一种崩塌滚石缓冲消能防护装置及其施工方法
技术领域
本发明属于地质灾害治理技术领域,主要用于边坡崩塌及落石防护工程,具体涉及一种崩塌滚石缓冲消能防护装置及其施工方法。
背景技术
崩塌滚石是岩、土体受到各种因素的影响,在重力作用下从斜坡上突然脱离山体,向下移动并最终堆积在较平缓的地带或障碍物附近的一种地质现象,而落石和滚石强大的冲击力极有可能造成严重伤害,尤其是多山地带的滚石事件,一般都具有多发性、突发性、随机性等难以预测的规律,对交通线路、建筑设施、人身安全等都存在极大的危害。滚石灾害的防治方法可分为主动防护和被动防护两大类,主动防护旨在采取措施阻止潜在滚石的失稳,如清除危岩体、锚杆加固、喷浆加固等,被动防护则指允许滚石的发生但避免滚石造成危害,如挡石墙、拦石栅栏等。
目前对于滚石的防护方法和技术,如拦石栅栏、拦石网索等,由于技术比较单一,存在柔性过大、拦石效果欠佳或刚性过大、结构易损等不足,若能把废旧轮胎与废旧钢轨相结合用于制作崩塌滚石防治装置,刚柔并济,一方面可以废旧轮胎的特点使防护装置具有足够的强度和柔性,能够很好地阻挡滚石且不易损,相对维护费用低,一方面废旧钢轨的特点保证了防护装置的强度和抗撞击能力,同时,实现了废弃物资源化利用,符合国家战略要求,一举三得。
废旧轮胎实现再利用刻不容缓。废旧轮胎具有很强的抗热、抗机械和抗降解性,国内对于废旧轮胎的无序处理和非法利用使之成为诸多污染的来源,统计显示,近年来,我国每年产生的废旧轮胎正在以8%~10%的速度急剧增加,到2020年,我国废旧轮胎数量将达2000万吨。如此庞大的体量,如果不能得到及时的回收和处理,将成为一种巨大的黑色污染。但若是结合废旧轮胎自身优点,进行废旧轮胎的原形利用或原形改制利用就基本不会产生二次污染,因此,充分发挥废旧轮胎弹性大、韧性好、抗降解、抗机械撞击的特点,将他们相互绑扎组合作为缓冲组件,不仅可以很好防治崩塌滚石,还可以无污染消耗废旧轮胎,是值得提倡的符合国家战略要求的再利用方式。
铁路钢轨投入长期运用之后,由于轨道与车轮间的摩擦,会产生磨损,无法继续为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面,成为废旧钢轨。钢轨报废后仍保持了新钢轨的潜在本质,其材料组织致密,晶粒微细,含炭量高,力学性能优异,耐磨性好。但大多数拆下的报废钢轨都是与其他废钢铁一样回炉重炼,未能有效地利用钢轨材料的优良性能及其较高的剩余价值,造成材料与能源的浪费。将废旧钢轨纵横连接作为结构框架制作拦石栅栏就是很好地利用方式。
中国专利申请号200910078362.1公布了一种立式拦石网的制作方法,利用废旧轮胎制作拦石网片,固定在支撑结构上,通过变换或调节各类连接器件(包括胎-胎、胎-绳、胎-柱等连接器件)来调整废旧轮胎网片的柔度;中国专利申请号201620811488.0公布了一种用于崩塌防治的新型拦石网索结构,在边坡一侧设置有一排立柱,钢丝防护网的四边设置的钢筋框通过连接片固定在立柱上,锚索一端锚固于边坡的基岩中,另一端缠绕锚固在立柱上。上述专利的局限性在于:第一,轮胎网片受到滚石冲击时由于柔性较大,受力点集中无法分散受力;第二,拦石网受到滚石冲击时会在结构中产生很大的冲击荷载,当滚石携带的冲击能量较大时很容易被砸坏,甚至被滚石击穿。
