1、城市道路透水人行道结构设计摘要：对比分析了 2 种行人道路面结构，阐述了透水行人道结构设计及计算方法，基层厚度的确定，主要取决于土基模量和荷载情况，在设计时应将两项指标进行综合考虑。 关键词：透水行人道；结构设计；基层厚度；计算； 中图分类号：TB482.2 文献标识码：A 文章编号： 0.引言 城市人行道是城市道路中不可或缺的主要成员之一，也是考量生态城市建设的内容之一，而其功能性和结构性的使用品质会直接影响到城市景观、生态和使用寿命。随着近年来我国提出建设生态环保城市，实现城市可持续发展，透水式人行道在杭州、福州、青岛、深圳等城市新建改建道路中被推广应用。此结构具有(1)减轻路面排水系统负
2、担；(2)消除道面积水，增强道面抗滑能力，提供安全、优质的步行条件；(3)改善周围植物生长土壤环境，调整生态平衡；(4)补充地下水份，有助于水资源循环利用；(5)降低城市热岛效应，减少能源消耗；(6)延长使用寿命等众多优点。 1.透水人行道面结构设计 1.1 典型联锁块路面结构 联锁块路面结构主要有四个层次，即联锁块层、砂垫层、基层和路基，如图 1 所示。 图 1 联锁块铺面典型结构图 (1)联锁块层 它是联锁块路面区别与其它路面结构的主要层次。块体一般长度为200-250mm，宽度为 100-155mm，长宽比通常都为 2：l；厚度多数为60lOOmm。对于混凝土块的强度，从结构上并无严格要
3、求，只是从耐磨的角度对其抗压强度予以限制。在港区铺面上，强度一般要求大于50MPa，人行道通常强度取用 30MPa。联锁块路面在荷载作用下，块体不是单独地承受荷载，而是相互联锁地作为一个整体扩散荷载，也就是说，联锁块层不仅起到磨耗层的作用，而且还起到结构层的作用。 (2)砂垫层 砂垫层主要是起整平层的作用，为面层形成紧密嵌锁提供必要的条件。对于砂垫层的厚度，英国研究人员 Barber 和 Knapton J认为，在使用初期的永久变形积累中，绝大部分产生于砂垫层，砂层越厚，永久变形也就越大。砂垫层厚度的取用范围为 3070m，通常采用 30mm。 (3)基层和路基 除了联锁块层和砂垫层外，联锁块
4、路面的其它结构层与一般沥青路面几乎没有区别。沥青路面中所用的基层材料都可用于联锁块路面。在荷载很大或土基条件较差的地方，在基层下可设置垫层，其质量要求与沥青路面相同。在联锁块路面中，路基土也是重要的组成部分。 (4)边缘约束 对联锁块铺面而言，边缘约束是必要的。其主要起到将限制联锁块在荷载作用下的侧向位移，以保证各块体间的嵌锁；同时也起到防止垫层砂在雨水作用下的流失。 1.2 透水人行道面结构方案 透水人行道面结构如图 2 所示，主要包括：透水面砖、砂垫层、排水基层、碎石垫层、土路基五大部分。另外有盲沟、渗水井、溢水管主要用于排水、渗水作用。 (1)透水砖 它是区别与其它普通人行道和联锁块铺面
5、的主要层次。块体长度宽度一般为 200100mm，厚度一般为 60mm。雨水不仅通过块体间接缝渗入，而且可通过块体表面渗入，因此，其关键性能指标主要有两个，即透水系数和抗压强度，两者间在数值上是成反比关系，它们本身就是一对矛盾体。根据中华人民共和国建材行业标准透水砖)(JC/T945-2005)的要求，透水系数(15)1.010-2cm/s，抗压强度平均30MPa、单块最小25MPa。通过对目前国内供货市场调查，免烧透水砖同时能满足这两项技术指标要求的几乎都比较困难，应根据实际情况，酌情考虑。 图 2 透水人行道面结构图 (2)砂垫层 砂垫层主要是起调平作用，一般采用厚度为 30mm，因它直接
6、铺设在排水基层上，其级配应满足中粗砂的质量要求。 (3)排水基层 排水基层应在满足一定强度的基础上，具有一定的排(渗)水能力，能够使上层流入的雨水迅速地排除，最终汇集至盲沟(集水沟)。主要技术指标应满足 7 天无侧限抗压强度、劈裂弯拉强度和渗水系数的要求，铺筑厚度主要取决于透水人行道面作用荷载的大小。 (4)碎石垫层 由于杭州地区的土基条件比较差(强度低、含水量高)，因此，在基层下设置一层碎石垫层，表面填充粗砂，既为排水基层提供平整的基准面，又为防止土路基中细粒土进入排水基层，同时它也是整个结构层中的一个组成部分。 (5)路基土 土路基应表面平整、无积水，不得出现“弹簧” 、波浪、松散等现象，
