用于边坡支护的大变形缓冲过渡装置

本发明涉及边坡支护技术领域，尤其是一种用于边坡支护的大变形缓冲过渡装置。

背景技术：

边坡普遍存在于人类建设工程及日常生活中，是一类分布广泛的地质地貌环境。通常在人为扰动及自然因素的影响下发生变形破坏，滑坡、崩塌、泥石流等自然灾害对人类的生命财产造成不同程度上的威胁。因此，以稳定性为出发点，结合实地的水文、工程地质条件、地质构造等，采用经济合理的支护措施，从而保证边坡工程的安全可靠。挡土墙、抗滑桩等是常见的边坡支护措施，由于其结构形式简单、布置方便，在工程中广泛应用。但由于挡土墙和抗滑桩属于刚性支护结构，在外部荷载剧增的情况下自身允许的变形量较小，特别是在突变荷载(地震、滑坡等)的作用下易发生脆性破坏，进而导致工程失效。如图1(a)、图1(b)所示，挡土墙在外荷载的作用下产生了鼓胀裂缝；如图1(c)所示，抗滑桩在外荷载的作用下被推倒。

技术实现要素：

针对上述边坡支护中存在的不足之处，本发明提供一种用于边坡支护的大变形缓冲过渡装置，该装置设置于与挡土墙或抗滑桩后部，其刚度与支护结构相近，且通过恒阻力吸收部分外荷载剧增产生的能量，并将余下的荷载均匀传递给挡土墙、或抗滑桩，进而有效避免支护结构在突发动力荷载作用以及大变形下发生脆性破坏。

本发明采取的技术方案为：

用于边坡支护的大变形缓冲过渡装置，该装置包括：

恒阻结构、框架结构、压力监测模块；

所述恒阻结构为钢板连接而成的、外部轮廓呈三棱柱型的结构，其内部分层填充有沥青混凝土、预制混凝土块，预制混凝土块顶面与沥青混凝土底面接触，预制混凝土块两侧与钢板紧密接触。

所述框架结构，用于分层放置恒阻结构；

所述压力监测模块包括预埋于沥青混凝土中的压力传感器，压力传感器连接压力监测仪。

所述恒阻结构为多个，多个恒阻结构通过螺栓相互连接，水平方向一层的多个恒阻结构连接成为一个整体，框架结构通过将任意两层整体连接的恒阻结构分隔。

所述恒阻结构由槽型钢板、钢板块通过螺栓拼接构成三棱柱型结构，横截面为三角形的上部空腔填充有沥青混凝土，横截面为梯形的下部空腔填充有预制混凝土块。

所述框架结构由钢板、实心钢管搭建而成。

用于边坡支护的大变形缓冲过渡方法，通过预制混凝土块与钢板块之间的极限静摩擦力作为恒阻力，对施加在支护结构上的突变荷载产生缓冲效果，吸收部分能量的同时将余下的荷载均匀的、平缓的传递至支护结构，避免支护结构发生脆性破坏。

所述的沥青混凝土通过现浇的方式与预制混凝土块结合。

本发明一种用于边坡支护的大变形缓冲过渡装置，技术效果如下：

1)、当支护结构(挡土墙或抗滑桩)后部荷载处于稳定状态时，恒阻结构中的预制混凝土块与钢板块不会发生相对滑动，荷载通过预制混凝土块与钢板块的静摩擦力、预制混凝土块和沥青混凝土之间的压力传递至支护结构，此时的恒阻结构主要充当荷载传递介质。

2)、当支护结构(挡土墙或抗滑桩)后部荷载发生突变(滑坡、地震等)时，作用于预制混凝土块岩土接触面上的荷载急剧增大，导致预制混凝土块与钢板块发生滑动。根据阿蒙顿静摩擦定律：f静＝fn，f为静摩擦因数；以及库伦动摩擦定律f动＝fdn，fd为动摩擦因数，其中fd<f，已知产生滑动的必要条件为f静＝fn。那么在突变荷载的作用下预制混凝土块与钢板块之间发生滑动的前提是克服静摩擦力，而静摩擦力在已知静摩擦因数的情况下是一个定值，该定值与预制混凝土块、钢板块的表面属性相关。故对于每一次在突变荷载的作用下预制混凝土块和钢板块发生的滑动需要克服的阻力都为恒定的值，本发明中称为恒阻力，恒阻力等于两者发生滑动的极限静摩擦力。

在突变荷载的作用下，预制混凝土块与钢板块克服恒阻力做的功、以及沥青混凝土被预制混凝土块挤压产生变形而做的功，都能消耗部分突变荷载产生的能量。经过缓冲过渡过程，将余下的荷载较为平缓的过渡至支护机构，能防止突变荷载对支护结构造成的脆性破坏。

