阅读说明：本技术 适用于棚洞工程的废旧网球复合垫层结构及其设计方法 (Waste tennis ball composite cushion structure suitable for shed tunnel engineering and design method thereof ) 是由 王东坡 毕钰章 周若云 陈和平 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适用于棚洞工程的废旧网球复合垫层结构及其设计方法。本发明利用了废旧网球,构建了缓冲垫层,使得该种材料在冲击作用下可充分发挥缓冲和耗能作用,有效降低冲击力,从而保证了棚洞结构在滚石冲击荷载作用下的安全性,对比常规砂土垫层,在冲击荷载基本相同的情况下,废旧网球复合垫层能够提高棚洞抵抗滚石能力2～3倍。同时,由于废旧网球含有重金属及有害物质,本发明采用废旧网球的作为缓冲垫层不仅可以降低工程造价,而且能实现废旧网球的二次利用,减少资源消耗,缓解环境污染问题,适应可持续发展的要求,具有较好的社会、环境和经济效益。(The invention discloses a waste tennis ball composite cushion structure suitable for shed tunnel engineering and a design method thereof. According to the invention, the waste tennis balls are utilized to construct the cushion layer, so that the material can fully exert buffering and energy consumption effects under the impact action, and the impact force is effectively reduced, thereby ensuring the safety of the shed tunnel structure under the action of the impact load of the rolling stones, and compared with the conventional sand cushion layer, the waste tennis ball composite cushion layer can improve the rolling stone resistance of the shed tunnel by 2-3 times under the condition of basically same impact load. Meanwhile, as the waste tennis balls contain heavy metals and harmful substances, the invention adopts the waste tennis balls as the buffer cushion layer, which not only can reduce the engineering cost, but also can realize the secondary utilization of the waste tennis balls, reduce the resource consumption, relieve the environmental pollution problem, adapt to the requirements of sustainable development, and have better social, environmental and economic benefits.)

适用于棚洞工程的废旧网球复合垫层结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及崩塌滚石防治技术领域，具体涉及一种适用于棚洞工程的废旧网球复合垫层结构及其设计方法。

背景技术

滚石灾害具有突发性、可预见性差、速度快、能量高、运动距离远、影响范围大、监测预警困难、危害严重等特点。滚石灾害的防治方法通常可分为两大类：主动防护措施和被动防护措施，主动措施由于地理位置难以奏效，而被动工程中的棚洞是一种非常有效的方法，传统的钢筋混凝土棚洞是通过在其顶部回填很厚的砂土以保护结构本身不被滚石破坏。

国内外对于棚洞垫层的研究还停留在砂土垫层的研究上，对于垫层材料的研究少之又少，目前新型材料主要包括橡胶轮胎和EPS材料，但由于橡胶轮胎加工工艺繁琐，EPS材料价格相对较高等因素，这类新型材料在工程中并未得到广泛应用。工程实际目前也只能停留在根据滚石危害的大小回填不同厚度的砂土材料这个阶段。然而，砂土垫层材料不仅耗能效果有限，而且自重荷载相较于其他材料偏大，建设成本偏高，不利于大面积推广，因此，寻找一还种更好的垫层材料显得极为重要。

网球运动在国内愈渐风靡，由此产生的废旧网球量也逐年递增，而废旧网球含有一定的重金属污染物和其他有害物质，其中锌离子和二苯胍含量最高，随意处置可能会导致资源浪费和环境污染等一系列问题，并且国内对于废旧网球的处理缺乏行之有效的方法，往往和其他垃圾一起填埋。因此对废旧网球的合理处置也迫在眉睫。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种适用于棚洞工程的废旧网球复合垫层结构及其设计方法解决了纯砂土垫层的自重荷载较大，抗冲击能力不佳的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种适用于棚洞工程的废旧网球复合垫层结构，包括中空的钢筋混凝土板，以及钢筋混凝土板内从上至下依次设置的砂土垫层、钢板和网球垫层，所述网球垫层包括镂空铁丝网和废旧网球，所述镂空铁丝网包括若干圆形铁丝环和若干直线形铁丝，所述圆形铁丝环呈矩阵排列，相邻两个所述圆形铁丝环之间通过直线形铁丝连接，每个所述圆形铁丝环内放置一个废旧网球。

