带有预警耗能减震控制系统的边坡锚固结构及施工方法
【专利摘要】带有预警耗能减震控制系统的边坡锚固结构及施工方法，属于岩土锚固防灾减灾领域，框架1与锚杆6和控制锚管16通过锚具14锚固，通讯线10将框架1上的位移传感器11和控制锚管16的电液伺服阀25与单片机9连接，形成减震控制锚固结构，其特征在于：还包括在单片机9内安装预警程序，并与报警器13连接，在框架1与不稳定土体30之间增设隔震层7，锚杆6与控制锚管16间隔布置穿过框架1，通讯线10将电源系统8与单片机9连接、单片机9还通过通讯线10分别与放大器12、位移传感器11和电液伺服阀25连接。
【专利说明】带有预警耗能减震控制系统的边坡锚固结构及施工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种带有预警耗能减震控制系统的边坡锚固结构，主要用于高陡边坡的监测、预警和提高地震作用下锚固边坡的安全性，属于岩土锚固防灾减灾领域。
【背景技术】
[0002]影响边坡稳定性的因素有很多，主要有人类工程活动、降雨和地震等；特别是地震或爆破等动力作用诱发的山体滑坡越来越频繁，给人类的生命财产带来巨大威胁。为了减轻地震诱发的边坡失稳，人们通过抗震设防措施来抵御灾害造成的破坏，目前主要采用增加支护结构刚度的被动抗震方法，但这种方法的局限性已不能满足高标准的抗震安全性和适用性能要求。针对现有锚喷支护结构抗震性能差的缺点，专利号:201310666447.8提出一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆，此控制锚杆将减震控制思想应用于边坡加固设计中，构造出一种边坡智能减震控制系统，该体系将耗能减震与控制功能于一体的变刚度控制锚杆，实现了边坡锚固隔震减震设计及控制，该控制锚杆不但使外框架不被破坏，而且使锚固边坡的地震响应减小，而且具有Fail-safe特征，当控制器失效时就变为被动隔震及耗能装置，同样具有良好的减震性能。监测预警作为减缓地质灾害风险的措施之一，在滑坡灾害防治中得到广泛的应用，通过山体滑坡监测，可以了解和掌握滑坡体的演变过程，及时捕捉滑坡灾害的特征信息，以便在山体滑坡形成次生灾害前及时发出警报，以免造成巨大的生命财产损失。目前山体滑坡的预警方式主要有:一是采用人工巡回检查的方式对山体进行实地排查，该方式的缺陷在于，投入劳动力多，且不能24小时自动监控。二是采用现代网络、通讯技术和量测系统相结合的预警系统，该系统监测较为准确，但需要先解决供电问题，且通过卫星定位检测山体滑坡的设备成本极高。介于上述控制锚杆的支护结构不具有预警系统，预警系统不能够耗能减震控制。所以，寻找同时具备预警系统和耗能减震的智能支护结构来减轻滑坡灾害已成目前研究的重点。为此，本发明在现有预警技术和减震控制的基础上，结合两种技术的优点，形成一种既能预警又能耗能减震的支护结构。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种能够监测、预警和耗能减震控制的智能化边坡锚固结构。
[0004]本发明是带有预警耗能减震控制系统的边坡锚固结构及施工方法，其结构包括框架I与锚杆6和控制锚管16通过锚具14锚固，通讯线10将框架I上的位移传感器11和控制锚管16的电液伺服阀25与单片机9连接，形成减震控制锚固结构，在单片机9内安装预警程序，并与报警器13连接，在框架I与不稳定土体30之间增设隔震层7，锚杆6与控制锚管16间隔布置穿过框架1，通讯线10将电源系统8与单片机9连接，单片机9还通过通讯线10分别与放大器12、位移传感器11和电液伺服阀25连接。
[0005]带有预警耗能减震控制系统的边坡锚固结构的施工方法，其步骤为:
