基于地基在護欄防撞能力中的作用研究

孫德樂

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

基于地基在護欄防撞能力中的作用研究

孫德樂

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

在車輛在撞擊護欄的瞬間，護欄立柱主要承受垂直于護欄立柱的橫向荷載和沿立柱方向的的豎向荷載，文章通過將防撞護欄上部結(jié)構(gòu)的簡化，利用樁在水平荷載作用下的受力計算方法進行護欄立柱的分析，發(fā)現(xiàn)在荷載作用下護欄的破壞形式受到自身剛度和地基土強度和土質(zhì)類型的影響，通過分析了在不同土質(zhì)和地基強度對于護欄防撞能力的影響，得出在判定護欄的防撞等級時，不可忽略不同地基對護欄防撞能力的影響。并針對以上分析，提出了對于防撞護欄的優(yōu)化意見。

交通安全；防撞護欄；地基；橫向荷載

1 引言

高速公路的大批修建和運營，在方便人們出行的同時，也使得交通事故的增加。防撞護欄，作為高速公路的主要安全措施，能夠有效的降低事故損壞程度?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范中，對防撞護欄設(shè)計的要求，采用根據(jù)防撞等級的不同，提供出相應(yīng)的固定尺寸以供選擇，而忽略了不同地基對于護欄的影響。由于土質(zhì)的不同，使得護欄立柱在受到荷載沖擊后，會產(chǎn)生不同的抵抗立柱上拔效果，因此地基對護欄的防撞能力的提高的影響，值得探究。

2 護欄工作過程中力學(xué)性能分析

2.1 防撞護欄的極限抗力分析

目前對于護欄安全性能的判別，多采用以車輛與護欄相撞時產(chǎn)生的碰撞加速度作為其安全性的標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)認為：碰撞加速度的持續(xù)時間、作用方向、增長率及其其能夠達到的最大值對于碰撞加速度的容許值的選取起決定性作用。依據(jù)現(xiàn)行的現(xiàn)行的規(guī)范對護欄所能承受的荷載要求，在對設(shè)施安全結(jié)構(gòu)的試驗中，對各個參數(shù)的取值需滿足以下條件：

表1 車輛碰撞參數(shù)表

在車輛和護欄相互作用的瞬間，護欄立柱上存在著兩個主要的力：一是垂直于護欄上的橫向力；一個是順護欄方向的縱向力。汽車作用于護欄上的碰撞加速度，最為主要的來源是作用在護欄立柱的水平面上力；而對于抵抗車輛的傾覆穩(wěn)定性的力主要由護欄立柱豎直方向上的力進行提供。護欄橫向力和縱向力的大小取決于兩個主要因素：車輛與護欄的碰撞角度及車輛沿護欄方向的運動阻力。以上所述的力，一部分由護欄上部結(jié)構(gòu)的變形得到消減，另一部分，最終是由地基與護欄柱基礎(chǔ)的摩擦阻力進行消減。

2.2 防撞護欄的動力性能分析

在防撞護欄承受荷載能力的研究過程中，對于護欄的極限抗力特性，在選值時，一般都是按照靜止受力情況考慮的，因而與護欄在實際應(yīng)用過程中的受到的動力特性出入較大，不符合其實際的受力特性。根據(jù)護欄的鋼—塑性假設(shè)、沖擊力理論以及從理論模型和物理試驗獲得的車輛與護欄間的轉(zhuǎn)換理論，嘗試采用非線性動力模型分析的護欄的受力。

3 護欄立柱與地基工作狀態(tài)分析

3.1 荷載作用下的立柱—地基簡化模型

當(dāng)汽車碰撞于立柱后，汽車—護欄—地基呈現(xiàn)出一種復(fù)雜的受力系統(tǒng)，護欄立柱在荷載作用下的變形狀況受其自身的剛度、四周約束力和地質(zhì)狀況等多方面的影響。