进一步地：述砂土垫层的材质为河沙。

进一步地：所述废旧网球的含气率为50％～100％。

进一步地：所述圆形铁丝环与直线形铁丝以模型的方式进行浇筑。

采用上述进一步方案的有益效果为：通过模型可以大批量制作极大的降低了成本且将网球层变成了一个整体。

进一步地：所述圆形铁丝环和直线形铁丝的材质均为铁丝，所述铁丝的截面直径为2mm～5mm。

进一步地：所述圆形铁丝环的直径为6.5cm，所述直线形铁丝的长度为5cm～8cm。

采用上述进一步方案的有益效果为：可以与废旧网球的直径相契合对其进行固定，并可通过调节铁丝的长度来控制网球的间距以符合各种工程实际。

进一步地：所述网球垫层的厚度为6.5cm，所述砂土垫层的厚度为20cm，所述钢板的厚度为3cm～7cm。

一种适用于棚洞工程的废旧网球复合垫层结构的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据工程地质调查结果确定最大滚石能量，根据最大滚石能量确定网球垫层的层数，并根据网球垫层的层数计算砂土垫层的厚度；

所述砂土垫层的厚度为0.2nm，n为网球垫层的层数，m为厚度单位；

S2、根据滚石作用在钢板上的冲击压力计算最大冲击压缩量，根据最大冲击压缩量计算滚石的最大接触半径和作用在钢板上应力圆的半径，根据钢板上应力圆的半径计算圆形铁丝环的半径；

S3、根据钢板上的应力分布和网球所能承载的最大压力计算每平方米的网球数量，从而确定直线形铁丝的长度；

S4、根据钢板上的应力分布和刚度要求确定钢板的厚度；

S5、根据网球垫层的层数、砂土垫层的厚度、圆形铁丝环的半径、直线形铁丝的长度和钢板的厚度得到复合垫层结构。

进一步地：所述步骤S2中最大冲击压缩量的计算公式为：

上式中，m为滚石质量，g为重力加速度，h为落石高度，δ_y为材料初始屈服压缩量，P_e(δ)为完全弹性条件下的Pδ关系，P为接触压力，δ为接触变形量，δ_max为最大冲击压缩量，R为滚石的等效半径，P_y为初始屈服接触压应力，p_y为初始屈服接触压力；

其中，初始屈服接触压力p_y的计算公式为：

p_y＝Kq

上式中，q为垫层材料极限承载力，K为一个经验系数，取3-5；

完全弹性条件下的Pδ关系P_e(δ)的计算公式为：

上式中，P_e为弹性接触压力，E为有效弹性模量。

进一步地：所述步骤S2中作用在钢板上应力圆的半径计算公式为：

a'＝a_max+n×0.2tanθ

上式中，a'为作用在钢板上应力圆的半径，a_max为滚石最大接触半径，n为网球垫层的层数，θ为砂土垫层的应力扩散角；

其中，滚石最大接触半径a_max的计算公式为：

本发明的有益效果为：本发明利用了废旧网球，构建了缓冲垫层，使得该种材料在冲击作用下可充分发挥缓冲和耗能作用，有效降低冲击力，从而保证了棚洞结构在滚石冲击荷载作用下的安全性，对比常规砂土垫层，在冲击荷载基本相同的情况下，废旧网球复合垫层能够提高棚洞抵抗滚石能力2～3倍。同时，由于废旧网球含有重金属及有害物质，本发明采用废旧网球的作为缓冲垫层不仅可以降低工程造价，而且能实现废旧网球的二次利用，减少资源消耗，缓解环境污染问题，适应可持续发展的要求，具有较好的社会、环境和经济效益。且本发明通过对网球的含气率、间距等因素的调节，使得网球垫层在冲击荷载的作用下，通过弹性、塑性变形吸收冲击动能，延长冲击过程的时间，进一步提高垫层的抗冲击能力，从而提高棚洞的安全性。

