护栏立柱埋深检测规程(护栏立柱埋深用什么标准)

黄洪庆沈骏佳兴交通投资集团有限公司交通运输部公路科学研究所摘要：根据《公路工程施工安全技术规范》(F90-2015)的要求，

高空作业时，需要在边缘附近设置防护栏杆，并承受1000N的冲击荷载.为了分析公路工程建设中，不同土质、不同埋深的边界安全护栏在1000N冲击荷载下的安全性和稳定性，对安全护栏的埋深和土性参数进行了模型研究。

在栅栏的稳定性分析中，充分考虑了栅栏与土的相互作用。基于抗滑桩理论，

探索防护栏安全设置的埋深模型：地层最大变形值和地层参数(弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角)与埋深呈现明显的多元线性规律；建立了地层参数与地层最大变形值之间的关系方程。考虑到人体平衡的原则，

建立了1000N冲击力下的最小立柱埋深模型。该模型经现场试验验证，取得了良好的效果。研究成果为公路工程建设中安全护栏的埋深提供了科学合理的工程指导和依据，具有一定的工程实用价值和参考意义。

关键词：M法；防护围栏；立柱埋深；地基反力；边境保护；

基金：浙江省交通运输厅科研项目(2017 040)；

目前，高速公路改扩建、养护施工区域安全事故频发，安全护栏的结构形式备受关注。刘爽在高速公路建设中主要从安全护栏的实用性和安全性出发。

对临时护栏的防护机理、结构设置形式、安全性分析和现场汽车碰撞试验进行了分析研究，提出了安全护栏的合理布置形式，并通过汽车碰撞试验验证了其防护性能，为相关高速公路临时护栏的设计和应用提供参考。

张瑞红指出，机械化公路施工现场存在很大安全隐患，安全事故频发。为了消除安全隐患，依托S309线临夏至大河家公路改建工程，在施工过程中安装安全护栏，可以有效避免人员伤亡等事故的发生。

基于高速公路钢筋混凝土安全护栏的性能，王小杏开展了一系列试验研究，主要进行了钢筋拉伸试验和水泥混凝土配合比试验，分析了钢筋混凝土护栏的强度特性，为相应的高速公路安全护栏工程提供了理论依据。

赵采用弹性波法检测护栏立柱埋深的可行性。他根据弹性动力学的相关理论知识，研究了埋置前后不同频率的弹性波在钢管柱中的传播特性，并通过大量的实验研究，

提出了一种基于弹性波理论的钢管柱埋深无损检测方法。

刘保峰根据高速公路护栏的受力特点将其分为刚性护栏、半刚性护栏和柔性护栏三种形式，并重点介绍了模板制作、施工放样、浇筑深度和护栏板安装的工艺流程。

梁勇主要分析了高速公路护栏立柱的埋设结构和破坏特征，计算了立柱拔出过程中的最大静阻力，为护栏立柱的维修方案提供了参考。

为了准确分析车辆与护栏碰撞的耦合过程，鲁旸等人提出了基于土荷载与水平荷载关系的水平基床反力评价理论，即水平基床反力与水平位移的关系。通过有限元数值模拟，得出水平荷载引起土体塑性屈服，

这种现象是由最大水平应力差造成的；提出了水平地基极限承载力的理论公式，建立了水平力作用下水平地基反力的理论模型，为类似围栏工程设计分析提供了理论参考和依据。

刘进总结分析了目前高速公路交通事故多发路段存在的主要问题，并针对常见的路侧护栏事故，改进了高速公路安全护栏设施的设计。通过对栅栏整体设计和最佳尺寸设置的研究，

设计出新型防护栏设施的外形，以确保防护栏对于小型车辆防护的同时，且尽可能降低重型车辆发生侧翻骑跨事故的概率。

李果针对公路施工现场临时安全防护标准化不足这一问题，详细研究了网片式防护栏、格栅式防护栏和组装式防护栏三种新型防护栏的安全防护性能，分别对三者的适用条件进行了分析。

关于高速公路防撞护栏施工与安全加固方面，一些学者依托具体工程开展了相关研究，如：文献中主要总结了我国高速公路防撞护栏的重要施工经验，详细分析了护栏施工关键技术，以满足相应的规范要求，

并针对防撞护栏安全加固提出一系列有效措施。

通过上述研究现状综述发现，诸多研究学者对防护栏安全性能进行了一系列现场试验与计算机建模仿真计算研究，但大多都是以车辆碰撞后护栏安全性角度出发，对于防护栏与地层之间的相互作用关系研究较少，仅有少许文献。

如：杨璐等提出了创新性的方法来模拟护栏立柱与地基之间的相互耦合作用，即：将护栏支柱受到基床水平反力用有限个体的弹簧单元来表示，主要采用ABAQUS有限元数值模拟软件计算的研究方法，

