陳 濤

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 公路與市政設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610000）

0 引言

護(hù)欄作為公路交通安全設(shè)施重要的組成部分，在保障公路運(yùn)營(yíng)安全作用突出，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，道路橋梁段與高路堤路段必須設(shè)置路側(cè)護(hù)欄，路側(cè)護(hù)欄宜設(shè)置在公路路側(cè)土路肩內(nèi)。作為波形梁護(hù)欄設(shè)置的載體，土路肩的壓實(shí)度是否滿足規(guī)范要求，直接影響波形梁護(hù)欄立柱承載力。

SB級(jí)、SA級(jí)波形梁護(hù)欄是高等級(jí)公路高填方路段土路肩上安裝較為廣泛的兩種半剛性護(hù)欄，其立柱支撐力是否滿足要求直接影響行車安全，現(xiàn)行規(guī)范要求路側(cè)土基壓實(shí)度一般不宜小于90%，目前國(guó)內(nèi)很多高速公路項(xiàng)目土路肩頂部采用局部培土綠化構(gòu)造形式，這種構(gòu)造形式相對(duì)土路肩硬化構(gòu)造具有施工方便、造價(jià)便宜、可綠化、便于波形梁護(hù)欄安裝的特點(diǎn)，是一種工程上大量設(shè)計(jì)與施工采用的代表性土路肩構(gòu)造形式，但該種土路肩構(gòu)造形式對(duì)波形梁護(hù)欄的支撐力是否具有影響，能否有效地保證行車安全，還沒(méi)有相關(guān)的分析及評(píng)價(jià)。

1 研究現(xiàn)狀

在發(fā)生交通事故時(shí)，受失控車輛重量、碰撞角度、碰撞速度等各種因素影響，車輛在與波形梁護(hù)欄發(fā)生碰撞過(guò)程中護(hù)欄的立柱與土路肩的地基土之間的相互作用力變化十分復(fù)雜。護(hù)欄作為防止失控車輛沖出路堤的安全設(shè)施，其強(qiáng)度主要取決于護(hù)欄各個(gè)組件的剛度、抗拉強(qiáng)度以及護(hù)欄立柱埋入深度范圍的地基承載力，特別是在發(fā)生碰撞時(shí)護(hù)欄立柱在地基中的水平承載力與位移的關(guān)系是決定護(hù)欄是否具有滿足要求的阻擋功能、緩沖功能及導(dǎo)向功能的重要因素。根據(jù)日本土木研究所等單位對(duì)波形梁護(hù)欄立柱強(qiáng)度的專門實(shí)驗(yàn)研究，在滿足條件的壓實(shí)度情況下，護(hù)欄受力時(shí)，立柱發(fā)生0.1 m位移以前，是地基承載力在發(fā)揮作用；當(dāng)位移0.1~0.8 m時(shí)，護(hù)欄的立柱發(fā)生了彎曲，其水平承載力主要受護(hù)欄鋼管立柱的自身強(qiáng)度影響。研究表明，波形梁護(hù)欄立柱在發(fā)生碰撞后的水平承載力與地基的壓實(shí)度有很大的關(guān)系。

交通運(yùn)輸部西部課題“高速公路舊波形梁護(hù)欄防撞能力提升改造技術(shù)研究”中對(duì)護(hù)欄立柱的埋深進(jìn)行了系統(tǒng)性研究[1]，根據(jù)立柱試驗(yàn)的結(jié)果，立柱在受到外力時(shí)，土基的破壞開(kāi)裂是沿立柱兩側(cè)向邊坡延伸，經(jīng)初步分析，在土基壓實(shí)度一定的條件下，阻止立柱傾斜的因素有兩方面：一是立柱的埋置深度；二是立柱背部阻止立柱變形的土方量。根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)論，在一定土壓實(shí)度條件下和立柱距離土路肩距離一定的情況下，立柱不同埋置深度的極限支撐力與埋深1.1 m條件下的極限支撐力的比值穩(wěn)定在一較小的范圍內(nèi)，立柱1.4 m埋深下，其立柱支撐力變化基本不明顯。

湖南大學(xué)的胡高賢[2]通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真研究了土基對(duì)波形梁護(hù)欄安全性能的影響，研究發(fā)現(xiàn):車輛與護(hù)欄碰撞時(shí)，碰撞能量主要由護(hù)欄的變形吸收。在土基壓實(shí)度較小時(shí)，護(hù)欄的橫向位移主要受土基壓實(shí)度影響，橫向位移隨著土基壓實(shí)度增大而減??；當(dāng)土基壓實(shí)度在96%以上時(shí)，護(hù)欄的橫向位移主要受立柱失效的影響，此時(shí)，橫向位移隨壓實(shí)度增大而增大。

