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

背景技術(shù)：

公路干線在通過高山峽谷時，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害，常砸毀車輛、阻斷交通，嚴重影響經(jīng)濟和社會的發(fā)展。尤其在西部山區(qū)的交通干線上，崩塌滾石災害嚴重，危害尤為嚴重。

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)模廣泛應用于道路邊坡滾石防治中?，F(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“攔擋滾石”來實現(xiàn)對路基的防護，屬于“被動攔擋”。工程實踐表明，這些“被動攔擋”棚洞對大規(guī)模群發(fā)、高頻反復、高速高強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”理論設計，剛度較大，直接攔擋“高速高強”滾石沖擊， 雖然通過保守設計可保證單次沖擊的安全性，但整體結(jié)構(gòu)會因“高頻反復”滾石作用而不斷損傷，最終當損傷累積到一定程度后就會出現(xiàn)系統(tǒng)性無征兆的突發(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)，其建造費用高、施工周期長、在高山峽谷區(qū)修建難度大、損毀后不易修復、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)的應用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對現(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，以及該棚洞的設計方法

為實現(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”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。當滾石沿山體坡面墜落時，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動軌跡，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力作用下地貌削高填低的過程。從地學角度看，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滾 石使其依軌跡運動，更符合自然規(guī)律。引導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，在優(yōu)選設計中，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)，能夠針對超出設計的滾石沖擊做出響應，并通過耗能材料的塑性變形來耗散極端沖擊，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)面的常設施工設計，蓋板由蓋板單元沿蓋板的圓弧輪廓拼接構(gòu)成。

進一步地，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)，包括中心加強筋與中心加強筋外套裝的至少一層鋼性管。進一步地，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)化設計中，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，提升剛性管注漿樁的抗彎/抗剪能力。中心加強筋布置在內(nèi)層鋼性管的中心線上，用于增加抗拉強度，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)接關系，并為棚洞提供抗側(cè)向沖擊能力。

在實際建設工程中，本發(fā)明棚洞可以先根據(jù)需保護路基的長度、山地坡面角度的特征分隔設計為多個棚洞單體。每個棚洞單體有一定長段，根據(jù)需要統(tǒng)一設計或分別設計?，F(xiàn)場施工時，各棚洞單體按無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)明棚洞在實際使用過程中為達到穩(wěn)定地將坡面滾石向外“滑躍拋出”的目標，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)錨固深度值等關鍵性參數(shù)值的設計。該參數(shù)值的確定能夠保證整個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)運動，向外拋出，完成“滑躍”的運動過程。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供上述棚洞的設計方法，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的設計。

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，并最終影響了其對滾石滑躍排導/遮擋的防護效果。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計方法，用于下凹圓弧形蓋板曲率半徑值R的設計，其技術(shù)方案如下：

棚洞設計方法，其特征在于：用于蓋板曲率半徑值R的設計，依如下步驟實施：

步驟S1、獲取基本數(shù)據(jù)

現(xiàn)場勘察確定道路內(nèi)側(cè)坡面傾角α，根據(jù)工程設計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。

上述棚洞設計方法中，為確定蓋板曲率半徑值R，關鍵性的技術(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能的前提下，通過改變滾石運動方向?qū)⑵湓俅螔伷?，形成高于路基待防護空域的拋物軌跡，向坡體外側(cè)拓寬對滾石防治的安全空域。這個安全空域的長度即滾石從拋出點B拋出后又墜落至B點高度的時間段t內(nèi)飛行的水平距離l(待保護空域的有效寬度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點拋出時的速度，可由表示為式1.2：

式中，g為重力加速度；h為滾石墜落點到拋出點B的垂直高度，即墜落高度；k為滾石坡面滾動能量損失系數(shù)，由現(xiàn)場原位試驗確定；t為滾石從拋出點B向上拋出做拋物運動后又墜落至B點高度所需時間，可以表示為式1.3：

