帶有預警耗能減震控制系統的邊坡錨固結構及施工方法
【專利摘要】帶有預警耗能減震控制系統的邊坡錨固結構及施工方法，屬于巖土錨固防災減災領域，框架1與錨桿6和控制錨管16通過錨具14錨固，通訊線10將框架1上的位移傳感器11和控制錨管16的電液伺服閥25與單片機9連接，形成減震控制錨固結構，其特征在于：還包括在單片機9內安裝預警程序，并與報警器13連接，在框架1與不穩定土體30之間增設隔震層7，錨桿6與控制錨管16間隔布置穿過框架1，通訊線10將電源系統8與單片機9連接、單片機9還通過通訊線10分別與放大器12、位移傳感器11和電液伺服閥25連接。
【專利說明】帶有預警耗能減震控制系統的邊坡錨固結構及施工方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種帶有預警耗能減震控制系統的邊坡錨固結構，主要用于高陡邊坡的監測、預警和提高地震作用下錨固邊坡的安全性，屬于巖土錨固防災減災領域。
【背景技術】
[0002]影響邊坡穩定性的因素有很多，主要有人類工程活動、降雨和地震等；特別是地震或爆破等動力作用誘發的山體滑坡越來越頻繁，給人類的生命財產帶來巨大威脅。為了減輕地震誘發的邊坡失穩，人們通過抗震設防措施來抵御災害造成的破壞，目前主要采用增加支護結構剛度的被動抗震方法，但這種方法的局限性已不能滿足高標準的抗震安全性和適用性能要求。針對現有錨噴支護結構抗震性能差的缺點，專利號:201310666447.8提出一種半主動變剛度耗能減震控制錨桿，此控制錨桿將減震控制思想應用于邊坡加固設計中，構造出一種邊坡智能減震控制系統，該體系將耗能減震與控制功能于一體的變剛度控制錨桿，實現了邊坡錨固隔震減震設計及控制，該控制錨桿不但使外框架不被破壞，而且使錨固邊坡的地震響應減小，而且具有Fail-safe特征，當控制器失效時就變為被動隔震及耗能裝置，同樣具有良好的減震性能。監測預警作為減緩地質災害風險的措施之一，在滑坡災害防治中得到廣泛的應用，通過山體滑坡監測，可以了解和掌握滑坡體的演變過程，及時捕捉滑坡災害的特征信息，以便在山體滑坡形成次生災害前及時發出警報，以免造成巨大的生命財產損失。目前山體滑坡的預警方式主要有:一是采用人工巡回檢查的方式對山體進行實地排查，該方式的缺陷在于，投入勞動力多，且不能24小時自動監控。二是采用現代網絡、通訊技術和量測系統相結合的預警系統，該系統監測較為準確，但需要先解決供電問題，且通過衛星定位檢測山體滑坡的設備成本極高。介于上述控制錨桿的支護結構不具有預警系統，預警系統不能夠耗能減震控制。所以，尋找同時具備預警系統和耗能減震的智能支護結構來減輕滑坡災害已成目前研究的重點。為此，本發明在現有預警技術和減震控制的基礎上，結合兩種技術的優點，形成一種既能預警又能耗能減震的支護結構。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種能夠監測、預警和耗能減震控制的智能化邊坡錨固結構。
[0004]本發明是帶有預警耗能減震控制系統的邊坡錨固結構及施工方法，其結構包括框架I與錨桿6和控制錨管16通過錨具14錨固，通訊線10將框架I上的位移傳感器11和控制錨管16的電液伺服閥25與單片機9連接，形成減震控制錨固結構，在單片機9內安裝預警程序，并與報警器13連接，在框架I與不穩定土體30之間增設隔震層7，錨桿6與控制錨管16間隔布置穿過框架1，通訊線10將電源系統8與單片機9連接，單片機9還通過通訊線10分別與放大器12、位移傳感器11和電液伺服閥25連接。
[0005]帶有預警耗能減震控制系統的邊坡錨固結構的施工方法，其步驟為:
(I)放線定位:根據工程設計要求，用測量工具進行定位； (2)制作錨桿6和中空錨管17:根據設計要求，在錨桿6和中空錨管17的前段車削螺紋，并在中空錨管17的后段鉆出漿孔；
