本發(fā)明涉及一種棚洞與其設(shè)計(jì)方法，特別是一種防治山區(qū)道路內(nèi)側(cè)高速坡面滾石災(zāi)害的結(jié)構(gòu)體及其設(shè)計(jì)方法，屬于山區(qū)災(zāi)害防治、路橋工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

公路干線在通過(guò)高山峽谷時(shí)，其路基常由較穩(wěn)定一側(cè)坡體削坡開挖而成，多屬坡面高位路基。這類橋路工程因位于特殊的地質(zhì)地貌環(huán)境，特別是中/高位崩塌形成的高速坡面滾石災(zāi)害，常砸毀車輛、阻斷交通，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。尤其在西部山區(qū)的交通干線上，崩塌滾石災(zāi)害嚴(yán)重，危害尤為嚴(yán)重。

棚洞作為滾石防治最有效最普遍的工程技術(shù)之一，已被大規(guī)模廣泛應(yīng)用于道路邊坡滾石防治中。現(xiàn)有棚洞主要形式包括墻式、拱式、懸臂式、柱式等等，材料有鋼筋混凝土、輕鋼、砂石等等?，F(xiàn)有棚洞雖然種類繁多，但多是通過(guò)“攔擋滾石”來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)路基的防護(hù)，屬于“被動(dòng)攔擋”。工程實(shí)踐表明，這些“被動(dòng)攔擋”棚洞對(duì)大規(guī)模群發(fā)、高頻反復(fù)、高速高強(qiáng)沖擊的滾石防治效果有限。其技術(shù)缺陷表現(xiàn)在：首先，由于阻斷滾石下泄路徑并淤停在洞頂，因而棚頂在“大規(guī)模群發(fā)”滾石作用下承擔(dān)的荷載持續(xù)增加，直接降低了結(jié)構(gòu)安全性。其次，這類結(jié)構(gòu)主要基于“力的控制”理論設(shè)計(jì)，剛度較大，直接攔擋“高速高強(qiáng)”滾石沖擊， 雖然通過(guò)保守設(shè)計(jì)可保證單次沖擊的安全性，但整體結(jié)構(gòu)會(huì)因“高頻反復(fù)”滾石作用而不斷損傷，最終當(dāng)損傷累積到一定程度后就會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)性無(wú)征兆的突發(fā)破壞，危害極大。最后，傳統(tǒng)攔擋型棚洞多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其建造費(fèi)用高、施工周期長(zhǎng)、在高山峽谷區(qū)修建難度大、損毀后不易修復(fù)、大自重增加橋隧荷載等不利因素也限制了其在高山峽谷區(qū)的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種與現(xiàn)有棚洞的“攔擋”構(gòu)思不同、便于在山區(qū)快速組裝施工的棚洞結(jié)構(gòu)體，以及該棚洞的設(shè)計(jì)方法

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明首先提供一種棚洞，其技術(shù)方案如下：

一種棚洞，布置在山區(qū)路基與山體邊坡之間，其特征在于：所述棚洞包括Y形架梁，Y形架梁的頂部聯(lián)接下凹圓弧形蓋板，所述蓋板的固定側(cè)邊與山體邊坡相切，所述蓋板自由側(cè)邊頂端切線與水平面夾角β≤45°。

上述棚洞是一種以“滑躍自拋排導(dǎo)”為技術(shù)構(gòu)思的滾石棚洞結(jié)構(gòu)體。棚洞蓋板采用下凹圓弧形，且固定側(cè)邊與山體邊坡相切。當(dāng)滾石沿山體坡面墜落時(shí)，直接沿相切面滾入棚洞蓋板，再以蓋板的下凹圓弧形輪廓線為運(yùn)動(dòng)軌跡，自蓋板的另一側(cè)邊向外“滑躍拋出”到棚洞的安全空域外側(cè)的峽谷中，避免了滾石的直接沖擊。崩塌滾石是地球外營(yíng)力作用下地貌削高填低的過(guò)程。從地學(xué)角度看，它是地球物質(zhì)大循環(huán)中客觀存在、不可逆也不能消亡的一環(huán)。上述棚洞結(jié)構(gòu)改攔擋滾石使其靜止為引導(dǎo)滾 石使其依軌跡運(yùn)動(dòng)，更符合自然規(guī)律。引導(dǎo)滾石滑躍拋出的方法也使本發(fā)明棚洞結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)棚洞結(jié)構(gòu)更能防治高速滾石墜落的危害。