(I)放线定位:根据工程设计要求，用测量工具进行定位； (2)制作锚杆6和中空锚管17:根据设计要求，在锚杆6和中空锚管17的前段车削螺纹，并在中空锚管17的后段钻出浆孔；
(3)钻孔:用钻机在边坡岩土体上钻孔，分别将锚杆6和中空锚管17安置于相应的孔
中；
(4)注浆:分别在锚杆6相应的孔和在中空锚管17内压力注入水泥砂浆29;锚杆6周围的水泥砂浆29将锚杆6锚固在稳定土体31中；中空锚管17内的水泥砂浆29从出浆孔渗出，使得中空锚管17锚固在稳定土体31中；
(5)在坡面上铺设隔震层7，并使锚杆6和中空锚管17穿过隔震层7；
(6)在隔震层7外挂钢筋网并喷射水泥砂浆29，形成面板4；
(7)烧注横梁2和立柱3:在第一根立柱3和第一排横梁I的设计位置处支模，在支模而成的槽内绑扎横梁2、立柱3的钢筋骨架并浇筑混凝土 ；
(8)待横梁2、立柱3的混凝土强度达到85%以上时对锚杆6进行预应力张拉，用锚具14将锚杆6紧固连接的锚头锁死，然后做用于保护锚头和锚具14的混凝土喷层；
(9)按照此步骤施工下一个工作面的锚杆6和横梁2、立柱3，并完成各层锚杆6的预应力张拉与锚固；
(10)在立柱3的底端对应位置处制作基础桩5:在开设的桩孔内放入钢筋笼，将立柱3的底端外伸钢筋和基础桩5内钢筋焊接连接，浇注基础桩5 ；
(11)施作控制锚管16:将垫板15和锚固弹簧19套在中空锚管17上，之后用锚具14将中空锚管17锚固在框架I上，并施加预应力；
Ca)组装变刚度装置18:在嵌套双出杆活塞22的液压缸21内充填油液23，用旁通管路24连接液压缸21和电液伺服阀25，排气调试，充满油液23 ；
(b)在组装好的变刚度装置18的双出杆活塞22右出杆上套刚度弹簧26b，通过套筒20连接中空锚管17和双出杆活塞22的右出杆；
(c)在双出杆活塞22的左出杆上套刚度弹簧26a；
(d)将套筒20的一端与中空锚管17连接；
Ce)将通讯线10的一端与电液伺服阀25连接；
Cf)将支撑箱27套在双出杆活塞22上，并用螺栓28将支撑箱27、垫板15固定框架I
上；
(12)在框架I上安装位移传感器11；
(13)用通讯线10将位移传感器11、放大器12与单片机9连接；用通讯线10分别将电液伺服阀25、报警器13与单片机9连接；至此半主动变刚度耗能减震控制锚管安装完成；
(14)按照步骤(11)、步骤(12)和步骤(13)施工下一个控制锚管16。
[0006]本发明的有益效果是:本发明原理可靠，配套系统设备简单，有效集合了监测、预警和耗能减震控制，构成智能化的边坡锚固结构，能够实现边坡在静力和动力灾害的监测和防治领域中进行连续、可靠支护、安全监测和预警、适应性强，适合市场推广使用。采用的不间断电源系统避免了地震时灾区电力供应发生故障，保证了预警系统和控制装置的有效运行；在动态时，预警系统发出警报的同时控制系统也发挥作用，有效的抵御地震动力灾害的破坏，为人员安全撤离争取时间，以免造成巨大的生命财产损失；并且智能系统的应用节省了大量的人力和物力，免去了人员交替巡查被监测山体。【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1是本发明的结构剖面示意图，图2是图1中的框架I的正立面的结构示意图，图3是图1中的控制锚管16的结构示意图，图4是图1中的锚杆6的结构示意图。
【具体实施方式】
[0008]下面结合附图和具体实例对本发明的特征作更进一步描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限制本发明的范围，凡在本发明精神范围内所做的任何等同修改和变换，都在本发明保护范围之内。