(3)鉆孔:用鉆機在邊坡巖土體上鉆孔，分別將錨桿6和中空錨管17安置于相應的孔
中；
(4)注漿:分別在錨桿6相應的孔和在中空錨管17內壓力注入水泥砂漿29;錨桿6周圍的水泥砂漿29將錨桿6錨固在穩定土體31中；中空錨管17內的水泥砂漿29從出漿孔滲出，使得中空錨管17錨固在穩定土體31中；
(5)在坡面上鋪設隔震層7，并使錨桿6和中空錨管17穿過隔震層7；
(6)在隔震層7外掛鋼筋網并噴射水泥砂漿29，形成面板4；
(7)燒注橫梁2和立柱3:在第一根立柱3和第一排橫梁I的設計位置處支模，在支模而成的槽內綁扎橫梁2、立柱3的鋼筋骨架并澆筑混凝土 ；
(8)待橫梁2、立柱3的混凝土強度達到85%以上時對錨桿6進行預應力張拉，用錨具14將錨桿6緊固連接的錨頭鎖死，然后做用于保護錨頭和錨具14的混凝土噴層；
(9)按照此步驟施工下一個工作面的錨桿6和橫梁2、立柱3，并完成各層錨桿6的預應力張拉與錨固；
(10)在立柱3的底端對應位置處制作基礎樁5:在開設的樁孔內放入鋼筋籠，將立柱3的底端外伸鋼筋和基礎樁5內鋼筋焊接連接，澆注基礎樁5 ；
(11)施作控制錨管16:將墊板15和錨固彈簧19套在中空錨管17上，之后用錨具14將中空錨管17錨固在框架I上，并施加預應力；
Ca)組裝變剛度裝置18:在嵌套雙出桿活塞22的液壓缸21內充填油液23，用旁通管路24連接液壓缸21和電液伺服閥25，排氣調試，充滿油液23 ；
(b)在組裝好的變剛度裝置18的雙出桿活塞22右出桿上套剛度彈簧26b，通過套筒20連接中空錨管17和雙出桿活塞22的右出桿；
(c)在雙出桿活塞22的左出桿上套剛度彈簧26a；
(d)將套筒20的一端與中空錨管17連接；
Ce)將通訊線10的一端與電液伺服閥25連接；
Cf)將支撐箱27套在雙出桿活塞22上，并用螺栓28將支撐箱27、墊板15固定框架I
上；
(12)在框架I上安裝位移傳感器11；
(13)用通訊線10將位移傳感器11、放大器12與單片機9連接；用通訊線10分別將電液伺服閥25、報警器13與單片機9連接；至此半主動變剛度耗能減震控制錨管安裝完成；
(14)按照步驟(11)、步驟(12)和步驟(13)施工下一個控制錨管16。
[0006]本發明的有益效果是:本發明原理可靠，配套系統設備簡單，有效集合了監測、預警和耗能減震控制，構成智能化的邊坡錨固結構，能夠實現邊坡在靜力和動力災害的監測和防治領域中進行連續、可靠支護、安全監測和預警、適應性強，適合市場推廣使用。采用的不間斷電源系統避免了地震時災區電力供應發生故障，保證了預警系統和控制裝置的有效運行；在動態時，預警系統發出警報的同時控制系統也發揮作用，有效的抵御地震動力災害的破壞，為人員安全撤離爭取時間，以免造成巨大的生命財產損失；并且智能系統的應用節省了大量的人力和物力，免去了人員交替巡查被監測山體。【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1是本發明的結構剖面示意圖，圖2是圖1中的框架I的正立面的結構示意圖，圖3是圖1中的控制錨管16的結構示意圖，圖4是圖1中的錨桿6的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0008]下面結合附圖和具體實例對本發明的特征作更進一步描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限制本發明的范圍，凡在本發明精神范圍內所做的任何等同修改和變換，都在本發明保護范圍之內。