以上述棚洞為基礎(chǔ)，在優(yōu)選設(shè)計(jì)中，棚洞的蓋板采用夾心結(jié)構(gòu)，包括上、下蒙皮板。蒙皮板是剛性材料，上、下蒙皮板間填充耗能材料。該結(jié)構(gòu)的蓋板是一種耗能結(jié)構(gòu)，能夠針對(duì)超出設(shè)計(jì)的滾石沖擊做出響應(yīng)，并通過(guò)耗能材料的塑性變形來(lái)耗散極端沖擊，控制作用在棚洞主體結(jié)構(gòu)上的荷載，保證棚洞的安全。依照弧形結(jié)構(gòu)面的常設(shè)施工設(shè)計(jì)，蓋板由蓋板單元沿蓋板的圓弧輪廓拼接構(gòu)成。

進(jìn)一步地，上述棚洞的Y形架梁包括下部立柱與上部桁架結(jié)構(gòu)，立柱固定在地基中，蓋板覆蓋在桁架結(jié)構(gòu)上。立柱采用灌漿鋼管樁結(jié)構(gòu)，包括中心加強(qiáng)筋與中心加強(qiáng)筋外套裝的至少一層鋼性管。進(jìn)一步地，鋼性管是偏心套裝，鋼性管中心向坡體內(nèi)側(cè)偏移。在該偏心加筋優(yōu)化設(shè)計(jì)中，剛性管的內(nèi)徑差異與相互間向坡體內(nèi)側(cè)偏移嵌套布置，能夠在約束漿體材料、提升樁體抗壓能力的同時(shí)，提升剛性管注漿樁的抗彎/抗剪能力。中心加強(qiáng)筋布置在內(nèi)層鋼性管的中心線上，用于增加抗拉強(qiáng)度，可采用碳纖維筋、石英纖維筋、螺紋鋼筋、工字鋼、三角鋼等鋼性材料，以增強(qiáng)樁體抗彎和抗剪性能。

上述棚洞，蓋板固定側(cè)邊一般采用錨桿/錨索的錨固結(jié)構(gòu)保證蓋板與山體坡面相切的固定聯(lián)接關(guān)系，并為棚洞提供抗側(cè)向沖擊能力。

在實(shí)際建設(shè)工程中，本發(fā)明棚洞可以先根據(jù)需保護(hù)路基的長(zhǎng)度、山地坡面角度的特征分隔設(shè)計(jì)為多個(gè)棚洞單體。每個(gè)棚洞單體有一定長(zhǎng)段，根據(jù)需要統(tǒng)一設(shè)計(jì)或分別設(shè)計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，各棚洞單體按無(wú)縫順序銜接的方式沿著滾石多發(fā)路段的內(nèi)側(cè)坡腳線性布置。

上述棚洞中，桁架結(jié)構(gòu)頂棚包括固定蓋板的剛性環(huán)梁、連接在剛性環(huán)梁下的豎向桁架三角面、與豎向桁架三角面垂直的橫向主梁、必要的邊架、副梁。

本發(fā)明棚洞在實(shí)際使用過(guò)程中為達(dá)到穩(wěn)定地將坡面滾石向外“滑躍拋出”的目標(biāo)，需解決蓋板曲率半徑值、立柱鋼管樁埋深值、側(cè)邊錨固系統(tǒng)錨固深度值等關(guān)鍵性參數(shù)值的設(shè)計(jì)。該參數(shù)值的確定能夠保證整個(gè)棚洞體承受坡面滾石墜沖擊荷載，并使?jié)L石沿蓋板曲線繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，向外拋出，完成“滑躍”的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供上述棚洞的設(shè)計(jì)方法，用于分別完成蓋板曲率半徑值R、棚洞灌漿鋼管樁結(jié)構(gòu)立柱的埋深值L_p、棚洞蓋板側(cè)邊錨固深度值L_b的設(shè)計(jì)。

