海綿城市理念下預(yù)制道路基層設(shè)計

林滟

(集美大學(xué) 誠毅學(xué)院,福建 廈門,361000)

伴隨著城市化的快速發(fā)展,城市道路建設(shè)也取得了巨大的成就。據(jù)2022年9月30日發(fā)布的《2021年中國城市建設(shè)狀況公告》顯示,截至2021年年末,全國城市道路長度53.2×104km,城市道路面積已達(dá)105.4×108m2[1]。城市道路的快速發(fā)展為城市居民的出行提供了便利,但也帶來了一系列城市安全問題。在道路面積迅速擴張的同時,城市下墊面占比亦同步增長。不透水下墊面比例增加改變了城市自身的調(diào)蓄能力,降低了城市應(yīng)對強降雨的韌性。當(dāng)暴雨來襲,洪峰徑流增加,城市管網(wǎng)排水不及時,城市道路積水嚴(yán)重,由此引發(fā)的城市內(nèi)澇及雨水徑流污染問題,威脅著人民的出行安全及生命健康安全。

與此同時,城市道路建設(shè)過程亦存在道路建設(shè)維護與道路交通之間的協(xié)調(diào)等問題[2]。道路施工往往需要占用有限的通行空間,導(dǎo)致城市道路通行能力降低,從而引發(fā)各類交通問題。在巨大的城市交通流量壓力下,為保證城市交通的正常通行,道路建設(shè)工期一再被壓縮,道路施工工藝的基本質(zhì)量要求無法滿足,尤其道路基層為地下隱蔽工程,成為了工期壓縮的犧牲品。

1 傳統(tǒng)道路基層做法及存在問題分析

道路基層為道路面層之下的結(jié)構(gòu)層,是道路結(jié)構(gòu)中承上啟下的承重傳力層。其作用機理是將作用在道路面層上的車輛荷載及沖擊荷載通過基層的應(yīng)力擴散傳遞給路基,使路基不至于處于超應(yīng)力狀態(tài),從而在一定程度上減少路基的不均勻沉降;同時,道路基層也給上部的道路面層提供了一個合適的下承層,使面層免受路基不均勻凍脹或不均勻沉降影響。因此,道路基層質(zhì)量對道路結(jié)構(gòu)的使用性能和使用壽命都有決定性的作用。若道路基層存在強度不足、水穩(wěn)性差等問題,往往會導(dǎo)致路面出現(xiàn)龜裂、沉陷、坑槽等病害,從而極大地縮短了城市道路的使用壽命。

傳統(tǒng)的道路基層結(jié)構(gòu)是將無機結(jié)合料和級配碎石通過加一定量的水拌和、碾壓、養(yǎng)生而產(chǎn)生強度的一種半剛性結(jié)構(gòu)[3]。就目前道路基層材料組成來看,以水泥穩(wěn)定砂礫(碎石)為主流形式,見圖1。水泥穩(wěn)定碎石基層在施工過程中,原材料的質(zhì)量、混合料的配比、現(xiàn)場施工工藝水平及質(zhì)量均影響著道路基層質(zhì)量。市場原材料品質(zhì)的好壞、施工單位技術(shù)水平的高低等問題成為了道路施工質(zhì)量控制過程中的難題。同時,水泥穩(wěn)定碎石基層初期結(jié)構(gòu)強度低,其強度增長需要一個緩慢的過程。為達(dá)到設(shè)計強度要求,水泥穩(wěn)定碎石碾壓完成后需及時養(yǎng)生,適當(dāng)?shù)臈l件(水分、溫度和時間)對水泥穩(wěn)定碎石基層強度增長十分重要。為了保障道路基層質(zhì)量,養(yǎng)生期往往需要封閉交通,而繁重的交通壓力往往導(dǎo)致養(yǎng)生期的時長及條件無法保證,從而極大地影響了城市道路的質(zhì)量及壽命。

(a)機動車道 (b)非機動車道圖1 傳統(tǒng)道路結(jié)構(gòu)圖(以水泥混凝土面層為例)Fig.1 Structure of traditional road (taking cement concrete surface course for example)