[0009]本發明是帶有預警耗能減震控制系統的邊坡錨固結構，包括框架I與錨桿6和控制錨管16通過錨具14錨固，通訊線10將框架I上的位移傳感器11和控制錨管16的電液伺服閥25與單片機9連接，形成減震控制錨固結構，在單片機9內安裝預警程序，并與報警器13連接，在框架I與不穩定土體30之間增設隔震層7，錨桿6與控制錨管16間隔布置穿過框架1，通訊線10將電源系統8與單片機9連接、單片機9還通過通訊線10分別與放大器12、位移傳感器11和電液伺服閥25連接。
[0010]如圖1、圖2所示，框架I由相互垂直交叉的橫梁2和立柱3，及其后的面板4和埋在土體的基礎樁5構成。
[0011]如圖1、圖3所示，單片機9內裝有A/D和D/A數據采集與轉換板，同時安裝有控制算法、電液伺服閥25的驅動軟件和預警程序。
[0012]如圖1所示，電源系統8為UPS系統、太陽能電池或充電電池，能夠解決供電困難問題。
[0013]如圖1、圖3、圖4所示，的控制錨管16是在穿過框架I的中空錨管17上套上墊板15和錨固彈簧19，并用錨具14錨固在框架I上；用套筒20連接錨固好的中空錨管17和變剛度裝置18，并由螺栓28將變剛度裝置18的支撐箱27固定在框架I上。
[0014]如圖1、圖3所示，變剛度裝置18包括雙出桿活塞22嵌套在液壓缸21內，液壓缸21與電液伺服閥25通過旁通管路24連接，液壓缸21和旁通管路24內填滿油液23，在雙出桿活塞22的左出桿套剛度彈簧26a，在雙出桿活塞22的右出桿套剛度彈簧26b、用套筒20將雙出桿活塞22的右出桿與錨固好的中空錨管17連接，在雙出桿活塞22上安裝支撐箱27。
[0015]如圖1、圖3所示，中空錨管17前段帶有螺紋、后段帶有出漿孔。
[0016]如圖3所示，剛度彈簧26a和剛度彈簧26b的剛度系數均為800N/mm — 1500N/mm ；錨固彈簧19的剛度系數為400N/mm — 600N/mm。
[0017]如圖1、圖3所示，支撐箱27既能為剛度彈簧26a和剛度彈簧26b提供支撐反力又能起到保護變剛度裝置18的作用。
[0018]如圖1所示，報警器13根據位移傳感器11的位移和預警程序報出不同級別的警報。
[0019]如圖1所示，單片機9和報警器13安裝在距滑坡較遠不受干擾的地方。
[0020]如圖1所示，隔震層7為橡膠隔震層或金屬橡膠隔震層，厚度為2cm — 5cm，能夠減小地震對框架I的作用力，起到耗能作用。[0021]帶有預警耗能減震控制系統的邊坡錨固結構的施工方法，在實施時，宜采用逆作法，分段施工，即由上而下逐層、分段施工，其步驟為:
(1)放線定位:根據工程設計要求，用測量工具進行定位；
(2)制作錨桿6和中空錨管17:根據設計要求，在錨桿6和中空錨管17的前段車削螺紋，并在中空錨管17的后段鉆出漿孔；
(3)鉆孔:用鉆機在邊坡巖土體上鉆孔，分別將錨桿6和中空錨管17安置于相應的孔
中；
(4)注漿:分別在錨桿6相應的孔和在中空錨管17內壓力注入水泥砂漿29;錨桿6周圍的水泥砂漿29將錨桿6錨固在穩定土體31中。中空錨管17內的水泥砂漿29從出漿孔滲出，使得中空錨管17錨固在穩定土體31中；
(5)在坡面上鋪設隔震層7，并使錨桿6和中空錨管17穿過隔震層7；
(6)在隔震層7外掛鋼筋網并噴射水泥砂漿29，形成面板4；
(7)燒注橫梁2和立柱3:在第一根立柱3和第一排橫梁I的設計位置處支模，在支模而成的槽內綁扎橫梁2、立柱3的鋼筋骨架并澆筑混凝土 ；
(8)待橫梁2、立柱3的混凝土強度達到85%以上時對錨桿6進行預應力張拉，用錨具14將錨桿6緊固連接的錨頭鎖死，然后做用于保護錨頭和錨具14的混凝土噴層；
(9)按照此步驟施工下一個工作面的錨桿6和橫梁2、立柱3，并完成各層錨桿6的預應力張拉與錨固；
(10)在立柱3的底端對應位置處制作基礎樁5:在開設的樁孔內放入鋼筋籠，將立柱3的底端外伸鋼筋和基礎樁5內鋼筋焊接連接，澆注基礎樁5 ；
