土路肩顶部填土对波形梁护栏立柱支撑力分析及评价

陈 涛

（中铁二院工程集团有限责任公司 公路与市政设计研究院,四川 成都 610000）

0 引言

护栏作为公路交通安全设施重要的组成部分，在保障公路运营安全作用突出，根据现行规范规定，道路桥梁段与高路堤路段必须设置路侧护栏，路侧护栏宜设置在公路路侧土路肩内。作为波形梁护栏设置的载体，土路肩的压实度是否满足规范要求，直接影响波形梁护栏立柱承载力。

SB级、SA级波形梁护栏是高等级公路高填方路段土路肩上安装较为广泛的两种半刚性护栏，其立柱支撑力是否满足要求直接影响行车安全，现行规范要求路侧土基压实度一般不宜小于90%，目前国内很多高速公路项目土路肩顶部采用局部培土绿化构造形式，这种构造形式相对土路肩硬化构造具有施工方便、造价便宜、可绿化、便于波形梁护栏安装的特点，是一种工程上大量设计与施工采用的代表性土路肩构造形式，但该种土路肩构造形式对波形梁护栏的支撑力是否具有影响，能否有效地保证行车安全，还没有相关的分析及评价。

1 研究现状

在发生交通事故时，受失控车辆重量、碰撞角度、碰撞速度等各种因素影响，车辆在与波形梁护栏发生碰撞过程中护栏的立柱与土路肩的地基土之间的相互作用力变化十分复杂。护栏作为防止失控车辆冲出路堤的安全设施，其强度主要取决于护栏各个组件的刚度、抗拉强度以及护栏立柱埋入深度范围的地基承载力，特别是在发生碰撞时护栏立柱在地基中的水平承载力与位移的关系是决定护栏是否具有满足要求的阻挡功能、缓冲功能及导向功能的重要因素。根据日本土木研究所等单位对波形梁护栏立柱强度的专门实验研究，在满足条件的压实度情况下，护栏受力时，立柱发生0.1 m位移以前，是地基承载力在发挥作用；当位移0.1~0.8 m时，护栏的立柱发生了弯曲，其水平承载力主要受护栏钢管立柱的自身强度影响。研究表明，波形梁护栏立柱在发生碰撞后的水平承载力与地基的压实度有很大的关系。

交通运输部西部课题“高速公路旧波形梁护栏防撞能力提升改造技术研究”中对护栏立柱的埋深进行了系统性研究[1]，根据立柱试验的结果，立柱在受到外力时，土基的破坏开裂是沿立柱两侧向边坡延伸，经初步分析，在土基压实度一定的条件下，阻止立柱倾斜的因素有两方面：一是立柱的埋置深度；二是立柱背部阻止立柱变形的土方量。根据试验检测结论，在一定土压实度条件下和立柱距离土路肩距离一定的情况下，立柱不同埋置深度的极限支撑力与埋深1.1 m条件下的极限支撑力的比值稳定在一较小的范围内，立柱1.4 m埋深下，其立柱支撑力变化基本不明显。

湖南大学的胡高贤[2]通过计算机仿真研究了土基对波形梁护栏安全性能的影响，研究发现:车辆与护栏碰撞时，碰撞能量主要由护栏的变形吸收。在土基压实度较小时，护栏的横向位移主要受土基压实度影响，横向位移随着土基压实度增大而减小；当土基压实度在96%以上时，护栏的横向位移主要受立柱失效的影响，此时，横向位移随压实度增大而增大。

基于以上研究，按照现行规范一般构造和尺寸安装的波形梁护栏在土路肩不低于90%压实度的情况下，均能满足现行规范要求，如果支撑条件发生改变或者压实度不足时，需要对立柱支撑力进行分析及评价，确定护栏的安装是否满足规范要求，以保障公路运营阶段行车的安全。

2 工程概况

国内西南地区某高速公路主线设计速度V=120 km/h，整体性路基宽34.5 m，双向六车道，其路幅构成：0.75（土路肩）+3.0（硬路肩）+3×3.75（行车道）+0.75（路缘带）+3.0（中央分隔带）+0.75（路缘带）+3×3.75（行车道）+3.0（硬路肩）+0.75（土路肩）=34.5 m，填方路基土路肩构造形式如图1、图2所示，土路肩宽度75 cm，路基边坡坡度为1∶1.5，路床及路基结构层压实度不小于94%，土路肩顶部局部培土绿化。全线连续设置路侧护栏，路基外侧有车辆不能安全越过的摄像机、交通标志、桥墩、声屏障等障碍物路段，设置的路侧护栏等级至少为SB级，护栏设置原则如下：

图1 路堤土路肩边部构造1（边坡高度＞4 m）（单位： cm）

图2 路堤土路肩边部构造2（边坡高度≤4 m）（单位： cm）

（1）路堤边坡高度h＜3.5 m的路段及挖方路段：

3 护栏立柱背面土质量研究分析

3.1 计算和评价方法

据现行规范[3-4]规定，当设置的路侧钢护栏立柱埋入深度范围内地基压实度小于90%时，可根据细则附录C.4 -C4.2关于支撑条件变更的规定进行评价分析，流程如下：

