阅读说明：本技术 用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元及其临界抛掷角的设计方法 (Throwing type toughness buffer net unit for rockfall protection and design method of critical throwing angle of throwing type toughness buffer net unit ) 是由 余志祥 张丽君 骆丽茹 金云涛 赵雷 齐欣 赵世春 于 2021-04-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元及其临界抛掷角的设计方法,包括：托索柱,所述托索柱顶端设置有滑移装置,所述托索柱底端通过铰接支座连接于基础结构上；支撑绳,所述支撑绳滑动连接于托索柱的滑移装置上,支撑绳的端部设置有簧式缓冲器,所述簧式缓冲器斜向锚固于防护结构附近的岩体基面；防护网,所述防护网通过连接件倾斜系挂于支撑绳上；通过调整各个托索柱之间的高差,从而调整防护网的铺装倾角至网片临界抛掷角θ-(min),进而控制落石抛掷轨迹。与传统技术相比,本发明所述抛掷式韧性缓冲网单元提高了防护单元的形态恢复性,兼顾系统韧性与阻尼,可有效减缓落石冲击力；同时通过控制临界抛掷角设计,实现控制落石抛出。(The invention provides a throwing type toughness buffer net unit for rockfall protection and a design method of a critical throwing angle thereof, wherein the method comprises the following steps: the top end of the cable supporting column is provided with a sliding device, and the bottom end of the cable supporting column is connected to the foundation structure through a hinged support; the supporting rope is connected to the sliding device of the cable supporting column in a sliding mode, a spring type buffer is arranged at the end of the supporting rope, and the spring type buffer is anchored on a rock mass base plane near the protective structure in an inclined mode; the protective net is obliquely tied and hung on the supporting rope through a connecting piece; by adjusting the height difference between the cable supporting columns, the pavement inclination angle of the protective net is adjusted to the critical throwing angle theta of the net piece min Thereby controlling the falling rock throwing track. Compared with the prior art, the throwing type toughness buffer net unit improves the shape recovery of the protection unit, gives consideration to the toughness and the damping of the system, and can effectively slow down the impact force of falling rocks; meanwhile, the falling rocks are controlled to be thrown out by controlling the design of the critical throwing angle.)

用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元及其临界抛掷角的设 计方法

技术领域

本发明涉及边坡地质灾害防护领域，具体是一种用于落石防护棚洞的抛掷式韧性缓冲网单元及设计方法，适用于交通、国土和矿山等领域崩塌落石防护。

背景技术

中国有2/3的土地为山地，自古以来落石、崩塌等地质灾害频发，严重威胁人民生命财产安全。针对山区道路或桥梁等对道路通行能力有一定需求的路段，一旦发生崩塌落石灾害，容易造成道路阻断，通行困难，严重影响应急抢险及交通恢复。

传统的柔性防护技术，柔性网的倾角凭经验设计，虽然能够拦截落石，但使用一段时间后，落石就会自然堆积在柔性网上，需要人工进行清理，否则功效将大大降低，由于柔性网设置的地区多在野外，山高路远，因此导致落石清理和结构维养困难、柔性防护系统的可恢复性也比较差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种缓冲能力好、具有自恢复性能、能有效控制落石抛出、便于安装和维护的用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元及其临界抛掷角的设计方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于落石防护棚洞的抛掷式韧性缓冲网单元，包括：

托索柱，所述托索柱顶端设置有滑移装置，所述托索柱底端通过铰接支座连接于基础结构上；

支撑绳，所述支撑绳滑动连接于托索柱的滑移装置上，支撑绳的端部设置有簧式缓冲器，所述簧式缓冲器锚固于防护结构附近的岩体基面；

防护网，所述防护网通过连接件倾斜系挂于支撑绳上；

通过调整各个托索柱之间的高差，从而调整防护网的铺装倾角至网片临界抛掷角θ_min，进而控制落石抛掷轨迹。

进一步地，相邻两根托索柱之间设置有柔性支撑。

进一步地，所述滑移装置为互不干扰的横向滑槽和纵向滑槽，所述支撑绳置于所述横向滑槽和纵向滑槽内，构成“井”字形支撑结构。

进一步地，所述托索柱选用韧性托索柱，在结构上，托索柱采用分段式的可伸缩活塞杆柱身，腰部具有法兰，法兰上支撑有韧性的受压弹簧。

进一步地，所述铰接支座具有多维度转动能力，可根据需求调整托索柱设置的方向。

进一步地，所述防护网通过连接件连接于支撑绳上。

另一方面，本申请还保护根据前述之一所述的一种用于落石防护棚洞的抛掷式韧性缓冲网单元，多个所述韧性缓冲网单元并排设置，相互间组合使用构成抛掷式韧性缓冲网单元的组合。

