CN112832264B - 一种边坡支护措施的吸能缓冲装置及缓冲方法 - Google Patents

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Abstract

一种边坡支护措施的吸能缓冲装置及缓冲方法,装置包括吸能缓冲机构，吸能缓冲机构设置在边坡支护与岩土体之间；吸能缓冲机构包括受力钢板、拱状弹性钢板，轮廓内部设有抗冲击弹簧结构，所述的抗冲击弹簧结构一端连接在拱状弹性钢板、另一端连接拱状弹性钢板或受力钢板，轮廓内部填充吸能材料；至少有一面所述的受力钢板面向岩土体，拱状弹性钢板不与岩土体接触;所述方法包括根据边坡支护结构设计框格机构、在框格机构中设置多个吸能缓冲机构；吸能缓冲机构吸收边坡支护所受压力变化值。本发明的优点是，运用受力钢板、拱状弹性钢板、抗冲击弹簧结构构成的吸能缓冲机构，能够吸收部分激增的能量、起到缓冲作用。

Description

一种边坡支护措施的吸能缓冲装置及缓冲方法
技术领域
本发明涉及边坡支护措施领域，尤其是一种用于挡土墙、抗滑桩后侧的吸能缓冲装置。
技术背景
边坡的稳定问题是工程建设中频繁遭遇的问题，如库岸边坡、公路边坡、隧道的进口与出口边坡、建筑边坡等，都会涉及到。边坡一旦失稳，轻则影响交通运输、蓄水灌溉，重则严重威胁到人民的生命与财产安全。因此以稳定性作为分析的基础，设计合理的支护措施，从而保证边坡及其周边环境的安全，常用的支护措施有挡土墙、抗滑桩等。然而，在外部荷载的作用下，挡土墙易发生滑移、倾覆、崩裂，同样抗滑桩会出现剪断或折断、推倒等破坏形态。其主要是原因是由于挡土墙、抗滑桩为典型的刚性支护结构，在墙（桩）后土压力作用下允许产生的变形很小，如果能在墙（桩）后设置一个变形缓冲层，具有和墙体相近的刚度，可以较好的传递土压力，在墙后土体变形较大时，缓冲层可以产生较大的变形，而且在变形过程中可保持刚度，也即传递荷载能力不变，将很好的弥补挡土墙、抗滑桩等支护措施抗变形能力的不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种边坡支护措施的吸能缓冲装置及方法，运用受力钢板、拱状弹性钢板、抗冲击弹簧结构构成的吸能缓冲机构，并以吸能材料为辅进行填充，固定于框格机构中，设置在支护结构体的背部。在外部荷载剧增的情况下，能够吸收部分激增的能量、起到缓冲作用，有效防止支护措施发生脆性破坏。另外，在拱状弹性钢板上设有应变片，通过电缆线与外部的电阻应变仪构成应力变形监测机构，用于实时的监测与预警。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种边坡支护措施的吸能缓冲装置包括吸能缓冲机构，所述的吸能缓冲机构设置在边坡支护与岩土体之间；
所述的吸能缓冲机构包括受力钢板、拱状弹性钢板，所述的受力钢板与所述的拱状弹性钢板通过卡槽构成轮廓，轮廓内部设有抗冲击弹簧结构，所述的抗冲击弹簧结构一端连接在拱状弹性钢板、另一端连接拱状弹性钢板或受力钢板，轮廓内部填充吸能材料；
至少有一面所述的受力钢板面向岩土体，拱状弹性钢板不与岩土体接触。
进一步讲，所述的缓冲装置还包括的框格机构；
所述的框格机构由柔性材料制作而成多个独立空间的箱型装置，每个所述的独立空间内均设有一个或多个吸能缓冲机构。
进一步讲，所述的缓冲装置还包括设在吸能缓冲机构上的应力变形监测机构；
所述的应力变形监测机构包括应变片及连接所述应变片的电阻应变仪，所述的应变片设在拱状弹性钢板上。
进一步讲，所述的抗冲击弹簧结构包括中间的实心钢柱及分设在所述实心钢柱两侧的内含弹簧的套管；
