一种自监测式边坡抗震柔性支护结构

1.本实用新型属于边坡加固技术领域，具体涉及一种自监测式边坡抗震柔性支护结构。


背景技术：

2.地震诱发的滑坡是山区常见的地质灾害，相对于一般滑坡而言，地震引发的滑坡具有时间短、规模大、破坏性强等显著特点，为防止地震灾害引发滑坡，常常需要对边坡进行抗震防护。
3.现今常见的边坡支护形式有挡土墙、抗滑桩、微型桩、锚杆框架等，但其存在以下问题：1.挡土墙、抗滑桩、微型桩等作为被动式防护结构，无法有效控制地震作用下滑体及岩土体位移，存在较大安全隐患；2.锚杆框架虽具备控制变形能力，但不具备抗震特性，地震作用下，锚杆应力激增，会造成锚头脱落、承压台压碎、锚杆拉断，而框架则会发生脱空、脆性断裂等情况；3.现有支护结构皆无法判断结构自身损伤情况，尤其是震灾过后，支护结构外观完好但内部损伤严重，丧失支护能力，如不能有效判断，将造成严重后果。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本实用新型旨在提供一种抗震理念先进、抗震性能优异、具备自监、自检功能、施工方便、施工设备小型化的自监测式边坡抗震柔性支护结构。
5.本实用新型采用的技术方案是：
6.一种自监测式边坡抗震柔性支护结构，包括边坡抗震柔性支护结构和柔性支护结构智能监测系统；边坡抗震柔性支护结构包括柔性混凝土支护框架和抗震锚杆；所述抗震锚杆包括锚头和杆体；所述锚头包括垫板、穿心式压力传感器、切向抗震装置、轴向抗震装置、预应力施加装置、锚具、刚性滑壁、叠层橡胶垫和盖板；所述锚具包括环形内锚具、环形外锚具、调心滚子轴承a和调心滚子轴承b；切向抗震装置包括刚性底座和刚性球冠体，刚性底座内设球冠体凹槽，所述刚性球冠体置于球冠体凹槽内，刚性底座凹槽的球冠体直径大于刚性球冠体直径(凹槽的球冠体直径为球冠体所在完整球体的直径)，刚性底座和刚性球冠体都均匀分布有数个圆形贯穿孔洞，供锚杆穿过，圆形贯通孔洞的个数、分布应根据锚杆杆体的根数、分布确定，圆形贯穿孔洞的直径大于锚杆杆体直径，切向抗震装置的作用机理：地震荷载切向作用于支护体系时，抗震锚杆的切向抗震装置启动，通过切向抗震装置的摆动来保持锚杆的稳定，圆形贯穿孔洞的直径大于锚杆杆体直径是为了留出锚杆杆体与切向抗震装置在地震作用下相对运动的空间；轴向抗震装置包括数个滑动套管和数个弹簧a，弹簧a位于滑动套管内部并与滑动套管滑动连接，数个滑动套管和数个弹簧a环形分布于刚性球冠体上表面，滑动套管和弹簧a的下端均与刚性球冠体上表面固定连接，滑动套管和弹簧a的上端均与环形外锚具固定连接，轴向抗震装置的作用机理：地震作用下，沿锚杆轴向的荷载骤然增大，过大荷载压缩轴向抗震装置，实现部分应力的释放，避免锚杆应力突然增大，防止造成杆体损伤或锚固失效；预应力施加装置包括滑动套筒、弹簧b、一体式包壳推力
轴承和螺栓，滑动套筒包括内筒和外筒，内筒与外筒滑动连接，内筒内部设有螺纹，螺栓贯穿内筒并与内筒螺纹连接，螺栓设有扩底底座，扩底底座与外筒滑动连接，螺栓扩体底座的设置一方面可以增强与一体式包壳推力轴承的有效连接，另一方面可以防止螺栓底部脱出内筒，一体式包壳推力轴承的上表面与扩底底座下表面固定连接，一体式包壳推力轴承的下表面与弹簧b的上端固定连接，一体式包壳推力轴承位于外筒内部且与外筒滑动连接，弹簧b位于外筒内部且与外筒滑动连接，弹簧b和外筒的下端均固定于刚性球冠体上表面中心部位，预应力施加装置的作用机理：螺栓向下旋转，螺栓向下运动的同时，内筒相对原位置向上运动，由此托举锚具向上运动，实现对锚杆杆体的张拉，从而施加预应力，由于螺栓底部通过一体式包壳推力轴承作用于弹簧b，所以预应力施加后，锚头依然具备抗震性能；所述内筒外沿与调心滚子轴承a的内沿固定连接，调心滚子