海绵城市理念下预制道路基层设计

林滟

(集美大学 诚毅学院,福建 厦门,361000)

伴随着城市化的快速发展,城市道路建设也取得了巨大的成就。据2022年9月30日发布的《2021年中国城市建设状况公告》显示,截至2021年年末,全国城市道路长度53.2×104km,城市道路面积已达105.4×108m2[1]。城市道路的快速发展为城市居民的出行提供了便利,但也带来了一系列城市安全问题。在道路面积迅速扩张的同时,城市下垫面占比亦同步增长。不透水下垫面比例增加改变了城市自身的调蓄能力,降低了城市应对强降雨的韧性。当暴雨来袭,洪峰径流增加,城市管网排水不及时,城市道路积水严重,由此引发的城市内涝及雨水径流污染问题,威胁着人民的出行安全及生命健康安全。

与此同时,城市道路建设过程亦存在道路建设维护与道路交通之间的协调等问题[2]。道路施工往往需要占用有限的通行空间,导致城市道路通行能力降低,从而引发各类交通问题。在巨大的城市交通流量压力下,为保证城市交通的正常通行,道路建设工期一再被压缩,道路施工工艺的基本质量要求无法满足,尤其道路基层为地下隐蔽工程,成为了工期压缩的牺牲品。

1 传统道路基层做法及存在问题分析

道路基层为道路面层之下的结构层,是道路结构中承上启下的承重传力层。其作用机理是将作用在道路面层上的车辆荷载及冲击荷载通过基层的应力扩散传递给路基,使路基不至于处于超应力状态,从而在一定程度上减少路基的不均匀沉降;同时,道路基层也给上部的道路面层提供了一个合适的下承层,使面层免受路基不均匀冻胀或不均匀沉降影响。因此,道路基层质量对道路结构的使用性能和使用寿命都有决定性的作用。若道路基层存在强度不足、水稳性差等问题,往往会导致路面出现龟裂、沉陷、坑槽等病害,从而极大地缩短了城市道路的使用寿命。

传统的道路基层结构是将无机结合料和级配碎石通过加一定量的水拌和、碾压、养生而产生强度的一种半刚性结构[3]。就目前道路基层材料组成来看,以水泥稳定砂砾(碎石)为主流形式,见图1。水泥稳定碎石基层在施工过程中,原材料的质量、混合料的配比、现场施工工艺水平及质量均影响着道路基层质量。市场原材料品质的好坏、施工单位技术水平的高低等问题成为了道路施工质量控制过程中的难题。同时,水泥稳定碎石基层初期结构强度低,其强度增长需要一个缓慢的过程。为达到设计强度要求,水泥稳定碎石碾压完成后需及时养生,适当的条件(水分、温度和时间)对水泥稳定碎石基层强度增长十分重要。为了保障道路基层质量,养生期往往需要封闭交通,而繁重的交通压力往往导致养生期的时长及条件无法保证,从而极大地影响了城市道路的质量及寿命。

(a)机动车道 (b)非机动车道图1 传统道路结构图(以水泥混凝土面层为例)Fig.1 Structure of traditional road (taking cement concrete surface course for example)

2 预制基层结构设计

基于道路基层在道路结构中的重要性及其在施工过程中可能存在的问题,本文通过理论分析、力学计算等技术手段,提出一种预制装配式道路基层结构设计理念。该预制基层结构是以钢筋混凝土为主要材料的刚性基层[4]。相较于传统的柔性和半刚性基层,刚性基层有着更高的强度及更好的水稳性,并能够在一定程度上缓解半刚性基层在使用过程中产生的反射裂缝对路面的影响。

同时,作为道路面层的承重传力层,为减少车辆集中荷载带来的路面龟裂、沉陷、坑槽等问题,预制基层结构在设计过程中借鉴建筑结构筏形基础设计理念,在结构形式上采用类筏形基础,见图2。底部筏板增大了基层传力面积,增强基层应力扩散能力,减少路基单位面积压力、减小集中荷载对路基的影响,一定程度上降低了路基局部沉陷等问题。