可见,有必要探讨如何利用废旧轮胎制作崩塌滚石防护装置,从而推动现有技术的革新与进步。
发明内容
本发明的目的是:为了有效控制崩塌滚石对周围建筑及居民等受损对象的危害,本发明提供了一种基于废旧轮胎的崩塌滚石防护装置及其施工方法,将柔性废旧轮胎缓冲组件前置于刚性拦石栅栏前,轮胎能够首先吸收一部分滚石的能量,延长落石的撞击时间,从而减轻落石对防护结构的冲击力。该装置满足防治滚石的强度与柔性需求,能安全有效地拦截滚石,避免崩塌滚石造成的危害。
为实现上述效果,本发明采用的技术方案为:
一种基于废旧轮胎与废旧钢轨的崩塌滚石防护装置,装置主要部分包括轮胎A、轮胎B、轮胎单元A、轮胎单元B、栅栏立柱、栅栏横梁、栅栏横杆、栅栏竖杆、栅栏斜撑、立柱基座、轮胎空腔填充物、轮胎柱环形空腔填充物、防撞结构,其中:
轮胎A、轮胎B内部空腔均填入轮胎空腔填充物,轮胎A叠放构成轮胎单元A,轮胎B叠放构成轮胎单元B,轮胎单元A、轮胎单元B的内部环形空腔均填入轮胎柱形空腔填充物;
立柱基座上预埋有竖直向上的栅栏立柱,栅栏立柱的顶部和底部分别连接有栅栏横梁,栅栏竖杆的两端分别与栅栏横梁连接,栅栏横杆分别与栅栏立柱和栅栏竖杆相互连接。
优选的,所述栅栏横杆与所述栅栏竖杆之间的连接空隙小于一个轮胎单元B的轮廓尺寸,防止所述轮胎单元B从连接空隙中挤出。
优选的,所述轮胎A选用直径相同的大号卡车轮胎,所述轮胎B选用直径相同的客车轮胎,取材容易且成本较低,利于实现固体废弃物的资源化利用。
优选的,所述栅栏立柱、栅栏横梁、栅栏横杆、栅栏竖杆连接构成栅栏的主面、左翼面、右翼面三个面,将所述轮胎单元B在竖向与横向上叠放连接构成的轮胎缓冲组件环抱。
优选的,所述栅栏立柱、栅栏横梁、栅栏横杆、栅栏竖杆、栅栏斜撑均选用废旧钢轨,制作成本相对较低,且工艺简单。
优选的,所述轮胎单元A在竖向上叠放套入左右两侧边界处的所述栅栏立柱中构成所述防撞结构。
优选的,所述轮胎单元B分别在竖向与横向上叠放连接构成轮胎缓冲组件,轮胎缓冲组件以左右两侧防撞结构为边界。
优选的,所述轮胎空腔填充物选用土石沙混合物材料,所述轮胎柱环形空腔填充物选用粒径较大石块、土石碎块材料,可就地取材,成本低廉。
同时还提供了一种崩塌滚石缓冲消能防护装置的施工方法,施工步骤如下:
(1)确定施工场地的工程地质条件,根据施工方案的要求,对施工区域内的地下、地上障碍物进行清理;
崩塌滚石缓冲消能防护装置的施工条件包括:根据崩塌滚石防护要求和现场条件,确定装置的高度、长度以及宽度,轮胎A、轮胎B轮胎的规格及数量,连接和固定的材料和方法以及轮胎空腔填充物、轮胎柱环形空腔填充物的充填材料和相应配比。
(2)按设计间距将所述栅栏立柱基座与所述栅栏斜撑基座固定在地基上,控制轴线及标高控制点的测量放线,对基础进行一次性浇筑混凝土;
考虑场地条件,若该处为岩质边坡,基岩埋藏较浅,则基槽开挖深度较小,基座直接固定在基岩上;反之,若该处坡积物、碎石、松散土层堆积较厚,则应适当加大基槽开挖深度,打入锚杆加固基座。