所述的套管一端连接所述的实心钢柱、另一端连接在所述的拱状弹性钢板。
进一步讲，所述的实心钢柱通过突起矩形体与所述的套管导槽连接，在所述的导槽内设置有弹出式缓冲棱体。
进一步讲，所述的弹出式缓冲棱体由平放的直角三棱体及所述直角三棱体下部的弹簧件构成，在外荷载剧增的作用下，所述实心钢柱实起矩形体在导槽中滑动并将平放的直角三棱体压至导槽下部，起到缓冲的作用；当外荷载被平衡一部分，所述直角三棱体在所述弹簧作用下重新弹出，为下一次的突变预留缓冲空间。
进一步讲，所述吸能缓冲机构包括三块受力钢板、二块拱状弹性钢板，三块所述的受力钢板与二块所述的拱状弹性钢板通过卡槽构成轮廓，所述的抗冲击弹簧结构一端连接在拱状弹性钢板、另一端连接与所述拱状弹性钢板对应的所述受力钢板，轮廓内部填充吸能材料，二块所述的拱状弹性钢板共同连接一个所述的受力钢板。
进一步讲，所述吸能缓冲机构包括一块受力钢板、三块拱状弹性钢板，一块所述的受力钢板与三块所述的拱状弹性钢板通过卡槽构成轮廓，所述的抗冲击弹簧结构一端连接在拱状弹性钢板、另一端连接对应的拱状弹性钢板，轮廓内部填充吸能材料，不与所述抗冲击弹簧连接的拱状弹性钢板与边坡支护相接触。
一种边坡支护措施的吸能缓冲方法包括根据边坡支护结构设计框格机构、在所述的框格机构中设置多个吸能缓冲机构；
吸能缓冲机构吸收边坡支护所受压力变化值。
进一步讲，所述的方法还包应力监测，在每个所述的吸能缓冲机构上设置一个应力变形监测机构，支护结构受岩土体的受力变化值转化为应力变形监测机构数值信号。
进一步讲，所述拱状弹性钢板的拱形弧度和/或厚度可以调整，通过调整拱状弹性钢板的拱形弧度和/或厚度来调节吸能缓冲机构吸收边坡支护所受压力变化值极限值；
所述拱状弹性钢板的拱形弧度大于等于125度、小于等于185度。
本发明一种边坡支护措施的吸能缓冲装置及方法，具有以下技术效果：
1）、当外部荷载处于较为稳定的状态，作用于缓冲装置外接触面，在抗冲击弹簧结构轻度压缩、两侧的拱状弹性钢板及弹簧发生小变形的情况下，能将荷载传递给支护结构，此时吸能缓冲效果不明显。
2）、当外部荷载发生剧变时（地震、滑坡等），作用于缓冲装置外接触面的荷载急剧增大，荷载剧变下产生的重力势能、动能部分会转化为弹性势能被吸收，体现为拱状弹性钢板的向内大幅度弯曲、抗冲击弹簧结构被压缩，同时与岩土体接触的受力钢板向下发生位移、内部填充的吸能材料被挤压。经过吸能缓冲过程，剧增的能量会被削弱，并以相对柔和的方式传递给支护结构。同时，外部荷载产生的变形主要发生在吸能缓冲装置内，大幅度减小了支护结构的变形，有效防止了支护结构因荷载剧变而发生的变形破坏。
3）、当外部荷载为周期性变化时，以库区消落带为例，在水位快速降落阶段，先前支护结构上部岩土体中回升的地下水来不及消散，对岩土体向外的渗透压力以荷载的形式作用于支护结构，此时拱状弹性钢板、抗冲击弹簧结构向内收缩发生大变形，发挥吸能缓冲作用；在水位回升阶段中，库水通过支护结构作用于受力钢板，提供推力平衡部分外部荷载，使得拱状弹性钢板、抗冲击弹簧结构、吸能材料恢复部分变形，整个装置向外膨胀，为下次的外部荷载的变化预留变形缓冲空间。
4）、通过分布均匀的多个应力变形监测机构可以实现对墙（桩）后部土压力及变形的实时监测，当应力变形接近极限时能及时的采取相应的措施进行处理，起到预警、提前防治的作用。
5）、由规范《水工挡土墙设计规范 SL379-2007》中对挡土墙墙后土压力的分布图（如图2）以及规范《建筑边坡工程技术规范GB50330-2013》中对抗滑桩桩后土压力的分布图（如图2），根据土压力作用于吸能缓冲装置上的荷载在空间上分布不同，受埋深、地下水的高度等因素的影响。通过调整不同深度位置弹簧的劲度系数及拱状弹性钢板的刚度，使得整个吸能缓冲装置在外荷载的作用下产生的变形大致相同，避免因局部的凹凸而影响整体的受力。同时，整个吸能缓冲装置层对墙后及桩后的土压力具有调节功能。