图2 预制道路基层结构装配立体图Fig.2 Stereoscopic view of prefabricated road base structure

为进一步减少路面车辆集中荷载对路基产生直接影响,预制基层在结构设计上借鉴建筑梁板结构传力模式,在基层底板上设置两根平行于道路行车方向的矩形梁。

在道路正常使用工况下,矩形梁为上部道路面层板支座。此时,道路面层力学模型可视为以矩形梁为支座的简支伸臂梁。按一级公路车道荷载计算要求,均布荷载标准值为10.5 kN/m,集中荷载为180 kN。对于矩形梁支座而言,均布荷载为沥青路面自重与车道均布荷载之和,取沥青路面厚度为20 cm,则荷载共计16.5 kN/m;集中荷载考虑最不利布置置于跨中。在预制基层吊装工况下,矩形梁也为基层底板吊装支座。此工况下,预制构件的力学模型亦可视为以矩形梁为支座,受均布荷载(120厚钢筋混凝土底板自重)的简支伸臂梁。

考虑到结构的经济性及合理性,矩形梁的摆放位置参考了均布荷载作用下受弯梁最佳受力布置原则。对于受均布荷载的简支伸臂梁,当悬臂长度a=0.207L时,梁处于最合理受力位置,见图3。同时,为了保障预制构件吊装的可行性及预制构件与常规车道尺寸的匹配度,该预制基层底板长×宽设置为4 000 mm×500 mm,则L=4 000 mm,a=828 m。故取矩形梁中心至板端距离为850 mm,即梁边至板端距离为750 mm,见图4。

图3 梁最佳受力布置图Fig.3 Optimal stress arrangement of beam

图4 预制基层模块立视图Fig.4 Top view of prefabricated base module

综上分析,在道路正常使用工况下,矩形梁受力分析简化模型见图5,此时矩形梁所受压力F=123 kN;在预制基层吊装工况下,矩形梁受力分析简化模型见图6,此时矩形梁所受拉力F=6.12 kN。

图5 正常使用工况下受力图Fig.5 Stress diagram under normal operating conditions

图6 吊装工况下受力图Fig.6 Stress diagram under hoisting condition

由此,依据强度条件公式:

(1)

式中:σ为杆件正应力,kPa;F为杆件轴力,kN;A为杆件受力面积,m2;[σ]为材料许用正应力,kPa。

当矩形梁截面宽度为200 mm时,即A=0.2 m2,正常使用工况下矩形梁所受压应力σ=615.8 kPa,远小于预制基层所采用的C20混凝土抗压强度设计值9.6 MPa,吊装工况下矩形梁所受的拉应力为30.6 kPa,同样远小于C20混凝土抗拉强度设计值1.1 MPa,故两种工况下的矩形梁的强度要求均满足。

3 海绵城市理念下预制基层排水功能设计

预制基层中的矩形梁除了满足结构传力功能外,在使用功能上,因矩形梁的存在而产生的道路基层与面层之间的空隙,这为城市道路实现海绵城市水循环中“净、蓄、排”功能提供了可能。所谓海绵城市,广义上是指通过加强城市规划建设管理,充分发挥建筑、道路、绿地、水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用,有效控制雨水径流,最大限度减少城市开发建设行为对原有自然水文特征和生态环境造成的破坏,实现自然积存、自然渗透、自然净化的城市发展方式[6]。从狭义上讲,海绵城市体系即为能够对雨水径流总量、峰值流量进行控制的管理系统,其中,雨水的初期控制系统,如道路排水系统等的规划设计尤为重要。故为了降低道路雨水径流量和高峰流量,预制基层中矩形梁截面高度的确定就考虑了道路雨水管渠设计流量及延缓暴雨洪峰的需求。

3.1 雨水管渠设计流量计算模型及公式的选取

该预制道路基层排水流量设计依据当地雨水管渠设计流量[7]。市政雨水管渠的设计主要应对大概率、短历时、强降雨事件,在频繁降雨事件下保证道路不积水,为公众生活提供便利。以深圳某双向六车道为例,道路横断面见图7,雨水管道布置纵断面见图8。道路宽度为44 m,雨水支管间距为40 m,则雨水支管汇水面积小于2 km2。