3)、当外部荷载具有周期性变化的特性时，以库区水位的变化为例：水位降落阶段，由于水位的变化较快，支护结构背部岩土体中的水来不及消散，以渗透力的形式作用于缓冲过渡层，通过缓冲过渡层发挥作用以恒阻平衡部分荷载，起到缓冲过渡效果，相应的土压力及渗透力的分布、恒阻机构中预制混凝土块的滑动示意图如图2(a)所示。

当水位上升阶段，水压力作用于支护结构的前部并传递至本发明一种用于边坡支护的大变形缓冲过渡装置，平衡部分外部荷载的同时能够使得预制混凝土块复位，为下次应对外部荷载的突变预留缓冲空间，相应的土压力f1及水压力f2、恒阻结构中预制混凝土块的复位如图2(b)所示。

4)、通过多个分布均匀的压力传感器预埋于沥青混凝土中，能够实现对挡土墙或抗滑桩后部土压力f1的实时监测。当作用于挡土墙或抗滑桩的压力接近于临界值时能及时作出应急处理措施，发挥监测并预警的作用。

5)、根据规范《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，可以得出作用于支护结构上的土压力荷载随着埋深具有空间上的差异性，通过调整不同深度处预制混凝土块以及钢板块的粗糙度、两侧钢板块的倾斜角度，来增大预制混凝土块与钢板块之间的极限静摩擦力，保证整个缓冲过渡装置整体受力变形的均匀性，并达到缓冲过渡装置对挡土墙或抗滑桩后部土压力f1的调节效果。

附图说明

图1(a)为挡土墙裂缝示意图一；

图1(b)为挡土墙裂缝示意图二。

图1(c)为典型抗滑桩断裂失效示意图。

图2(a)为库区水位降落阶段，土压力及渗透力的分布、恒阻结构中预制混凝土块的滑动示意图；

图2(b)为库区水位上升阶段，土压力及水压力、恒阻结构中预制混凝土块的复位示意图。

图3(a)为本发明装置的安装示意图一；

图3(b)为本发明装置的安装示意图二。

图4为本发明装置的整体示意图。

图5(a)为本发明中恒阻结构的安装示意图；

图5(b)为本发明中恒阻结构的剖面示意图；

图5(c)为本发明中恒阻结构的拆分后横截面为三角形的上部空腔示意图。

图5(d)为本发明中恒阻结构的拆分后横截面为梯形的下部空腔示意图。

图6为本发明的压力监测模块连接示意图。

图7为本发明中整体安装后结构示意图(以挡土墙为例)。

图8为预制混凝土块吊点示意图。

图9为恒阻结构受力分析图。

图10为框架结构结构示意图。

其中：1-本发明用于边坡支护的大变形缓冲过渡装置，2-挡土墙，3-抗滑桩，4-框架结构，5-预制混凝土块，6-沥青混凝土，7-槽型钢板，8-钢板块，9-螺栓，10-压力传感器，11-压力监测仪，12-基础，13-盖板，14-边坡，15-角钢，16-钢板。

具体实施方式

用于边坡支护的大变形缓冲过渡装置，该装置包括：

恒阻结构、框架结构、压力监测模块；

所述恒阻结构为钢板连接而成的、外部轮廓呈三棱柱型的结构，其内部分层填充有沥青混凝土6、预制混凝土块5，预制混凝土块5顶面与沥青混凝土6底面接触，预制混凝土块5两侧与钢板紧密接触，如图5(b)所示。

所述框架结构4由钢板、实心钢管搭建而成，用于分层放置恒阻结构，其中角钢15通过焊接或铆接等方式构成框架主体，钢板16通过螺栓或焊接等方式分层固定于框架主体内。框架结构4的结构示意图如图10所示。

所述压力监测模块包括预埋于沥青混凝土6中的压力传感器10，压力传感器10连接压力监测仪11，如图6所示。通过测得经恒阻结构缓冲后传递至沥青混凝土6的余下荷载，进而得出墙(桩)后部的土压力分布，能有效的发挥监测及预警的功能。

所述压力传感器10的型号：压阻式压力传感器brw100-1002；

所述压力监测仪11的型号：压力监测记录仪hc-800。

所述恒阻结构为多个，多个恒阻结构通过螺栓相互连接，水平方向一层的多个恒阻结构连接成为一个整体，框架结构4通过将任意两层整体连接的恒阻结构分隔。

所述恒阻结构由槽型钢板7、钢板块8通过螺栓9拼接构成三棱柱型结构，横截面为三角形的上部空腔填充有沥青混凝土6，横截面为梯形的下部空腔填充有预制混凝土块5。如图5(b)、图5(c)、图5(d)所示。

