考虑停车功能的透水水泥混凝土人行道路面结构设计_刘江.pdf

收稿日期：2023-01-08作者简介：刘江，男，工程师，硕士，主要从事道路工程设计及项目管理工作。引文格式：刘江，贾环宇.考虑停车功能的透水水泥混凝土人行道路面结构设计 J.市政技术，2023，41（5）：85-89.（LIU J，JIA H Y.Sidewalkpavement structure design with permeable cement concrete considering parking function J.Journal of municipal technology，2023，41（5）：85-89.）文章编号：1009-7767（2023）05-0085-05第41卷第5期2023年5月Vol.41，No.5May 2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.05.085Journal of Municipal Technology考虑停车功能的透水水泥混凝土人行道路面结构设计刘江1*，贾环宇2（1.西安曲江文化科教园投资发展有限公司，陕西 西安 710054；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065）摘要：为了探讨考虑停车功能的透水水泥混凝土人行道路面结构设计，使路面设计方案达到结构安全性和工程经济性的平衡，依托西安市小寨区域海绵城市丈八东路道路改造工程，依据 CJJ 1692012 城镇道路路面设计规范 和 JTG D402011 公路水泥混凝土路面设计规范 分别进行了路面结构计算并对计算结果做了对比分析。分析结果表明：根据 JTG D402011 公路水泥混凝土路面设计规范 得到的计算结果更符合实际情况，可以用来计算考虑停车功能的透水水泥混凝土人行道路面结构，为优化设计结果提供经验参考；在采用的规范、图集基础上，适当提高了结构强度，兼顾了安全和经济的要求，可以满足在人行道上临时或短时停车的特殊需求。关键词：道路工程；海绵城市；透水水泥混凝土路面；路面设计；结构设计；停车功能中图分类号：U 412.378；TU 992文献标志码：BSidewalk Pavement Structure Design with Permeable Cement ConcreteConsidering Parking FunctionLiu Jiang1*，Jia Huanyu2（1.Xi an Qujiang Culture Science&Education Park Investment Corporation Limited，Xi an 710054，China；2.Power China Northwest Engineering Corporation Limited，Xi an 710065，China）Abstract：In order to discuss the structure design of permeable cement concrete pavement which considers parkingfunction，achieve a balance between structural safety and engineering economyin pavement design scheme，thesponge city Zhangba East Road reconstruction project in Xiaozhai District，Xian，Shaanxi is taken as an example.According to CJJ 1692012 Code for Pavement Design of Urban Road and JTG D402011 Specifications for Designof Highway Cement Concrete Pavement，this paper calculated the pavement structure respectively.The calculationresults were analyzed and compared.It was concluded that the calculation results based on JTG D402011 Specifi鄄cations for Design of Highway Cement Concrete Pavement were more fit the actual situation and can be used for per鄄meable cement concrete pavement