一种高陡岩质边坡落石的拦截减速消能方法

1.本发明涉及建筑的技术领域，尤其涉及一种高陡岩质边坡落石的拦截减速消能方法。


背景技术：

2.高陡岩质边坡的落石是一类重要的地质灾害，严重威胁国民生计和工程建设。
3.相关技术中，为了减少落石危害，可采用多种防治措施，例如采用爆破的方式清除危岩，然而，由于高陡边坡往往受到多条构造裂隙的控制，爆破容易导致危岩体周围坡面裂隙加深、岩体松动，从而破坏剖面的完整性。又例如覆盖主动网或在斜坡设置被动防护网，但对于高陡岩质边坡上的危岩，常存在海拔高、与地面差距大等问题，很难进行主动网覆盖。而被动网常设置在有缓冲地带的坡体下方，对于高陡边坡，落石与下部设施间缺少缓冲，难以防治。由上可见，现有的措施存在防治能力差、成本高、实施困难等缺陷。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种高陡岩质边坡落石的拦截减速消能方法，能够。
5.根据本发明第一方面实施例的高陡岩质边坡落石的拦截减速消能方法，应用于缓冲装置，所述缓冲装置包括插杆结构与缓冲结构，所述缓冲结构包括旋转套件与缓冲弹性件，所述插杆结构用于固定于山体的坡面，所述旋转套件转动套接于所述插杆结构，用于承接崩塌的落石，所述缓冲弹性件设置于所述插杆结构与所述旋转套件之间，以使所述旋转套件对所述崩塌的落石具有缓冲作用；
6.所述拦截减速消能方法具体包括如下步骤：
7.s100根据公式计算缓冲装置受到的正应力σ
t
；
8.f＝100δmv；
[0009][0010][0011]
其中，f
t
l为所述缓冲装置受到的弯矩；d为旋转套件外壁的直径；d为旋转套件内壁的直径；
[0012]
s200根据所述正应力调整所述插杆结构选用的钢筋等级，并制备所述缓冲装置；
[0013]
s300将所述缓冲装置的所述插杆结构插接于山体的坡面，并向上倾斜设置；其中，至少采用两个所述缓冲装置，两个所述缓冲装置相向倾斜设置。
[0014]
根据本发明实施例的高陡岩质边坡落石的拦截减速消能方法，至少具有如下有益效果：缓冲装置包括插杆结构与缓冲结构，插杆用于插接固定于山体的坡面，缓冲结构装配于山体结构。在具体应用过程中，当危岩体崩塌后，落石沿坡面或自由落体向下运动，并接
触插杆结构上的旋转套件，旋转套件对落石进行初步缓冲。落石在初步缓冲后，落石从两根插杆结构中间向下运动，带动旋转套件旋转，旋转套件在转动时作用于缓冲弹性件，使得于缓冲弹性件形变蓄能，从而限制旋转套件的旋转。通过旋转套件的缓冲，旋转套件的旋转和缓冲弹性件的形变蓄能，降低落石下落产生的速度和动能，从而降低落石对坡底建筑物和交通的危害。另外，旋转套件转动设置于插杆结构，落石能够沿旋转套件的周面顺畅的经过，从而能够减小缓冲装置受到的冲击力，进而保证了缓冲装置的使用寿命。
[0015]
根据本发明的一些实施例，所述拦截减速消能方法还包括如下步骤：
[0016]
将所述缓冲装置向上倾斜的角度α设置为15度至45度之间，在15度至45度之间任意选取多个角度值作为角度α的数值；其中，落石对所述缓冲装置的轴向力fn＝g sinα；落石对所述缓冲装置的法向力
[0017]
将选取的角度α的数值代入上述公式中，以推出落石的轴向力与法向力；
[0018]
根据落石的轴向力与法向力选择角度α的数值，以应用于步骤s300中。
[0019]
根据本发明的一些实施例，各个所述缓冲装置向上倾斜的角度设置为30度，一个所述缓冲装置朝向另一个所述缓冲装置的倾斜角度设置为15度。
[0020]
根据本发明的一些实施例，所述插杆结构通过混凝土固定于山体的坡面；所述拦截减速消能方法还包括如下步骤：根据所述正应力调整混凝土对插杆结构的强度。
[0021]
根据本发明的一些实施例，所述缓冲装置还包括圆锥滚子轴承，所述圆锥滚子轴承连接于所述插杆结构，所述旋转套件连接于所述圆锥滚子轴承；其中，所述缓冲弹性件为扭簧，所述扭簧套接于所述圆锥滚子轴承，并连接于所述插杆结构与所述旋转套件之间。