(3)将栅栏立柱固定在预留槽内,进行混凝土浇筑,保证栅栏立柱的抗弯能力。
(4)崩塌滚石缓冲消能防护装置的主体结构包括栅栏、轮胎缓冲组件、防撞结构;将栅栏立柱、栅栏横梁、栅栏横杆、栅栏竖杆的交叉处分别连接构成栅栏的主面、左翼面、右翼面三个面,将由轮胎单元B分别在竖向与横向上叠放连接构成的轮胎缓冲组件环抱;且栅栏横杆与栅栏竖杆之间的连接空隙小于一个轮胎单元B的轮廓尺寸,防止所述轮胎单元B从连接空隙中挤出;
栅栏立柱、栅栏横梁、栅栏横杆、栅栏竖杆、栅栏斜撑均选用废旧钢轨,且各部件的数量和规格可根据使用需求预制或现场制作;各个杆件的连接件可采用废旧轮胎的尼龙带束层或钢丝层的材料制作而成,通过捆扎的方式实现相邻两个杆件在交叉处的连接。
(5)分别在轮胎A、轮胎B内部均填入轮胎空腔填充物,轮胎空腔填充物选用土石沙混合物材料;
将轮胎A叠放连接构成轮胎单元A,将轮胎B叠放连接构成轮胎单元B,相邻的两个轮胎之间通过轮胎单元连接件连接;轮胎单元连接件可采用废旧轮胎的尼龙带束层或钢丝层的材料制作而成,通过捆扎的方式实现相邻两个轮胎的连接;
根据设计所需的规格,所述轮胎A、轮胎B可以运至现场进行绑扎,通过在废旧钢轨上预留预制孔,方便现场连接件的安装。
(6)将轮胎单元A在竖向上叠放套入左右两侧边界的栅栏立柱中构成防撞结构,防撞结构位于整个装置的左右两侧边界;相邻的轮胎单元A之间也通过上述的轮胎单元连接件连接。
(7)将轮胎单元B分别在竖向与横向上叠放连接构成轮胎缓冲组件,轮胎缓冲组件以装置左右两侧的防撞结构为边界,且由栅栏的主面、左翼面、右翼面三个面环抱;
将轮胎B依次堆叠连接,用轮胎空腔填充物填充轮胎空腔后通过轮胎单元连接件进行连接形成一个轮胎单元,多个轮胎单元通过轮胎单元连接件堆叠连接形成轮胎筒,多个轮胎筒通过轮胎单元连接件连接形成缓冲组件单层,多个缓冲组件单层通过轮胎单元连接件连接形成多层结构的轮胎缓冲组件。
栅栏将轮胎缓冲组件三面环抱,防撞结构的轮胎起到保护作用,保护栅栏不受滚石撞击以及防止缓冲组件受到冲击后分散。
(8)根据崩塌滚石缓冲消能防护装置的缓冲设计调节相邻轮胎单元B之间连接的松紧程度,在轮胎单元A、轮胎单元B的轮胎柱环形空腔内填充适合的轮胎柱环形空腔填充物,轮胎柱环形空腔填充物选用粒径较大石块、土石碎块材料。
以上所述轮胎空腔填充物、轮胎柱环形空腔填充物根据缓冲设计而定,填充物可以就近取材。
本发明是针对废弃物资源化利用以及多山地带常见的滚石灾害而提出的一种基于废旧轮胎与废旧钢轨的崩塌滚石缓冲消能防护装置,相对于现有的拦石网、拦石网索、拦石栅栏等防护方法有以下明显优点:
(1)本发明将轮胎缓冲组件前置于刚性废旧铁轨栅栏前,轮胎能够首先吸收一部分落石的能量,延长落石的撞击时间,从而减轻落石对防护结构的冲击力、大大减缓了损坏的概率,保证了装置的持久耐用性,同时滚石撞击轮胎挡石被时,钢轨栅栏给予足够的支持,保证了防护装置的稳定性,二者相辅相成,共同发挥作用;
(2)本发明所采用的轮胎具有韧性好、强度高、抗老化、抗腐蚀、难降解等诸多优点,相应的轮胎缓冲组件具有长期有效性,若个别轮胎发生损坏,更换也十分方便;