[0009]本发明是带有预警耗能减震控制系统的边坡锚固结构，包括框架I与锚杆6和控制锚管16通过锚具14锚固，通讯线10将框架I上的位移传感器11和控制锚管16的电液伺服阀25与单片机9连接，形成减震控制锚固结构，在单片机9内安装预警程序，并与报警器13连接，在框架I与不稳定土体30之间增设隔震层7，锚杆6与控制锚管16间隔布置穿过框架1，通讯线10将电源系统8与单片机9连接、单片机9还通过通讯线10分别与放大器12、位移传感器11和电液伺服阀25连接。
[0010]如图1、图2所示，框架I由相互垂直交叉的横梁2和立柱3，及其后的面板4和埋在土体的基础桩5构成。
[0011]如图1、图3所示，单片机9内装有A/D和D/A数据采集与转换板，同时安装有控制算法、电液伺服阀25的驱动软件和预警程序。
[0012]如图1所示，电源系统8为UPS系统、太阳能电池或充电电池，能够解决供电困难问题。
[0013]如图1、图3、图4所示，的控制锚管16是在穿过框架I的中空锚管17上套上垫板15和锚固弹簧19，并用锚具14锚固在框架I上；用套筒20连接锚固好的中空锚管17和变刚度装置18，并由螺栓28将变刚度装置18的支撑箱27固定在框架I上。
[0014]如图1、图3所示，变刚度装置18包括双出杆活塞22嵌套在液压缸21内，液压缸21与电液伺服阀25通过旁通管路24连接，液压缸21和旁通管路24内填满油液23，在双出杆活塞22的左出杆套刚度弹簧26a，在双出杆活塞22的右出杆套刚度弹簧26b、用套筒20将双出杆活塞22的右出杆与锚固好的中空锚管17连接，在双出杆活塞22上安装支撑箱27。
[0015]如图1、图3所示，中空锚管17前段带有螺纹、后段带有出浆孔。
[0016]如图3所示，刚度弹簧26a和刚度弹簧26b的刚度系数均为800N/mm — 1500N/mm ；锚固弹簧19的刚度系数为400N/mm — 600N/mm。
[0017]如图1、图3所示，支撑箱27既能为刚度弹簧26a和刚度弹簧26b提供支撑反力又能起到保护变刚度装置18的作用。
[0018]如图1所示，报警器13根据位移传感器11的位移和预警程序报出不同级别的警报。
[0019]如图1所示，单片机9和报警器13安装在距滑坡较远不受干扰的地方。
[0020]如图1所示，隔震层7为橡胶隔震层或金属橡胶隔震层，厚度为2cm — 5cm，能够减小地震对框架I的作用力，起到耗能作用。[0021]带有预警耗能减震控制系统的边坡锚固结构的施工方法，在实施时，宜采用逆作法，分段施工，即由上而下逐层、分段施工，其步骤为:
(1)放线定位:根据工程设计要求，用测量工具进行定位；
(2)制作锚杆6和中空锚管17:根据设计要求，在锚杆6和中空锚管17的前段车削螺纹，并在中空锚管17的后段钻出浆孔；
(3)钻孔:用钻机在边坡岩土体上钻孔，分别将锚杆6和中空锚管17安置于相应的孔
中；
(4)注浆:分别在锚杆6相应的孔和在中空锚管17内压力注入水泥砂浆29;锚杆6周围的水泥砂浆29将锚杆6锚固在稳定土体31中。中空锚管17内的水泥砂浆29从出浆孔渗出，使得中空锚管17锚固在稳定土体31中；
(5)在坡面上铺设隔震层7，并使锚杆6和中空锚管17穿过隔震层7；
(6)在隔震层7外挂钢筋网并喷射水泥砂浆29，形成面板4；
(7)烧注横梁2和立柱3:在第一根立柱3和第一排横梁I的设计位置处支模，在支模而成的槽内绑扎横梁2、立柱3的钢筋骨架并浇筑混凝土 ；
(8)待横梁2、立柱3的混凝土强度达到85%以上时对锚杆6进行预应力张拉，用锚具14将锚杆6紧固连接的锚头锁死，然后做用于保护锚头和锚具14的混凝土喷层；
(9)按照此步骤施工下一个工作面的锚杆6和横梁2、立柱3，并完成各层锚杆6的预应力张拉与锚固；
(10)在立柱3的底端对应位置处制作基础桩5:在开设的桩孔内放入钢筋笼，将立柱3的底端外伸钢筋和基础桩5内钢筋焊接连接，浇注基础桩5 ；