[0022]
根据本发明的一些实施例，所述的旋转套件外侧扭簧与内侧可承受较大冲击力的圆锥滚子轴承固定相接，所述的圆锥滚子轴承与所述插杆结构套接处的静摩擦力设置为小于扭簧完全蓄能后产生的转动力。
[0023]
当崩塌落石冲击废旧轮胎时，如果崩塌落石冲击力较小，在扭簧蓄能极限范围内，扭簧形变量较小，无法带动轮胎旋转，则该崩塌落石威胁程度也相应较小。如果崩塌落石冲击力较大，产生的径向力带动废旧轮胎和旋转套件外层的扭簧旋转蓄能并超过扭簧的蓄能极限，此时转动力超过圆锥滚子轴承内壁静摩擦力，扭簧和圆锥滚子轴承所组成的旋转套件可在转动力作用下继续旋转耗能。
[0024]
根据本发明的一些实施例，所述插杆结构插入山体内部的长度占所述插杆结构总长度的三分之二。
[0025]
根据本发明的一些实施例，各个缓冲装置包括多个所述缓冲结构，多个所述缓冲结构依次设置于所述插杆结构；所述缓冲装置还包括多个限位凸环，多个所述限位凸环均连接于所述插杆结构，各个所述缓冲结构设置相邻所述限位凸环之间。
[0026]
根据本发明的一些实施例，所述插杆结构包括锚管、螺杆与膨胀头，所述膨胀头设置于所述锚管的一端，所述螺杆包括相连接的螺杆部与顶锥部，所述螺杆部穿射于所述锚管，并与所述锚管螺纹连接，所述顶锥部设置于所述膨胀头。
[0027]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0028]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
[0029]
图1为本发明实施例的缓冲装置的结构示意图；
[0030]
图2为本发明实施例的缓冲结构的一种剖视图；
[0031]
图3为本发明实施例的缓冲结构的另一种剖视图；
[0032]
图4为本发明实施例的缓冲装置的一种角度示意图；
[0033]
图5为本发明实施例的缓冲装置的另一种角度示意图。
[0034]
附图标记：
[0035]
10、减缓装置；100、插杆结构；110、锚套；120、螺杆；121、螺杆部；122、顶锥部；130、膨胀头；200、缓冲结构；210、旋转套件；220、缓冲弹性件；230、圆锥滚子轴承；240、限位凸起。
具体实施方式
[0036]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0037]
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0038]
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0039]
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
[0040]
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0041]
根据本发明第一方面公开了高陡岩质边坡落石的拦截减速消能方法，参照图1值图5，拦截减速消能方法应用于缓冲装置10，所述缓冲装置10包括插杆结构100与缓冲结构200，所述缓冲结构200包括旋转套件210与缓冲弹性件220，所述插杆结构100用于固定于山体的坡面，所述旋转套件210转动套接于所述插杆结构100，用于承接崩塌的落石，所述缓冲弹性件220设置于所述插杆结构100与所述旋转套件210之间，以使所述旋转套件210对所述崩塌的落石具有缓冲作用；
[0042]
所述拦截减速消能方法具体包括如下步骤：
[0043]
s100根据公式计算缓冲装置10受到的正应力σ
t
；
[0044]
f＝100δmv；
[0045][0046][0047]
其中，f
t
