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重庆地区杂填土插入式防护栏立柱埋深研究

2021.08.24点击:

【摘要】近年来工程建筑业不断发展,然而工程

事故也在不断发生,其中高处坠落事故高居所有事故

中的前几名。造成这一事故的主要原因除了一线操作

人员安全防护意识薄弱,还与防护栏杆立柱的埋深是

否足够相关。本文介绍了在重庆地区杂填土上设置防

护栏杆,通过研究人体失重时的最大倾斜角度,再根

据杂填土地基反力系数,求得最小埋置深度。

【关键词】杂填土;插入式防护栏;埋置深度

doi:10.12159/j.issn.2095-6630.2021.27.0693

一、杂填土性质

随着我国经济和交通的大力发展,为了加快城

市化进程和满足发展过程中对用地的需求,在重庆地

区,原有的丘陵、山地地形经过大量改造和平整,形

成了原始为沟壑和低洼的混杂土回填区,回填深度

甚至超过百余米 [1]。杂填土的土体成分复杂,块石含

量大是其显著特点,块石含量一般在 20% ~ 40% 之

间,粒径以 20 ~ 1000mm 为主,所以杂填土属于块

石性填土。根据经验,杂填土的重度为 19.5 ~ 21kN/

m3,综合摩擦角 28 ~ 30°,水平抵抗力比例系数

m 值 8 ~ 10MN/m4,土体与锚固体粘结强度标准值

20 ~ 30kPa。

杂填土的回填作业方式多为无序自由抛填,简

单地自高处向低洼处倾倒,在回填区的中下部块石含

量显著增高,局部可达大于百分之五十,且粒径也有

所增大。由于回填材料和抛填方式的影响,重庆地区

杂填土工程性质主要表现为结构松散、均匀性差、空

隙大、软弱而且欠固结以及抗剪强度低。重庆地区杂

填土的固结沉降明显,固结周期特别长往往是数年甚

至数十年。杂填土的固结沉降主要表现为以下三个

方面:

(1)在自重或者外部荷载条件下对填土的压实;

(2)降水和地下水径流作用造成的湿陷性沉降;

(3)填土中砂泥岩岩块含量高,岩块相互倚靠形

成大量空隙,伴随着地下水的风化作用泥岩岩块软化

崩解为土,从而造成填土结构改变而引起填土空隙

压缩。

对于杂填土基坑工程而言,填土强度参数的选取

是设计的重点,更是工程勘察的难点。对于基坑工程

设计所必需的填土抗剪强度,其中报告粘聚力 C 和内

摩擦角 ψ,由于杂填土的离散性和岩土结构的复杂

性,即使同一区域内其数值往往存在很大差异,勘察

设计单位往往难以通过试验给出确定的量值,给出指

导设计参数多为经验值。

二、防护栏杆基本规定

(一)设置原则

(1)防护栏杆整体构造应使防护栏杆任何处,能

经受任何方向的 1kN 的外力而不发生明显变形或断

裂。当栏杆所处位置有发生人群拥挤,车辆冲击或物

体冲击等可能时,应加大横杆截面,加密柱距;

(2)防护栏杆由上下两道横杆及栏杆立柱组成,

上杆离防护面高度不低于 1.2m,下杆离防护面高

度不低于 0.6m,横杆长度大于 2m 时,必须加设栏

杆柱;

(3)坡度大于 1:2.2 的屋面,防护栏杆上杆离防

护面高度不低于 1.5m,并增设一道横杆,满挂安全

立网;

(4)下方有人员通行或交叉施工场所的防护栏

杆,须满挂密目安全网封闭,或在栏杆下设严密牢固

的高度不低于 180mm 的挡脚板。

(二)防护栏杆用材

(1)施工现场作业区、作业平台、人行通道、施

工通道、运输接料平台等施工活动场所,防护栏杆应

采用 φ48-51×3.5mm 的建筑脚手架钢管制成;

(2)提倡采用可重复安装和拆卸的自制工具式定

型栏杆或栏板。自制栏杆、栏板必须由企业自检合

格,并满足防护要求且美观耐用;

(3)窄小的竖向洞口或临边部位不适合采用钢管

作为防护栏杆的,采用 HRB335 钢筋焊接制成防护

栏杆。

(4)装配式工程梁面临时防护,在梁两端焊接或

螺栓固定临时立柱,将 φ10 以上钢丝绳或 φ25 以上

麻绳紧绷于临时立柱上作为安全绳,当梁跨度大于 8

米时,中间应加设临时立柱;

(5)采用其他钢材制作栏杆,必须经过项目技术

负责人核算后采用,禁止使用竹木制作防护栏杆。

(三)防护栏杆的连接与固定

(1)防护栏杆必须采用扣件连接、丝扣连接、螺

栓连接或焊接等可靠的连接方式连接;