图7 44米道路标准横断面Fig.7 Standard cross section of 44m Road

图8 雨水管道纵断面图Fig.8 Vertical section of rainwater pipeline

依据《室外排水设计标准》GB 50014—2021中规定,当汇水面积小于2 km2时,可采用推理公式计算排水管渠雨水设计流量[8]。

Qs=q×ψ×F

(2)

式中:Qs为雨水设计流量,L / s;q为暴雨设计强度,L/(hm2·s);ψ为综合径流系数,取城镇建筑密集区系数,0.7;F为汇水面积,hm2。

3.2 设计暴雨强度及雨水设计流量计算

设计暴雨强度基本公式为[8]:

(3)

式中:P为设计重现期,年;t为降雨历时,min;A1、C、b、n等参数根据统计方法计算确定[9],本文通过查询《深圳市暴雨强度公式及查算图表》(2015版)[10]获得。

对于设计重现期《室外排水设计标准》GB 50014—2021中规定,超大及特大城市中心城区雨水管渠设计重现期P为3～5年,非中心地区为2～3年,中心城区重要地区为5～10年[8]。《深圳市排水(雨水)防涝综合规划》规定雨水管渠设计重现期应根据汇水地区性质及地形特点等因素确定,现状管网按重现期1年复核,新规划地区重现期采用2年,低洼地区、易淹地区及重要地区重现期采用3～5年,下沉广场、立交桥、下穿通道及排水困难地区重现期采用5～10年[11]。考虑到城市建设的可持续发展,设计重现期分别考虑:3、5和10年3种情况,对应的设计暴雨强度公式见表1。

表1 深圳暴雨强度公式

依据《室外排水设计标准》GB 50014—2021规定,降雨历时计算公式为[8]

t=t1+t2

(4)

式中:t1为地面积水时间,根据汇水距离,地面种类,地形坡度确定,宜采用5～15 min;t2为管渠内雨水流行时间,其计算公式为

(5)

式中:L为管段长度,选取雨水支管间距40 m;v为各管段满流时的水流速度,取非金属管满流流速,0.75 m/s,则t2=0.88 min。故降雨历时t分别选取5、10和15 min进行包络计算,暴雨强度计算见表2。

表2 深圳暴雨强度计算表

由表2可得,暴雨强度随着重现期年限的增加而增大,随着降雨历时增加而降低。故设计暴雨强度重现期P选取10年,降雨历时t为5 min,则暴雨设计强度为492.988 L/(hm2·s)。代入公式(2)可得雨水设计流量为62.12 L/s,即223.62 m3/h。

3.3 基层管道水力计算

为了减少道路雨水径流,实现海绵城市理念下的道路排水功能,道路面层选择透水性材料铺设[12]。城市降雨通过透水性路面下渗至道路基层,在预制道路基层中完成雨水的“排、净、蓄”。首先,为实现道路基层的排水功能,基层底板表面的排水坡度选取3%,每根梁上设有3个垂直于梁方向的等距半圆排水孔道,见图9。城市降水通过透水路面下渗至道路基层,并通过排水孔道排入道路两侧排水管网及相关绿色基础基础设施中。其中,排水孔洞的设计则需满足雨水设计流量下的排水需求。

图9 预制道路基层结构立体示意图Fig.9 Three dimensional schematic diagram of prefabricated road base structure

由《室外排水设计标准》GB 50014—2021,排水管渠过流能力计算公式为

Q=Av

(6)

(7)

式中:Q为设计流量,m3/s;A为水流有效断面面积,m2;v则为流速,m/s;R为水力半径,m;I为水力坡度,取2%;n为排水灌渠粗糙系数[8]。

通过上述雨水设计流量计算,每40 m间距的雨水管渠设计流量为223.62 m3/h,不考虑路面渗透率,假定所有雨水均下渗至道路基层,并经矩形梁上的排水孔洞排至雨水管渠,则每个模块需满足2.80 m3/h的排水量。故在矩形梁的底部开设有3个垂直于梁方向的等距半圆排水孔洞,当半圆排水孔洞半径为40 mm时,基层过流能力为3 m3/h,可满足排水要求。根据《混凝土结构设计规范》GB 50010—2010关于梁上开洞的相关构造规定:洞口高度不应大于梁高的40%[5],则取矩形梁截面长×宽为200 mm×240 mm,见图10、图11。