(11)施作控制錨管16:將墊板15和錨固彈簧19套在中空錨管17上，之后用錨具14將中空錨管17錨固在框架I上，并施加預應力；
Ca)組裝變剛度裝置18:在嵌套雙出桿活塞22的液壓缸21內充填油液23，用旁通管路24連接液壓缸21和電液伺服閥25，排氣調試，充滿油液23 ；
(b)在組裝好的變剛度裝置18的雙出桿活塞22右出桿上套剛度彈簧26b，通過套筒20連接中空錨管17和雙出桿活塞22的右出桿；
(c)在雙出桿活塞22的左出桿上套剛度彈簧26a；
(d)將套筒20的一端與中空錨管17連接；
Ce)將通訊線10的一端與電液伺服閥25連接；
Cf)將支撐箱27套在雙出桿活塞22上，并用螺栓28將支撐箱27、墊板15固定框架I
上；
(12)在框架I上安裝位移傳感器11；
(13)用通訊線10將位移傳感器11、放大器12與單片機9連接；用通訊線10分別將電液伺服閥25、報警器13與單片機9連接。至此半主動變剛度耗能減震控制錨管安裝完成；
(14)按照步驟(11)、步驟(12)和步驟(13)步驟施工下一個控制錨管16。
[0022]本發明的工作原理:在靜態時此防治結構的控制裝置不起作用，相當于普通錨噴支護結構，而預警系統能夠正常工作。預警系統的工作原理為:位移傳感器監測到的信號，通過通訊線傳到放大器，再傳到單片機智能系統，單片機設置了據以進行判斷目標山體滑坡限制距離的預警程序，并對目標山體滑坡的位移是否大于規定的一級限制位移進行判斷，若目標山體滑坡的位移小于規定的一級限制位移，不進行山體滑坡預警；若目標山體滑坡的位移大于規定的一級限制位移，單片機通過通訊線向報警器發送預警信息，報警器接受到預警信息后，自動發反應，將以報警聲和發光的形式發出一級警報。當位移傳感器測量到的目標山體滑坡的位移大于規定的二級限制位移，單片機通過通訊線向報警器發送預警信息，報警器接受到預警信息后，自動發反應，將以不同的報警聲和發光的形式發出二級警報，此時，提示滑坡災害即將到來，可要求人員臨時撤離避險。
[0023]在動態時，預警系統的工作原理與靜態時相同，在此不在贅述，同時控制裝置也發揮作用。控制裝置的工作原理為:位移傳感器監測的信號通過通訊線傳輸到放大器，將其信號放大再傳輸到單片機智能系統，通過數據轉換板和控制算法進行分析判斷，輸出信號通過通訊線傳到變剛度裝置的電液伺服閥，通過控制電液伺服閥的開口“狀態”來實現給支護結構附加剛度彈簧的剛度，最后通過控制錨管的錨固段傳遞到穩定土體中，減小了滑動體相對穩定土體的位移。地震發生時巖土體作用到支護結構的動應力很大，通過控制算法調節將較大的動應力由控制錨管來承受，發揮自身已儲備的承載能力，此時控制錨管達到高承載力，延長了預警提示與錨固結構破壞之間的時間，加之隔震層的施設也能起到耗能被動減震作用，兩者共同有效的抵御地震動力災害的破壞，為人員安全撤離爭取了時間。
【權利要求】
1.帶有預警耗能減震控制系統的邊坡錨固結構，包括框架(1)與錨桿(6)和控制錨管(16)通過錨具(14)錨固，通訊線(10)將框架(1)上的位移傳感器(11)和控制錨管(16)的電液伺服閥(25)與單片機(9)連接，形成減震控制錨固結構，其特征在于:在單片機(9)內安裝預警程序，并與報警器(13)連接，在框架(1)與不穩定土體(30)之間增設隔震層(7)，錨桿(6)與控制錨管(16)間隔布置穿過框架(1)，通訊線(10)將電源系統(8)與單片機(9)連接，單片機(9)還通過通訊線(10)分別與放大器(12)、位移傳感器(11)和電液伺服閥(25)連接。
2.根據權利要求1所述的帶有預警耗能減震控制系統的邊坡錨固結構，其特征在于:電源系統(8)為UPS系統，或者是太陽能電池，或者是充電電池。