structure design considering parking function，which provided an empirical ref鄄erence for the optimization of design results；On the basis of design specifications and atlas，the structural strengthis appropriately improved，both the requirements of safety and economy are taken into account，which can meet thespecial needs of temporary or short-term parking on the sidewalk.Key words：highway engineering；sponge city；permeable cement concrete pavement；pavement design；structuredesign；parking functionJournal of Municipal Technology第41卷随着“海绵城市”设计理念的应用越来越广泛，许多城市陆续针对建筑小区、城市道路综合排水系统、河湖水系等开展了“海绵城市”设施改造1-2。其中作为城市道路的组成部分人行道路面，将其改造为透水结构成为一项重要的改造内容3-4。在针对旧城区人行道改造时，由于规划建设不科学、现状使用条件复杂、管理难度大等多方面原因，改造过程中必须考虑人行道或与人行道毗邻广场有停车需求的情况，而汽车荷载对结构强度有更高的要求，势必带来投资的大幅提高。在现有设计规范体系下，人行道结构的设计以参考图集为主，缺少独立的计算体系5，而行人荷载、行车荷载分别对应不同的路面结构，结构强度差异较大。如果只考虑行人荷载，会导致实际使用中人行道路面结构安全性不足；如果完全按照行车荷载选用人行道路面结构，又会造成过度设计。因此，在既满足少量或近期停车需求的情况下，又不至于大幅提高建设投资，是旧城区人行道路面改造设计中必须考虑的重点问题之一。鉴于此，笔者以陕西省西安市小寨区域海绵城市丈八东路道路改造工程为例，在人行道结构设计缺少独立计算体系的情况下，选择满足现有规范要求的边界条件和材料参数，依据CJJ 1692012城镇道路路面设计规范（以下简称城镇路面规范）和JTG D402011公路水泥混凝土路面设计规范（以下简称公路水泥路面规范）中水泥混凝土路面的计算公式，分别进行路面结构计算并对计算结果做对比分析，探讨考虑停车功能的透水水泥混凝土人行道路面结构设计，为做出兼顾结构安全性和工程经济性的设计提供参考。1工程概况西安市小寨区域海绵城市丈八东路道路改造工程西起太白南路东至长安南路，改造内容主要是针对现状道路两侧的人行道、绿化带以及部分雨水管网建设低影响系统。其中，人行道改造部分的主要任务是将原有混凝土机制砖及其基层彻底挖除，改为整体式彩色透水水泥混凝土路面。在该项目范围内，现状丈八东路的一部分路段规划、建设较为合理，人行道功能单一、易于管理，仅服务于行人通行。但是，大部分路段由于历史遗留问题，路侧有城中村、临街平房等，缺少建筑退缩带，配套车位严重不足，因此人行道功能相对复杂，偶有各类车辆（尤其是家用小客车）碾压或临时停放，造成多处现状人行道砖破损。相比于其他项目，该项目在选用满足行人荷载的人行道路面结构基础上，需要适当增强其结构强度。根据CJJ/T1352009透水水泥混凝土路面技术规程，人行道采用全透水结构形式，透水水泥混凝土面层强度等级不应小于C20，厚度不宜小于80 mm；其他路面采用全透水结构形式，透水水泥混凝土面层强度等级不应小于C30，厚度不宜小于180 mm。该项目中，人行道作为改造的核心部分之一，改造面积较大，如果完全按照行车荷载选用人行道路面结构，则其强度等级和厚度要求将大幅度提高，造成过度设计，不利于控制投资。因此为了兼顾人行道部分结构的安全性和工程经济性，需要在现有规范体系下寻找依据进行合理的结构计算，为做出合理的设计提供参考与支持。2人行道路面结构设计该项目人行道采用新材料、新工艺，选用整体式透水水泥混凝土面层。根据16MR204城市道路透水人行道铺设总说明第5.1条，人行道可采用轻型轴载BZZ-40进行轴载换算，且按该图集要求应采用城镇路面规范进行计算，但规范中并没有用于轻型轴载BZZ-40的计算公式。鉴于此，笔者在结构计算中引入公路水泥路面规范，套用水泥混凝土路面的计算公式进行结构计算，并对计算结果进行对比论证，以便得到较合理的计算结果，完成人行道路面结构的设计。依据城镇路面规范中的支路标准，按行车荷载和温度梯度综合作用的工况进行计算；依据公路水泥路面规范中的四级公路等级，按行车荷载和温度梯度综合作用、最重轴载（采用轻型轴载BZZ-40代入计算）和最大温度梯度综合作用的工况进行计算。