建立在支柱的轴向方向和圆周方向上分配弹簧单元，其原理是：弹簧单元所受的反力使支柱产生水平变形，理论模型的研究结果表明护栏立柱-地基模型是有效的、切实可行的，并可以应用在护栏与车辆碰撞耦合分析的模型中。

因此，以防护栏在不同地层、不同埋置深度条件下受到集中力荷载值后其安全性与稳定性作为本文的研究重点，充实不同埋置深度条件下防护栏安全性评价依据，以图为相应的施工安全防护栏工程提供科学合理指导。

1 工作原理安全防护栏与抗滑桩工作原理类似，安全防护栏是将护栏埋入地层一定深度，依靠埋入土体部分防栏杆的锚固作用，将防护栏上部承受的荷载传给防护栏下部的侧向岩土体，来实现安全防护作用，可等效为悬臂桩，

如图1所示。因此可参考抗滑桩基础研究成果，分析安全防护栏合理埋设深度。

图1 防护栏防护原理示意图下载原图

2 防护栏设计荷载的确定作用于防护栏上的力系主要有两部分：作用于防护栏上部的集中力和防护栏锚固段地层对防护栏的反力。

2.1 推力荷载推力荷载在防护栏上的分布和作用点位置，与人的身高、倚靠或撞击位置及角度等因素有关，在不同的工况下，可根据实际情况合理确定推力荷载。

《公路工程施工安全技术规范》 (JTG F90-2015) 5.7.5规定，高处作业场所临边应设置安全防护栏杆，并规定：安全防护栏杆应能承受F0=1000N的荷载。按前述现场试验设计方案，

防护栏为多根立杆整体受力，并不是由一根立杆独立承载1000N荷载，因此在采用m法进行内力分析时，根据等效节点荷载原理，设定一个折减系数。因此本次理论计算作用在防护栏的有效荷载大小为

，其作用方向假定为水平，荷载分布形式为集中荷载。

2.2 地基反力防护栏将推力荷载传递给地表以下的防护栏周边岩(土)体时，防护栏的锚固段前后岩(土)体受力后发生变形，并由此产生的岩(土)体的反力，即为地基反力。

防护栏在荷载(包括轴向荷载、横向荷载和力矩)作用下产生位移(包括竖向位移、水平位移和转角)，防护栏的竖向位移引起栏杆侧边土体的摩阻力和栏杆底土的抵抗力。防护栏的水平位移及转角使栏杆挤压侧边土体，

栏杆侧边土体必然对防护栏产生一个横向土抗力yxxy，它起抵抗外力和稳定防护栏的作用。如图2所示，yxxy即指深度为x处的横向土抗力，

其大小取决于土体性质、防护栏刚度、防护栏埋深、防护栏的截面形状、防护栏间距及荷载等因素。

假定土的横向土抗力符合文克尔假定，设某一深度x处防护栏侧边位移为yx(全部为土体的压缩量)，则该深度处弹性抗力为：

式中：x埋深x处横向地基反力(k N/m2);C为地基反力系数(k N/m3);yx为深度x处桩的横向位移(m)。

3 地基反力系数3.1 地基反力系数分布形式地基反力系数C是地基承受的侧压力与防护栏在该位置处产生的侧向位移的比值。也即单位岩土体在弹性限度内产生单位压缩变形时所需施加于其单位面积上的力。

图2 地基反力求解下载原图

C值随深度的分布规律：地基反力系数C值不仅与土的类别及其性质有关，而且也随深度而变化。由于实测的客观条件和分析方法不尽相同等原因，所采用的C值随深度的分布规律也各有不同。

常用的几种地基反力系数的分布规律如图3所示。

图3 地基系数形状C=m (x+x0)n 下载原图

(1) K法：n=0时，C=K地基系数不随深度而变化。

适用于较完整的硬质岩层、未扰动的硬粘土和性质相近的半岩质地层。

(2) m法：n=1,x0=0,C=mx，地基系数随深度呈直线变化。

适用于一般硬塑至半坚硬的砂粘土、碎石类土或风化破碎呈土状的软质页岩以及密度随深度增加的地层。

(3) C法：n=0.5，地基反力系数沿深度按凸抛物线增大。

适用于超固结土。

3.2 地基反力系数的比例系数m值上述三种方法各自假定的地基反力系数随深度分布规律不同，其计算结果有所差异。本次采用目前应用较广的“m”法。按“m”法计算时，

地基反力系数的比例系数m值可根据试验实测决定，无实测数据时可参考以下方式选用：

(1) 《公路桥涵地基与基础设计规范》 (JTG3363-2019)及《铁路桥涵地基和基础设计规范》 (TB 10093-2017)中建议m值按表1选取。

由于桩的水平荷载与位移关系是非线性的，即m值随荷载与位移增大而有所减少，因此，m值的确定要与桩的实际荷载相适应。一般结构在地面处最大位移不超过10mm，对位移敏感的结构及桥梁结构为6mm。位移较大时，

