由EPE缓冲材料和回填土组成的耗能复合垫层及设计方法与流程

本发明属于公路隧道技术领域，尤其涉及一种由expandablepolyethylene(epe)和回填土组成的耗能复合垫层及设计方法。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：我国是一个幅员辽阔，地形复杂的国家，全国75％的国土面积属于山地丘陵地区，特别是在我国中西部(尤其是西南地区)地势险峻，山地分布紧密，其地质构造复杂，灾害性气象多见，岩石崩塌、泥石流、滑坡等地质灾害时有发生，对依山而建的大量公路、铁路、输油(气)管线沿线等造成了严重威胁。实践证明，棚洞不论是保护道路，还是从投资、施工等而言都是不错的选择，其耐久性高、后期维护简单，且不需开山凿璧，砍伐植被，能够有效的避免对自然环境的破坏，实现公路建设与环境保护的协调发展，故而在西部山区公路或灾害重建路段中被广泛应用。传统钢筋混凝土棚洞是通过在其顶部回填至少1.5m的土层以保护结构本身不被落石破坏，在灾害频发的区域回填厚度还应相应增加。但土垫层重度大，若厚度过厚，荷载增加，势必导致棚洞结构本身自重及耗材也随之增大，建设成本过高，且不利于抗震；而垫层厚度过薄又达不到缓冲落石冲击力，保护棚洞结构的效果，直接制约了其推广应用，成为棚洞实际工程应用中所存在的问题。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有技术土垫层重度大，若厚度过厚，荷载增加，势必导致棚洞结构本身自重及耗材也随之增大，建设成本过高，且不利于抗震。

(2)现有技术下若垫层厚度过薄又达不到缓冲落石冲击力，保护棚洞结构的效果，直接制约了其推广应用。并且现有土垫层回弹性差，不利于多次抗冲击，成为棚洞实际工程应用中所存在的问题。

解决上述技术问题的难度和意义：技术的难度就是在不增加棚洞顶部荷载的前提下，提高结构的抗落石冲击能力。意义在于有效的防止山区公路因崩塌落石而导致人员伤亡或道路中断。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种由expandablepolyethylene(epe)和回填土组成的耗能复合垫层及设计方法。

本发明是这样实现的，利用epe替换部分回填土形成复合垫层，所述epe和回填土组成的复合垫层的方法包括以下步骤：

步骤一：根据实际情况，基于规范确定回填土厚度为h米；

步骤二：利用落石冲击棚洞的数值模型获得铺设h米厚的棚洞能够承受的最不利荷载；

步骤三：最不利荷载情况下，利用epe替换回填土，以棚洞下部结构中梁屈服为判断准则和泡沫破坏情况，通过一系列计算，获得epe的最优厚度为h1米；

步骤四：在棚洞上部铺设h1米厚的epe垫层；

步骤五：在epe层上铺设回填土，分层夯实土垫层，共计回填土(h-h1)米。

进一步，所述epe垫层为expandablepolyethylene泡沫材料；

进一步，所述土垫层为砂土垫层；

进一步，所述epe垫层的厚度为h1米；

进一步，所述土垫层每层厚度不宜大于30cm，共计回填土的厚度(h-h1)米。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明相较于已经应用的其他缓冲材料，复合垫层的缓冲性能更好，在落石冲击荷载作用下不宜破坏，达到保护棚洞下部结构的效果，提高棚洞抗落石冲击力的作用。直接技术效果，确定了epe垫层的最优填充厚度为h1米，然后在epe层上铺设砂土垫层，分层夯实，共计砂土层(h-h1)米。通过填充epe缓冲垫层，能够吸收更多的落石冲击能量，在基本不增加棚洞顶部荷载的情况下，能够提高棚洞抗落石冲击能力1.75～2倍，达到保护棚洞结构的目的。

附图说明

图1是本发明实施例提供的由epe缓冲材料和回填土组成的耗能复合垫层的方法流程图。

图2是本发明实施例提供的采用由epe缓冲材料和回填土组成的耗能复合垫层的棚洞结构示意图。

图3是本发明实施例提供的落石冲击棚洞数值模型示意图。

图4是本发明实施例提供的主梁最大应力随epe厚度变化曲线示意图。

图5是本发明实施例提供的垫层底部应力随epe厚度变化曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明旨在解决现有回填土垫层抵抗落石冲击不足的问题。回填土垫层重度大，若厚度过厚，荷载增加，势必导致棚洞结构本身自重及耗材也随之增大，建设成本过高，且不利于抗震；现有技术下若垫层厚度过薄又达不到缓冲落石冲击力，保护棚洞结构的效果，直接制约了其推广应用，成为棚洞实际工程应用中所存在的问题。通过利用epe缓冲材料代替部分回填土形成符合垫层，在基本不增加棚洞顶部荷载的情况下，能够提高棚洞抗落石冲击能力1.75～2倍。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的由epe缓冲材料和回填土组成的耗能复合垫层的方法包括以下步骤：

s101：根据实际情况，基于规范确定回填土厚度为h米；

s102：利用落石冲击棚洞的数值模型获得铺设h米厚的棚洞能够承受的最不利荷载；

s103：最不利荷载情况下，利用epe替换回填土，以棚洞下部结构中梁屈服为判断准则和泡沫破坏情况，通过一系列计算，获得epe的最优厚度为h1米；

s104：在棚洞上部铺设h1米厚的epe垫层；

s105：在epe层上铺设回填土，分层夯实土垫层，共计回填土(h-h1)米。

进一步，所述epe垫层为expandablepolyethylene泡沫材料；

进一步，所述土垫层为砂土垫层；

进一步，所述epe垫层的厚度为h1米；

进一步，所述土垫层每层厚度不宜大于30cm，共计回填土的厚度(h-h1)米。

在本发明的优选实施例中，步骤s101中提供的土垫层为砂土垫层。

在本发明的优选实施例中，步骤s103提供的缓冲材料为expandedpolystyrene泡沫。

在本发明的优选实施例中，步骤s104缓冲垫层epe的厚度为h1米

在本发明的优选实施例中，步骤s105土垫层每层厚度不宜大于30cm，共计回填土层(1.5-h1)米。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

针对某一棚洞结构，建立图3的数值模型，砂土垫层厚度选取规范中规定的最小厚度1.5m。在用epe材料替换不同厚度回填土的情况下，进行落石冲击力计算(落石重312kg)，得到图4和图5的结果。通过上述分析发现：epe厚度增加，主梁最大应力逐渐减小，复合垫层底部应力逐渐增加。epe厚度为0.6m时，主梁最大应力下降率趋于平缓；epe厚度为0.2m～0.6m时，复合垫层底部最大应力增长较为平缓。另外，在厚度在0.6m时，epe底部拉应力较大，容易破坏。综合考虑棚洞结构安全性及epe材料使用的经济性，认为在本实例的计算模型和工况下，epe最优厚度为0.6m。在回填土垫层条件下，棚洞能抵抗的最大落石高度为35m(此时主梁最大应力为271mpa)。而在最优epe厚度下，落石从35m高度落下冲击复合垫层，主梁的最大应力为203mpa，并且复合垫层所能承受的最大落石高度为63m。由此可见，利用epe代替部分回填土形成的复合垫层能提高棚洞的抗落石冲击力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。