轴承a的外沿与环形内锚具的内沿固定连接，环形内锚具的外沿与调心滚子轴承b的内沿固定连接，调心滚子轴承b的外沿与环形外锚具的内沿固定连接，环形内锚具环向均匀设有数个圆形贯通孔洞，其圆形贯通孔洞的个数、直径、分布应根据锚杆杆体的根数、直径、分布确定，圆形贯通孔洞配有配套使用的锚杆杆体夹片；环形外锚具不布设圆形贯通孔洞；刚性滑壁与垫板间设置叠层橡胶垫，刚性滑壁顶部设有盖板，刚性滑壁和盖板外侧设有保护壳，叠层橡胶垫的设置是为了实现锚头切向抗震，起到吸能隔振的作用；所述柔性混凝土支护框架由石墨钢纤维泡沫混凝土浇筑而成，石墨钢纤维泡沫混凝土内部均匀分布石墨粉和钢纤维，且埋有铜网电极和螺旋导线，铜网电极设置于柔性混凝土支护框架单跨的两端，单跨中的铜网电极之间连接有螺旋导线；所述柔性支护结构智能监测系统包括太阳能发电板、蓄电池、数据采集仪、无线信号发送器、无线信号接收器和计算机终端；与铜网电极相连的螺旋导线接入数据采集仪，穿心式压力传感器接入数据采集仪；柔性支护结构智能监测系统工作原理主要源于石墨钢纤维泡沫混凝土的材料导电特性，当柔性混凝土支护框架完好时，靠完整截面内的所有石墨粉和钢纤维相互接触形成通路，其阻值相对较小；当柔性混凝土支护框架发生变形或裂缝时，框架截面的有效面积减小，部分石墨粉无法相互接触，电路通过部分石墨粉和钢纤维形成通路，其阻值相对较大；当柔性混凝土支护框架发生断裂时，单跨内两铜网电极之间形成断路，两铜网电极间电路中断或通过其他电路连接，阻值非常大。由此可根据阻值变化，判断柔性混凝土支护框架的变形、损伤情况；同时，根据穿心式压力传感器监测锚杆预应力情况，来判断锚杆是否出现预应力损失，支护体系是否安全。
7.所述太阳能发电板与蓄电池相连，蓄电池与数据采集仪相连，数据采集仪与无线信号发送器相连，无线信号接收器与计算机终端相连。
8.所述调心滚子轴承a和调心滚子轴承b均为可承受轴向荷载的高强调心滚子轴承。
9.所述穿心式压力传感器置于垫板和刚性底座之间。
10.所述刚性滑壁与刚性底座滑动连接。
11.支护完成后，预应力施加装置中螺栓旋转至最顶部。
12.所述刚性滑壁和盖板外侧设有保护壳。
13.所述滑动套管和弹簧a的下端均与刚性球冠体上表面的外部固定连接。
14.与铜网电极相连的螺旋导线接入数据采集仪，可以是柔性混凝土支护框架每一跨均设置铜网电极和螺旋导线，并将每一跨与铜网电极相连的螺旋导线全部接入数据采集仪，实施支护结构全局监测；也可以是选择具有代表性的局部监测区域支护框架的单跨中
设置铜网电极和螺旋导线，并将监测区域内与铜网电极相连的螺旋导线接入数据采集仪。锚头5可以全部设置穿心式压力传感器并接入数据采集仪，也可以选取代表性的边坡剖面上的锚杆的锚头设置穿心式压力传感器接入数据采集仪，实施特殊监测点的监测。
15.所述锚杆杆体为预应力螺纹钢筋或钢绞线。
16.所述自监测式边坡抗震柔性支护结构的支护方法，包括以下施工步骤：
17.步骤一：修整坡面；
18.步骤二：施工放样；
19.步骤三：抗震锚杆钻孔、安放杆体、灌浆并养护；
20.步骤四：柔性混凝土支护框架施工：钢筋绑扎、布置铜网电极和螺旋导线、浇筑石墨钢纤维泡沫混凝土并养护；
21.步骤五：安装锚头、抗震锚杆张拉锁定；
22.步骤六：接通柔性支护结构智能监测系统。
23.所述步骤四中，柔性混凝土支护框架钢筋进行防锈绝缘处理，柔性混凝土支护框架外部应进行防水处理。防止渗水造成混凝土内部电路短路。
24.所述步骤五中，同一根抗震锚杆的多根杆体同步分级张拉，同步锁定。
25.所述步骤五中，安装锚头时，预应力施加装置中螺栓应旋转至最顶部。
26.步骤五中预应力张拉锁定后安装保护壳并对锚头进行密封处理。同时，也可采用砂浆或树脂进行二次封锚保护，但不得妨碍后续启封。