应适当降低表列m值。

表1 非岩石类土的比例系数m值下载原图

(2) 《建筑桩基技术规范》 (JGJ 94-20)及林在贯等编著的岩土工程手册中建议m值按表2选取，当预制桩的水平向位移小于10mm时，m值可适当提高。

表2 地基水平抗力系数的比例系数m值下载原图

(3) 《上海市基坑工程技术规范》 (DG/TJ08-61-2010)中建议，水平向基床系数的比例系数m按表3选取。

表3 水平向基床系数沿深度增大的比例系数m 下载原图

(4) 《建筑基坑支护技术规程》 (JGJ120-2012)第4.1.6条规定，土的水平反力系数的比例系数宜按桩的水平荷载试验及地区经验取值，缺少试验和经验时，可按下列经验公式计算：

式中：m为土的水平反力系数的比例系数(MN/m4);c为土的粘聚力(k Pa);为土的内摩擦角();b为挡土构件在基坑底处的水平位移量(mm)，当此处的水平位移量不大于10mm时，

可取b=10mm。

4 基于m法防护栏内力和位移计算4.1 刚性桩与弹性桩的区分抗滑桩受到滑坡推力后，将产生一定的变形。根据桩和桩周土的性质和桩的几何性质，其变形有两种情况：

(1)刚性桩：桩的位置发生了偏离，但桩轴线仍保持原有的线形，变形由于桩周土的变形所致。

(2)弹性桩：桩的位置和轴线同时发生改变，即桩轴线和桩周土同时发生变形。

试验研究表明，当抗滑桩埋入稳定地层内的计算深度为某一临界值时，可视桩的刚度为无穷大，桩的侧向极限承载力仅取决于桩周土的地基反力的大小。工程中把这个临界值作为判断是刚性桩或弹性桩的标准。

根据抗滑桩的变形分析，由于防护栏埋深相对较浅，将防护栏视为刚性桩进行分析。

4.2 防护栏内力和位移计算把地表以上防护栏的所有的力均当作外力，对地表以下防护栏截面进行受力分析，从而计算防护栏的内力。

设地面以下为同一m值，桩底自由，地面处的地基反力系数为0,F为施加在单根防护栏上的有效外力荷载，x0为下部桩段转动轴心距地面的距离，为旋转角，l0为推力荷载至地面的距离，l2为防护栏设置埋深，

如图4所示。当旋转角较小时，取tan=，则：

当0xx0时

护栏变位：y=(x0-x)

栏侧应力：x=mx(x0-x)

当x0xl2时

护栏变位：y=(x0-x)

栏侧应力：x=mx(x0-x)

将

带入上式得：

其中F0为施加在整个防护栏上的实际外力荷载。由上式可知，当根据现场工况确定了防护栏允许最大转角时，便可求出合理设置埋深l2。

图4 防护栏计算模型下载原图

确定防护栏允许最大转角max后，由

变换可得：

式中：m为地基系数的比例系数，MN/m4。可根据不同土层条件按相关规范取值；max为防护栏允许的最大转角，rad;F0为施加在防护栏上的最大外力荷载，MN。

F0=0.001MN;l0为外力荷载距离地面的距离，m;l2为防护栏合理设置埋深，m。

解上式一元四次方程，即可得到防护栏合理设置埋深的理论值l2。

5 工程算例根据理论推导公式，以浙东地区黏土为例，计算防护栏合理设置埋深，并与现场试验结果进行对比。

5.1 比例系数m值的确定基于7.3.2各项规程，根据不同地区的不同土，可选取对应的m值。本次试验土体为浙东地区黏土，属于软塑的黏性土，其力学参数为：弹性模量E=5.87MPa，泊松比=0.48，

容重=26k N/m3，粘聚力c=0.025MPa，内摩擦角=.1。当防护栏在地面处位移为10mm，由m经验公式计算得：

参考现场试验测试可知，防护栏在地面处最大位移一般都超过了10mm，位移较大时，应适当降低表列m值。综合各个规范考虑，

m取《公路桥涵地基与基础设计规范》 (JTG 3363-2019)及《铁路桥涵地基和基础设计规范》 (TB10093-2017)中的下限值，以此确定m=5。

5.2 最大转角max的确定根据施工现场土质条件及考虑人体平衡原理，设安全防护栏所允许最大倾斜角度不超过10，为充分保证安全，取安全系数k=4。则防护栏所允许最大倾斜角度为：