基于以上研究，按照現(xiàn)行規(guī)范一般構(gòu)造和尺寸安裝的波形梁護(hù)欄在土路肩不低于90%壓實(shí)度的情況下，均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，如果支撐條件發(fā)生改變或者壓實(shí)度不足時(shí)，需要對(duì)立柱支撐力進(jìn)行分析及評(píng)價(jià)，確定護(hù)欄的安裝是否滿足規(guī)范要求，以保障公路運(yùn)營(yíng)階段行車的安全。

2 工程概況

國(guó)內(nèi)西南地區(qū)某高速公路主線設(shè)計(jì)速度V=120 km/h，整體性路基寬34.5 m，雙向六車道，其路幅構(gòu)成：0.75（土路肩）+3.0（硬路肩）+3×3.75（行車道）+0.75（路緣帶）+3.0（中央分隔帶）+0.75（路緣帶）+3×3.75（行車道）+3.0（硬路肩）+0.75（土路肩）=34.5 m，填方路基土路肩構(gòu)造形式如圖1、圖2所示，土路肩寬度75 cm，路基邊坡坡度為1∶1.5，路床及路基結(jié)構(gòu)層壓實(shí)度不小于94%，土路肩頂部局部培土綠化。全線連續(xù)設(shè)置路側(cè)護(hù)欄，路基外側(cè)有車輛不能安全越過(guò)的攝像機(jī)、交通標(biāo)志、橋墩、聲屏障等障礙物路段，設(shè)置的路側(cè)護(hù)欄等級(jí)至少為SB級(jí)，護(hù)欄設(shè)置原則如下：

圖1 路堤土路肩邊部構(gòu)造1（邊坡高度＞4 m）（單位： cm）

圖2 路堤土路肩邊部構(gòu)造2（邊坡高度≤4 m）（單位： cm）

（1）路堤邊坡高度h＜3.5 m的路段及挖方路段：

3 護(hù)欄立柱背面土質(zhì)量研究分析

3.1 計(jì)算和評(píng)價(jià)方法

據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[3-4]規(guī)定，當(dāng)設(shè)置的路側(cè)鋼護(hù)欄立柱埋入深度范圍內(nèi)地基壓實(shí)度小于90%時(shí)，可根據(jù)細(xì)則附錄C.4 -C4.2關(guān)于支撐條件變更的規(guī)定進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，流程如下：

3.1.1 設(shè)置條件及地基狀況的檢查

護(hù)欄立柱設(shè)置于路側(cè)，其強(qiáng)度取決于立柱以外的土路肩寬度、路堤邊坡的坡度、立柱埋入土路肩的深度和土路肩的構(gòu)造材料等支撐條件，通過(guò)與細(xì)則中一般構(gòu)造示例中相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，不同時(shí)，應(yīng)檢查護(hù)欄立柱的設(shè)置基底情況，對(duì)承載能力不滿足要求的基礎(chǔ)進(jìn)行改善。

3.1.2 立柱背面土質(zhì)量的計(jì)算

前期研究表明，護(hù)欄在受到車輛碰撞后，汽車碰撞護(hù)欄的荷載將由立柱的地基承載力來(lái)承擔(dān)，承載力的大小取決于立柱背面土的體積和密度，通過(guò)圖3可計(jì)算出1根立柱所涉及的背面土質(zhì)量（其中H為波形梁護(hù)欄鋼立柱的埋入土路肩的深度，x為鋼立柱中心與土路肩外邊緣的距離），根據(jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)立柱所受的支撐力。現(xiàn)設(shè)置A級(jí)波形梁護(hù)欄；但路基外側(cè)有車輛不能安全越過(guò)的攝像機(jī)、交通標(biāo)志、橋墩、聲屏障等設(shè)施：設(shè)置打入式SB級(jí)波形梁護(hù)欄，立柱間距為2 m。

圖3 鋼護(hù)欄立柱背面土質(zhì)量的計(jì)算范圍

（2）路堤邊坡高度3.5 m≤h≤10 m的路段：設(shè)置打入式SB級(jí)波形梁護(hù)欄，立柱間距為2 m。

（3）路堤邊坡高度10 m

3.1.3 立柱背面土質(zhì)量的評(píng)價(jià)

通過(guò)運(yùn)用圖3計(jì)算方法計(jì)算波形梁護(hù)欄1根立柱背面土質(zhì)量是否不小于表1中對(duì)應(yīng)的立柱背面土質(zhì)量，以確認(rèn)地基對(duì)立柱的支撐力是否滿足要求，如立柱后背面土質(zhì)量不滿足要求，須對(duì)立柱進(jìn)行加固處理，如采用規(guī)范要求的獨(dú)立混凝土基礎(chǔ)加固法、設(shè)置連續(xù)混凝土基礎(chǔ)加固法、縮短立柱間距加固法。

表1 部分防護(hù)等級(jí)護(hù)欄1根立柱的背面土質(zhì)量

3.2 計(jì)算及評(píng)價(jià)