27.预应力恢复方法包括如下步骤：
28.步骤一：锚头启封：拆下盖板；
29.步骤二：施加预应力：通过向下旋转螺栓完成；
30.步骤三：封锚。
31.本实用新型的有益效果：
32.1抗震理念先进。突破了传统刚性支护技术，提出了一种柔性支护方法，利用泡沫混凝土弹模小、重量轻、大变形的特点，实现地震作用下支护体系的耗能释能，支护体系不仅可以发挥岩土体自身的抗震强度还可以通过支护结构变形释放适当能量，从而可达到较刚性支护结构更优的防护效果。锚下承台为低弹模泡沫混凝土，可有效避免地震作用下锚下承台被压碎致使支护体系锚固失效。
33.2锚杆抗震性能优异。本锚杆的抗震装置为机械型抗震装置，具有轴向和切向双向抗震效果。地震作用下，可通过轴向抗震装置的弹簧挤压变形来实现轴向抗震，亦可通过切向抗震装置的的摇摆运动和叠层橡胶支座的隔振耗能来实现切向应力释放。
34.3预应力无损恢复。锚杆与岩土的耦合蠕变作用、地震荷载下循环拉拔作用均会造成预应力损失，而应力施加装置的设置可实现预应力的无损恢复，同时不影响锚杆抗震性能。
35.4具备自监、自检功能。基于柔性支护体系所用石墨钢纤维泡沫混凝土材料可导电的特殊性能，本实用新型提出了一种支护结构损伤监测、检测系统，通过支护结构阻值变化情况，实现震前支护体系的智能监测和震后支护体系的智能检测，可用于边坡的监测预警和灾后的支护体系损伤评估，同时也可根据穿心式压力传感器监测锚杆预应力情况，来判断锚杆是否出现预应力损失，支护体系是否安全。
36.5施工简单、设备小型化、施工场地不受限。本专利方法对于施工场地、施工空间均无特殊要求，可适用于任何复杂条件下的边坡，施工机具常规，施工设备可小型化。
37.6、有效控制位移。由于本实用新型支护方法对系统抗震锚杆施加预应力，对边坡下滑体形成了强大的压应力场，有效控制塑性区的进一步发展，可以很好的控制地震作用下滑体及岩土体位移。
附图说明
38.图1为本实用新型边坡支护结构示意图；
39.图2为本实用新型边坡支护结构正面图；
40.图3为石墨钢纤维泡沫混凝土支护框架正常状态示意图；
41.图4为石墨钢纤维泡沫混凝土支护框架裂缝状态示意图；
42.图5为锚头结构示意图；
43.图6为图5a-a剖视图；
44.图7为图5b-b剖视图；
45.图8为地震作用下锚头抗震示意图；
46.图9为锚头预应力施加过程示意图；
47.图10为柔性支护结构智能监测系统装置连接示意图。
48.其中，1、边坡抗震柔性支护结构；2、柔性支护结构智能监测系统；21、太阳能发电板；22、蓄电池；23、数据采集仪；24、无线信号发送器；25、无线信号接收器；26、计算机终端；3、柔性混凝土支护框架；31、石墨粉；32、钢纤维；33、铜网电极；34、螺旋导线；4、抗震锚杆；5、锚头；51、垫板；52、穿心式压力传感器；53、切向抗震装置；531、刚性底座；532、刚性球冠体；54、轴向抗震装置；541、滑动套管；542、弹簧a；55、预应力施加装置；551、滑动套筒；552、弹簧b；553、一体式包壳推力轴承；554、螺栓；5511、内筒；5512、外筒；56、锚具；561、环形内锚具；562、环形外锚具；563、调心滚子轴承a；564、调心滚子轴承b；57、刚性滑壁；58、叠层橡胶垫；59、盖板；50、保护壳；6、杆体。
具体实施方式
49.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖向”、“纵向”、“横向”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
50.实施例1