在本發(fā)明棚洞結(jié)構(gòu)中，蓋板曲率半徑值R決定了桁架結(jié)構(gòu)頂棚與蓋板的結(jié)構(gòu)尺寸，間接決定了防治結(jié)構(gòu)的空間形態(tài)、布局、工程量，并最終影響了其對(duì)滾石滑躍排導(dǎo)/遮擋的防護(hù)效果。R值還決定了滾石作用在結(jié)構(gòu)上的荷載，直接影響了支撐樁體的直徑、埋置深度，以及錨固結(jié)構(gòu)錨固深度，決定了結(jié)構(gòu)的整體安全性和可靠性。因此本發(fā)明首先提供棚洞的設(shè)計(jì)方法，用于下凹圓弧形蓋板曲率半徑值R的設(shè)計(jì)，其技術(shù)方案如下：

棚洞設(shè)計(jì)方法，其特征在于：用于蓋板曲率半徑值R的設(shè)計(jì)，依如下步驟實(shí)施：

步驟S1、獲取基本數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)勘察確定道路內(nèi)側(cè)坡面傾角α，根據(jù)工程設(shè)計(jì)確定棚洞安全空域有效高度h₀；

步驟S2、確定蓋板曲率半徑值R

依式1計(jì)算確定下凹圓弧形蓋板曲率半徑值R

式中，β—蓋板自由側(cè)邊頂端切線與水平面夾角，取值45°，

α—坡面傾角，單位°，步驟S1確定，

h₀—棚洞安全空域有效高度，單位m，步驟S1確定。

上述棚洞設(shè)計(jì)方法中，為確定蓋板曲率半徑值R，關(guān)鍵性的技術(shù)是確定滾石滑躍拋出的角度，即蓋板自由側(cè)邊頂端切線與水平面夾角β的最優(yōu)取值。本發(fā)明方法設(shè)定角度β的最優(yōu)取值45°基于以下技術(shù)原理：

如圖1所示，本發(fā)明棚洞結(jié)構(gòu)防治滾石的核心思想是在不改變滾石動(dòng)能的前提下，通過(guò)改變滾石運(yùn)動(dòng)方向?qū)⑵湓俅螔伷?，形成高于路基待防護(hù)空域的拋物軌跡，向坡體外側(cè)拓寬對(duì)滾石防治的安全空域。這個(gè)安全空域的長(zhǎng)度即滾石從拋出點(diǎn)B拋出后又墜落至B點(diǎn)高度的時(shí)間段t內(nèi)飛行的水平距離l(待保護(hù)空域的有效寬度l₀≤l)，可以表示為式1.1：

l＝v_Bcosβ·t 式1.1

式中：β為滾石拋出速度與水平面的夾角，v_B為滾石從B點(diǎn)拋出時(shí)的速度，可由表示為式1.2：

式中，g為重力加速度；h為滾石墜落點(diǎn)到拋出點(diǎn)B的垂直高度，即墜落高度；k為滾石坡面滾動(dòng)能量損失系數(shù)，由現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)確定；t為滾石從拋出點(diǎn)B向上拋出做拋物運(yùn)動(dòng)后又墜落至B點(diǎn)高度所需時(shí)間，可以表示為式1.3：

將式1.3、式1.2帶入式1.1可知，當(dāng)滾石墜落高度h確定時(shí)，棚洞結(jié)構(gòu)形成的安全空域長(zhǎng)度是有上限的。即，當(dāng)且僅當(dāng)棚洞結(jié)構(gòu)的滑躍拋出角β＝45°時(shí)滾石飛行的水平距離達(dá)到最大值l_max。如此，在傾角為α的道路內(nèi)側(cè)坡面上按最優(yōu)拋出角度β＝45°設(shè)置棚洞結(jié)構(gòu)體時(shí)，要求結(jié)構(gòu)拋出點(diǎn)B位于道路內(nèi)側(cè)坡腳C點(diǎn)正上方安全高度h₀處。設(shè)計(jì)棚洞頂部下凹圓弧形蓋板時(shí)，要求其圓心角為α+β，且其外側(cè)翼面與拋出方向相切與拋出點(diǎn)B，內(nèi)側(cè)翼面則與坡面自然相切并錨固在A點(diǎn)。依此技術(shù)原理得到蓋板曲率半徑值R設(shè)計(jì)方法的技術(shù)方案。