(2)防护栏杆必须采取埋设、扣件连接、螺栓连

接或焊接等有效固定方式牢固固定于防护面。

三、插入式防护立柱工作原理

插入式防护立柱是通过将立柱钢管插入到一些

介质中的一定深度,一般常见的介质包括有土体、砂

浆、混凝土等,依靠插入介质部分立柱的锚固作用,

将防护栏上部受到的荷载传递给插入部分的侧向介

质,从而实现有效的安全防护作用。

图 1 插入式防护栏示意图

(一)受力分析

当人体依靠或者撞击在防护栏上时,相当于对防

护栏施加了一个推力荷载。防护栏将推力荷载传递给

地表以下的防护栏周边介质时,防护栏的锚固段前后

介质受力后发生变形,并由此产生地基反力。防护栏

在荷载作用下产生位移,防护栏的水平位移及转角使

栏杆挤压侧边介质,导致栏杆侧边介质对防护栏产生

一个横向抗力,这个抗力起到抵抗外力和稳定防护栏

杆的作用,最终达到平衡。平衡后防护栏杆产生一个

转角 α,当 α 到达某一个极限值时,人体将失去平

衡,可以通过确定 α 的最大值作为判断防护栏是否

失效。

可通过人体正常站立时的最大倾斜角来考虑一定

的安全系数,从而确定最大的转角。如图,假设人正

常站立时的身高为 a,则其重心的高度在身高的一半

即为 a/2,假设双脚间距 b。当人体重心偏离到双脚

之外时,则将失去平衡。则人体能够保持平衡的最大

倾斜角度为:

图 2 人体平衡分析

为充分保证人身安全,防止高坠的事故发生,应

在人体失稳的最大倾斜角度上取安全系数 k=4[2]。因

此可以得到防护栏所允许的最大倾斜角为:

插入式防护栏与抗滑桩的工作原理相似,都是通

过埋入土体部分起到锚固作用,因此可参考抗滑桩的

来分析防护栏合理的埋置深度。依靠 m 法对防护栏

进行内力和位移计算(计算模型如图所示),依据抗

滑桩的变形分析,由于防护栏埋深比较浅,可将防护

栏看作刚性桩来分析。设地面以下为同一 m 值,桩

底自由,地面处地基反力系数为 0。

图 3 防护栏杆计算模型

根据 m 法可得 [3]:

桩的转角

转动轴心距地面的距离

确定允许防护栏最大转角 αmax 后,由上式变

换可得:

其中:

F—施加在单根防护栏上的有效外力荷载,根据

《公路工程施工安全技术规范》(JTGF90 - 2015)5.7.5

规定 [4],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 F=1KN=0.001MN

的荷载

x0—为下部桩段转动轴心距地面的距离,单位 m

α—旋转角,单位 rad

αmax—允许的最大旋转角,单位 rad

l0—推力荷载至地面的距离,取 1.2m

l1—防护栏设置埋深,单位 m

m—地基的比例系数,单位 MN/m4

通过解上式方程即可得到防护栏合理的埋置

深度。

四、重庆杂填土插入式防护栏深度计算

根据《中国居民营养与慢性病状况报告(2015

年)》发布 [5],全民男性平均身高为 167.1cm,女性

平均身高为 155.8cm,其中重庆市男性平均身高为

167.16cm,女性平均身高为 159.71cm,为方便计算取

身高为 1.7m,双脚间距取 0.25m。则人体能够保持平

衡的最大倾斜角度为:

即,当荷载使防护栏变形,且变形角超过 2.091°

时,可认为防护栏失效。

已知重庆市杂填土水平抵抗力比例系数 m 值

8 ~ 10MN/m4,此处取 8 MN/m4,将参数代入到

即:

可得,防护栏埋置深度

由此可得在重庆市杂填土防护栏杆的最小埋置深

度是 0.653m。

五、结论

本文通过介绍了重庆市地区杂填土性质,其

中 根 据 经 验, 得 到 杂 填 土 的 重 度 为 19.5 ~ 21kN/

m3,综合摩擦角 28 ~ 30°,水平抵抗力比例系数

m 值 8 ~ 10MN/m4,土体与锚固体粘结强度标准值

20 ~ 30kPa。同时介绍了防护栏杆的设计原则以及用

材,其中防护栏杆必须采用扣件连接、丝扣连接、螺

栓连接或焊接等可靠的连接方式连接;并且防护栏杆

必须采取埋设、扣件连接、螺栓连接或焊接等有效固

定方式牢固固定于防护面。研究人体失重时的最大倾

斜角度,从而依靠一种基于 M 法的临边防护栏立柱

的埋深计算公式,根据重庆市杂填土的地基反力系

数,求得其最小埋置深度为 0.653m。

参考文献:

[1] 彭辉,邹光炯,陈柏全,等 . 重庆地区杂填土

深基坑支护技术应用研究 [J]. 国防交通工程与技术,

2016(6).

[2] 伍贤涵,陈磊,黄筱路 . 黏土条件下临边防

护栏设置深度研究 [J]. 公路交通科技(应用技术版),

2020(8).

[3] 黄筱路,杨弘卿,陈磊 . 固定荷载作用下临

边防护栏立柱埋深模型 [J]. 公路交通科技(应用技术

版),2020(8).

[4]《公路工程施工安全技术规范》(JTGF90 -

2015)

[5] 林晓斐 .《中国居民营养与慢性病状况报告

(2015 年)》发布 [J]. 中医药管理杂志,2015(13):

89-89.

作者简介:朱毅(1985—),男,汉族,四川邻

水人,工学学士,重庆交大交通安全科技研究院有限

公司,公路工程施工技术及安

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