51.如图1-10所示，一种自监测式边坡抗震柔性支护结构，包括边坡抗震柔性支护结构1和柔性支护结构智能监测系统2；边坡抗震柔性支护结构1包括柔性混凝土支护框架3和抗震锚杆4；所述抗震锚杆4包括锚头5和杆体6；所述锚头5包括垫板51、穿心式压力传感器52、切向抗震装置53、轴向抗震装置54、预应力施加装置55、锚具56、刚性滑壁57、叠层橡胶垫58、盖板59和保护壳50。所述锚具56包括环形内锚具561、环形外锚具562、调心滚子轴承a563和调心滚子轴承b564。切向抗震装置53包括刚性底座531和刚性球冠体532。刚性底座
531内设球冠体凹槽，刚性底座531凹槽的球冠体直径大于刚性球冠体532直径(凹槽的球冠体直径为球冠体所在完整球体的直径)，刚性底座531和刚性球冠体532都均匀分布有4个圆形贯穿孔洞，圆形贯通孔洞的分布应根据锚杆杆体6的分布确定，圆形贯穿孔洞的直径大于锚杆杆体6直径。地震荷载切向作用于支护体系时，抗震锚杆4的切向抗震装置53启动，通过切向抗震装置53的摆动来保持锚杆的稳定，圆形贯穿孔洞的直径大于锚杆杆体6直径是为了留出锚杆杆体6与切向抗震装置53在地震作用下相对运动的空间。轴向抗震装置54包括4个滑动套管541和4个弹簧a542，弹簧a542位于滑动套管541内部并与滑动套管541滑动连接，4个滑动套管541和4个弹簧a542环形分布于刚性球冠体532上表面，滑动套管541和弹簧a542的下端均与刚性球冠体532上表面外部固定连接，滑动套管541和弹簧a542的上端均与环形外锚具562固定连接，地震作用下，沿锚杆轴向的荷载骤然增大，过大荷载压缩轴向抗震装置54，实现部分应力的释放，避免锚杆应力突然增大，防止造成杆体6损伤或锚固失效；预应力施加装置55包括滑动套筒551、弹簧b552、一体式包壳推力轴承553、螺栓554，滑动套筒551包括内筒5511和外筒5512，内筒5511与外筒5512滑动连接，内筒5511内部设有螺纹，螺栓554贯穿内筒5511并与内筒5511螺纹连接，螺栓554设有扩底底座，扩底底座与外筒5512滑动连接，螺栓扩体底座的设置一方面可以增强与一体式包壳推力轴承553的有效连接，另一方面可以防止螺栓554底部脱出内筒5511。一体式包壳推力轴承553的上表面与扩底底座下表面固定连接，一体式包壳推力轴承553的下表面与弹簧b552的上端固定连接，一体式包壳推力轴承553位于外筒5512内部与外筒5512滑动连接，弹簧b552位于外筒5512内部且与外筒5512滑动连接，弹簧b552的底端和外筒5512的下端均固定于刚性球冠体532上表面中心部位，预应力施加装置55的作用机理：螺栓554向下旋转，螺栓554向下运动的同时，内筒5511相对原位置向上运动，由此托举锚具56向上运动，实现对锚杆杆体6的张拉，从而施加预应力，由于螺栓554底部通过一体式包壳推力轴承553作用于弹簧b552，所以预应力施加后，锚头5依然具备抗震性能。内筒5511外沿与调心滚子轴承a563的内沿固定连接，调心滚子轴承a563的外沿与环形内锚具561的内沿固定连接，环形内锚具561的外沿与调心滚子轴承b564的内沿固定连接，调心滚子轴承b564的外沿与环形外锚具562的内沿固定连接，环形内锚具561环向均匀设有4个圆形贯通孔洞，圆形贯通孔洞的直径、分布应根据锚杆杆体6的直径、分布确定；圆形贯通孔洞配有配套使用的锚杆杆体6夹片；环形外锚具562不布设圆形贯通孔洞。刚性滑壁57与垫板51间设置叠层橡胶垫58，刚性滑壁57顶部设有盖板59，刚性滑壁57和盖板59外侧设有保护壳50。叠层橡胶垫58的设置是为了实现锚头5切向抗震，起到吸能隔振的作用。