(11)施作控制锚管16:将垫板15和锚固弹簧19套在中空锚管17上，之后用锚具14将中空锚管17锚固在框架I上，并施加预应力；
Ca)组装变刚度装置18:在嵌套双出杆活塞22的液压缸21内充填油液23，用旁通管路24连接液压缸21和电液伺服阀25，排气调试，充满油液23 ；
(b)在组装好的变刚度装置18的双出杆活塞22右出杆上套刚度弹簧26b，通过套筒20连接中空锚管17和双出杆活塞22的右出杆；
(c)在双出杆活塞22的左出杆上套刚度弹簧26a；
(d)将套筒20的一端与中空锚管17连接；
Ce)将通讯线10的一端与电液伺服阀25连接；
Cf)将支撑箱27套在双出杆活塞22上，并用螺栓28将支撑箱27、垫板15固定框架I
上；
(12)在框架I上安装位移传感器11；
(13)用通讯线10将位移传感器11、放大器12与单片机9连接；用通讯线10分别将电液伺服阀25、报警器13与单片机9连接。至此半主动变刚度耗能减震控制锚管安装完成；
(14)按照步骤(11)、步骤(12)和步骤(13)步骤施工下一个控制锚管16。
[0022]本发明的工作原理:在静态时此防治结构的控制装置不起作用，相当于普通锚喷支护结构，而预警系统能够正常工作。预警系统的工作原理为:位移传感器监测到的信号，通过通讯线传到放大器，再传到单片机智能系统，单片机设置了据以进行判断目标山体滑坡限制距离的预警程序，并对目标山体滑坡的位移是否大于规定的一级限制位移进行判断，若目标山体滑坡的位移小于规定的一级限制位移，不进行山体滑坡预警；若目标山体滑坡的位移大于规定的一级限制位移，单片机通过通讯线向报警器发送预警信息，报警器接受到预警信息后，自动发反应，将以报警声和发光的形式发出一级警报。当位移传感器测量到的目标山体滑坡的位移大于规定的二级限制位移，单片机通过通讯线向报警器发送预警信息，报警器接受到预警信息后，自动发反应，将以不同的报警声和发光的形式发出二级警报，此时，提示滑坡灾害即将到来，可要求人员临时撤离避险。
[0023]在动态时，预警系统的工作原理与静态时相同，在此不在赘述，同时控制装置也发挥作用。控制装置的工作原理为:位移传感器监测的信号通过通讯线传输到放大器，将其信号放大再传输到单片机智能系统，通过数据转换板和控制算法进行分析判断，输出信号通过通讯线传到变刚度装置的电液伺服阀，通过控制电液伺服阀的开口“状态”来实现给支护结构附加刚度弹簧的刚度，最后通过控制锚管的锚固段传递到稳定土体中，减小了滑动体相对稳定土体的位移。地震发生时岩土体作用到支护结构的动应力很大，通过控制算法调节将较大的动应力由控制锚管来承受，发挥自身已储备的承载能力，此时控制锚管达到高承载力，延长了预警提示与锚固结构破坏之间的时间，加之隔震层的施设也能起到耗能被动减震作用，两者共同有效的抵御地震动力灾害的破坏，为人员安全撤离争取了时间。
【权利要求】
1.带有预警耗能减震控制系统的边坡锚固结构，包括框架(1)与锚杆(6)和控制锚管(16)通过锚具(14)锚固，通讯线(10)将框架(1)上的位移传感器(11)和控制锚管(16)的电液伺服阀(25)与单片机(9)连接，形成减震控制锚固结构，其特征在于:在单片机(9)内安装预警程序，并与报警器(13)连接，在框架(1)与不稳定土体(30)之间增设隔震层(7)，锚杆(6)与控制锚管(16)间隔布置穿过框架(1)，通讯线(10)将电源系统(8)与单片机(9)连接，单片机(9)还通过通讯线(10)分别与放大器(12)、位移传感器(11)和电液伺服阀(25)连接。
2.根据权利要求1所述的带有预警耗能减震控制系统的边坡锚固结构，其特征在于:电源系统(8)为UPS系统，或者是太阳能电池，或者是充电电池。