將式1.3、式1.2帶入式1.1可知，當滾石墜落高度h確定時，棚洞結(jié)構(gòu)形成的安全空域長度是有上限的。即，當且僅當棚洞結(jié)構(gòu)的滑躍拋出角β＝45°時滾石飛行的水平距離達到最大值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°設置棚洞結(jié)構(gòu)體時，要求結(jié)構(gòu)拋出點B位于道路內(nèi)側(cè)坡腳C點正上方安全高度h₀處。設計棚洞頂部下凹圓弧形蓋板時，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B，內(nèi)側(cè)翼面則與坡面自然相切并錨固在A點。依此技術(shù)原理得到蓋板曲率半徑值R設計方法的技術(shù)方案。

確定蓋板曲率半徑值R后，可進一步完成桁架結(jié)構(gòu)頂棚主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設計。具體是：

對支撐蓋板的桁架結(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)邊架長度w(即結(jié)構(gòu)頂棚內(nèi)外側(cè)翼面長度)依式2計算確定：

以上述棚洞設計方法為基礎，可進一步實現(xiàn)棚洞灌漿鋼管樁結(jié)構(gòu)立柱的埋深值L_p設計，具體技術(shù)方案依如下步驟實施：

上述步驟S1中，獲取的基本數(shù)據(jù)還包括：現(xiàn)場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)場試驗確定滾石坡面滾動能量損失系數(shù)k、鋼管樁抗壓強度σ_c、鋼管樁側(cè)阻力q_sp；

上述步驟S2后繼續(xù)實施步驟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、確定坡面滾石對棚洞的最大豎向壓力

依式3計算確定坡面滾石對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計算確定灌漿鋼管樁樁徑d_p

式中，—坡面滾石對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。

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

如圖2所示，滾石運動到蓋板上后，在圓弧形蓋板上變速圓周運動，對蓋板的滾動沖擊壓力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為在不考慮滾動摩擦情況下滾石自A點沿滑躍板轉(zhuǎn)α+θ角度后的滾動速度，可表示為式3.2：

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

將滾石沿蓋板滑動時的滾動沖擊壓力沿水平、豎直方向分解，可表示為式3.4：

將現(xiàn)場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進行數(shù)值分析，即可確定結(jié)構(gòu)承擔的最大豎向壓力

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

特別的，當θ＝0°時，滾石對棚洞結(jié)構(gòu)的豎向滾動沖擊壓力最大，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。在實際工程中，蓋板的固定側(cè)邊一般通過錨桿/錨索與山體錨固實現(xiàn)緊接(相切)。以上述棚洞設計方法為基礎，本發(fā)明進一步提供棚洞設計方法，用于設計棚洞蓋板側(cè)邊錨固體系中錨固深度值L_b，具體技術(shù)方案依如下步驟實施：

上述步驟S1中，獲取的基本數(shù)據(jù)還包括：現(xiàn)場試驗確定錨桿/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、確定坡面滾石對棚洞的最大水平壓力

依式6計算確定坡面滾石對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計算確定錨固深度L_b

式中，—坡面滾石對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。

上述棚洞設計方法，用于完成對棚洞灌漿鋼管樁結(jié)構(gòu)立柱的埋深值L_p的設計，關鍵是確定坡面滾石對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防坡面的高位滾石對道路的沖擊破壞。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、由設計參數(shù)確定，k是滾石坡面滾動能量損失系數(shù)、由現(xiàn)場實驗測試確定。因此，在棚洞設計方法中，當步驟S1通過現(xiàn)在勘察確定的最小墜落高度h_min≤l₀/(2-2k)時，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)、輕鋼棚洞等輔助設施結(jié)構(gòu)，共同構(gòu)成棚洞組合防護系統(tǒng)。

優(yōu)化二：設計方法優(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B的高度等關鍵參數(shù)不變的前提下，將外側(cè)翼面隨拋出點B水平外移來保證滾石的安全防護，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，對應圓弧曲率半徑由R增大至R′，并可由式9計算確定：

