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(hù)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(hù)欄的瞬間，護(hù)欄立柱主要承受垂直于護(hù)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(hù)欄上部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，利用樁在水平荷載作用下的受力計(jì)算方法進(jìn)行護(hù)欄立柱的分析，發(fā)現(xiàn)在荷載作用下護(hù)欄的破壞形式受到自身剛度和地基土強(qiáng)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(qiáng)度對(duì)于護(hù)欄防撞能力的影響，得出在判定護(hù)欄的防撞等級(jí)時(shí)，不可忽略不同地基對(duì)護(hù)欄防撞能力的影響。并針對(duì)以上分析，提出了對(duì)于防撞護(hù)欄的優(yōu)化意見。

交通安全；防撞護(hù)欄；地基；橫向荷載

1 引言

高速公路的大批修建和運(yùn)營(yíng)，在方便人們出行的同時(shí)，也使得交通事故的增加。防撞護(hù)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(jì)規(guī)范中，對(duì)防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)的要求，采用根據(jù)防撞等級(jí)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(duì)于護(hù)欄的影響。由于土質(zhì)的不同，使得護(hù)欄立柱在受到荷載沖擊后，會(huì)產(chǎn)生不同的抵抗立柱上拔效果，因此地基對(duì)護(hù)欄的防撞能力的提高的影響，值得探究。

2 護(hù)欄工作過程中力學(xué)性能分析

2.1 防撞護(hù)欄的極限抗力分析

目前對(duì)于護(hù)欄安全性能的判別，多采用以車輛與護(hù)欄相撞時(shí)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(rèn)為：碰撞加速度的持續(xù)時(shí)間、作用方向、增長(zhǎng)率及其其能夠達(dá)到的最大值對(duì)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(duì)護(hù)欄所能承受的荷載要求，在對(duì)設(shè)施安全結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)中，對(duì)各個(gè)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(hù)欄相互作用的瞬間，護(hù)欄立柱上存在著兩個(gè)主要的力：一是垂直于護(hù)欄上的橫向力；一個(gè)是順護(hù)欄方向的縱向力。汽車作用于護(hù)欄上的碰撞加速度，最為主要的來源是作用在護(hù)欄立柱的水平面上力；而對(duì)于抵抗車輛的傾覆穩(wěn)定性的力主要由護(hù)欄立柱豎直方向上的力進(jìn)行提供。護(hù)欄橫向力和縱向力的大小取決于兩個(gè)主要因素：車輛與護(hù)欄的碰撞角度及車輛沿護(hù)欄方向的運(yùn)動(dòng)阻力。以上所述的力，一部分由護(hù)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(hù)欄柱基礎(chǔ)的摩擦阻力進(jìn)行消減。

2.2 防撞護(hù)欄的動(dòng)力性能分析

在防撞護(hù)欄承受荷載能力的研究過程中，對(duì)于護(hù)欄的極限抗力特性，在選值時(shí)，一般都是按照靜止受力情況考慮的，因而與護(hù)欄在實(shí)際應(yīng)用過程中的受到的動(dòng)力特性出入較大，不符合其實(shí)際的受力特性。根據(jù)護(hù)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(yàn)獲得的車輛與護(hù)欄間的轉(zhuǎn)換理論，嘗試采用非線性動(dòng)力模型分析的護(hù)欄的受力。

3 護(hù)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(jiǎn)化模型

當(dāng)汽車碰撞于立柱后，汽車—護(hù)欄—地基呈現(xiàn)出一種復(fù)雜的受力系統(tǒng)，護(hù)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(hù)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(hù)欄的護(hù)欄板變形和立柱的彎曲變形吸收，而護(hù)欄的整體承載能力隨著地基土強(qiáng)度的不同發(fā)生變化。若我們將地基強(qiáng)度視為足夠強(qiáng)，即保證在車輛沖擊的過程中，不會(huì)因?yàn)榈鼗休d能力不夠而導(dǎo)致護(hù)欄的破壞，那么將可以把整個(gè)系簡(jiǎn)化為單根立柱（樁）— 地基模型進(jìn)行研究。

3.2 樁基在橫向荷載下的工作狀態(tài)分析

護(hù)欄立柱，將其上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)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(hù)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(shí)，樁的相對(duì)剛度就會(huì)比較小，在此時(shí)的樁基計(jì)算應(yīng)該按照按彈性來計(jì)算。當(dāng)樁深入土中較淺時(shí)，樁的相對(duì)剛度較大，此時(shí)樁的理論分析應(yīng)該按照剛性樁進(jìn)行計(jì)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(qiáng)度的影響。

當(dāng)樁的相對(duì)于樁側(cè)土體的剛度較小時(shí)，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?；鶚兜臋M向承載力容許值由樁身材料的抗剪強(qiáng)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(jī)理

由以上的對(duì)樁基的分析可知，護(hù)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(qiáng)度和立柱自身剛度的影響。承受橫向荷載的立柱工作時(shí)主要有來自兩個(gè)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(shí)，地基土對(duì)立柱所產(chǎn)生的抵抗力。

護(hù)欄立柱的破壞可視為兩個(gè)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(shí)土體對(duì)于立柱的抗力主要由靠近地面處土體進(jìn)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(shí)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(qiáng)度不夠而失穩(wěn)。

通過對(duì)單樁基礎(chǔ)在橫向荷載作用下的分析，可以得出，護(hù)欄立柱抵抗車輛的沖擊能力，與自身所處的地基強(qiáng)度有關(guān)，在防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該將地基強(qiáng)度考慮進(jìn)去。目前的護(hù)欄設(shè)計(jì)規(guī)范有待于進(jìn)一步的提高。

4 提高護(hù)欄防撞能力的探索

根據(jù)以上分析，護(hù)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(hù)欄的接觸位置，因此，若對(duì)現(xiàn)行的防撞護(hù)欄立柱周圍淺層處的土體進(jìn)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(shí)，由于在車輛撞擊以后，護(hù)欄立柱在對(duì)側(cè)向力的擠壓的同時(shí)，其受到一個(gè)向上拔的拉力。因此護(hù)欄與土體的摩阻系數(shù)的大小，也將影響著護(hù)欄防撞能力的大小。故未來提高護(hù)欄防撞能力的探究須從護(hù)欄端部設(shè)置上防阻塊著手進(jìn)行探究。

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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(hù)工程方向的研究。