確定蓋板曲率半徑值R后，可進(jìn)一步完成桁架結(jié)構(gòu)頂棚主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)。具體是：

對(duì)支撐蓋板的桁架結(jié)構(gòu)頂棚而言，其宏觀尺寸可由其頂部蓋板與兩條等長(zhǎng)的剛性邊架圈定。桁架結(jié)構(gòu)頂棚的豎向桁架三角面底部夾角為π－(α+β)，豎向桁架三角面兩外側(cè)邊架長(zhǎng)度w(即結(jié)構(gòu)頂棚內(nèi)外側(cè)翼面長(zhǎng)度)依式2計(jì)算確定：

以上述棚洞設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)棚洞灌漿鋼管樁結(jié)構(gòu)立柱的埋深值L_p設(shè)計(jì)，具體技術(shù)方案依如下步驟實(shí)施：

上述步驟S1中，獲取的基本數(shù)據(jù)還包括：現(xiàn)場(chǎng)勘察確定坡面滾石最大質(zhì)量m_max、最大墜落高度h_max最小墜落高度，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定滾石坡面滾動(dòng)能量損失系數(shù)k、鋼管樁抗壓強(qiáng)度σ_c、鋼管樁側(cè)阻力q_sp；

上述步驟S2后繼續(xù)實(shí)施步驟S3A：

步驟S3A、確定棚洞灌漿鋼管樁結(jié)構(gòu)立柱的埋深值L_p

步驟S3A1、確定坡面滾石對(duì)棚洞的最大豎向壓力

依式3計(jì)算確定坡面滾石對(duì)棚洞的最大豎向壓力

式中，g—重力加速度，單位m/s²，

m_max—坡面滾石最大質(zhì)量，單位kg，步驟S1確定，

k—滾石坡面滾動(dòng)能量損失系數(shù)，步驟S1確定，

h_max—坡面滾石最大墜落高度，單位m，步驟S1確定，

R—蓋板曲率半徑值，單位m，步驟S2確定；

步驟S3A2、確定灌漿鋼管樁樁徑d_p

依式4計(jì)算確定灌漿鋼管樁樁徑d_p

式中，—坡面滾石對(duì)棚洞的最大豎向壓力，單位kN，步驟S3確定，

σ_c—鋼管樁抗壓強(qiáng)度，單位kPa，步驟S1確定；

步驟S3A3、確定灌漿鋼管樁結(jié)構(gòu)立柱埋深值L_p

依式5計(jì)算確定灌漿鋼管樁結(jié)構(gòu)立柱埋深值L_p

式中，π—圓周率常數(shù)，

q_sp—鋼管樁側(cè)阻力，單位kPa，步驟S1確定，

d_p—灌漿鋼管樁樁徑，單位m，步驟S1確定。

上述棚洞設(shè)計(jì)方法，用于完成對(duì)棚洞灌漿鋼管樁結(jié)構(gòu)立柱的埋深值L_p的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是確定坡面滾石對(duì)棚洞的最大豎向壓力確定的技術(shù)原理在于：

如圖2所示，滾石運(yùn)動(dòng)到蓋板上后，在圓弧形蓋板上變速圓周運(yùn)動(dòng)，對(duì)蓋板的滾動(dòng)沖擊壓力N可表示為式3.1：

式中，m為墜落滾石質(zhì)量，可由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查給出；θ為圓弧法向與豎直方向的夾角，取值范圍為-α≤θ≤β；v_θ為在不考慮滾動(dòng)摩擦情況下滾石自A點(diǎn)沿滑躍板轉(zhuǎn)α+θ角度后的滾動(dòng)速度，可表示為式3.2：