進一步地，結(jié)構(gòu)頂棚豎向桁架三角面(122)兩外側(cè)邊架長度w′依式10計算確定：

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“滑躍排導”的方式實現(xiàn)對中/高位崩塌滾石單/群體的有效防治，解決了傳統(tǒng)棚洞面臨“高能級沖擊損毀”、“高頻損傷累積破壞”、“攔擋淤塞壓垮”等問題。(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)簡潔，主要部件均可依實際工況先期進行工廠標準化定制生產(chǎn)，再在現(xiàn)場根據(jù)不同防護對象與地形條件進行現(xiàn)場搭建組裝，具有廣泛適應性。同時，施工速度快，工程質(zhì)量容易控制，勞動強度低，能在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不易施工的在高山峽谷區(qū)應用，且便于搶險救災。(4)本發(fā)明棚洞結(jié)構(gòu)為模塊化生產(chǎn)安裝，可實現(xiàn)對受損構(gòu)件有針對性替換，極大的降低工程運行期的維護成本，解決了傳統(tǒng)棚洞不易修復和維護問題。(5)本發(fā)明提供的棚洞對于預防坡面高位滾石對道路的沖擊破壞具有優(yōu)勢。(6)本發(fā)明提供了棚洞的設計方法及優(yōu)化設計方法，解決棚洞依工況設計中需要完成設計的關鍵性設計參數(shù)。

附圖說明

圖1是棚洞安裝位置側(cè)面示意圖。

圖2是棚洞設計計算原理圖。

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是棚洞外移設計計算原理圖。

附圖中的數(shù)字標記分別是：

1Y形架梁 11立柱 111中心加強筋 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

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例作進一步的描述。

實施例一

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，滾石災害具有“點多”、“面廣”、“高位頻發(fā)”的特征，對道路行車安全造成嚴重危害，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。本實施方式中，固定側(cè)邊21通過錨桿/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)，包括中心加強筋111與中心加強筋111外套裝的至少一層鋼性管112，鋼性管112與加強筋111之間、鋼性管112之間是灌漿區(qū)113。本實施方式中，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。

實施例二

采用本發(fā)明設計方法完成對實施例一中棚洞的設計，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)的設計。

經(jīng)勘查，受崩塌滾石危害的路段長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0.5m，對應最大質(zhì)量m_max約164kg。經(jīng)現(xiàn)場多組滾動試驗回歸得出的滾石坡面滾動能量損失系數(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樁體的試驗抗壓強度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，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，在本例的原位抗拉試驗中，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，計算得到坡面滾石對棚洞的最大豎向壓力再將值、將σ_c＝20MPa代入式4，計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 實際中對樁徑適當放大后取d_p＝0.168m。進一步將d_p＝0.168m、值、q_sp＝180kPa代入式5，計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，計算得到坡面滾石對棚洞的最大水平壓力再將值、d_b＝25mm、q_sb＝600kPa、δ＝20°代入式7，計算得到錨固深度L_b＝4.53m。

實施例三

在實施例二基礎上完成桁架結(jié)構(gòu)頂棚的主體結(jié)構(gòu)設計。

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長度依式2確定為：

實施例四

在前述實施例中，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，設計所得棚洞實際滾石墜落高度的最小值h_min＝150m遠遠大于該下限值，表明本棚洞結(jié)構(gòu)可以很好對該區(qū)所有崩塌滾石進行有效防治。

本實施例以前述實施例為基礎，針對一些墜落高度小于5.82m的崩塌滾石，對棚洞結(jié)果進行優(yōu)化設計。具體，本實施例中采用本發(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， 對棚洞結(jié)果進行優(yōu)化設計。

此時，為保證結(jié)構(gòu)能繼續(xù)對滾石進行有效防治，則需將棚洞結(jié)構(gòu)擴大(圖10)，并計算圓弧曲率半徑增大后的R′值。

首先依式7計算確定棚洞拋出點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計算確定豎向桁架三角面122兩外側(cè)邊架124長度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設計方法同實施例二。