)的选型和布置。确定刚性缓冲结构的防护能级为300kJ，根据《》确定采用细砂缓冲垫层，垫层厚度为16mm，根据《钢结构设计规范》确定钢桁架中布置,并根据规范确定各构件的规格，主桁架采用工字钢250×125×6×9，次桁架采用圆钢管Ф32×3，立柱采用圆钢管Ф140×6，。

表1柔性缓冲系统与刚性缓冲系统的尺寸

H<sub>1</sub>

H<sub>2</sub>

h

L

L<sub>1</sub>

α

β

5.5m

3.5m

6m

16m

4m

58°

16°

3.有限元模拟建立

根据前述的结构选型及布置，在LS-DYNA中建立整体结构的有限元模型。

4.冲击加载

设计防护能级对应的冲击能量为1000kJ，落石的冲击速度采用25m/s，落石质量为3200kg。从而建立冲击的数值模型进行冲击加载，落石初始入射角度依据轨迹分析获得的落石与水平面的夹角而定。

在整个系统的拦截、引导全过程中，落石的动能如图3所示，落石的全程轨迹曲线如图4所示。可见，在遭受落石冲击时，首先，柔性缓冲系统作为第一道防线，对落石形成了拦截作用，大幅度削弱了落石的冲击动能(落石的冲击动能在0.23s内由初始的1000kJ迅速衰减到244kJ，衰减幅度达到75.6％)。然后，落石被低速抛出，刚性缓冲系统作为二道防线，对其进行了二次防护，并引导落石滚落。最后，落石逸出了防护区域，实现了预期的防护目标

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的内容基础上做出一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统的设计方法，其特征在于，所述棚洞系统包括柔性缓冲系统(1)和刚性缓冲系统两部分，所述柔性缓冲系统(1)包括支撑绳和金属柔性网，支撑绳包括横向支撑绳和纵向支撑绳；刚性缓冲系统包括缓冲垫层(3)、钢桁架(2)和立柱；

所述横向支撑绳横向穿过所述金属柔性网并与两侧山坡锚固；所述纵向支撑绳一端锚固于山坡，另一端穿过所述金属柔性网到达网底部并固定于钢桁架(2)上；所述的金属柔性网倾斜布置并具有弹性，使得落于其上的冲级物的冲击动能大幅度削弱并以低速抛出；

钢桁架(2)一端与山体锚固，另一端通过立柱支撑于道路外侧，缓冲垫层(3)设置在钢桁架(2)上；作为第二道防线的刚性缓冲系统跨越行车道路，能够对低速抛出的冲级物进行二次防护与引导，使之逸出防护区域，避免落石的堆积；

所述设计方法包括以下步骤：

步骤1)：确定落石的运动轨迹

根据前期的地质勘察和可靠的落石轨迹分析，可以获得落石、崩岩的总重量mg与系统接触前的运动轨迹，以明确落石冲击系统时其速度ν、水平面的夹角θ以及初始冲击能量；

步骤2)：确定柔性缓冲系统(1)的构件配置、初始位置、系统高度H₁以及倾斜角度α

根据步骤1)中岩体的冲击能量确定柔性缓冲系统(1)的构件配置；根据步骤1)中落石的运动轨迹，山体坡度、道路宽度L、岩石特征以及期望的落石回弹范围，确定柔性缓冲系统(1)的初始位置、系统高度H₁、系统宽度L₁、以及倾斜角度α；

其中：倾斜角度θ/2≤α≤90°且α≥45°

系统宽度：L/4≤L₁≤L/3

系统高度：H₁＝tanα*L₁

步骤3)：确定刚性缓冲系统的结构形式、跨度L₂、高度H₂、倾斜角度β及支撑高度h

根据步骤1)中落石的运动轨迹，步骤2)中柔性缓冲系统(1)的初始位置、高度H₁以及倾斜角度α，并结合相应的落石回弹范围、确定刚性缓冲系统的结构形式、整体倾斜角度β、系统高度H₂、、及支撑高度h；

其中:倾斜角度β≤α/2，10°≤α≤30°

系统高度H₂＝tanα*L₂

跨度L₂＝L-L₁

支撑高度h>H

缓冲垫层的材料、密实度以及厚度可参考经验选择，保证落石的反弹速度大于5m/s。

2.根据权利要求1所述的一种柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统的设计方法，其特征在于，缓冲垫层(3)的刚度可以根据对落石的引导需求进行调整。

3.根据权利要求1所述的一种柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统的设计方法，其特征在于，所述步骤1)中的落石轨迹分析是指，通过数值计算或理论分析对落石的运动进行模拟分析，并根据该分析结果确定落石冲击系统时其速度与水平面的夹角。

4.根据权利要求1或3所述的一种柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统的设计方法，其特征在于，柔性缓冲系统(1)在水平面的投影宽度L₁可在道路宽度L的四分之一到三分之一之间取值；柔性缓冲系统(1)的倾斜角度α应大于45度，以保证落石在回弹时，具有一定的水平速度，从而能够逸出防护区域。

5.根据权利要求1所述的一种柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统的设计方法，其特征在于，所述步骤2)中落石的回弹范围的确定是基于可靠的有限元计算方法，通过对落石的冲击过程进行模拟得到。

6.根据权利要求1所述的一种柔性网与缓冲垫层组合式自清理棚洞系统的设计方法，其特征在于，支撑高度h不低于车辆通行的净高要求，支撑结构的倾斜角度β可根据山体坡度，并结合落石的回弹范围，在10度与30度之间取值。

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