式中，h_θ為滾石轉(zhuǎn)動(dòng)α+θ角度過(guò)程中墜落的高度，可表示為式3.3：

將滾石沿蓋板滑動(dòng)時(shí)的滾動(dòng)沖擊壓力沿水平、豎直方向分解，可表示為式3.4：

將現(xiàn)場(chǎng)勘察取得的滾石最大墜落高度h_max、最大質(zhì)量m_max帶入式3.4，并按表1進(jìn)行數(shù)值分析，即可確定結(jié)構(gòu)承擔(dān)的最大豎向壓力

表1滾石對(duì)結(jié)構(gòu)最大豎向滾動(dòng)沖擊壓力和最大水平?jīng)_擊滾動(dòng)壓力表

特別的，當(dāng)θ＝0°時(shí)，滾石對(duì)棚洞結(jié)構(gòu)的豎向滾動(dòng)沖擊壓力最大，并可給出解析解式3。

本發(fā)明棚洞布置在山區(qū)路基與山體邊坡之間，蓋板的固定側(cè)邊與山體邊坡相切。在實(shí)際工程中，蓋板的固定側(cè)邊一般通過(guò)錨桿/錨索與山體錨固實(shí)現(xiàn)緊接(相切)。以上述棚洞設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，本發(fā)明進(jìn)一步提供棚洞設(shè)計(jì)方法，用于設(shè)計(jì)棚洞蓋板側(cè)邊錨固體系中錨固深度值L_b，具體技術(shù)方案依如下步驟實(shí)施：

上述步驟S1中，獲取的基本數(shù)據(jù)還包括：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定錨桿/錨索錨固段直徑d_b、錨桿/錨索錨固段側(cè)阻力q_sb；

上述步驟S2后繼續(xù)實(shí)施步驟S3B：

步驟S3B、確定棚洞蓋板側(cè)邊錨固深度值L_b

步驟S3B1、確定坡面滾石對(duì)棚洞的最大水平壓力

依式6計(jì)算確定坡面滾石對(duì)棚洞的最大水平壓力

式中各參數(shù)含義同式2；

步驟S3B2、確定錨固深度L_b

依式7計(jì)算確定錨固深度L_b

式中，—坡面滾石對(duì)棚洞的最大水平壓力，單位kN，步驟S3B1確定，

d_b—桿/錨索錨固段直徑，單位m，步驟S1確定，

q_sb—錨桿/錨索錨固段側(cè)阻力，單位kPa，步驟S1確定，

δ—錨桿/錨索錨固傾角，單位°，按照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范(GB50330-2013)》確定。

上述棚洞設(shè)計(jì)方法，用于完成對(duì)棚洞灌漿鋼管樁結(jié)構(gòu)立柱的埋深值L_p的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是確定坡面滾石對(duì)棚洞的最大水平壓力基于與上述式3.1～式3.4及表1相同的演算分析，可以得到的解析解式6。

本發(fā)明的棚洞主要用于預(yù)防坡面的高位滾石對(duì)道路的沖擊破壞。采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)棚洞可安全防治的滾石墜落高度h存在下限值l₀/(2-2k)，其中l(wèi)₀是待防治路基安全空域的有效寬度、由設(shè)計(jì)參數(shù)確定，k是滾石坡面滾動(dòng)能量損失系數(shù)、由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試確定。因此，在棚洞設(shè)計(jì)方法中，當(dāng)步驟S1通過(guò)現(xiàn)在勘察確定的最小墜落高度h_min≤l₀/(2-2k)時(shí)，本發(fā)明技術(shù)方案提供兩種優(yōu)化方案：

優(yōu)化一：棚洞結(jié)構(gòu)優(yōu)化，具體是在棚洞固定側(cè)邊的山體邊坡上增加柔性鋼絲網(wǎng)、輕鋼棚洞等輔助設(shè)施結(jié)構(gòu)，共同構(gòu)成棚洞組合防護(hù)系統(tǒng)。

優(yōu)化二：設(shè)計(jì)方法優(yōu)化，在保證內(nèi)凹圓弧形蓋板的圓心角、桁架結(jié)構(gòu)頂棚內(nèi)側(cè)翼面位置、拋出點(diǎn)B的高度等關(guān)鍵參數(shù)不變的前提下，將外側(cè)翼面隨拋出點(diǎn)B水平外移來(lái)保證滾石的安全防護(hù)，其外移量Δl滿足式8