2 預(yù)制基層結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于道路基層在道路結(jié)構(gòu)中的重要性及其在施工過程中可能存在的問題,本文通過理論分析、力學(xué)計算等技術(shù)手段,提出一種預(yù)制裝配式道路基層結(jié)構(gòu)設(shè)計理念。該預(yù)制基層結(jié)構(gòu)是以鋼筋混凝土為主要材料的剛性基層[4]。相較于傳統(tǒng)的柔性和半剛性基層,剛性基層有著更高的強度及更好的水穩(wěn)性,并能夠在一定程度上緩解半剛性基層在使用過程中產(chǎn)生的反射裂縫對路面的影響。

同時,作為道路面層的承重傳力層,為減少車輛集中荷載帶來的路面龜裂、沉陷、坑槽等問題,預(yù)制基層結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中借鑒建筑結(jié)構(gòu)筏形基礎(chǔ)設(shè)計理念,在結(jié)構(gòu)形式上采用類筏形基礎(chǔ),見圖2。底部筏板增大了基層傳力面積,增強基層應(yīng)力擴散能力,減少路基單位面積壓力、減小集中荷載對路基的影響,一定程度上降低了路基局部沉陷等問題。

圖2 預(yù)制道路基層結(jié)構(gòu)裝配立體圖Fig.2 Stereoscopic view of prefabricated road base structure

為進一步減少路面車輛集中荷載對路基產(chǎn)生直接影響,預(yù)制基層在結(jié)構(gòu)設(shè)計上借鑒建筑梁板結(jié)構(gòu)傳力模式,在基層底板上設(shè)置兩根平行于道路行車方向的矩形梁。

在道路正常使用工況下,矩形梁為上部道路面層板支座。此時,道路面層力學(xué)模型可視為以矩形梁為支座的簡支伸臂梁。按一級公路車道荷載計算要求,均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為10.5 kN/m,集中荷載為180 kN。對于矩形梁支座而言,均布荷載為瀝青路面自重與車道均布荷載之和,取瀝青路面厚度為20 cm,則荷載共計16.5 kN/m;集中荷載考慮最不利布置置于跨中。在預(yù)制基層吊裝工況下,矩形梁也為基層底板吊裝支座。此工況下,預(yù)制構(gòu)件的力學(xué)模型亦可視為以矩形梁為支座,受均布荷載(120厚鋼筋混凝土底板自重)的簡支伸臂梁。

考慮到結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性及合理性,矩形梁的擺放位置參考了均布荷載作用下受彎梁最佳受力布置原則。對于受均布荷載的簡支伸臂梁,當(dāng)懸臂長度a=0.207L時,梁處于最合理受力位置,見圖3。同時,為了保障預(yù)制構(gòu)件吊裝的可行性及預(yù)制構(gòu)件與常規(guī)車道尺寸的匹配度,該預(yù)制基層底板長×寬設(shè)置為4 000 mm×500 mm,則L=4 000 mm,a=828 m。故取矩形梁中心至板端距離為850 mm,即梁邊至板端距離為750 mm,見圖4。

圖3 梁最佳受力布置圖Fig.3 Optimal stress arrangement of beam

圖4 預(yù)制基層模塊立視圖Fig.4 Top view of prefabricated base module

綜上分析,在道路正常使用工況下,矩形梁受力分析簡化模型見圖5,此時矩形梁所受壓力F=123 kN;在預(yù)制基層吊裝工況下,矩形梁受力分析簡化模型見圖6,此時矩形梁所受拉力F=6.12 kN。

圖5 正常使用工況下受力圖Fig.5 Stress diagram under normal operating conditions

圖6 吊裝工況下受力圖Fig.6 Stress diagram under hoisting condition

由此,依據(jù)強度條件公式:

(1)

式中:σ為桿件正應(yīng)力,kPa;F為桿件軸力,kN;A為桿件受力面積,m2;[σ]為材料許用正應(yīng)力,kPa。

當(dāng)矩形梁截面寬度為200 mm時,即A=0.2 m2,正常使用工況下矩形梁所受壓應(yīng)力σ=615.8 kPa,遠(yuǎn)小于預(yù)制基層所采用的C20混凝土抗壓強度設(shè)計值9.6 MPa,吊裝工況下矩形梁所受的拉應(yīng)力為30.6 kPa,同樣遠(yuǎn)小于C20混凝土抗拉強度設(shè)計值1.1 MPa,故兩種工況下的矩形梁的強度要求均滿足。