3.根据权利要求1所述的带有预警耗能减震控制系统的边坡锚固结构，其特征在于:隔震层(7)为橡胶隔震层，或者金属橡胶隔震层，厚度为2cm — 5cm。
4.根据权利要求1所述的带有预警耗能减震控制系统的边坡锚固结构，其特征在于:报警器(13)能够根据位移传感器(11)的位移和预警程序报出不同级别的警报。
5.根据权利要求1所述的带有预警耗能减震控制系统的边坡锚固结构，其特征在于:单片机(9)和报警器(13)安装在距滑坡较远不受干扰的地方。
6.带有预警耗能减震控制系统的边坡锚固结构的施工方法，其步骤为: (1)放线定位:根据工程设计要求，用测量工具进行定位； (2)制作锚杆(6)和中空锚管(17):根据设计要求，在锚杆(6)和中空锚管(17)的前段车削螺纹，并在中空锚管(17)的后段钻出浆孔； (3)钻孔:用钻机在边坡岩土体上钻孔，分别将锚杆(6)和中空锚管(17)安置于相应的孔中； (4)注浆:分别在锚杆(6)相应的孔和在中空锚管(17)内压力注入水泥砂浆(29);锚杆(6)周围的水泥砂浆(29)将锚杆(6)锚固在稳定土体(31)中；中空锚管(17)内的水泥砂浆(29)从出浆孔渗出，使得中空锚管(17)锚固在稳定土体(31)中； (5)在坡面上铺设隔震层(7)，并使锚杆(6)和中空锚管(17)穿过隔震层(7); (6)在隔震层(7)外挂钢筋网并喷射水泥砂浆(29)，形成面板(4)； (7)浇注横梁(2)和立柱(3):在第一根立柱(3)和第一排横梁(I)的设计位置处支模，在支模而成的槽内绑扎横梁(2)、立柱(3)的钢筋骨架并浇筑混凝土 ； (8)待横梁(2)、立柱(3)的混凝土强度达到85%以上时对锚杆(6)进行预应力张拉，用锚具(14)将锚杆(6)紧固连接的锚头锁死，然后做用于保护锚头和锚具(14)的混凝土喷层； (9)按照此步骤施工下一个工作面的锚杆(6)和横梁(2)、立柱(3)，并完成各层锚杆(6)的预应力张拉与锚固； (10)在立柱(3)的底端对应位置处制作基础桩(5):在开设的桩孔内放入钢筋笼，将立柱(3)的底端外伸钢筋和基础桩(5)内钢筋焊接连接，浇注基础桩(5)； (11)施作控制锚管(16):将垫板(15)和锚固弹簧(19)套在中空锚管(17)上，之后用锚具(14)将中空锚管(17)锚固在框架(1)上，并施加预应力； (a)组装变刚度装置(18):在嵌套双出杆活塞(22)的液压缸(21)内充填油液(23)，用旁通管路(24)连接液压缸(21)和电液伺服阀(25)，排气调试，充满油液(23);(b)在组装好的变刚度装置(18)的双出杆活塞(22)右出杆上套刚度弹簧(26b)，通过套筒(20)连接中空锚管(17)和双出杆活塞(22)的右出杆； (c)在双出杆活塞22的左出杆上套刚度弹簧(26a)； (d)将套筒(20)的一端与中空锚管(17)连接； (e)将通讯线(10)的一端与电液伺服阀(25)连接； (f)将支撑箱(27)套在双出杆活塞(22 )上，并用螺栓(28 )将支撑箱(27 )、垫板(15 )固定框架(1)上； (12)在框架(1)上安装位移传感器(11); (13)用通讯线(10)将位移传感器(11)、放大器(12)与单片机(9)连接；用通讯线(10)分别将电液伺服阀(25)、报警器(13)与单片机(9)连接；至此半主动变刚度耗能减震控制锚管安装完成； (14)按照步骤(11)、步骤(12)和步骤`(13)施工下一个控制锚管(16)。
【文档编号】E02D5/74GK103850254SQ201410128075
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】董建华, 董旭光, 王永胜, 王冰霞, 张媛, 刘彦东, 吴意谦, 王浩, 袁方龙, 代涛, 杨志 申请人:兰州理工大学