5.3 求解合理埋深l2在浙东地区黏土地层条件下，根据土的状态取m=5，防护栏允许最大转角max=0.0436rad，施加荷载F0=0.001MN，距离地面高度l0=1.2m。

将以上参数带入mmaxl24-16 F0l2-24 F0l0=0得到一元四次方程：

解一元四次方程得到浙东地区黏土地层安全防护栏理论计算埋深l2=0.651m。理论求解结果与现场实测结果趋于一致。

5.4 现场验证在黏土地层介质防护栏现场试验时，依照《公路工程施工安全技术规范》 (JTG F90-2015) 5.7.5规定，防护栏杆应能承受1000N的荷载。通过现场试验数据分析可知，

防护栏所承受荷载值与其埋置深度之间的关系曲线如图5所示。

图5 防护栏不同埋深与承受荷载值关系曲线下载原图

由图5可知，防护栏所能承受荷载的大小与埋置深度成显著的正线性相关，相关系数R=0.988，拟合公式(1):

(2)防护栏变形分析

通过现场试验统计的数据分析可得防护栏立杆监测点的横向变形值，并绘制防护栏立杆标号与监测点横向变形值关系曲线如图6所示。

图6 不同埋深的防护栏立杆横向变形值下载原图

由图6可知，不同埋深防护栏立杆的有效荷载变形值呈“单峰”、“对称”变化趋势；其中，由于中间杆为加载杆，故每次试验时，中间杆(3号)横加载点向变形值最大。此外，随着埋深的增加，

防护栏立杆横向变形值先增大、后减小，主要原因是：埋深较浅时，当施加集中力荷载至某一较小值时土体便出现压溃屈服破坏，此时横向变形较小，埋深逐渐增大时，防护栏所能承受的荷载值增大、横向变形值也增大，

但当埋深增大至70cm时，防护栏的横向变形值相比于埋深60cm时有所降低、并非常接近，此时说明防护栏既能承受公路工程安全防护栏所要求的集中力荷载值，也能保持稳定的变形值，

说明此刻在黏土地层中防护栏埋深为70cm时是安全的、稳定的。

6 结论本研究提供了一种基于M法的临边防护栏立柱埋深合理求解方法。在满足规范要求的前提下，利用算法可以求解最低埋深，并通过实例验证取得良好效果，为现场临边防护栏的设置提供技术支撑。但是，

该方法基于现有规范经验算法，后期应采用现场试验以求得更精确的数据。

(1)通过现场防护栏埋置深度试验可知，不同埋深防护栏立杆的有效荷载变形值呈“单峰”、“对称”变化趋势；随着埋深的增加，防护栏立杆横向变形值先增大后减小，主要原因是：埋深较浅时，

当施加集中力荷载至某一较小值时土体便出现压溃屈服破坏，此时横向变形较小，埋深逐渐增大时，防护栏所能承受的荷载值增大、横向变形值也增大，但当埋深增大至70cm时，

防护栏的横向变形值相比于埋深60cm时有所降低，能保持较稳定的变形值，说明此刻在黏土地层中防护栏埋深为70cm时是安全的、稳定的。

(2)通过对比现场试验与数值模拟计算结果可知，在防护栏埋深较浅时，现场实测的横向变形均较大于数值模拟计算的，主要原因是现场试验实测时施加的集中力均加载至防护栏不具备承载能力才终止加载，

而数值模拟在计算时并不能完全实现，当地层出现一定的塑性屈服破坏便会终止计算，故导致数值模拟的横向变形值较小。但是，整体上加载点横向变形值与防护栏埋置深度之间的变化趋势是一致的。

(3)采用有限元数值模拟软件分别选取了淤泥质黏土、粉质黏土、黏土、粉土、粉砂及细砂六种软硬不同地层条件下，计算了防护栏在五种不同集中力荷载、五组不同埋深条件下共150种工况，

除细砂地层条件下横向变形值与防护栏埋深呈类指数函数关系，其他五种地层均符合乘幂函数关系。

(4)分析得出地层最大变形值与地层参数(弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角)以及埋置深度呈现较显著的多元线性规律，建立了地层参数与地层最大变形关系方程式，

并与现场试验结果对比得出黏土地层条件下防护栏安全埋深值很接近。这一重要结论可以为软弱地层中公路施工安全防护栏工程提供一定理论指导，具有一定的工程价值。

2004:1515-1516[22] SEED H B,PEACOCK W H.Test procedures for measuring soil Liqu faction characteristics.Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division,ASCE,1971(SM8):1099-1119[23] 杨璐，

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