另一方面，本申请还保护一种前述之一所述的一种用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元的临界抛掷角θ_min的设计方法，包括如下步骤：

(1)估算垂直作用下网片的极限变形量Δ_max；

(2)计算极限变形处与钢柱高差Δh；

(3)计算回弹至系统边缘时回弹的高度h_g；

(4)校核是否满足抛出条件；

(5)循环步骤(1)-(4)获得临界抛掷角度θ_min。

进一步地，已知铺装网片长度为l₀，假设缓冲单元网面抛掷角度为θ，步骤(1)中的所述极限变形量Δ_max的计算方法如下：

式中：l_i为最大冲击变形时，非接触区网片长度；w_s为落石的外包直径；h_R为残余拦截高度；h_c为落石与网片的接触高度；l_i0为网片初始拦截高度，理论值取l₀；n_y为y方向网环行数；n_c为接触区网环行数；n_ydiag为y方向网环行数理论值；γ为网片松紧程度系数，取值按经验统计为1.1～1.3；n_cdiag为接触区网环行数理论值；D为网环直径；为挠度系数，其取值按经验统计为0.55～0.9。

进一步地，网片在不同冲击状态下极限伸长量一定，假设冲击点位于网片中心点，以冲击点建立局部坐标系，可根据椭圆第一定义变形最低点所在椭圆轨迹方程为：

变形点与冲击点所在直线方程为：

y＝-x·tanθ

根据椭圆轨迹方程和直线方程，铺装后网片的极限变形高度h为：

网片伸长量Δl₀为：

步骤(2)中的极限变形处与钢柱高差Δh为：

式中，l为钢柱长度。

进一步地，忽略网片塑性变形，网片变形遵循胡克定律，网片张力T为：

T＝k·Δl₀

式中：k为网片的等效刚度；

回弹瞬时落石受网片力T₁和T₂的方向角α和β、以及力分解后和沿y轴和z轴分力F_y和F_z的大小为：

F_y＝T₂·sinβ-T₁·sinα

F_z＝T₁·cosα+T₂·cosβ-mg

式中，m为落石质量，g为重力加速度；

落石回弹瞬时速度v为：

式中，η为耗能系数，根据数学统计取值范围为0.65～0.8，I_d为设防冲击能量；

落石回弹瞬时速度在y轴和z轴上的速度分量v_y和v_z为：

试块回弹至系统边缘所需的时间t和步骤(3)中的回弹至系统边缘时回弹的高度h_g为：

进一步地，所述落石回弹至系统边缘时的回弹高度h_g满足：

h_g＞Δh

此时，说明落石能被抛掷出系统外，满足步骤(4)中的抛出条件。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的用于落石防护棚洞的抛掷式韧性缓冲网单元可独立工作也可联合集成形成缓冲单元集群；韧性缓冲单元兼顾系统韧性与阻尼，能有效减缓落石冲击力，同时，还能提高防护单元的形态恢复性；通过控制临界抛掷角设计，实现控制落石抛出。

与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)通过控制临界抛掷角、调整托索柱高度，实现落石抛出角度的控制。

(2)使用簧式缓冲器作为主要缓冲构件，使得韧性缓冲单元的弹性、阻尼适中，从而提高结构韧性。

(3)韧性缓冲单元是装配式单元结构，可独立工作，也可联合集成形成缓冲单元集群，与不同类型的棚洞进行组合使用。

总体而言，本发明构思巧妙，施工安装方便，具有实质性特点和进步，拥有广泛的市场应用前景，非常适合推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元的主体结构的概念图及附属结构示意图；

图2为本发明用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元的滑移装置的结构示意图；

图3为本发明用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元的网片连接示意图；

图4为本发明用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元的韧性托索柱结构示意图；

图5为本发明用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元的刚性托索柱结构示意图；

图6为本发明用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元的支撑绳与弹簧连接示意图；

图7为本发明用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元的极限变形量的计算示意图。

图8为本发明用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元的临界抛掷角度的计算示意图。

图9为本发明用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元与悬臂棚洞组合使用时，主体结构轴测图。

图10为本发明用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元与悬臂棚洞组合使用时，主体结构去除防护网的轴测图。

图11为本发明用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元与悬臂棚洞组合使用时，主体结构去除防护网的左视图。

图12为本发明用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元与钢筋混凝土棚洞组合使用时，主体结构轴测图。