3 海綿城市理念下預(yù)制基層排水功能設(shè)計

預(yù)制基層中的矩形梁除了滿足結(jié)構(gòu)傳力功能外,在使用功能上,因矩形梁的存在而產(chǎn)生的道路基層與面層之間的空隙,這為城市道路實現(xiàn)海綿城市水循環(huán)中“凈、蓄、排”功能提供了可能。所謂海綿城市,廣義上是指通過加強城市規(guī)劃建設(shè)管理,充分發(fā)揮建筑、道路、綠地、水系等生態(tài)系統(tǒng)對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用,有效控制雨水徑流,最大限度減少城市開發(fā)建設(shè)行為對原有自然水文特征和生態(tài)環(huán)境造成的破壞,實現(xiàn)自然積存、自然滲透、自然凈化的城市發(fā)展方式[6]。從狹義上講,海綿城市體系即為能夠?qū)τ晁畯搅骺偭俊⒎逯盗髁窟M行控制的管理系統(tǒng),其中,雨水的初期控制系統(tǒng),如道路排水系統(tǒng)等的規(guī)劃設(shè)計尤為重要。故為了降低道路雨水徑流量和高峰流量,預(yù)制基層中矩形梁截面高度的確定就考慮了道路雨水管渠設(shè)計流量及延緩暴雨洪峰的需求。

3.1 雨水管渠設(shè)計流量計算模型及公式的選取

該預(yù)制道路基層排水流量設(shè)計依據(jù)當(dāng)?shù)赜晁芮O(shè)計流量[7]。市政雨水管渠的設(shè)計主要應(yīng)對大概率、短歷時、強降雨事件,在頻繁降雨事件下保證道路不積水,為公眾生活提供便利。以深圳某雙向六車道為例,道路橫斷面見圖7,雨水管道布置縱斷面見圖8。道路寬度為44 m,雨水支管間距為40 m,則雨水支管匯水面積小于2 km2。

圖7 44米道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面Fig.7 Standard cross section of 44m Road

圖8 雨水管道縱斷面圖Fig.8 Vertical section of rainwater pipeline

依據(jù)《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50014—2021中規(guī)定,當(dāng)匯水面積小于2 km2時,可采用推理公式計算排水管渠雨水設(shè)計流量[8]。

Qs=q×ψ×F

(2)

式中:Qs為雨水設(shè)計流量,L / s;q為暴雨設(shè)計強度,L/(hm2·s);ψ為綜合徑流系數(shù),取城鎮(zhèn)建筑密集區(qū)系數(shù),0.7;F為匯水面積,hm2。

3.2 設(shè)計暴雨強度及雨水設(shè)計流量計算

設(shè)計暴雨強度基本公式為[8]:

(3)

式中:P為設(shè)計重現(xiàn)期,年;t為降雨歷時,min;A1、C、b、n等參數(shù)根據(jù)統(tǒng)計方法計算確定[9],本文通過查詢《深圳市暴雨強度公式及查算圖表》(2015版)[10]獲得。

對于設(shè)計重現(xiàn)期《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50014—2021中規(guī)定,超大及特大城市中心城區(qū)雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期P為3～5年,非中心地區(qū)為2～3年,中心城區(qū)重要地區(qū)為5～10年[8]?！渡钲谑信潘?雨水)防澇綜合規(guī)劃》規(guī)定雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期應(yīng)根據(jù)匯水地區(qū)性質(zhì)及地形特點等因素確定,現(xiàn)狀管網(wǎng)按重現(xiàn)期1年復(fù)核,新規(guī)劃地區(qū)重現(xiàn)期采用2年,低洼地區(qū)、易淹地區(qū)及重要地區(qū)重現(xiàn)期采用3～5年,下沉廣場、立交橋、下穿通道及排水困難地區(qū)重現(xiàn)期采用5～10年[11]?？紤]到城市建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展,設(shè)計重現(xiàn)期分別考慮:3、5和10年3種情況,對應(yīng)的設(shè)計暴雨強度公式見表1。

表1 深圳暴雨強度公式

依據(jù)《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50014—2021規(guī)定,降雨歷時計算公式為[8]

t=t1+t2

(4)

式中:t1為地面積水時間,根據(jù)匯水距離,地面種類,地形坡度確定,宜采用5～15 min;t2為管渠內(nèi)雨水流行時間,其計算公式為

(5)