图10 预制道路基层结构剖视图Fig.10 Sectional view of prefabricated road base structure

图11 预制道路基层结构俯视图Fig.11 Vertical view of prefabricated road base structure

其次,为了实现海绵道路的“净、蓄”功能,在透水路面与预制基层板之间形成的容纳空间,采用粒径为20～40 mm的大粒径级配碎石填筑,大粒径级配碎石具有一定的过滤作用,一定程度上可以实现雨水的净化功能。而超过城市排水管网实际排涝能力的雨水则可暂时蓄存在碎石层孔隙中,从而延缓暴雨径流洪峰,减少地表径流,降低道路积水引发城市内涝的可能性。

4 预制装配式海绵道路基层社会效应

在道路质量方面,现场施工质量控制难度大,影响因素多。而采用预制装配式构件可排除现场不利因素干扰,实现在工厂内标准化生产,提高道路基层整体质量。且为保证基层强度、减少因基层强度不足等问题导致的路面龟裂、沉陷、坑槽,传统水泥稳定砂砾(碎石)碾压完成后需封闭交通保湿养护7 d以上。而采用预制混凝土基层只需3 d填缝砂浆养生期,在保证道路质量的前提下,极大缓解了道路建设与城市交通之间的矛盾。而装配式快速拆装及替换的优越性在后期道路管养中也得以体现。

在工程造价方面,随着城镇化水平的提高以及人口老龄化等问题的出现,施工现场劳动力缺乏导致人工成本提高,这也成为了施工现场遇到的一大难题。预制装配式构件可以实现机械化流水线生产,很好地解决了现场人力不足、成本提高等问题,同时,在一定程度上避免了因道路建设水平参差不齐而导致的道路施工质量不合格等问题,起到了较好地降本增效作用。

在环境保护方面,传统道路施工期间需使用振动压路机等大型施工机械,易产生较大的噪声污染。尤其在市区噪声敏感区域内,为防治噪声污染,现场施工还需额外采取措施降低噪声。装配式道路基层预制构件实现了工厂标准化批量生产,从钢筋混凝土的制备到构件的养护,均通过工厂流水线实现,运至现场仅需简单拼装即可使用,在保证基层质量符合要求的同时,最大程度降低了现场的噪声污染及扬尘污染。

在海绵城市建设及城市水安全方面,城市降水通过透水路面下渗至道路基层中的碎石层,并通过基层梁上的排水孔道排入道路两侧排水管网及相应绿色设施,形成有组织排水路径,一定程度上实现雨水的下渗、净化、输送及排放,而超过城市排水管网实际排涝能力的雨水则暂时蓄存在碎石层孔隙中,起到一定的调蓄作用。

5 结语

城市道路是一个城市的骨架,在城市建设中,道路建设是重要的建设内容,如何提高道路的建设质量是满足城市建设需要的重要手段。随着城市化建设不断深入,传统城市道路建设过程中存在的工期问题、质量问题以及道路建设维护与道路交通之间的协调等问题亟待解决。通过充分利用装配式工艺所具有环保、高效和经济等特点,本文提出的预制装配式道路基层模块在施工工艺上,具有生产工厂化、产品质量标准化、施工品质可控以及施工便捷、可快速更换修复等优点,可较好地解决道路建设水平参差不齐、后期管养难等问题,简化现场施工操作,降低施工难度,大幅度加快施工进度,减少对周边交通的影响,施工污染小,噪声小,符合绿色城市建设要求。而道路结构设计上,该预制模块创新性地借鉴了房建结构设计特点,在结构上采用类筏形基础及梁板结构模式,能够较好地分摊荷载压力,减少地基不均匀沉降对面层的受力影响。

针对城市迅速扩张所引起的城市内涝问题及城市水安全问题,本文所提出的预制装配式海绵型道路基层模块通过大粒径级配碎石的过滤、调蓄功能,可延缓洪峰径流。同时,多个排水孔道亦实现了道路有组织排水功能,使城市地表径流通过路面下渗后可流向城市市政排水管道及其他相关城市绿色排、蓄水设施,提高道路排水和蓄水能力,减少地表径流对道路以及道路周围安全的影响,激活城市内在调蓄能力,提高城市韧性,实现城市水安全。