2.1拟定人行道路面结构2.1.1路面结构与材料参数依据相关规范、图集，充分考虑人行道在低影响系统中承担的功能，通过调蓄容量、渗透能力等指标确定结构组合，并参考同类项目，拟定出人行道路面结构（如表1所示）。当只承担行人荷载时，透水水泥混凝土面层厚度可按80 mm设计；当考虑行车荷载时，透水水泥混凝土面层厚度可以拟定为150 mm。透水水泥混凝土面层和基层、底基层的材料参数分别如表2、3所示6。86第5期面层透水水泥混凝土线性膨胀系数c取110-5/；最大温度梯度Tg取92/m；道路气候分区处于区。2.1.2与计算有关的构造要求项目中，透水水泥混凝土面层改造的主要范围为人行道，但考虑停车需求，结构强度应达到C30等级。标准段人行道宽度为4.5 m，可不做纵向切缝，横向接缝间距（即板长）为5 m，人行道宽度有突变的位置应设置横向接缝。部分人行道宽度超过4.5 m的路段应设置纵向接缝，因纵缝切割或人行道宽度较窄造成板块宽度较小的路段应适当加密横向接缝，并保证路面板长宽比不超过1.35。2.2人行道路面结构计算2.2.1轴载换算考虑到项目范围内人行道停车需求以家用小客车为主，为了满足结构强度要求并保证经济性，此次计算车型只考虑小客车，对应项目实际情况，以乘用车为主。根据GB 15892016汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值，乘用车最大允许总质量限值为4 500 kg，且轴距较短，为了简化计算，直接将单个乘用车视为一个轻型轴载。由于人行道的特殊性，不考虑交通增长率，设计期内均采用设计当年的调查数据。经实际调查显示，较为混乱、繁忙的人行道路段日平均通过乘用车约10辆 次。考虑实际需求，人行道上的停车需求可能是短期的，随着城市的改造提升，有可能在远期消除不利于城市管理的停车需求，且该项目为PPP项目，一个运营管理期为15年，故计算采用的设计基准期在数值上代入运营管理期年限。设计期内面层临界荷位承受的累计当量轴次计算式为：Ne=Ne36515s。（1）式中：Ne为标准荷载当量轴次，取10次；Ne为累计当量轴次；s为临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，按支路标准或二级及以下公路标准，取0.54。经过计算，设计期内面层临界荷位承受的累计当量轴次为29 565次。2.2.2计算结果对比根据城镇路面规范的规定，按支路等级选择相关系数并代入材料参数；根据公路水泥路面规范的规定，按四级公路等级选择相关系数并代入材料参数。计算结果对比如表4所示。路面结构层厚度/mmC30透水水泥混凝土面层中砂调平层级配碎石基层10%石灰土底基层15020200200表1人行道路面组成Tab.1 Structure of the sidewalk弯拉强度/MPa抗压强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/GPa泊松比4.030.02.527.00.15表2透水水泥混凝土面层材料参数Tab.2 Parameters of permeable cement concrete materials层位弹性模量/MPa回弹模量/MPa级配碎石基层10%石灰土底基层路床顶面30040025表3透水水泥混凝土基层、底基层材料参数Tab.3 Parameters of basement and subbase materials计算依据城镇路面规范公路水泥路面规范4.872.181.122.62按行车荷载和温度梯度综合作用行车荷载疲劳应力pr按最重轴载和最大温度梯度综合作用最大荷载应力p，max最大温度翘曲应力t，max1.941.78温度梯度疲劳应力tr表4计算结果对比Tab.4 Comparison of calculation resultsMPa由表4可以看出：温度梯度疲劳应力计算结果差别不大，但是行车荷载疲劳应力计算结果差别较大。2.2.3计算结果分析根据2种规范得出的计算结果之所以存在差异，主要在于二者采用的经验公式不同。1）按行车荷载和温度梯度综合作用的工况城镇路面规范中行车荷载疲劳应力的主要计算公式为：pr=krkfkcps，ps=0.77r0.6h-2!。（2）式中：ps为临界荷位处的荷载应力，MPa；pr为行车荷载疲劳应力，MPa；kr、kf、kc分别为应力折减系数、疲劳应力系数、综合系数；r为相对刚度半径，m，与各层材料弹性模量有关；h为面层厚度，m。刘江等：考虑停车功能的透水水泥混凝土人行道路面结构设计87Journal of Municipal Technology第41卷公路水泥路面规范中行车荷载疲劳应力的主要计算公式为：pr=krkfkcps，ps=1.4710-3r0.7h-2P%0.94s!。