附图说明：
图1为本发明的整体结构（挡土墙、抗滑桩）示意图；
图2为挡土墙（以重力式挡墙为例）、抗滑桩（悬臂桩）土压力分布图；
图3为本发明的框格结构的示意图；
图4为本发明中吸能缓冲机构的示意图；
图5为本发明中抗冲击弹簧结构的示意图；
图6为本发明中抗冲击弹簧结构的主视图；
图7为本发明中实心钢柱的示意图；
图8为本发明中套管的示意图；
图9为本发明中橡胶套的示意图；
图10为本发明中弹出式缓冲棱体的安装示意图；
图11为本发明中弹出式缓冲棱体的细部图；
图12为吸能缓冲机构的优选示意图；
图13为本发明中单元体及电阻应变仪的示意图；
图14为本发明中卡槽与两种钢板之间衔接的侧视图；
图15为固定槽的侧视图；
图16为吸能缓冲机构的另一优选示意图；
图17为边坡支护结构为曲面外突的结构示意图；
图18为边坡支护结构为曲面内突的结构示意图。
图中：吸能缓冲装置1，基础2，墙体3，盖板4，框格机构5，吸能缓冲机构6，受力钢板6-1，拱状弹性钢板6-2，抗冲击弹簧结构6-3，弹簧6-3-1，橡胶套6-3-2，实心钢柱6-3-3，套管6-3-4，弹出式缓冲棱体6-3-5，抗滑桩9，边坡10，卡槽11，固定槽12，应变片13，电缆线14，电阻应变仪15、突起矩形体16、导槽17。
具体实施方式
如图1、图2中，一种边坡支护措施的吸能缓冲装置1设置在边坡10支护（抗滑桩9或墙体3，墙体3下端设有基础2、上端设有盖板4）与岩土体之间发挥吸能与缓冲的作用。
边坡支护措施的吸能缓冲装置1包括吸能缓冲机构6、框格机构5、应力变形监测机构，如图4中，所述的吸能缓冲机构6包括受力钢板6-1、拱状弹性钢板6-2，所述的受力钢板6-1与所述的拱状弹性钢板6-2通过卡槽构成轮廓，轮廓内部设有抗冲击弹簧结构6-3，所述的抗冲击弹簧结构6-3一端连接在拱状弹性钢板6-2、另一端连接拱状弹性钢6-2板或受力钢板6-1，轮廓内部填充吸能材料；由于墙后及桩后的土压力分布受埋深及地下水等因素的影响，那么可以通过调整抗冲击弹簧结构6-3中弹簧的劲度系数及拱状弹性钢板6-2的刚度来满足不同空间位置的对吸能缓冲的要求。
至少有一面所述的受力钢板6-1面向岩土体，拱状弹性钢板6-2不与岩土体接触；
如图3，所述的框格机构5由柔性材料制作而成多个独立空间的箱型装置，每个所述的独立空间内均设有一个或多个吸能缓冲机构6，每个方格独立且宽度与吸能缓冲机构6相匹配，如图14、15所示，其内部设置有竖向的长条状固定槽12，长条状卡槽11通过固定槽12将吸能缓冲装置紧固于框格之中，为吸能缓冲机构6提供固定位点的同时起到密封作用，避免金属部件在地下环境中发生锈蚀，延长整个装置的使用寿命。
边坡支护措施的吸能缓冲装置1还包括设在吸能缓冲机构上的应力变形监测机构；
如图13中，所述的应力变形监测机构包括应变片13及连接所述应变片13的电阻应变仪15，所述的应变片13设在拱状弹性钢板6-2上，应变片13通过的电缆线14与电阻应变仪15连接。
如图5、6所示，所述的抗冲击弹簧结构6-3包括中间的实心钢柱6-3-3及分设在所述实心钢柱6-3-3两侧的内含弹簧6-3-1的套管6-3-4，吸能缓冲机构6的外部轮廓与抗冲击弹簧结构6-3之间形成的填充空间中可填充聚丙烯泡沫塑料、废旧橡胶等吸能缓冲材料；
所述的套管6-3-4一端连接所述的实心钢柱6-3-3、另一端连接在所述的拱状弹性钢板6-2。