3.根據權利要求1所述的帶有預警耗能減震控制系統的邊坡錨固結構，其特征在于:隔震層(7)為橡膠隔震層，或者金屬橡膠隔震層，厚度為2cm — 5cm。
4.根據權利要求1所述的帶有預警耗能減震控制系統的邊坡錨固結構，其特征在于:報警器(13)能夠根據位移傳感器(11)的位移和預警程序報出不同級別的警報。
5.根據權利要求1所述的帶有預警耗能減震控制系統的邊坡錨固結構，其特征在于:單片機(9)和報警器(13)安裝在距滑坡較遠不受干擾的地方。
6.帶有預警耗能減震控制系統的邊坡錨固結構的施工方法，其步驟為: (1)放線定位:根據工程設計要求，用測量工具進行定位； (2)制作錨桿(6)和中空錨管(17):根據設計要求，在錨桿(6)和中空錨管(17)的前段車削螺紋，并在中空錨管(17)的后段鉆出漿孔； (3)鉆孔:用鉆機在邊坡巖土體上鉆孔，分別將錨桿(6)和中空錨管(17)安置于相應的孔中； (4)注漿:分別在錨桿(6)相應的孔和在中空錨管(17)內壓力注入水泥砂漿(29);錨桿(6)周圍的水泥砂漿(29)將錨桿(6)錨固在穩定土體(31)中；中空錨管(17)內的水泥砂漿(29)從出漿孔滲出，使得中空錨管(17)錨固在穩定土體(31)中； (5)在坡面上鋪設隔震層(7)，并使錨桿(6)和中空錨管(17)穿過隔震層(7); (6)在隔震層(7)外掛鋼筋網并噴射水泥砂漿(29)，形成面板(4)； (7)澆注橫梁(2)和立柱(3):在第一根立柱(3)和第一排橫梁(I)的設計位置處支模，在支模而成的槽內綁扎橫梁(2)、立柱(3)的鋼筋骨架并澆筑混凝土 ； (8)待橫梁(2)、立柱(3)的混凝土強度達到85%以上時對錨桿(6)進行預應力張拉，用錨具(14)將錨桿(6)緊固連接的錨頭鎖死，然后做用于保護錨頭和錨具(14)的混凝土噴層； (9)按照此步驟施工下一個工作面的錨桿(6)和橫梁(2)、立柱(3)，并完成各層錨桿(6)的預應力張拉與錨固； (10)在立柱(3)的底端對應位置處制作基礎樁(5):在開設的樁孔內放入鋼筋籠，將立柱(3)的底端外伸鋼筋和基礎樁(5)內鋼筋焊接連接，澆注基礎樁(5)； (11)施作控制錨管(16):將墊板(15)和錨固彈簧(19)套在中空錨管(17)上，之后用錨具(14)將中空錨管(17)錨固在框架(1)上，并施加預應力； (a)組裝變剛度裝置(18):在嵌套雙出桿活塞(22)的液壓缸(21)內充填油液(23)，用旁通管路(24)連接液壓缸(21)和電液伺服閥(25)，排氣調試，充滿油液(23);(b)在組裝好的變剛度裝置(18)的雙出桿活塞(22)右出桿上套剛度彈簧(26b)，通過套筒(20)連接中空錨管(17)和雙出桿活塞(22)的右出桿； (c)在雙出桿活塞22的左出桿上套剛度彈簧(26a)； (d)將套筒(20)的一端與中空錨管(17)連接； (e)將通訊線(10)的一端與電液伺服閥(25)連接； (f)將支撐箱(27)套在雙出桿活塞(22 )上，并用螺栓(28 )將支撐箱(27 )、墊板(15 )固定框架(1)上； (12)在框架(1)上安裝位移傳感器(11); (13)用通訊線(10)將位移傳感器(11)、放大器(12)與單片機(9)連接；用通訊線(10)分別將電液伺服閥(25)、報警器(13)與單片機(9)連接；至此半主動變剛度耗能減震控制錨管安裝完成； (14)按照步驟(11)、步驟(12)和步驟`(13)施工下一個控制錨管(16)。
【文檔編號】E02D5/74GK103850254SQ201410128075
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年4月1日 優先權日:2014年4月1日
【發明者】董建華, 董旭光, 王永勝, 王冰霞, 張媛, 劉彥東, 吳意謙, 王浩, 袁方龍, 代濤, 楊志 申請人:蘭州理工大學