（3）式中：Ps为设计轴载的单轴重，kN。从计算理论上讲，式（2）、（3）都是标准轴载BZZ-100作用下的经验公式，但式（3）可以在数值上将轻型轴载BZZ-40作为设计轴载的单轴重Ps代入计算公式；而式（2）没有这样的数值处理方式，即无论采用何种荷载标准，该公式都不能得到对应的计算结果。这一公式上的差异导致2种规范计算结果的偏差较大。显然，用轻型荷载设计人行道路面结构时，按城镇路面规范计算行车荷载疲劳应力得出的结果并不符合实际情况。城镇路面规范和公路水泥路面规范中计算温度梯度疲劳应力的经验公式相近，因此最终计算结果接近，没有显著差异。2）按最重轴载和最大温度梯度综合作用的工况城镇路面规范中没有该工况，所以只讨论公路水泥路面规范，最大荷载应力计算公式为：p，max=krkcpm，pm=1.4710-3r0.7h-2P%0.94m!。（4）式中：p，max为最重轴载在面层板临界荷位处产生的最大荷载应力，MPa；pm为最重轴载在四边自由板临界荷位处产生的最大荷载应力，MPa；Pm为设计轴载的单轴重，kN，此次计算时代入轻型轴载单轴重。从式（4）可以看出，计算最大荷载应力时少了疲劳应力系数kf，所以最大荷载应力实质上远小于行车荷载疲劳应力。而最大温度翘曲应力不受荷载影响，只与路面板自身特性和地区气候特点有关，如果直接按规范中的经验公式进行计算，则其结果略高于温度梯度疲劳应力。该工况尤其是采用最重轴载进行验算，可以反映不考虑荷载重复作用的情况下，偶然荷载对结构产生的应力。因此，考虑该项目中停车需求的偶然性、短期性和不可预测性，采用该工况进行计算更符合实际状况。综上所述，以该项目为代表的非标准荷载作用下进行水泥混凝土路面结构计算时，依据公路水泥路面规范更为合理，而在解决偶然荷载影响的问题时，可以不考虑轴载换算，直接用最重轴载和最大温度梯度综合作用的工况作为计算参考。考虑最重轴载和最大温度梯度综合作用工况下的极限状态，设计表达式为：r（p，max+t，max）=1.07（1.118+2.615）=3.99MPa4 MPa。（5）式中：r为可靠度系数，取1.07。该路面结构强度满足要求。2.3人行道路面结构设计结果2.3.1人行道路面结构根据计算结果，最终选用的路面结构如图1所示。图1路面结构图Fig.1 Structure of sidewalk88第5期该设计方案既能满足行人通行的要求，又能满足设计期内小型车辆停驻的需求。2.3.2防冻厚度验算该项目地勘对地基土有如下结论：地基土主要为黄土，稳定地下水水位埋深12.515.0 m，场地季节性冻土最大冻深可按60 cm考虑。根据公路水泥路面规范第3.0.9条，黄土属于很易冻胀土，最大冻深0.51.0 m的地区，中湿路基条件下路面结构厚度为0.40.6 m。地下水位较深时，可以不考虑地下水的影响，且城市道路改造不存在挖方的情况，路面结构厚度可采取低值。该项目路面结构厚度总计57cm，基本满足防冻要求，在结构强度满足要求的情况下不再增加垫层厚度。3结论1）城镇路面规范和公路水泥路面规范中的水泥混凝土结构计算都是基于标准轴载总结出的经验公式，当依据公路水泥路面规范进行计算时，可以在数值上将轻型轴载作为设计轴载的单轴重代入计算公式，得到的计算结果更符合实际情况，因此可以用来计算考虑停车功能的透水水泥混凝土人行道路面结构。2）荷载属于偶然作用的情况下，可以不考虑轴载换算，直接用最重轴载和最大温度梯度综合作用的工况进行计算，并将该荷载作为“最重轴载”代入公式进行计算。3）此次拟定的人行道路面结构面层为150 mmC30透水水泥混凝土，虽然不满足按行车荷载设计时“其他路面采用全透水结构形式，面层厚度不宜小于180 mm”“城镇水泥混凝土路面轻交通荷载弯拉强度标准值不小于4.5 MPa”的规范条文（非强制性条文）要求，但在项目使用条件下可以保证结构安全性，同时兼顾工程经济性，符合实际需求。4）笔者的计算分析是以套用现有规范中的经验公式为基础的，计算结果可为类似工程的设计提供经验参考。参考文献1任南琪，张建云，王秀蘅.全域推进海绵城市建设，消除城市内涝，打造宜居环境J.环境科学学报，2020，40（10）：3481-3483.（RENNQ，ZHANGJY，WANGXH.Promotetheconstruc-tion of sponge cities，eliminate urban waterlogging and create alivable environmentJ.Acta scientiae circumstantiae，2020，40（10）：3481-3483.）2孙会航，李俐频，田禹，等.基于多目标优化与综合评价的海绵城市规划设计J.环境科学学报，2020，40（10）：3605-3614.