l为所述缓冲装置10受到的弯矩；d为旋转套件210外壁的直径；d为旋转套件210内壁的直径；
[0048]
s200根据所述正应力调整所述插杆结构选用的钢筋等级，并制备所述缓冲装置10；
[0049]
s300将所述缓冲装置10的所述插杆结构插接于山体的坡面，并向上倾斜设置；其中，至少采用两个所述缓冲装置10，两个所述缓冲装置10相向倾斜设置；
[0050]
具体的，在一方面，本技术方案提成了一种缓冲装置10，缓冲装置10包括插杆结构100与缓冲结构200，插杆用于插接固定于山体的坡面，缓冲结构200装配于山体结构。在具体应用过程中，当危岩体崩塌后，落石沿坡面或自由落体向下运动，并接触插杆结构100上的旋转套件210，旋转套件210对落石进行初步缓冲。落石在初步缓冲后，落石从两根插杆结构100中间向下运动，带动旋转套件210旋转，旋转套件210在转动时作用于缓冲弹性件220，使得于缓冲弹性件220形变蓄能，从而限制旋转套件210的旋转。通过旋转套件210的缓冲，旋转套件210的旋转和缓冲弹性件220的形变蓄能，降低落石下落产生的速度和动能，从而降低落石对坡底建筑物和交通的危害。另外，旋转套件210转动设置于插杆结构100，落石能够沿旋转套件210的周面顺畅的经过，从而能够减小缓冲装置10受到的冲击力，进而保证了缓冲装置10的使用寿命。
[0051]
在另一方面，缓冲装置10计算剪力时可缓冲装置10为一种不含腹筋的圆形截面钢筋混凝土悬臂梁，相比于落石的冲击力，缓冲装置10本身的质量相对较低，计算时只考虑落石的冲击力。落石接触缓冲装置10时，可近似看做刚体碰撞弹性体，接触时间约为10-2s，则冲击力，落石与旋转套件210接触时缓冲装置10轴向力，考虑到为两根缓冲装置10共同承担冲击力，垂直于轴向压力，弯矩，此时缓冲装置10正应力σ分为内层和外层考虑。缓冲装置10可根据危岩体的对缓冲装置10产生的正应力情况的计算调整所缓冲装置10选用的钢筋等级和混凝土强度使缓冲装置10的抗剪强度[τ]》[σ
t
]。并计算出满足抗剪强度下的落石适用范围，并通过计算出使用的危岩体体积范围。
[0052]
在一些实施例中，拦截减速消能方法还包括如下步骤：将法向力缓冲装置10向上倾斜的角度α设置为15度至45度之间，在15度至45度之间任意选取多个角度值作为角度α的数值；其中，落石对法向力缓冲装置10的轴向力fn＝g sinα；落石对所述缓冲装置的法向力将选取的角度α的数值代入上述公式中，以推出落石的轴向力与法向力；根据落石的轴向力与法向力选择角度α的数值，以应用于步骤s300中，各个缓冲装置10向上倾斜的角度设置为30度。
[0053]
具体分析如下：在缓冲装置10的排布设计时，当考虑缓冲装置10锚固作用时，一般插杆结构100因水平分力随插杆结构100倾角的增大而减小，倾角太大将降低锚固的效果，
而且作用于支护结构上的垂直分力增加，可能造成挡土结构和周围地基的沉降，而倾角小于10
°
时，插杆结构100注浆后灌浆体的沉淀和泌水现象会影响插杆结构100的承载能力。因此插杆结构100倾角一般设计为15
°
～25
°
，最大不超过45
°
。考虑到所述缓冲装置10锚固并非首要作用，且崩塌落石可受两根缓冲装置10控制，因此将缓冲装置10设计为向上翘起30
°
。根据受力分析，此状态下崩塌落石沿两根缓冲装置10的轴向力约为其重力g的0.5倍，fn＝g sinα，轴向力可使崩塌落石朝坡体运动与多个旋转套件210接触消能。而崩塌落石对单根缓冲装置10的平均法相作用力约为其重力g的0.45倍，且与缓冲装置10作用后，即使缓冲装置10产生轻微变形也不影响其锚固作用。
[0054]
在一些实施例中，一个所述缓冲装置10朝向另一个所述缓冲装置10的倾斜角度设置为15度；具体分析：考虑到危岩体可能部分崩解，或在空中解体，将两根缓冲装置10设计为内收15
°