根據(jù)上述計(jì)算和評(píng)價(jià)方法，通過(guò)對(duì)圖1和圖2兩種代表性土路肩構(gòu)造進(jìn)行波形梁護(hù)欄立柱背面土質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，土的密度（未壓實(shí)的狀態(tài)）取1.35 t/m3，水穩(wěn)層的密度取2.2 t/m3，路床壓實(shí)土的密度取1.84 t/m3，H為1.65 m，X為0.435 m。根據(jù)圖3計(jì)算公式：?jiǎn)胃⒅趁嫱临|(zhì)量（t）=背面回填土土體積（m3）×回填土的密度（t/m3）+水穩(wěn)層土體積（m3）×水穩(wěn)層的密度（t/m3）+路床壓實(shí)土的體積（m3）×路床壓實(shí)土的密度（t/m3）。

兩種土路肩構(gòu)造計(jì)算得出，在土路肩邊部構(gòu)造1中，SB級(jí)、SA級(jí)波形梁護(hù)欄立柱背部土質(zhì)量為2.464 t，在土路肩邊部構(gòu)造2中SB級(jí)、SA級(jí)波形梁護(hù)欄立柱背部土質(zhì)量為2.299 t，并與一般構(gòu)造示例中所示1根立柱的背面土質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，均大于標(biāo)準(zhǔn)值2.19 t，如表2所示。

表2 SB級(jí)、SA級(jí)波形梁護(hù)欄1根立柱的背面土質(zhì)量對(duì)比表

兩種波形梁護(hù)欄立柱在土路肩邊部構(gòu)造1與土路肩邊部構(gòu)造2中背部土質(zhì)量差值為0.165 t，通過(guò)對(duì)比兩種土路肩橫斷面可以看出在土路肩邊部構(gòu)造2中，頂部填土的厚度大于構(gòu)造1中填土的厚度，說(shuō)明在相同的壓實(shí)度下，填土厚度對(duì)立柱背部土質(zhì)量有很大的影響。填土厚度越大，立柱背部土質(zhì)量就越小。立柱在土路肩構(gòu)造2中背面土質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)值差值為0.109 t，由于回填土的壓實(shí)度不夠，說(shuō)明此種類型土路肩構(gòu)造形式填土厚度需要控制在一定的范圍內(nèi)，以保證立柱背部的支撐力。

在兩種土路肩構(gòu)造形式中，護(hù)欄立柱的背面土質(zhì)量均大于1根立柱的背面土質(zhì)量（標(biāo)準(zhǔn)值）2.19 t，主要是因?yàn)樵谕谅芳鐦?gòu)造中波形梁護(hù)欄的立柱有一部分是埋入路面結(jié)構(gòu)層中，而標(biāo)準(zhǔn)值主要是基于在壓實(shí)度滿足要求的土基中，通過(guò)對(duì)比說(shuō)明，立柱埋入深度范圍內(nèi)地基材料對(duì)立柱支撐力有較大的影響。

綜上分析，在相同的土路肩寬度、邊坡坡度和立柱埋入深度的情況下，護(hù)欄立柱的支撐力主要取決于地基材料，要保證立柱支撐力滿足要求，在立柱埋入深度范圍內(nèi)地基材料應(yīng)選擇不小于90%壓實(shí)度的材料，如壓實(shí)度不滿足要求，須對(duì)立柱背面土質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，如果立柱背面土質(zhì)量小于標(biāo)準(zhǔn)值要求，要么進(jìn)行地基改造，選擇滿足壓實(shí)度要求的材料，或者采用獨(dú)立混凝土基礎(chǔ)加固法、設(shè)置連續(xù)混凝土基礎(chǔ)加固法、縮短立柱間距加固法，確保必需的背面土質(zhì)量，以保證護(hù)欄立柱支撐力滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

波形梁護(hù)欄是我國(guó)高速公路上重要的安全設(shè)施，碰撞事故發(fā)生時(shí)通過(guò)護(hù)欄各組件和土基等的變形來(lái)吸收碰撞能量，并迫使失控車輛改變方向，回到正常行駛狀態(tài)，護(hù)欄立柱埋入深度范圍內(nèi)的地基壓實(shí)度對(duì)波形梁護(hù)欄的安全性能有著重要的影響，該文針對(duì)目前高速公路土路肩采用頂部回填土構(gòu)造形式造成局部壓實(shí)度不夠的實(shí)際情況，以西南地區(qū)某高速公路采用的兩種代表性土路肩構(gòu)造作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)設(shè)置的SB級(jí)、SA級(jí)兩種波形梁護(hù)欄立柱支撐力進(jìn)行研究分析及評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，在這兩種土路肩構(gòu)造形式下，SB級(jí)、SA級(jí)兩種波形梁護(hù)欄滿足現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于背面土質(zhì)量要求。同時(shí)，此評(píng)價(jià)方法也適用于其他等級(jí)波形梁護(hù)欄及土路肩構(gòu)造形式，具體分析計(jì)算還應(yīng)根據(jù)土路肩實(shí)際地基材料組成進(jìn)行確定。