所述柔性混凝土支护框架3由石墨钢纤维泡沫混凝土浇筑而成，石墨钢纤维泡沫混凝土内部均匀分布石墨粉31和钢纤维32，且埋有铜网电极33和螺旋导线34，铜网电极33设置于柔性混凝土支护框架3单跨的两端，单跨中的铜网电极33之间连接有螺旋导线34；所述柔性支护结构智能监测系统2包括太阳能发电板21、蓄电池22、数据采集仪23、无线信号发送器24、无线信号接收器25和计算机终端26；述太阳能发电板21与蓄电池相连22，蓄电池22与数据采集仪相连23，数据采集仪23与无线信号发送器24相连，无线信号接收器25与计算机终端26相连；与铜网电极33相连的螺旋导线34接入数据采集仪23，穿心式压力传感器52接入数据采集仪；柔性支护结构智能监测系统2工作原理主要源于石墨钢纤维泡沫混凝土的材料导电特性，当柔性混凝土支护框架3完好时，靠完整截面内的所有石墨粉31和钢纤维32相互接触形成通路，其阻值相对较小；当柔性混凝土支护框架3发生变形
或裂缝时，框架截面的有效面积减小，部分石墨粉31无法相互接触，电路通过部分石墨粉31和钢纤维32形成通路，其阻值相对较大；当柔性混凝土支护框架3发生断裂时，单跨内两铜网电极33之间形成断路，两铜网电极33间电路中断或通过其他电路连接，阻值非常大。由此可根据阻值变化，判断柔性混凝土支护框架3的变形、损伤情况；同时，根据穿心式压力传感器52监测锚杆预应力情况，来判断锚杆是否出现预应力损失，支护体系是否安全。
52.所述调心滚子轴承a563和调心滚子轴承b564均为可承受轴向荷载的高强调心滚子轴承。
53.所述穿心式压力传感器52均匀置于垫板51和刚性底座531之间。
54.所述刚性滑壁57与刚性底座531滑动连接。
55.支护完成后，预应力施加装置55中螺栓554旋转至最顶部。
56.与铜网电极33相连的螺旋导线34接入数据采集仪，可以是柔性混凝土支护框架每一跨均设置铜网电极33和螺旋导线34，并将每一跨与铜网电极33相连的螺旋导线34全部接入数据采集仪23，实施支护结构全局监测；也可以是选择具有代表性的局部监测区域支护框架的单跨中设置铜网电极33和螺旋导线34，并将监测区域内与铜网电极33相连的螺旋导线34接入数据采集仪23。锚头5可以全部设置穿心式压力传感器52并接入数据采集仪23，也可以选取代表性的边坡剖面上的锚杆的锚头5设置穿心式压力传感器52接入数据采集仪23，实施特殊监测点的监测。
57.所述种自监测式边坡抗震柔性支护结构的支护方法，包括以下施工步骤：
58.步骤一：修整坡面；
59.步骤二：施工放样；
60.步骤三：抗震锚杆钻孔、安放杆体6、灌浆并养护；
61.步骤四：柔性混凝土支护框架3施工：钢筋绑扎、布置铜网电极33和螺旋导线34、浇筑石墨钢纤维泡沫混凝土并养护；
62.步骤五：安装锚头5、抗震锚杆4张拉锁定；
63.步骤六：接通柔性支护结构智能监测系统2。
64.所述步骤四中，柔性混凝土支护框架3钢筋进行防锈绝缘处理，柔性混凝土支护框架3外部应进行防水处理。防止渗水造成混凝土内部电路短路。
65.所述步骤五中，同一根抗震锚杆4的多根杆体6同步分级张拉，同步锁定。
66.所述杆体6的根数为4根，所述锚杆杆体6为预应力螺纹钢筋或钢绞线。
67.所述步骤五中，安装锚头5时，预应力施加装置55中螺栓554应旋转至最顶部。
68.步骤五中预应力张拉锁定后安装保护壳50并对锚头5进行密封处理。同时，也可采用砂浆或树脂进行二次封锚保护，但不得妨碍后续启封。
69.预应力恢复方法包括如下步骤：
70.步骤一：锚头5启封：拆下保护壳50和盖板59；
71.步骤二：施加预应力：通过向下旋转螺栓554完成；
72.步骤三：封锚。
73.本实用新型有效解决了地震作用下，传统边坡支护结构控制变形能力差，抗震能力弱，震后支护体系损伤无法评估等问题，本实用新型提供了一种抗震理念先进、抗震性能优异、具备自监、自检功能、施工方便、施工设备小型化的泡沫混凝土边坡抗震柔性支护结构。