一种维持膨胀土堑坡稳定的自加压防护装置及其方法

摘要

本发明公开了一种维持膨胀土堑坡稳定的自加压防护装置及其方法，装置包括锚杆、第一圆板、第二圆板、高强弹簧，所述的第一圆板和第二圆板套在锚杆上，所述的第一圆板和第二圆板之间设有高强弹簧，所述的第一圆板上设有螺母，所述的螺母固定套在锚杆上。通过自加压的装置，解决了膨胀土堑坡在大气作用下趋于不稳定的问题，适用于各种类型的膨胀土，同时布置形式简单，施工操作简便，也可用于临时防护，其工程应用前景广阔。防护装置的作用机理符合膨胀土堑坡的工作规律，防护设计中充分考虑了膨胀土工程特性；施工效率高，布置灵活，适用各种土层；材料可以选择金属材料，也可根据防护时间长短采用竹子或木材等材料，对环境影响小。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程领域中的施工技术，主要用于边坡工程设计和施工，特别是一种维 持膨胀土堑坡稳定的自加压防护装置及其方法。

背景技术

随着社会经济的发展，膨胀土地区大量公路、铁路和水利工程的营运或开工建设，以及 膨胀土地区城市化的建设过程，造就了大量的膨胀土堑坡。膨胀土堑坡的形成过程，是人类 改造自然的结果，这常常会破坏自然物质原有的稳定状态，为坡体灾变埋下隐患。大气影响 下，随着蒸发和降雨引起干湿循环的次数和幅度增加，膨胀土反复胀缩使得土体产生纵横交 错的裂隙，土体变得松散，强度降低，加上风化作用，进一步破坏了土体的完整性，使膨胀 土堑坡趋于不稳定，进而导致破坏。当膨胀土承受上部压力时，干湿循环引起的土体胀缩变 形会大大减小，土体的干密度和裂隙变化可以得到有效抑制，土体强度的衰减幅度大大降低。 所以，采用维持膨胀土堑坡稳定的自加压防护装置及其方法，可有效维持膨胀土强度，保证 堑坡稳定性，并且施工方法简便、效率高，布置方式灵活，可降低工程成本，扩大应用范围。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种结构简单、便于现场操作、工程造价低 廉、符合膨胀土工程特性的维持膨胀土堑坡稳定的自加压防护装置及其方法。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种维持膨胀土堑坡稳定的自加压防护装置，包括锚杆、第一圆板、第二圆板、高强弹 簧，所述的第一圆板和第二圆板套在锚杆上，所述的第一圆板和第二圆板之间设有高强弹簧， 所述的第一圆板上设有螺母，所述的螺母固定套在锚杆上。

所述的第一圆板直径小于第二圆板直径。

所述的锚杆入土深度为1.5-2倍大气剧烈影响深度。

所述的第一圆板和第二圆板的间距为0.2-0.5m。

一种维持膨胀土堑坡稳定的自加压防护方法，其特征在于步骤包括：

步骤1)现场取样，开展膨胀变形试验，通过室内试验确定土样上覆0kPa、12.5kPa、25 kPa、50kPa和100kPa时土样膨胀变形量，通过内插法换算出膨胀变形量为零时的上覆压应 力δ；

步骤2)通过上覆压应力δ、第二圆板面积A和高强弹簧的变形系数k，换算出弹簧的变 形量s＝(δ·A)/k；

步骤3)根据膨胀土地区建筑技术规范判断土体大气剧烈影响深度d；

步骤4)根据大气剧烈影响深度d，考虑土体锚固力F＝1.2·δ·A、测试锚固区土体的 强度参数c、φ、锚杆摩擦系数μ，依据规范换算出锚杆需深入到大气剧烈影响深度以下的 长度l；

步骤5)根据锚杆需深入到大气剧烈影响深度以下的长度l、大气剧烈影响深度d、弹簧 变形量s和自加压装置长度m，确定自加压装置锚杆总长度L＝l+d+m-s；

步骤6)用锤击的方式击入不同组合形式的自加压装置，锚杆入土深度为D＝l+d。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

通过自加压的装置，解决了膨胀土堑坡在大气作用下趋于不稳定的问题，适用于各种类 型的膨胀土，同时布置形式简单，施工操作简便，也可用于临时防护，其工程应用前景广阔。 防护装置的作用机理符合膨胀土堑坡的工作规律，防护设计中充分考虑了膨胀土工程特性； 施工效率高，布置灵活，适用各种土层；材料可以选择金属材料，也可根据防护时间长短采 用竹子或木材等材料，对环境影响小。

附图说明

图1为本发明的单弹簧结构示意图。

图2为图1弹簧位置示意图。

图3为本发明多组弹簧示意图。

图4为图3弹簧位置示意图。

图5为本发明安装示意图。

图6为本发明坡面布置示意图。

图7为本发明分组类型示意图。

图中：1、锚杆  2、第一圆板  3、第二圆板  4、高强弹簧  5、螺母。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