如图7、8，所述的实心钢柱6-3-3通过突起矩形体16与所述的套管6-3-4导槽17连接，在所述的导槽17内设置有弹出式缓冲棱体6-3-5，所述的实心钢柱6-3-3上下两端具有突起矩形体16，实心钢柱6-3-3的外径略小于套管6-3-4的内径。
所述的套管6-3-4具有一定的壁厚，在其内侧设有导槽17，其尺寸与实心钢柱6-3-3的突起矩形体16相匹配，保证两者发生相对滑动。
如图10、11，所述的弹出式缓冲棱体6-3-5由平放的直角三棱体及所述直角三棱体下部的弹簧体构成，在外荷载剧增的作用下，所述实心钢柱实起矩形体在导槽中滑动并将平放的直角三棱体压至导槽下部，起到缓冲的作用；当外荷载被平衡一部分，所述直角三棱体在所述弹簧作用下重新弹出，为下一次的突变预留缓冲空间。抗冲击弹簧结构6-3由中部的实心钢柱6-3-3及两侧的套管6-3-4通过导轨连接，套管6-3-4中设置有弹簧6-3-1，导轨中设有弹出式缓冲棱体6-3-5。在外荷载的作用下，抗冲击弹簧结构6-3受到压力，导致实心钢柱6-3-3在导轨中滑动压缩弹簧6-3-1，同时导轨中的弹出式缓冲棱体6-3-5对实心钢柱6-3-3起到缓冲作用。通过弹簧6-3-1和弹出式缓冲棱体6-3-5将外荷载产生的动能转变为弹性势能，能缓冲作用在支护结构上的突变荷载。
吸能缓冲装置1的一个单元体为例，单元体由单一的吸能缓冲机构6单一的框格5构成，两者的尺寸相匹配，从而保证吸能缓冲机构6和框格5在外力的作用下不会发生相对位移。受力钢板6-1紧贴框格5中的橡胶板，一端接触岩土体，一端作用在支护措施上；吸能缓冲机构6内部及其与框格形成的填充空间8可以填充聚丙烯泡沫塑料、废旧橡胶等吸能缓冲材料。每个单元体内部设置有多个应变片13（具体数量以实际要求为准，本发明中以8个作为示意），应变片13通过连接线汇集于单元体顶部，每个单元体通过电缆线14将应变数据传递到电阻应变仪15，进行实时的应力变形监测并起到遇到预警的作用。
以单元体构成整体的吸能缓冲装置，置于支护结构的背部，通过将外部荷载产生的能量转化为自身的弹性能，为支护结构提供缓冲作用。
如图9，两个套管6-3-4之间设有橡胶套6-3-2，保护中间的实心钢柱6-3-3不被侵蚀。外荷载突变时，拱状弹性钢板向内挤压，实心钢柱6-3-3通过突起矩形体16在两侧的套管6-3-4中导槽17滑动，除了受到弹簧6-3-1的缓冲作用之外，还会受到导槽17中的弹出式缓冲棱体6-3-5的缓冲作用。
如图12中，所述吸能缓冲机构6包括三块受力钢板6-1、二块拱状弹性钢板6-2，三块所述的受力钢板6-1与二块所述的拱状弹性钢板6-2通过卡槽构成轮廓，所述的抗冲击弹簧结构6-3一端连接在拱状弹性钢板6-2、另一端连接与所述拱状弹性钢板6-2对应的所述受力钢板6-1，轮廓内部填充吸能材料，二块所述的拱状弹性钢板6-2共同连接一个所述的受力钢板6-1，连接二个拱状弹性钢板6-2的受力钢板6-1可以为平面的异形结构，可以为梯形或三角形或平行四边形，此结构可用于边坡支护结构为曲面外突的结构如图17所示。
如图16，所述吸能缓冲机构6包括一块受力钢板6-1、三块拱状弹性钢板6-2，一块所述的受力钢板6-1与三块所述的拱状弹性钢板6-2通过卡槽构成轮廓，所述的抗冲击弹簧结构6-3一端连接在拱状弹性钢板6-1、另一端连接对应的拱状弹性钢板6-2，轮廓内部填充吸能材料，不与所述抗冲击弹簧连接的拱状弹性钢板6-2与边坡支护相接触，此结构适用于边坡支护结构为曲面内突的结构如图18所示。
一种边坡支护措施的吸能缓冲方法包括根据边坡支护结构设计框格机构、在所述的框格机构中设置多个吸能缓冲机构；
吸能缓冲机构吸收边坡支护所受压力变化值。