3.1.1 设置条件及地基状况的检查

护栏立柱设置于路侧，其强度取决于立柱以外的土路肩宽度、路堤边坡的坡度、立柱埋入土路肩的深度和土路肩的构造材料等支撑条件，通过与细则中一般构造示例中相应数据进行对比，不同时，应检查护栏立柱的设置基底情况，对承载能力不满足要求的基础进行改善。

3.1.2 立柱背面土质量的计算

前期研究表明，护栏在受到车辆碰撞后，汽车碰撞护栏的荷载将由立柱的地基承载力来承担，承载力的大小取决于立柱背面土的体积和密度，通过图3可计算出1根立柱所涉及的背面土质量（其中H为波形梁护栏钢立柱的埋入土路肩的深度，x为钢立柱中心与土路肩外边缘的距离），根据计算结果来评价立柱所受的支撑力。现设置A级波形梁护栏；但路基外侧有车辆不能安全越过的摄像机、交通标志、桥墩、声屏障等设施：设置打入式SB级波形梁护栏，立柱间距为2 m。

图3 钢护栏立柱背面土质量的计算范围

（2）路堤边坡高度3.5 m≤h≤10 m的路段：设置打入式SB级波形梁护栏，立柱间距为2 m。

（3）路堤边坡高度10 m

3.1.3 立柱背面土质量的评价

通过运用图3计算方法计算波形梁护栏1根立柱背面土质量是否不小于表1中对应的立柱背面土质量，以确认地基对立柱的支撑力是否满足要求，如立柱后背面土质量不满足要求，须对立柱进行加固处理，如采用规范要求的独立混凝土基础加固法、设置连续混凝土基础加固法、缩短立柱间距加固法。

表1 部分防护等级护栏1根立柱的背面土质量

3.2 计算及评价

根据上述计算和评价方法，通过对图1和图2两种代表性土路肩构造进行波形梁护栏立柱背面土质量进行计算，土的密度（未压实的状态）取1.35 t/m³，水稳层的密度取2.2 t/m³，路床压实土的密度取1.84 t/m³，H为1.65 m，X为0.435 m。根据图3计算公式：单根立柱背面土质量（t）=背面回填土土体积（m³）×回填土的密度（t/m³）+水稳层土体积（m³）×水稳层的密度（t/m³）+路床压实土的体积（m³）×路床压实土的密度（t/m³）。

两种土路肩构造计算得出，在土路肩边部构造1中，SB级、SA级波形梁护栏立柱背部土质量为2.464 t，在土路肩边部构造2中SB级、SA级波形梁护栏立柱背部土质量为2.299 t，并与一般构造示例中所示1根立柱的背面土质量进行对比，均大于标准值2.19 t，如表2所示。

表2 SB级、SA级波形梁护栏1根立柱的背面土质量对比表

两种波形梁护栏立柱在土路肩边部构造1与土路肩边部构造2中背部土质量差值为0.165 t，通过对比两种土路肩横断面可以看出在土路肩边部构造2中，顶部填土的厚度大于构造1中填土的厚度，说明在相同的压实度下，填土厚度对立柱背部土质量有很大的影响。填土厚度越大，立柱背部土质量就越小。立柱在土路肩构造2中背面土质量与标准值差值为0.109 t，由于回填土的压实度不够，说明此种类型土路肩构造形式填土厚度需要控制在一定的范围内，以保证立柱背部的支撑力。

在两种土路肩构造形式中，护栏立柱的背面土质量均大于1根立柱的背面土质量（标准值）2.19 t，主要是因为在土路肩构造中波形梁护栏的立柱有一部分是埋入路面结构层中，而标准值主要是基于在压实度满足要求的土基中，通过对比说明，立柱埋入深度范围内地基材料对立柱支撑力有较大的影响。

综上分析，在相同的土路肩宽度、边坡坡度和立柱埋入深度的情况下，护栏立柱的支撑力主要取决于地基材料，要保证立柱支撑力满足要求，在立柱埋入深度范围内地基材料应选择不小于90%压实度的材料，如压实度不满足要求，须对立柱背面土质量进行计算，并与标准值进行对比，如果立柱背面土质量小于标准值要求，要么进行地基改造，选择满足压实度要求的材料，或者采用独立混凝土基础加固法、设置连续混凝土基础加固法、缩短立柱间距加固法，确保必需的背面土质量，以保证护栏立柱支撑力满足要求。

4 结语

波形梁护栏是我国高速公路上重要的安全设施，碰撞事故发生时通过护栏各组件和土基等的变形来吸收碰撞能量，并迫使失控车辆改变方向，回到正常行驶状态，护栏立柱埋入深度范围内的地基压实度对波形梁护栏的安全性能有着重要的影响，该文针对目前高速公路土路肩采用顶部回填土构造形式造成局部压实度不够的实际情况，以西南地区某高速公路采用的两种代表性土路肩构造作为研究对象，通过对设置的SB级、SA级两种波形梁护栏立柱支撑力进行研究分析及评价，结果表明，在这两种土路肩构造形式下，SB级、SA级两种波形梁护栏满足现行规范关于背面土质量要求。同时，此评价方法也适用于其他等级波形梁护栏及土路肩构造形式，具体分析计算还应根据土路肩实际地基材料组成进行确定。