上述附图中，相同的附图标记用来表示相同的结构或部件，附图标记对应的结构或部件名称如下：

1-防护网，2-支撑绳，3-韧性托索柱，3’-刚性托索柱，4-簧式缓冲器，5-柔性支撑，6-滑移装置，7-铰接支座，8-连接件，9-落石，10-落石轨迹。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-6所示，是本发明的一种用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元，包括防护网1、支撑绳2、托索柱3、簧式缓冲器4、柔性支撑5。所述托索柱3底端通过铰接支座7连接于基础结构上，优选地，本申请的用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元可用于悬臂式棚洞的防护，悬臂棚洞悬挑设置于岩体上，悬臂钢柱上设置抛掷式韧性缓冲网单元，托索柱3底端通过铰接支座7连接于悬臂钢柱。

所述托索柱3顶端设置有滑移装置6，所述支撑绳2滑动连接于托索柱3的滑移装置6之上，支撑绳2端部连接于防护结构附近的山体上，且在支撑绳靠近山体的端部附近设置有簧式缓冲器4。所述防护网1通过连接件8系挂于支撑绳2上。通过调整所述托索柱3高度来调整防护网1铺装倾角。在相邻两根托索柱3之间设置有柔性支撑5。

所述滑移装置6设有互不干扰的横向滑槽和纵向滑槽，横向支撑绳置于所述横向滑槽内、纵向支撑绳置于所述纵向滑槽内，其上所述支撑绳2构成“井”字形支撑结构。在优选的实施例中，横向滑槽或纵向滑槽上覆有半圆形支撑盖，从而将横向滑槽和纵向滑槽分开，使之互不干扰。所述防护网1可通过连接件8连接于支撑绳上。多个所述韧性缓冲网单元并排设置，相互间组合使用构成抛掷式韧性缓冲网单元的组合。

如图4所示，托索柱3选用韧性托索柱，在结构上，托索柱3采用分段式的可伸缩活塞杆柱身，腰部具有法兰，法兰上支撑有韧性的受压弹簧。如图5所示，托索柱3还可选用刚性托索柱3’，其通体由钢柱构成。

在本申请中，通过调整各个托索柱3之间的高差，从而调整防护网1的铺装倾角，进而控制落石9的抛掷轨迹10。特别地，当铺装倾角设置为大于等于网片临界抛掷角θmin时，设计承载的落石可以抛出韧性缓冲网单元。

下面结合某崩塌落石灾害点，具体说明本一种用于落石防护的抛掷式韧性缓冲网单元的设计方法，步骤如下：

参见图7-12，根据水文地质调查，获得该处落石防护目标为拦截质量为1.5t、直径为0.96m的落石，设防冲击能量I_d为500kJ，防护面积为45m²，悬挑长度为4.5米，预设网面抛掷度为θ，其中θ∈(0,90)，假设取30°，铺装网片长度l₀＝l/cosθ＝5.196米。

落石直径为0.96m，网环直径为0.3m，当冲击变形达到最大时，落石与网片的接触高度h_c为0.23m，挠度系数取0.9，γ取1.2，缓冲单元的y向的网环行数的理论值n_ydiag和触网区网环行数的理论值n_cdiag为：

极限冲击变形时，非接触区网片长度l_i为：

极限冲击变形量Δ_max为：

假设冲击点位于网片中点，以冲击点建立局部坐标系，可根据椭圆第一定义，变形最低点所在的椭圆的轨迹方程为：

变形点与冲击点所在直线方程为：

y＝-x·tan30°

根据椭圆的轨迹线方程和直线方程，铺装后网片的极限变形高度h为：

网片伸长量Δl₀为：

极限变形处与钢柱高差Δh为：

由于滑轮效应，可假定T₁和T₂相等，且等于网片张力T。500kJ冲击能量下，取网片等效刚度k为6.04×10⁴N/m，根据胡克定律，网片张力T为：

T＝k·Δl₀＝6.04×10⁴×5.165＝311.966(kN)

根据几何关系得回弹瞬时落石受网片力T₁和T₂的方向角α和β为：

力分解后和沿y轴和z轴分力F_y和F_z的大小为：

F_y＝T₂·sinβ-T₁·sinα

＝311.966×sin(34.038°)-311.966×sin(20.781°)＝63.936(kN)

F_z＝T₁·cosα+T₂·cosβ-mg

＝311.966×cos(34.038°)+311.966×cos(20.781°)-1.5×9.8

＝535.486(kN)

假设取耗能系数η为0.8，根据能量守恒定律，落石回弹瞬时速度v为：

落石回弹瞬时速度在y轴和z轴上的速度分量v_y和v_z为：

试块回弹至系统边缘所需的时间t为：

落石回弹至系统边缘时的回弹高度h_g为：

校核发现h_g>Δh，则满足抛出条件。

通过上述步骤循环迭代，发现满足落石抛出的临界抛掷角度为：θ_min＝24.3°。

最后通过试验研究或数值模拟验证其是否满足功能需求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。