(3)本发明中轮胎空腔填充物选用土石沙混合物材料,所述轮胎柱环形空腔填充物选用粒径较大石块、土石碎块材料,可就地取材,成本低廉;
(4)本发明的制作主要涉及废旧轮胎、废旧钢轨、废旧连接件、沙土碎石等材料,制作成本相对较低,且装置工艺简单,轮胎柱可以成批预制,可操作性强;
(5)本发明对废旧轮胎与废旧钢轨进行原形改制,在防治滚石灾害的同时,实现固体废弃物的资源化利用,符合绿色生态发展的要求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本发明的限定。在附图中:
图1为本发明实施例提供的崩塌滚石防护装置主视图;
图2为本发明实施例提供的崩塌滚石防护装置俯视图;
图3为本发明实施例提供的崩塌滚石防护装置侧视图。
其中附图标记说明:
1-轮胎单元A;2-轮胎单元B;3-轮胎单元连接件;4-栅栏立柱;5-栅栏横梁;6-栅栏横杆;7-栅栏竖杆;8-杆杆连接件;9-柱杆连接件;10-立柱基座;11-基座立柱预留槽;12-基座固定锚杆;13-轮胎A;14-轮胎B;15-轮胎空腔填充物;16-轮胎柱环形空腔填充物;17-栅栏斜撑;18-斜撑基座、19胎杆连接件、20钢柱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案、优点更加清楚明白,下面结合附图,对本发明的技术方案进行详细的说明。在此,本发明的示意性图件及其说明用于解释本发明,但并不作为本发明的限定。
请参阅图1至图3,一种崩塌滚石缓冲消能防护装置,包括轮胎A13、轮胎B14、轮胎单元A1、轮胎单元B2、栅栏立柱4、栅栏横梁5、栅栏横杆6、栅栏竖杆7、栅栏斜撑17、立柱基座10、轮胎空腔填充物15、轮胎柱环形空腔填充物16和防撞结构。
轮胎A13选用直径相同的大号卡车轮胎,轮胎B14选用直径相同的客车轮。胎轮胎A13、轮胎B14内部空腔均填入轮胎空腔填充物15。本实施例中,轮胎空腔填充物15选用土石沙混合物材料。
轮胎A13叠放构成轮胎单元A1,轮胎B14叠放构成轮胎单元B2,相邻两个轮胎A13/轮胎B14之间通过轮胎单元连接件3连接固定。本实施例中,轮胎单元连接件3采用由废旧轮胎的钢丝层抽离的钢丝材料制作而成,采用捆扎的方式实现相邻两个轮胎之间的连接和固定。
由于各个轮胎A13/轮胎B14采用相同规格的轮胎,因而叠放连接而成的轮胎单元A1/轮胎单元B2为空心圆柱状的轮胎筒结构。轮胎单元A、轮胎单元B的内部环形空腔内均填入轮胎柱形空腔填充物16。本实施例中,轮胎柱环形空腔填充物16选用粒径较大石块、土石碎块材料。
立柱基座10上预埋有竖直向上的栅栏立柱4,栅栏立柱4的顶部和底部分别通过柱杆连接件9连接有栅栏横梁5;栅栏竖杆7在两个栅栏立柱4之间垂直均匀分布,且栅栏竖杆7的两端分别通过柱杆连接件9与栅栏横梁5连接;栅栏横杆6在两个栅栏横梁5之间水平均匀分布,且栅栏横杆6分别通过柱杆连接件9与栅栏立柱4或通过杆杆连接件8与栅栏竖杆7相互连接。则栅栏立柱4、栅栏横梁5、栅栏横杆6、栅栏竖杆7相互连接后构成牢固的网状结构,且由三个连续连接并呈“U”形分布的网状结构构成栅栏的主面、左翼面、右翼面三个面。