本发明属于膨胀土堑坡工程防护新装置和新方法，针对膨胀土堑坡的灾变特性，设计出 自加压装置，可以阻止大气作用下胀缩循环导致的膨胀土强度衰减，维持膨胀土强度，从而 确保膨胀土堑坡的稳定，起到堑坡防护的作用。改变自加压的压力和影响范围，采用不同材 料，可以形成可靠的膨胀土堑坡防护体系，适用于不同胀缩性的膨胀土堑坡。

本发明结合膨胀土堑坡灾变的演化过程，采用自加压装置，也可结合竹制或木制等材料， 利用自加压的压力，阻止膨胀土胀缩循环导致的强度衰减，从而维持堑坡稳定，为膨胀土地 区堑坡的绿色防护供理论依据和技术支持，同时也可为其它地区的特殊土边坡防护提供有益 参考。该方法可降低堑坡防护工程的造价，适用于各种土层，其工程应用前景广阔。

实施例1

如图1和图2所示，一种维持膨胀土堑坡稳定的自加压防护装置，包括锚杆1、第一圆 板2、第二圆板3、高强弹簧4，所述的第一圆板2和第二圆板3套在锚杆1上，所述的第一 圆板2和第二圆板3之间设有单个高强弹簧4，所述的第一圆板2上设有螺母5，所述的螺母 5固定套在锚杆1上。所述的第一圆板2直径小于第二圆板3直径。所述的第一圆板2和第 二圆板3的间距为0.2-0.5m。

如图5所示，所述的锚杆1入土深度为1.5-2倍大气剧烈影响深度。

实施例2

如图3和图4所示，一种维持膨胀土堑坡稳定的自加压防护装置，包括锚杆1、第一圆 板2、第二圆板3、高强弹簧4，所述的第一圆板2和第二圆板3套在锚杆1上，所述的第一 圆板2和第二圆板3之间设有三个高强弹簧4，所述的第一圆板2上设有螺母5，所述的螺母 5固定套在锚杆1上。所述的第一圆板2直径小于第二圆板3直径。所述的第一圆板2和第 二圆板3的间距为0.2-0.5m。

如图5所示，所述的锚杆1入土深度为1.5-2倍大气剧烈影响深度。

一种维持膨胀土堑坡稳定的自加压防护方法，其特征在于步骤包括：

步骤1)现场取样，开展膨胀变形试验，通过室内试验确定土样上覆0kPa、12.5kPa、25 kPa、50kPa和100kPa时土样膨胀变形量，通过内插法换算出膨胀变形量为零时的上覆压应 力δ；

步骤2)通过上覆压应力δ、第二圆板3面积A和高强弹簧4的变形系数k，换算出弹簧 的变形量s＝(δ·A)/k；

步骤3)根据膨胀土地区建筑技术规范判断土体大气剧烈影响深度d；

步骤4)根据大气剧烈影响深度d，考虑土体锚固力F＝1.2·δ·A、测试锚固区土体的 强度参数c、φ、锚杆1摩擦系数μ，依据规范换算出锚杆1需深入到大气剧烈影响深度以 下的长度l；

步骤5)根据锚杆1需深入到大气剧烈影响深度以下的长度l、大气剧烈影响深度d、高 强弹簧4变形量s和自加压装置长度m，确定自加压装置锚杆1总长度L＝l+d+m-s；

步骤6)用锤击的方式击入不同组合形式的自加压装置，锚杆1入土深度为D＝l+d，坡 面布置如图6所示。

本装置通过将锚杆1击入土中，第一圆板2和第二圆板3之间的高强弹簧4产生变形， 对第二圆板3产生压力，压力大小可通过控制锚杆1击入深度引起的弹簧变形大小决定，压 力通过第二圆板3再传递到膨胀土表面，施加的压力可限制膨胀土的胀缩变形量，维持土体 干密度，降低大气作用对膨胀土强度衰减的影响，从而维持膨胀土堑坡稳定。利用击入法施 工，弹簧压缩施加在第二圆板3上的压力可由锚杆1击入量人为控制；堑坡上自加压的防护 装置可以按梅花的形式布置。

当土体趋于破碎，裂隙较发育时，可通过计算，考虑采用两个自加压装置或三个自加压装 置一组，如图7所示，按以上方式施工。

大气剧烈影响深度：

大气影响深度是自然气候作用下，由降雨、蒸发、地温等因素引起土的升降变形的有效 深度。大气剧烈影响深度是指大气影响特别显著的深度，基本为0.45倍的大气影响深度。具 体参见膨胀土地区建筑技术规范。