式中:L為管段長度,選取雨水支管間距40 m;v為各管段滿流時的水流速度,取非金屬管滿流流速,0.75 m/s,則t2=0.88 min。故降雨歷時t分別選取5、10和15 min進行包絡(luò)計算,暴雨強度計算見表2。

表2 深圳暴雨強度計算表

由表2可得,暴雨強度隨著重現(xiàn)期年限的增加而增大,隨著降雨歷時增加而降低。故設(shè)計暴雨強度重現(xiàn)期P選取10年,降雨歷時t為5 min,則暴雨設(shè)計強度為492.988 L/(hm2·s)。代入公式(2)可得雨水設(shè)計流量為62.12 L/s,即223.62 m3/h。

3.3 基層管道水力計算

為了減少道路雨水徑流,實現(xiàn)海綿城市理念下的道路排水功能,道路面層選擇透水性材料鋪設(shè)[12]。城市降雨通過透水性路面下滲至道路基層,在預(yù)制道路基層中完成雨水的“排、凈、蓄”。首先,為實現(xiàn)道路基層的排水功能,基層底板表面的排水坡度選取3%,每根梁上設(shè)有3個垂直于梁方向的等距半圓排水孔道,見圖9。城市降水通過透水路面下滲至道路基層,并通過排水孔道排入道路兩側(cè)排水管網(wǎng)及相關(guān)綠色基礎(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施中。其中,排水孔洞的設(shè)計則需滿足雨水設(shè)計流量下的排水需求。

圖9 預(yù)制道路基層結(jié)構(gòu)立體示意圖Fig.9 Three dimensional schematic diagram of prefabricated road base structure

由《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50014—2021,排水管渠過流能力計算公式為

Q=Av

(6)

(7)

式中:Q為設(shè)計流量,m3/s;A為水流有效斷面面積,m2;v則為流速,m/s;R為水力半徑,m;I為水力坡度,取2%;n為排水灌渠粗糙系數(shù)[8]。

通過上述雨水設(shè)計流量計算,每40 m間距的雨水管渠設(shè)計流量為223.62 m3/h,不考慮路面滲透率,假定所有雨水均下滲至道路基層,并經(jīng)矩形梁上的排水孔洞排至雨水管渠,則每個模塊需滿足2.80 m3/h的排水量。故在矩形梁的底部開設(shè)有3個垂直于梁方向的等距半圓排水孔洞,當(dāng)半圓排水孔洞半徑為40 mm時,基層過流能力為3 m3/h,可滿足排水要求。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50010—2010關(guān)于梁上開洞的相關(guān)構(gòu)造規(guī)定:洞口高度不應(yīng)大于梁高的40%[5],則取矩形梁截面長×寬為200 mm×240 mm,見圖10、圖11。

圖10 預(yù)制道路基層結(jié)構(gòu)剖視圖Fig.10 Sectional view of prefabricated road base structure

圖11 預(yù)制道路基層結(jié)構(gòu)俯視圖Fig.11 Vertical view of prefabricated road base structure

其次,為了實現(xiàn)海綿道路的“凈、蓄”功能,在透水路面與預(yù)制基層板之間形成的容納空間,采用粒徑為20～40 mm的大粒徑級配碎石填筑,大粒徑級配碎石具有一定的過濾作用,一定程度上可以實現(xiàn)雨水的凈化功能。而超過城市排水管網(wǎng)實際排澇能力的雨水則可暫時蓄存在碎石層孔隙中,從而延緩暴雨徑流洪峰,減少地表徑流,降低道路積水引發(fā)城市內(nèi)澇的可能性。

4 預(yù)制裝配式海綿道路基層社會效應(yīng)

在道路質(zhì)量方面,現(xiàn)場施工質(zhì)量控制難度大,影響因素多。而采用預(yù)制裝配式構(gòu)件可排除現(xiàn)場不利因素干擾,實現(xiàn)在工廠內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),提高道路基層整體質(zhì)量。且為保證基層強度、減少因基層強度不足等問題導(dǎo)致的路面龜裂、沉陷、坑槽,傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定砂礫(碎石)碾壓完成后需封閉交通保濕養(yǎng)護7 d以上。而采用預(yù)制混凝土基層只需3 d填縫砂漿養(yǎng)生期,在保證道路質(zhì)量的前提下,極大緩解了道路建設(shè)與城市交通之間的矛盾。而裝配式快速拆裝及替換的優(yōu)越性在后期道路管養(yǎng)中也得以體現(xiàn)。