Δl＝l₀-2(1-k)h_min 式8

在上述優(yōu)化方法中，外移后棚洞結(jié)構(gòu)的規(guī)格增大，對(duì)應(yīng)圓弧曲率半徑由R增大至R′，并可由式9計(jì)算確定：

進(jìn)一步地，結(jié)構(gòu)頂棚豎向桁架三角面(122)兩外側(cè)邊架長(zhǎng)度w′依式10計(jì)算確定：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：(1)本發(fā)明提供了一種基于新的技術(shù)構(gòu)思的棚洞結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品能夠通過(guò)“滑躍排導(dǎo)”的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)中/高位崩塌滾石單/群體的有效防治，解決了傳統(tǒng)棚洞面臨“高能級(jí)沖擊損毀”、“高頻損傷累積破壞”、“攔擋淤塞壓垮”等問(wèn)題。(2)本發(fā)明頂棚的支撐樁采用多腔套管注漿而成，套管沿沖擊方向定向偏心，使得樁體不僅有較好的抗壓性能，其抗彎和抗剪性能也得到極大提升。(3)本發(fā)明棚洞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，主要部件均可依實(shí)際工況先期進(jìn)行工廠標(biāo)準(zhǔn)化定制生產(chǎn)，再在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)不同防護(hù)對(duì)象與地形條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)搭建組裝，具有廣泛適應(yīng)性。同時(shí)，施工速度快，工程質(zhì)量容易控制，勞動(dòng)強(qiáng)度低，能在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不易施工的在高山峽谷區(qū)應(yīng)用，且便于搶險(xiǎn)救災(zāi)。(4)本發(fā)明棚洞結(jié)構(gòu)為模塊化生產(chǎn)安裝，可實(shí)現(xiàn)對(duì)受損構(gòu)件有針對(duì)性替換，極大的降低工程運(yùn)行期的維護(hù)成本，解決了傳統(tǒng)棚洞不易修復(fù)和維護(hù)問(wèn)題。(5)本發(fā)明提供的棚洞對(duì)于預(yù)防坡面高位滾石對(duì)道路的沖擊破壞具有優(yōu)勢(shì)。(6)本發(fā)明提供了棚洞的設(shè)計(jì)方法及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，解決棚洞依工況設(shè)計(jì)中需要完成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性設(shè)計(jì)參數(shù)。

附圖說(shuō)明

圖1是棚洞安裝位置側(cè)面示意圖。

圖2是棚洞設(shè)計(jì)計(jì)算原理圖。

圖3中圖3a、圖3b是棚洞安裝位置立體示意圖。

圖4中圖4a、圖4b是棚洞結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是蓋板多層夾心結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是蓋板單元拼接結(jié)構(gòu)示意圖

圖7是立柱橫剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8是桁架結(jié)構(gòu)頂棚示意圖。

圖9是單片桁架頂棚斷面結(jié)構(gòu)圖。

圖10是棚洞外移設(shè)計(jì)計(jì)算原理圖。

附圖中的數(shù)字標(biāo)記分別是：

1Y形架梁 11立柱 111中心加強(qiáng)筋 112鋼性管 113灌漿區(qū) 12桁架結(jié)構(gòu)頂棚 121剛性環(huán)梁 122桁架三角面 123主梁 124外側(cè)邊架 2蓋板 21固定側(cè)邊 22蓋板單元 23上、下蒙皮板 24耗能材料 3錨固體系

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例作進(jìn)一步的描述。

實(shí)施例一

如圖所示，加工安裝一種棚洞，布置在山區(qū)路基與山體邊坡之間，防止坡面滾石危害路基。該公路位于四川甘孜藏族自治州的康定縣，在橫跨折多山時(shí)因坡降較大而被迫沿姑咱鎮(zhèn)的一段高陡邊坡展線。該段邊坡海拔高、氣溫低，頂部山體凍融崩塌發(fā)育，滾石災(zāi)害具有“點(diǎn)多”、“面廣”、“高位頻發(fā)”的特征，對(duì)道路行車安全造成嚴(yán)重危害，亟待治理。