每个立柱基座10的外侧对应地设置一个斜撑基座18,每个斜撑基座18上预埋有向栅栏立柱4一侧倾斜设置的栅栏斜撑17。栅栏斜撑17的顶端与栅栏立柱4的顶部侧面通过柱杆连接件9连接固定,则栅栏斜撑17、栅栏立柱4和地基之间形成三角支撑结构,有效增强了栅栏整体的抗冲击能力。
本实施例中,栅栏立柱4、栅栏横梁5、栅栏横杆6、栅栏竖杆7、栅栏斜撑17均选用废旧钢轨,且各部件的数量和规格可根据使用需求预制或现场制作;杆杆连接件8和柱杆连接件9均采用由废旧轮胎的钢丝层抽离的钢丝材料制作而成,通过捆扎的方式实现相邻两个杆件在交叉处的连接。
轮胎、栅栏杆件、连接件的制作材料均采用现有的报废材料,取材容易且成本较低,在防治滚石灾害的同时,实现固体废弃物的资源化利用,符合绿色生态发展的要求。轮胎空腔填充物选用土石沙混合物材料,轮胎柱环形空腔填充物选用粒径较大石块、土石碎块材料,均可就地取材,成本低廉。
如图2所示,轮胎单元A1在竖向上叠放套入左右两侧边界处的栅栏立柱4中构成防撞结构,轮胎单元B2分别在竖向与横向上叠放连接构成轮胎缓冲组件。具体的,将轮胎B依次堆叠连接,用轮胎空腔填充物15填充轮胎空腔后通过轮胎单元连接件3进行连接形成一个轮胎单元,多个轮胎单元通过轮胎单元连接件3堆叠连接形成轮胎筒,多个轮胎筒通过轮胎单元连接件3连接形成缓冲组件单层,多个缓冲组件单层通过轮胎单元连接件3连接形成多层结构的轮胎缓冲组件。
轮胎缓冲组件以左右两侧防撞结构为边界,栅栏将轮胎缓冲组件三面环抱,可防止缓冲组件受到冲击后分散。防撞结构的轮胎由于尺寸稍大,且布置在栅栏靠近滚石的一侧,因而可起到良好的保护作用,保护栅栏不受滚石撞击,保证栅栏对轮胎缓冲组件的围护效果。
采用上述基于废旧轮胎的崩塌滚石缓冲消能防护装置进行施工作业时,主要的施工步骤如下:
(1)针对具体的崩塌滚石发育区,进行详细的工程地质条件勘察,灾害风险调查与分析。如图1、图2、图3,根据拟防护对象周边的地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质情况、不良地质作用等基本地质条件,崩塌可能发生的位置以及滚石滚落的路径、范围、能量等因素,设计崩塌滚石防护装置的布置位置、尺寸、防护强度,基座的形式、尺寸、埋深、加固方式,确定采用2个防撞结构、n个(根据具体情况设定)栅栏立柱、支撑钢柱的基座位置的具体方案,再根据用于实际条件的立柱形式、立柱规格,确定所需废旧轮胎、废旧钢轨、废旧连接件的数量,进行防护装置的具体设计。
同时,在具体施工作业前,根据施工方案的要求,对施工区域内的地下、地上障碍物进行清除和处理。
(2)按设计间距将立柱基座10与斜撑基座18固定在地基上,控制轴线及标高控制点的测量放线,对基础进行一次性浇筑混凝土。
具体的,如图1、图2,将基座固定在地基上,立柱基座10与斜撑基座18彼此对应,其具体安装位置可以根据实际情况进行调整。在基座施工过程中,注意控制轴线及标高控制点的测量放线,预留好基座立柱预留槽11,对基座进行一次性浇筑混凝土,最后用基座固定锚杆12对基座进行加固。
(3)将栅栏立柱固定在预留槽内,进行混凝土浇筑,保证栅栏立柱的抗弯能力。