所述的沥青混凝土6通过现浇的方式保证在尺寸上与预制混凝土块5匹配，同时保证与各部分的接触效果，其作用是一方面代替预制混凝土块5尖角部位，防止预制混凝土块5在外荷载的作用下发生滑动时，其尖角部位形成应力集中；另一方面，沥青混凝土6在预制混凝土块5的挤压下发生大变形，从而消耗突变荷载作用下的部分能量，同样起到缓冲过渡的作用。

恒阻结构通过预制混凝土块5和两侧的钢板块8实现不同情况下平衡外荷载及发挥恒阻力的原理如下：

1)当外荷载较小时，预制混凝土块5与两侧的钢板块8并没有发生相对滑动，这种情况符合阿蒙顿静摩擦定律，预制混凝土块5和两侧的钢板块8之间的静摩擦力随着外荷载的增大而增大，极限静摩擦力为其上限，在这个过程中并没有体现出恒阻结构的恒阻力功能,但依旧是通过静摩擦力消耗能量，起到缓冲作用。

2)当外荷载发生突变，预制混凝土块5与两侧的钢板块8发生相对滑动，这种情况符合库仑动摩擦定律，摩擦力的与作用在接触面上的正压力成正比，公式表达为：f＝μn，μ为滑动摩擦系数，n为正压力，由公式可以看出滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度、正压力的大小有关，与接触面的面积大小无关。因此，将面力形式的外荷载近似为集中荷载，对恒阻机构进行如图9所示的受力分析：

预制混凝土块5在外力的作用下收到的荷载为为均布荷载，且滑动摩擦力与受力面积无关，将两侧面的钢板块8上受到的荷载由面荷载p近似为集中荷载钢板块8的倾斜角度为α，α的大小可以根据所需的恒阻力的大小进行调整。集中荷载作用于两侧钢板的正压力为n，分力f互相抵消。

式中：α—钢板的倾斜角度，—集中荷载，n—正压力

f＝μn(1-3)

式中：f—滑动摩擦力，μ—摩擦系数

由上述可以得出，预制混凝土块5和钢板块8的粗糙度以及正压力的大小是滑动摩擦力f的重要影响因素。因此，为了满足空间上对恒阻力大小的需求，除了调整两侧钢板块8的倾斜角度α以获取更大的正压力之外，浇筑不同表面粗糙度的预制混凝土块5和选取对应的合适粗糙度的钢板块8也是提升恒阻力的关键措施。

框架结构4由钢板及实心钢管制作而成，恒阻结构通过螺栓相互联结。水平方向一层为一个整体，框架结构4通过钢板及实心钢管搭建将多层分隔开来，能避免因上部重力的原因对恒阻机构的挤压变形及破坏。

压力监测模块由预埋于沥青混凝土6中的压力传感器10，通过电缆线与压力监测仪11连接，能够实时监测靠近支护结构背面一侧中沥青混凝土6中的压力的大小，经过多个点的监测值计算出支护机构受力部位的应力变形，从而判断其安全性、可靠性，起到监测预警的作用。

施工步骤：

(1)：挡土墙2以重力式挡土墙为例，如图3(a)所示。在基础12与岩土体之间预留缓冲过渡装置的厚度，使得缓冲过渡装置与基础12坐落于基岩上并等深度找平。安装缓冲过渡装置的框架结构4后砌筑基础12，从而固定缓冲过渡装置的底部，后续的槽形钢板7的拼接、沥青混凝土6的现浇、预制混凝土块5的安装随墙体的砌筑由下而上分层进行，但需确保墙体背面和缓冲过渡装置紧密贴合。如此的施工流程相比于先安装缓冲过渡装置、后修建挡土墙，能避免缓冲过渡装置的倾覆，预制混凝土块5的掉落等安全事故的发生。

(2)抗滑桩3以单桩为例，如图3(b)所示。桩孔开挖预留缓冲过渡装置空间，完成桩孔护壁施工。然后安装框架结构4，槽形钢板7的拼接完成后现浇沥青混凝土6，通过吊装的方式将预制混凝土块5放置于框架结构4中，整个过程由下而上分层进行。预制混凝土块5的吊点如图8所示。将整个缓冲过渡装置安装完成后，放置钢筋笼，最后浇筑混凝土，保证缓冲过渡装置与抗滑桩3的桩身紧密贴合，确保荷载的均匀传递。