海绵城市理念下预制道路基层设计.pdf

第 卷 第 期邵阳学院学报(自然科学版).年 月 ().文章编号:()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)摘 要:为解决传统城市道路在建设过程中存在的工期、质量以及道路建设维护与道路交通之间的协调问题采用理论计算、力学分析等方法充分考虑装配式工艺环保、高效、经济等特点参考建筑结构筏形基础受力特点并借鉴梁板传力概念对道路基层结构进行研究形成预制装配式类筏形梁板基层从而有效节省道路施工工期、提高基层强度及应力扩散能力 同时为解决城市下垫面透水性变化带来的城市内涝及城市水安全问题采用数据调查及理论计算等方法考虑城市降水量及管网实际排水能力结合室外排水相关规范规定引入海绵城市“渗、净、排”理念在预制基层中设置排水孔洞及碎石层使预制道路基层具备一定的调蓄及有组织排水能力城市地表径流通过路面下渗至基层后可流向城市市政排水管道及其他相关城市绿色排水、蓄水设施从而一定程度缓解城市内涝解决城市水安全问题关键词:海绵城市装配式道路基层中图分类号:文献标志码:():.收稿日期:基金项目:集美大学诚毅学院青年科研基金项目()年度福建省社会科学基金项目()作者简介:林滟女工程师硕士主要从事工程结构与施工技术管理工作:.第 期林滟:海绵城市理念下预制道路基层设计 .“”.: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 年 月 日发布的 年中国城市建设状况公告显示截至 年年末全国城市道路长度.城市道路面积已达.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 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 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 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 邵阳学院学报(自然科学版)第 卷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 ()机动车道 ()非机动车道图 传统道路结构图(以水泥混凝土面层为例).()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 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 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 预制道路基层结构装配立体图.在结构设计上参考筏形基础构造要求底板厚度取 混凝土的强度等级选用根据混凝土结构设计规范 中关于梁板最低配筋率的要求底板配筋采用双层双向 矩形梁通长筋为 箍筋为 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第 期林滟:海绵城市理念下预制道路基层设计 ./集中荷载为 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 则荷载共计./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(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.时梁处于最合理受力位置见图 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 则 故取矩形梁中心至板端距离为 即梁边至板端距离为 见图 图 梁最佳受力布置图.图 预制基层模块立视图.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 此时矩形梁所受压力 在预制基层吊装工况下矩形梁受力分析简化模型见图 此时矩形梁所受拉力.图 正常使用工况下受力图.图 吊装工况下受力图.由此依据强度条件公式:()式中:为杆件正应力 为杆件轴力 为杆件受力面积为材料许用正应力当矩形梁截面宽度为 时即.正常使用工况下矩形梁所受压应力 .远小于预制基层所采用的 混凝土抗压强度设计值.吊装工况下矩形梁所受的拉应力为.同样远小于 混凝土抗拉强度设计值.故两种工况下的矩形梁的强度要求均满足 邵阳学院学报(自然科学版)第 卷 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 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.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 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 雨水管道布置纵断面见图 道路宽度为 雨水支管间距为 则雨水支管汇水面积小于 图 米道路标准横断面.图 雨水管道纵断面图.第 期林滟:海绵城市理念下预制道路基层设计 依据室外排水设计标准 中规定当汇水面积小于 时可采用推理公式计算排水管渠雨水设计流量 ()式中:为雨水设计流量/为暴雨设计强度/()为综合径流系数取城镇建筑密集区系数.为汇水面积.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:()()()式中:为设计重现期年 为降雨历时、等参数根据统计方法计算确定本文通过查询深圳市暴雨强度公式及查算图表(版)获得对于设计重现期室外排水设计标准 中规定超大及特大城市中心城区雨水管渠设计重现期 为 年非中心地区为 年中心城区重要地区为 年 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 年复核新规划地区重现期采用 年低洼地区、易淹地区及重要地区重现期采用 年下沉广场、立交桥、下穿通道及排水困难地区重现期采用 年 考虑到城市建设的可持续发展设计重现期分别考虑:、和 年 种情况对应的设计暴雨强度公式见表 表 深圳暴雨强度公式 设计重现期/年暴雨强度/()./(.)./(.)./(.).依据室外排水设计标准 规定降雨历时计算公式为 ()式中: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 为管渠内雨水流行时间其计算公式为()式中:为管段长度选取雨水支管间距 为各管段满流时的水流速度取非金属管满流流速./则.故降雨历时 分别选取、和 进行包络计算暴雨强度计算见表 邵阳学院学报(自然科学版)第 卷表 深圳暴雨强度计算表 设计重现期/年降雨历时/().由表 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 选取 年降雨历时 为 则暴雨设计强度为./()代入公式()可得雨水设计流量为./即./.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 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 每根梁上设有 个垂直于梁方向的等距半圆排水孔道见图 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 预制道路基层结构立体示意图.由室外排水设计标准 排水管渠过流能力计算公式为 ()()式中:为设计流量/为水流有效断面面积 则为流速/为水力半径 为水力坡度取 为排水灌渠粗糙系数通过上述雨水设计流量计算每 间距的雨水管渠设计流量为./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./的排水量 故在矩形梁的底部开设有 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 时基层过流能力为 /可满足排水要求 根据混凝土结构设计规范 关于梁上开洞的相关构造规定:洞口高度不应大于梁高的 则取矩形梁截面长宽为 见图、图 第 期林滟:海绵城市理念下预制道路基层设计 图 预制道路基层结构剖视图.图 预制道路基层结构俯视图.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 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 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 以上 而采用预制混凝土基层只需 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 邵阳学院学报(自然科学版)第 卷 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参考文献:中华人民共和国住房和城乡建设部.年中国城市建设状况公报/.().:/./.王会强 战宏宇 郭高.装配式基层结构对市政道路建设的意义.市政技术 ():./公路路面基层施工技术细则.林滟 李文强 戴翊航 等.一种预制装配式海绵型道路基层模块:.混凝土结构设计规范.深圳市水务局.深圳市海绵城市建设管理规定.深圳:深圳市水务局.邓超联 李小江 钟振亮.城市雨水管渠和排水泵站的排水设计流量手工计算方法浅析.水利规划与设计():.室外排水设计标准.(年版)城市道路设计规范.深圳市气象局.深圳市规划和国土资源委员会.深圳市暴雨强度公式及查算图表(版).深圳:深圳市气象局.深圳市规划和国土资源委员会 深圳市水务局.深圳市排水(雨水)防涝综合规划总报告.深圳:深圳市规划和国土资源委员会.海绵型道路建设技术标准.