圖1是棚洞安裝位置側(cè)面示意圖，圖3a、圖3b是棚洞安裝位置立體示意圖。棚洞布置在山區(qū)路基M與山體邊坡N之間。路基M位于棚 洞的安全空域l內(nèi)。

圖4a、圖4b是棚洞結(jié)構(gòu)示意圖。棚洞包括Y形架梁1，Y形架梁1的頂部聯(lián)接下凹圓弧形蓋板2，蓋板2的固定側(cè)邊21與山體邊坡相切。本實(shí)施方式中，固定側(cè)邊21通過(guò)錨桿/錨索的錨固體系3與山體邊坡N錨固。Y形架梁1包括下部立柱11與上部桁架結(jié)構(gòu)頂棚12，立柱11固定在地基中，蓋板2覆蓋在桁架結(jié)構(gòu)頂棚12上。蓋板2自由側(cè)邊頂端切線與水平面夾角β≤45°。

圖5是蓋板多層夾心結(jié)構(gòu)示意圖。蓋板2是夾心結(jié)構(gòu)，包括上、下蒙皮板23，蒙皮板23是剛性材料，上、下蒙皮板23間填充耗能材料24。本實(shí)施方式中，蒙皮板23的剛性材料采用鋼板，耗能材料24采用開孔泡沫鋁。

圖6是蓋板單元拼接結(jié)構(gòu)示意圖。蓋板2由蓋板單元22沿蓋板2的圓弧輪廓拼接構(gòu)成。

圖7是立柱橫剖面結(jié)構(gòu)示意圖。立柱11是灌漿鋼管樁結(jié)構(gòu)，包括中心加強(qiáng)筋111與中心加強(qiáng)筋111外套裝的至少一層鋼性管112，鋼性管112與加強(qiáng)筋111之間、鋼性管112之間是灌漿區(qū)113。本實(shí)施方式中，鋼性管111是偏心套裝，鋼性管111中心向棚洞內(nèi)側(cè)偏移。剛性套管注漿樁下部樁身加工成花管以便注漿。

實(shí)施例二

采用本發(fā)明設(shè)計(jì)方法完成對(duì)實(shí)施例一中棚洞的設(shè)計(jì)，確定蓋板曲率半徑值R、灌漿鋼管樁結(jié)構(gòu)立柱的埋深值L_p、錨固體系中錨固深度值L_b參數(shù)的設(shè)計(jì)。

經(jīng)勘查，受崩塌滾石危害的路段長(zhǎng)1.2km，待防治路基安全空域的 有效寬度l₀＝10m，有效高度h₀＝6m。道路內(nèi)側(cè)坡面傾角α＝55°，崩塌主要發(fā)生在道路上方250m高程附近的季節(jié)性冰雪覆蓋帶，形成墜落高度從h_min＝150m到h_max＝300m均有分布的崩塌滾石群。滾石顆粒整體均勻偏小，粒徑多0.1m左右，最大不過(guò)0.5m，對(duì)應(yīng)最大質(zhì)量m_max約164kg。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多組滾動(dòng)試驗(yàn)回歸得出的滾石坡面滾動(dòng)能量損失系數(shù)k＝0.14。支柱鋼管樁剛性管注漿樁采用鋼管混凝土樁，從最不利角度出發(fā)，僅考慮混凝土作用時(shí)樁體的試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度σ_c＝20MPa，鋼管樁側(cè)阻力q_sp＝180kPa。錨固結(jié)構(gòu)采用Φ25螺紋鋼注M30砂漿的普通錨桿，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范(GB50330-2013)》確定錨桿傾角δ＝20°，該型錨桿短小經(jīng)濟(jì)，安全可靠，通?？商峁?00kN～1000kN的錨固力，較為適合本例結(jié)構(gòu)的錨固。同時(shí)，在本例的原位抗拉試驗(yàn)中，確定鋼筋砂漿界面首先破壞，破壞前界面最大側(cè)阻力q_sb＝600kPa。

步驟S1、獲取基本數(shù)據(jù)

確定α＝55°、m_max＝164kg、h_max＝300m、h_min＝150m，k＝0.14、σ_c＝20MPa、q_sp＝180kPa，d_b＝25mm、q_sb＝600kPa、δ＝20°，h₀＝6m。