在工程造價方面,隨著城鎮(zhèn)化水平的提高以及人口老齡化等問題的出現(xiàn),施工現(xiàn)場勞動力缺乏導(dǎo)致人工成本提高,這也成為了施工現(xiàn)場遇到的一大難題。預(yù)制裝配式構(gòu)件可以實現(xiàn)機械化流水線生產(chǎn),很好地解決了現(xiàn)場人力不足、成本提高等問題,同時,在一定程度上避免了因道路建設(shè)水平參差不齊而導(dǎo)致的道路施工質(zhì)量不合格等問題,起到了較好地降本增效作用。

在環(huán)境保護方面,傳統(tǒng)道路施工期間需使用振動壓路機等大型施工機械,易產(chǎn)生較大的噪聲污染。尤其在市區(qū)噪聲敏感區(qū)域內(nèi),為防治噪聲污染,現(xiàn)場施工還需額外采取措施降低噪聲。裝配式道路基層預(yù)制構(gòu)件實現(xiàn)了工廠標(biāo)準(zhǔn)化批量生產(chǎn),從鋼筋混凝土的制備到構(gòu)件的養(yǎng)護,均通過工廠流水線實現(xiàn),運至現(xiàn)場僅需簡單拼裝即可使用,在保證基層質(zhì)量符合要求的同時,最大程度降低了現(xiàn)場的噪聲污染及揚塵污染。

在海綿城市建設(shè)及城市水安全方面,城市降水通過透水路面下滲至道路基層中的碎石層,并通過基層梁上的排水孔道排入道路兩側(cè)排水管網(wǎng)及相應(yīng)綠色設(shè)施,形成有組織排水路徑,一定程度上實現(xiàn)雨水的下滲、凈化、輸送及排放,而超過城市排水管網(wǎng)實際排澇能力的雨水則暫時蓄存在碎石層孔隙中,起到一定的調(diào)蓄作用。

5 結(jié)語

城市道路是一個城市的骨架,在城市建設(shè)中,道路建設(shè)是重要的建設(shè)內(nèi)容,如何提高道路的建設(shè)質(zhì)量是滿足城市建設(shè)需要的重要手段。隨著城市化建設(shè)不斷深入,傳統(tǒng)城市道路建設(shè)過程中存在的工期問題、質(zhì)量問題以及道路建設(shè)維護與道路交通之間的協(xié)調(diào)等問題亟待解決。通過充分利用裝配式工藝所具有環(huán)保、高效和經(jīng)濟等特點,本文提出的預(yù)制裝配式道路基層模塊在施工工藝上,具有生產(chǎn)工廠化、產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化、施工品質(zhì)可控以及施工便捷、可快速更換修復(fù)等優(yōu)點,可較好地解決道路建設(shè)水平參差不齊、后期管養(yǎng)難等問題,簡化現(xiàn)場施工操作,降低施工難度,大幅度加快施工進度,減少對周邊交通的影響,施工污染小,噪聲小,符合綠色城市建設(shè)要求。而道路結(jié)構(gòu)設(shè)計上,該預(yù)制模塊創(chuàng)新性地借鑒了房建結(jié)構(gòu)設(shè)計特點,在結(jié)構(gòu)上采用類筏形基礎(chǔ)及梁板結(jié)構(gòu)模式,能夠較好地分?jǐn)偤奢d壓力,減少地基不均勻沉降對面層的受力影響。

針對城市迅速擴張所引起的城市內(nèi)澇問題及城市水安全問題,本文所提出的預(yù)制裝配式海綿型道路基層模塊通過大粒徑級配碎石的過濾、調(diào)蓄功能,可延緩洪峰徑流。同時,多個排水孔道亦實現(xiàn)了道路有組織排水功能,使城市地表徑流通過路面下滲后可流向城市市政排水管道及其他相關(guān)城市綠色排、蓄水設(shè)施,提高道路排水和蓄水能力,減少地表徑流對道路以及道路周圍安全的影響,激活城市內(nèi)在調(diào)蓄能力,提高城市韌性,實現(xiàn)城市水安全。