波形梁護欄在承受橫向沖擊力作用的過程中，其受力狀態(tài)和力的變化過程非常復(fù)雜，在目前已有的研究成果中可以得知，汽車碰撞的沖擊能量主要被波形護欄的護欄板變形和立柱的彎曲變形吸收，而護欄的整體承載能力隨著地基土強度的不同發(fā)生變化。若我們將地基強度視為足夠強，即保證在車輛沖擊的過程中，不會因為地基承載能力不夠而導(dǎo)致護欄的破壞，那么將可以把整個系簡化為單根立柱（樁）— 地基模型進行研究。

3.2 樁基在橫向荷載下的工作狀態(tài)分析

護欄立柱，將其上部結(jié)構(gòu)進行簡化，可以得知，其受力特性與樁基在橫向荷載作用下的受力非常相似。因此，要研究護欄橫向荷載作用下的受力特性，首先要分析樁基的工作性能。

工程中通常將水平承載單樁的分為剛性樁和彈性樁。當(dāng)樁的深入土中較大時，樁的相對剛度就會比較小，在此時的樁基計算應(yīng)該按照按彈性來計算。當(dāng)樁深入土中較淺時，樁的相對剛度較大，此時樁的理論分析應(yīng)該按照剛性樁進行計算。在橫向荷載作用下，樁基的破壞受到樁體自身剛度和樁側(cè)周圍土體強度的影響。

當(dāng)樁的相對于樁側(cè)土體的剛度較小時，在外部橫向荷載作用下，樁身發(fā)生撓曲變形，側(cè)向位移隨入土深度逐漸減小，形成一端嵌固的地基梁。基樁的橫向承載力容許值由樁身材料的抗剪強度或側(cè)向變形條件決定。

3.3 荷載作用下立柱在地基土中的工作機理

由以上的對樁基的分析可知，護欄立柱在地基的承受橫向荷載的能力，同樣受到立柱周圍土體強度和立柱自身剛度的影響。承受橫向荷載的立柱工作時主要有來自兩個方面的作用力：一是上部結(jié)構(gòu)所傳遞的傳遞的碰撞力，二是在承受橫向荷載時，地基土對立柱所產(chǎn)生的抵抗力。

護欄立柱的破壞可視為兩個階段的過程，第一階段，在橫向荷載作用下，初始階段立柱的水平方向上的位移變化比較小，此時土體對于立柱的抗力主要由靠近地面處土體進行提供，立柱周圍的土體處于彈性變形階段。第二階段，隨著橫向荷載的增加，立柱的橫向位置變化也越來越大，立柱周圍地表淺層的土將逐漸產(chǎn)生塑性變形，此時橫向荷載向更深的土層傳遞,最終立柱將由于樁側(cè)土的強度不夠而失穩(wěn)。

通過對單樁基礎(chǔ)在橫向荷載作用下的分析，可以得出，護欄立柱抵抗車輛的沖擊能力，與自身所處的地基強度有關(guān)，在防撞護欄設(shè)計時，應(yīng)該將地基強度考慮進去。目前的護欄設(shè)計規(guī)范有待于進一步的提高。

4 提高護欄防撞能力的探索

根據(jù)以上分析，護欄立柱在橫向荷載作用下，其受力的最為薄弱的位置在于淺層土體于護欄的接觸位置，因此，若對現(xiàn)行的防撞護欄立柱周圍淺層處的土體進行硬化，則其水平抵抗水平荷載的能力將得到顯著提高。同時，由于在車輛撞擊以后，護欄立柱在對側(cè)向力的擠壓的同時，其受到一個向上拔的拉力。因此護欄與土體的摩阻系數(shù)的大小，也將影響著護欄防撞能力的大小。故未來提高護欄防撞能力的探究須從護欄端部設(shè)置上防阻塊著手進行探究。

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G322

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1007-6344（2017）02-0301-01

孫 德 樂(1990–)，男，碩士在讀，主要從事道路線型、公路安全生命防護工程方向的研究。