步驟S2、確定蓋板曲率半徑值R

將參數(shù)β＝45°、α＝55°、h₀＝6m代入式1，計(jì)算得到棚洞蓋板曲率半徑值R＝2.93m。

步驟S3A、確定棚洞灌漿鋼管樁結(jié)構(gòu)立柱的埋深值L_p

將參數(shù)β＝45°、g＝9.8N/kg、m_max＝164kg、k＝0.14、h_max＝300m、R＝2.93m代入式3，計(jì)算得到坡面滾石對(duì)棚洞的最大豎向壓力再將值、將σ_c＝20MPa代入式4，計(jì)算得到灌漿鋼管樁樁徑d_p＝0.135m，即立柱灌漿鋼管樁結(jié)構(gòu)的最外層管徑＝0.135m。工程 實(shí)際中對(duì)樁徑適當(dāng)放大后取d_p＝0.168m。進(jìn)一步將d_p＝0.168m、值、q_sp＝180kPa代入式5，計(jì)算得到灌漿鋼管樁結(jié)構(gòu)立柱埋深值L_p＝3.36m。

步驟S3B、確定棚洞蓋板側(cè)邊錨固深度值L_b

將與步驟S3A中相同參數(shù)代入式6，計(jì)算得到坡面滾石對(duì)棚洞的最大水平壓力再將值、d_b＝25mm、q_sb＝600kPa、δ＝20°代入式7，計(jì)算得到錨固深度L_b＝4.53m。

實(shí)施例三

在實(shí)施例二基礎(chǔ)上完成桁架結(jié)構(gòu)頂棚的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖8是桁架結(jié)構(gòu)頂棚示意圖。桁架結(jié)構(gòu)頂棚包括固定蓋板的剛性環(huán)梁121、連接在剛性環(huán)梁121下的豎向桁架三角面122、與豎向桁架三角面122垂直的橫向主梁123、必要的邊架、副梁。

圖9是單片桁架頂棚斷面結(jié)構(gòu)圖。豎向桁架三角面122底部夾角＝π－(α+β)＝100°，豎向桁架三角面122兩外側(cè)邊架124長(zhǎng)度依式2確定為：

實(shí)施例四

在前述實(shí)施例中，采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)棚洞可安全防治的滾石墜落高度h存在下限值l₀/(2-2k)＝5.82m。顯然，設(shè)計(jì)所得棚洞實(shí)際滾石墜落高度的最小值h_min＝150m遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該下限值，表明本棚洞結(jié)構(gòu)可以很好對(duì)該區(qū)所有崩塌滾石進(jìn)行有效防治。

本實(shí)施例以前述實(shí)施例為基礎(chǔ)，針對(duì)一些墜落高度小于5.82m的崩塌滾石，對(duì)棚洞結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體，本實(shí)施例中采用本發(fā)明提供的優(yōu)化方案二，在假定本處邊坡突發(fā)墜落最低高度h_min＝5.5m的情況下， 對(duì)棚洞結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

此時(shí)，為保證結(jié)構(gòu)能繼續(xù)對(duì)滾石進(jìn)行有效防治，則需將棚洞結(jié)構(gòu)擴(kuò)大(圖10)，并計(jì)算圓弧曲率半徑增大后的R′值。

首先依式7計(jì)算確定棚洞拋出點(diǎn)B及桁架結(jié)構(gòu)頂棚的外側(cè)翼面的外移量Δl(圖10中線段B-B′)。將l₀＝10m、k＝0.14、h_min＝5.5m代入式8，有Δl＝0.54m。

其次依式9計(jì)算確定R′。將α＝55°、β＝45°、h₀＝6m、Δl＝0.54m代入式9，有R′＝4.7m。

再依式10計(jì)算確定豎向桁架三角面122兩外側(cè)邊架124長(zhǎng)度w′＝5.6m。

其余棚洞灌漿鋼管樁結(jié)構(gòu)立柱的埋深值L_p、棚洞蓋板側(cè)邊錨固體系中錨固深度值L_b設(shè)計(jì)方法同實(shí)施例二。