，两根缓冲装置10前端距离略小于危岩体宽度，一定程度的内收可以避免崩塌落石向两根缓冲装置10外部运动，使其方向朝向坡面，与坡面碰撞破碎也可消耗其能量，降低危害。
[0055]
在一些实施例中，插杆结构100插入山体内部的长度占所述插杆结构100总长度的三分之二，具体分析如下：插杆结构100嵌入岩体深度应大于40倍插杆结构100主筋直径；插杆结构100直径不小于100mm。一般旋转套件210中孔尺寸为279.4mm，考虑转套所占长度，选用直径200mm，主筋125mm的插杆结构100，则缓冲装置10锚固段长度约5.0m。考虑陡立岩质边坡，崩塌落石顺坡向运动距离有限，结合单个旋转套件210厚度约为300mm，限位凸环约200mm，设计缓冲装置10外部长度2.5m，整个缓冲装置10插入山体坡面内部的长度占缓冲装置10总长度的三分之二。
[0056]
在一些实施例中，缓冲装置10还包括圆锥滚子轴承230，圆锥滚子轴承230连接于插杆结构100，旋转套件210连接于圆锥滚子轴承230；其中，缓冲弹性件220为扭簧，扭簧套接于圆锥滚子轴承230，并连接于插杆结构100与旋转套件210之间。旋转套件210外侧扭簧与内侧可承受较大冲击力的圆锥滚子轴承230固定相接，圆锥滚子轴承230与插杆结构100套接处的静摩擦力设置为小于扭簧完全蓄能后产生的转动力。
[0057]
当崩塌落石冲击废旧轮胎时，如果崩塌落石冲击力较小，在扭簧蓄能极限范围内，扭簧形变量较小，无法带动轮胎旋转，则该崩塌落石威胁程度也相应较小。如果崩塌落石冲击力较大，产生的径向力带动废旧轮胎和旋转套件210外层的扭簧旋转蓄能并超过扭簧的蓄能极限，此时转动力超过圆锥滚子轴承230内壁静摩擦力，扭簧和圆锥滚子轴承230所组成的旋转套件210可在转动力作用下继续旋转耗能。
[0058]
具体分析：旋转套件210转动是由于崩塌落石产生的径向力，缓冲装置10的安装宽度小于危岩体宽度，崩塌落石冲击力较大时会同时与两根缓冲装置10上的旋转套件210接触，带动旋转套件210和圆锥滚子轴承230旋转，圆锥滚子轴承230的旋转就会引起扭簧的形变，将冲击的动能转换成扭簧的弹性能。如果崩塌落石冲击力较大，超过扭簧蓄能极限，圆锥滚子轴承230和旋转套件210会继续旋转耗能；如果崩塌落石冲击力较小，在扭簧蓄能极限范围内，扭簧形变量较小，则该崩塌落石威胁程度也相应较小。
[0059]
此外，采用圆锥滚子轴承230是因为这类轴承主要用于承受以径向载荷为主的径向与轴向联合载荷。与角接触球轴承相比、承载能力大，可以使缓冲装置10承受崩塌落石的
冲击产生的径向力后仍能旋转。且圆锥滚子轴承230，极限转速低可与扭簧适配，使扭簧充分耗能能量，并在扭簧达到蓄能极限后保证旋转套件210能继续旋转。
[0060]
在一些实施例中，各个缓冲装置10包括多个缓冲结构200，多个缓冲结构200依次设置于插杆结构100。同时，缓冲装置10还包括多个限位凸环，各个限位凸环具有缺口，并且缺口的位置设置紧固螺栓，限位凸环在套接于插杆结构100后，通过紧固螺栓进行紧固限位凸环，从而将限位凸环固定插杆结构100的某一位置。其中，各个缓冲结构200设置相邻限位凸环之间，使得缓冲结构200能够便捷地间隔安装于插杆结构100。
[0061]
在一些实施例中，插杆结构100包括锚管、螺杆120与两个膨胀头130，两个膨胀头130设置于锚管的一端，并对称设置，两个所述膨胀头130的相对面为楔形面。螺杆120包括相连接的螺杆120部与顶锥部122，螺杆120部穿射于锚管，并与锚管螺纹连接，顶锥部122设置于膨胀头130。具体的，缓冲装置10的插杆结构100在插入坡面的插孔后，施工人员通过拧动螺杆120远离顶锥部122的把手部，顶锥部122挤压膨胀头130向外扩大，从而使插杆结构100稳固地插接于坡面的插孔。
[0062]
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。