孙德乐

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

基于地基在护栏防撞能力中的作用研究

孙德乐

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

在车辆在撞击护栏的瞬间，护栏立柱主要承受垂直于护栏立柱的横向荷载和沿立柱方向的的竖向荷载，文章通过将防撞护栏上部结构的简化，利用桩在水平荷载作用下的受力计算方法进行护栏立柱的分析，发现在荷载作用下护栏的破坏形式受到自身刚度和地基土强度和土质类型的影响，通过分析了在不同土质和地基强度对于护栏防撞能力的影响，得出在判定护栏的防撞等级时，不可忽略不同地基对护栏防撞能力的影响。并针对以上分析，提出了对于防撞护栏的优化意见。

交通安全；防撞护栏；地基；横向荷载

1 引言

高速公路的大批修建和运营，在方便人们出行的同时，也使得交通事故的增加。防撞护栏，作为高速公路的主要安全措施，能够有效的降低事故损坏程度。现在广泛应用的公路交通安全设施设计规范中，对防撞护栏设计的要求，采用根据防撞等级的不同，提供出相应的固定尺寸以供选择，而忽略了不同地基对于护栏的影响。由于土质的不同，使得护栏立柱在受到荷载冲击后，会产生不同的抵抗立柱上拔效果，因此地基对护栏的防撞能力的提高的影响，值得探究。

2 护栏工作过程中力学性能分析

2.1 防撞护栏的极限抗力分析

目前对于护栏安全性能的判别，多采用以车辆与护栏相撞时产生的碰撞加速度作为其安全性的标准。此标准认为：碰撞加速度的持续时间、作用方向、增长率及其其能够达到的最大值对于碰撞加速度的容许值的选取起决定性作用。依据现行的现行的规范对护栏所能承受的荷载要求，在对设施安全结构的试验中，对各个参数的取值需满足以下条件：

表1 车辆碰撞参数表

在车辆和护栏相互作用的瞬间，护栏立柱上存在着两个主要的力：一是垂直于护栏上的横向力；一个是顺护栏方向的纵向力。汽车作用于护栏上的碰撞加速度，最为主要的来源是作用在护栏立柱的水平面上力；而对于抵抗车辆的倾覆稳定性的力主要由护栏立柱竖直方向上的力进行提供。护栏横向力和纵向力的大小取决于两个主要因素：车辆与护栏的碰撞角度及车辆沿护栏方向的运动阻力。以上所述的力，一部分由护栏上部结构的变形得到消减，另一部分，最终是由地基与护栏柱基础的摩擦阻力进行消减。

2.2 防撞护栏的动力性能分析

在防撞护栏承受荷载能力的研究过程中，对于护栏的极限抗力特性，在选值时，一般都是按照静止受力情况考虑的，因而与护栏在实际应用过程中的受到的动力特性出入较大，不符合其实际的受力特性。根据护栏的钢—塑性假设、冲击力理论以及从理论模型和物理试验获得的车辆与护栏间的转换理论，尝试采用非线性动力模型分析的护栏的受力。

3 护栏立柱与地基工作状态分析

3.1 荷载作用下的立柱—地基简化模型

当汽车碰撞于立柱后，汽车—护栏—地基呈现出一种复杂的受力系统，护栏立柱在荷载作用下的变形状况受其自身的刚度、四周约束力和地质状况等多方面的影响。

波形梁护栏在承受横向冲击力作用的过程中，其受力状态和力的变化过程非常复杂，在目前已有的研究成果中可以得知，汽车碰撞的冲击能量主要被波形护栏的护栏板变形和立柱的弯曲变形吸收，而护栏的整体承载能力随着地基土强度的不同发生变化。若我们将地基强度视为足够强，即保证在车辆冲击的过程中，不会因为地基承载能力不够而导致护栏的破坏，那么将可以把整个系简化为单根立柱（桩）— 地基模型进行研究。

3.2 桩基在横向荷载下的工作状态分析

护栏立柱，将其上部结构进行简化，可以得知，其受力特性与桩基在横向荷载作用下的受力非常相似。因此，要研究护栏横向荷载作用下的受力特性，首先要分析桩基的工作性能。

工程中通常将水平承载单桩的分为刚性桩和弹性桩。当桩的深入土中较大时，桩的相对刚度就会比较小，在此时的桩基计算应该按照按弹性来计算。当桩深入土中较浅时，桩的相对刚度较大，此时桩的理论分析应该按照刚性桩进行计算。在横向荷载作用下，桩基的破坏受到桩体自身刚度和桩侧周围土体强度的影响。

当桩的相对于桩侧土体的刚度较小时，在外部横向荷载作用下，桩身发生挠曲变形，侧向位移随入土深度逐渐减小，形成一端嵌固的地基梁。基桩的横向承载力容许值由桩身材料的抗剪强度或侧向变形条件决定。

3.3 荷载作用下立柱在地基土中的工作机理

由以上的对桩基的分析可知，护栏立柱在地基的承受横向荷载的能力，同样受到立柱周围土体强度和立柱自身刚度的影响。承受横向荷载的立柱工作时主要有来自两个方面的作用力：一是上部结构所传递的传递的碰撞力，二是在承受横向荷载时，地基土对立柱所产生的抵抗力。

护栏立柱的破坏可视为两个阶段的过程，第一阶段，在横向荷载作用下，初始阶段立柱的水平方向上的位移变化比较小，此时土体对于立柱的抗力主要由靠近地面处土体进行提供，立柱周围的土体处于弹性变形阶段。第二阶段，随着横向荷载的增加，立柱的横向位置变化也越来越大，立柱周围地表浅层的土将逐渐产生塑性变形，此时横向荷载向更深的土层传递,最终立柱将由于桩侧土的强度不够而失稳。

通过对单桩基础在横向荷载作用下的分析，可以得出，护栏立柱抵抗车辆的冲击能力，与自身所处的地基强度有关，在防撞护栏设计时，应该将地基强度考虑进去。目前的护栏设计规范有待于进一步的提高。

4 提高护栏防撞能力的探索

根据以上分析，护栏立柱在横向荷载作用下，其受力的最为薄弱的位置在于浅层土体于护栏的接触位置，因此，若对现行的防撞护栏立柱周围浅层处的土体进行硬化，则其水平抵抗水平荷载的能力将得到显著提高。同时，由于在车辆撞击以后，护栏立柱在对侧向力的挤压的同时，其受到一个向上拔的拉力。因此护栏与土体的摩阻系数的大小，也将影响着护栏防撞能力的大小。故未来提高护栏防撞能力的探究须从护栏端部设置上防阻块着手进行探究。

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1007-6344（2017）02-0301-01

孙 德 乐(1990–)，男，硕士在读，主要从事道路线型、公路安全生命防护工程方向的研究。