在每个所述的吸能缓冲机构上设置一个应力变形监测机构，支护结构受岩土体的受力变化值转化为应力变形监测机构数值信号，所述的应力变形监测机构由固定于拱状弹性钢板上的4对应变片通过电缆线与外部的电阻应变仪构成，通过测得拱状弹性钢板的应变和钢板自身的力学参数，可以计算得出拱状弹性钢板的受力情况和变形情况，最终得出墙（桩）后各点的土压力和变形情况，起到监测与预警的作用。
所述拱状弹性钢板的拱形弧度和/或厚度可以调整，通过调整拱状弹性钢板的拱形弧度和/或厚度来调节吸能缓冲机构吸收边坡支护所受压力变化值极限值；
所述拱状弹性钢板的拱形弧度大于等于125度、小于等于185度，拱状弹性钢板的拱形弧度（拱状弹性钢板二端至同心圆的中心形成的夹角）由125度至185度，其吸能缓冲机构吸收边坡支护所受压力变化值极限值由小增大，厚度增大时其吸能缓冲机构吸收边坡支护所受压力变化值极限值由小增大，在设计时，可以在墙体受力大的区域设置拱形弧度大、厚度大的拱状弹性钢板，墙体受力小的区域设置拱形弧度小、厚度小的拱状弹性钢板，从而保证墙体的稳定性，在降低成本的情况下，还可以有利的保护墙体，在实际使用过程中通过应力变形监测机构可时实了解墙体受力的具体变化，对局部吸能缓冲机构不能满足变化需要区域内的吸能缓冲机构可以进行更换。

Claims (4)

1.一种边坡支护措施的吸能缓冲装置，其特征是：所述的缓冲装置包括吸能缓冲机构，所述的吸能缓冲机构设置在边坡支护与岩土体之间；
所述的吸能缓冲机构包括受力钢板、拱状弹性钢板，所述的受力钢板与所述的拱状弹性钢板通过卡槽构成轮廓，轮廓内部设有抗冲击弹簧结构，所述的抗冲击弹簧结构一端连接在拱状弹性钢板、另一端连接拱状弹性钢板或受力钢板，轮廓内部填充吸能材料；
至少有一面所述的受力钢板面向岩土体，拱状弹性钢板不与岩土体接触;
所述的缓冲装置还包括的框格机构；
所述的框格机构由柔性材料制作而成多个独立空间的箱型装置，每个所述的独立空间内均设有一个或多个吸能缓冲机构;
所述的抗冲击弹簧结构包括中间的实心钢柱及分设在所述实心钢柱两侧的内含弹簧的套管；
所述的套管一端连接所述的实心钢柱、另一端连接在所述的拱状弹性钢板;
所述的实心钢柱通过突起矩形体与所述的套管导槽连接，在所述的导槽内设置有弹出式缓冲棱体;
所述拱状弹性钢板的拱形弧度和/或厚度可以调整，通过调整拱状弹性钢板的拱形弧度和/或厚度来调节吸能缓冲机构吸收边坡支护所受压力变化值极限值；
所述拱状弹性钢板的拱形弧度大于等于125度、小于等于185度。
2.根据权利要求1所述的一种边坡支护措施的吸能缓冲装置，其特征是：所述的缓冲装置还包括设在吸能缓冲机构上的应力变形监测机构；
所述的应力变形监测机构包括应变片及连接所述应变片的电阻应变仪，所述的应变片设在拱状弹性钢板上。
3.根据权利要求1-2之一所述的一种边坡支护措施的吸能缓冲装置，其特征是：所述吸能缓冲机构包括三块受力钢板、二块拱状弹性钢板，三块所述的受力钢板与二块所述的拱状弹性钢板通过卡槽构成轮廓，所述的抗冲击弹簧结构一端连接在拱状弹性钢板、另一端连接与所述拱状弹性钢板对应的所述受力钢板，轮廓内部填充吸能材料，二块所述的拱状弹性钢板共同连接一个所述的受力钢板。
4.根据权利要求1-2之一所述的一种边坡支护措施的吸能缓冲装置，其特征是：所述吸能缓冲机构包括一块受力钢板、三块拱状弹性钢板，一块所述的受力钢板与三块所述的拱状弹性钢板通过卡槽构成轮廓，所述的抗冲击弹簧结构一端连接在拱状弹性钢板、另一端连接对应的拱状弹性钢板，轮廓内部填充吸能材料，不与所述抗冲击弹簧连接的拱状弹性钢板与边坡支护相接触。
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