附图说明

图1为本发明的垂直截面结构示意图；

图2为本发明应用于棚洞结构的垂直截面结构示意图；

图3为本发明应用于棚洞结构的立体结构示意图；

图4为本发明中网球垫层中网球摆放连接示意图；

图5为实施例中传统的砂土垫层和本发明结构的冲击力的时程曲线对比图；

图6为实施例中传统的砂土垫层和本发明结构的支反力的时程曲线对比图。

其中：1、网球垫层；2、钢板；3、砂土垫层；4、钢筋混凝土板；5、圆形铁丝环；6、直线形铁丝；7、钢筋混凝土框架；8、边坡上的滚石。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1和图4共同所示，一种适用于棚洞工程的废旧网球复合垫层结构，包括中空的钢筋混凝土板4，以及钢筋混凝土板4内从上至下依次设置的砂土垫层3、钢板2和网球垫层1，网球垫层1包括镂空铁丝网和废旧网球，镂空铁丝网包括若干圆形铁丝环5和若干直线形铁丝6，圆形铁丝环5呈矩阵排列，相邻两个圆形铁丝环6之间通过直线形铁丝5连接，每个圆形铁丝环6内放置一个废旧网球。

在本发明的一个实施例中，砂土垫层3的材质为河沙。

在本发明的一个实施例中，废旧网球的含气率为50％～100％。

在本发明的一个实施例中，圆形铁丝环5与直线形铁丝6以模型的方式进行浇筑。

在本发明的一个实施例中，圆形铁丝环5和直线形铁丝6的材质均为铁丝，铁丝的截面直径为2mm～5mm。

在本发明的一个实施例中，圆形铁丝环5的直径为6.5cm，直线形铁丝6的长度为5cm～8cm。

在本发明的一个实施例中，网球垫层1的厚度为6.5cm，砂土垫层3的厚度为20cm，钢板2的厚度为3cm～7cm。

由图2和图3所示，应用于棚洞结构时，将本发明设置在钢筋混凝土框架7上，边坡上的滚石8落下时掉落在砂土垫层上。

一种适用于棚洞工程的废旧网球复合垫层结构的设计方法，包括以下步骤：

S1、根据工程地质调查结果确定最大滚石能量，根据最大滚石能量确定网球垫层的层数，并根据网球垫层的层数计算砂土垫层的厚度；

所述砂土垫层的厚度为0.2nm，n为网球垫层的层数，m为厚度单位；

S2、根据滚石作用在钢板上的冲击压力计算最大冲击压缩量，根据最大冲击压缩量计算滚石的最大接触半径和作用在钢板上应力圆的半径，根据钢板上应力圆的半径计算圆形铁丝环的半径最大冲击压缩量的计算公式为：

上式中，m为滚石质量，g为重力加速度，h为落石高度，δ_y为材料初始屈服压缩量，P_e(δ)为完全弹性条件下的Pδ关系，P为接触压力，δ为接触变形量，δ_max为最大冲击压缩量，R为滚石的等效半径，P_y为初始屈服接触压应力，p_y为初始屈服接触压力；

其中，初始屈服接触压力p_y的计算公式为：

p_y＝Kq

上式中，q为垫层材料极限承载力，K为一个经验系数，K的取值为3～5；

完全弹性条件下的Pδ关系P_e(δ)的计算公式为：

上式中，P_e为弹性接触压力，E为有效弹性模量。

作用在钢板上应力圆的半径的计算公式为：

a'＝a_max+n×0.2tanθ

上式中，a'为作用在钢板上的应力圆半径，a_max为滚石最大接触半径，n为网球垫层的层数，θ为砂土垫层的应力扩散角；

其中，滚石最大接触半径a_max的计算公式为：

S3、根据钢板上的应力分布和网球所能承载的最大压力计算每平方米的网球数量，从而确定直线形铁丝的长度；

S4、根据钢板上的应力分布和刚度要求确定钢板的厚度；

S5、根据网球垫层的层数、砂土垫层的厚度、圆形铁丝环的半径、直线形铁丝的长度和钢板的厚度得到复合垫层结构。

本发明通过室内物理模型试验将重10Kg的滚石从三米高自由落体到传统的砂土垫层和本发明的废旧网球复合垫层上得到了如图5和图6所示的冲击力的支反力与时程曲线对比图。

从图5和图6可以看出本发明的废旧网球复合垫层相比较于传统的砂土垫层在承受来自滚石的冲击时能起到更好的耗能缓冲效果。