具体的,先将基座浇筑时残留其上的混凝土和保护物清除,在栅栏立柱4上画出轴线进行安装,安装定位时钢柱20上画出的轴线应与基础画出轴线重合,以此控制栅栏立柱4在立柱基座10中的位置,利用经纬仪和水准仪测量其栅栏立柱4垂直度及标高,进行二次混凝土浇灌,保证立柱抗弯强度最大。
(3)将栅栏立柱4与栅栏横梁5、栅栏立柱4与栅栏斜撑17之间分别使用连接件进行连接,将栅栏立柱4、栅栏横梁5、栅栏横杆6、栅栏竖杆7的交叉处分别连接构成栅栏的主面、左翼面、右翼面三个面。
优选的,为了防止轮胎单元B2从栅栏的空隙中挤出,应保证栅栏横杆6与栅栏竖杆7相互交叉形成的空隙小于一个轮胎单元的轮廓尺寸。
(5)分别在轮胎A13、轮胎B14内部均填入轮胎空腔填充物15,轮胎空腔填充物15选用土石沙混合物材料。如图2所示,将轮胎A13叠放连接构成轮胎单元A1,将轮胎B14叠放连接构成轮胎单元B2,相邻的两个轮胎之间通过轮胎单元连接件3连接。
制作轮胎单元A1和轮胎单元B2的工序可与立柱基座10的浇筑或栅栏的组装过程同步进行,以缩短工期。
(6)将轮胎单元A1在竖向上叠放套入左右两侧边界的栅栏立柱中构成防撞结构,防撞结构位于整个装置的左右两侧边界,相邻的轮胎单元A1之间也通过上述的轮胎单元连接件3连接。轮胎与轮胎、轮胎与栅栏之间通过轮胎单元连接件3进行连接形成一个整体,保证防撞性能。
(7)将轮胎单元B2分别在竖向与横向上叠放连接构成轮胎缓冲组件,轮胎缓冲组件以装置左右两侧的防撞结构为边界,且由栅栏的主面、左翼面、右翼面三个面环抱。
具体的,编制废旧轮胎缓冲组件:将轮胎B依次堆叠连接,用轮胎空腔填充物15填充轮胎空腔后通过轮胎单元连接件3进行连接形成一个轮胎单元,多个轮胎单元通过轮胎单元连接件3堆叠连接形成轮胎筒,多个轮胎筒通过轮胎单元连接件3连接形成缓冲组件单层,多个缓冲组件单层通过轮胎单元连接件3连接形成多层结构的轮胎缓冲组件。其中,靠近栅栏一侧的轮胎筒的直接与栅栏通过胎杆连接件19连接在一起形成轮胎缓冲组件第一层,以防撞结构为边界设计废旧轮胎缓冲组件的层数,不同层相邻轮胎筒之间同样用轮胎单元连接件3进行连接。胎杆连接件19采用与轮胎单元连接件3相同或相似的材料或结构。
多层结构的轮胎缓冲组件,可保证缓冲面的连续性,有效防止因拦截遗漏造成的滚石下落;同时轮胎筒之间的空间可使轮胎筒保持两个的缓冲性能,同时也为散落迸溅的滚石提供存储空间,滚石进入该空间后,作为填充物增强轮胎缓冲组件的强度。
如此,栅栏将轮胎缓冲组件三面环抱,防撞结构起到阻挡保护作用,防止缓冲结构受到冲击后向外扩散,二者形成一个整体,刚柔并济,更好的防治崩塌滚石灾害。
(8)根据崩塌滚石缓冲消能防护装置的缓冲设计调节相邻轮胎单元B之间连接的松紧程度,根据防护装置的柔度需求选择用沙土、碎石等轮胎柱环形空腔填充物16填充轮胎柱环形空腔。
如此,轮胎缓冲组件可以消耗吸收大部分能量,栅栏的每一部分都受轮胎的保护,大大减缓了损坏的概率,保证了装置的持久耐用性,同时滚石撞击轮胎缓冲组件时,栅栏给予支撑,保证防护装置的稳定性,二者相辅相成,共同防护崩塌滚石。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。