（SUNHH，LI LP，TIAN Y，et al.Sponge cityplanning and designbased on multi-objective optimization and comprehensive evalu-ationJ.Acta scientiae circumstantiae，2020，40（10）：3605-3614.）3徐行军，秦红星，卓维松.透水混凝土路面对雨水径流的影响研究J.公路工程，2019，44（6）：135-139.（XU X J，QIN H X，ZHUO W S.Research on the impact of permeable concrete pave-ment on rainwater runoffJ.Highway engineering，2019，44（6）：135-139.）4王珺琳.透水水泥混凝土路面在海绵城市中的应用技术D.重庆：重庆交通大学，2018.（WANGJ L.Application technologyofpermeablecementconcretepavementinspongecityD.Chong-qing：Chongqing Jiaotong University，2018.）5李明娟，梅崇文.基于海绵城市理念的城市道路透水人行道结构分析与计算J.公路与汽运，2017（1）：88-91，103.（LI M J，MEICW.Structuralanalysisandcalculationofurbanroadperme-able sidewalk based on the concept of sponge cityJ.Highways&automotive applications，2017（1）：88-91，103.）6宋璐逸.人行道透水铺装结构形式及性能研究D.南京：东南大学，2019.（SONG L Y.Research on the structure form and per-formance of permeable pavement of sidewalkD.Nanjing：Sou-theastUniversity，2019.）其他作者：贾环宇，男，工程师，硕士，主要从事道路工程设计工作。（上接第 84 页）工程中的应用J.公路，2012，57（12）：183-186.（JING W H，HU S W，LI W B.Application of the construction technology ofair bubble mixed light soil in the reconstruction and expansionprojectJ.Highway，2012，57（12）：183-186.）11宋人武.道路桥梁沉降段路基路面的施工技术应用解析J.江西建材，2016（14）：212-213.（SONG R W.Application anal-ysis of construction technology of subgrade and pavement in set-tlementsectionofroadandbridgeJ.Jiangxibuildingmaterials，2016（14）：212-213.）12马东旭.道路桥梁沉降段路基路面施工技术J.公路交通科技（应用技术版），2015，11（1）：254-255，259.（MA D X.Construc-tion technology of subgrade and pavement of road and bridgesettlement sectionJ.Highway traffic technology（applied tech-nology edition），2015，11（1）：254-255，259.）13汤继银.道路桥梁施工中应注意的问题分析及防治措施J.中国城市经济，2010（9）：192.（TANG J Y.Analysis of the prob-lems and prevention measures that should be paid attention to inthe road and bridge constructionJ.China urban economy，2010（9）：192.）14温金祥.市政道路工程施工方法与质量控制J.中国西部科技，2005（6）：20-21.（WEN J X.Construction methods and qualitycontrol of municipal road engineeringJ.Science and technologyof West China，2005（6）：20-21.）刘江等：考虑停车功能的透水水泥混凝土人行道路面结构设计89