7、并保证一定的宽度和横坡。路基土的压实度与其抗压回弹模量成正比，与土壤的渗透系数成反比，根据相关的技术标准，人行道下土路基的压实度应控制在 90(轻型击实)以上。 (6)边缘约束 在透水砖两侧进行边缘约束，一般采用预制水泥混凝土侧石或其它构造物墙体，特殊部位可采用现浇普通水泥混凝土。 2结构计算与分析 2.1 计算参数的确定 透水人行道结构在采用弹性层状体理论结构分析前，必须对各结构层材料的厚度、抗压回弹模量、泊松比、道面承受荷载的大小和受力特点以及验算指标和位置都应逐步进行分析确定。 2.1.1 材料参数 参照联锁铺面的分析方法，将透水砖铺面简化成一个各向同性的均质弹性层，用弹性模量 E 和泊
8、松比 来表征其力学特性。采用与沥青路面相同的轴对称力学模型进行结构的力学分析和位移计算。 依据基层顶面压应力相同的原则，根据澳大利亚 Shackel B提出6cm 的联锁块相当于等效模量为 4000MPa、厚度为 7.75cm 的沥青层进行参数选用。其它各层材料的参数参照公路沥青路面设计规范(JTJ014-97)及试验结果选用，全部材料参数列于表 1 表 1 各结构层材料设计参数 2.1.2 荷载参数 在城市道路设计规范中没有明确人行道荷载标准，考虑人行道使用的实际情况，不时会有各种车辆驶入人行道面，在荷载参数选择时，准备选用不同的轴载标准来加以计算分析，以便最终合理选择道面结构。 2.1.3
9、 验算指标的确定 使用不同组合的材料参数和荷载参数，按照公路沥青路面设计规范(JTJ014-97)中有关设计指标的规定，进行路表弯沉和基层层底拉应力计算。根据国内外大量研究资料表明路表的临界弯沉为 2mm，根据本研究排水基层试验结果可知基层层底允许拉应力的控制值为 1.OMPa。 对于验算点的位置，单轮主要验算轮中心处 D1(弯沉)、D2(拉应力)；双轮主要验算轮中心处 S1(弯沉)、S2(拉应力)以及两轮中间位的 S1(弯沉)、S2(拉应力)，以两者较大值作为计算结果。 2.2 计算结果与分析 通过不同参数组合进行结构计算，结果列于表 2。基层底面拉应力都随土基模量的增加而降低，随着基层厚度
10、的增加而降低。在 1t 轴载作用条件下，基层底面的拉应力变化范围在 0.038MPa0.097MPa 之间，均为0.1MPa，远小于基层允许抗拉强度；当荷载出现 6t 的情况下，基层底拉应力为 0.223MPaO.552MPa，相应都为 1t 条件下的 5.8 倍左右；在10t 荷载作用情况下，基层底拉应力为 6t 条件下的 1.6 倍，为 1t 条件下的 9.5 倍，在土基模量 Eo=5MPa 时，基层底拉应力为 0.907MPa，略小于1MPa 的基层材料性能要求。因此，在土基模量为 5MPa20MPa、基层厚度在 l0cm25cm、车辆轴载在 1tl0t 时，基层底面拉应力均为1.0MP
11、a，能够满足设计控制指标要求。 表 2 BISAR 结构计算结 对于路表弯沉指标而言，情况就各不相同。对于 1t 荷载情况，在土基模量为 5MPa20MPa 的条件下，其变化在 1238(0.0lmm)较小的范围之内，均能满足路表弯沉的要求；对于 6t 荷载而言，若土基模量为 5MPa时，基层应要保证有 20cm 的厚度；若有 l0t 荷载出现(例大卡车调头等)，在土基模量为 10MPa 条件下，基层厚度最好能保证 25cm。 在常规结构设计时，土基模量 Eo 一般都给出一个固定的设计值，而施工现场通常不去测定人行道土基的回弹模量，也不会对人行道土基进行处理，它是否能满足设计值的要求往往不太清
12、楚，基层厚度还是按设计(或经验)选用，最终在车辆荷载作用下导致人行道的过早损坏。 通过上述计算和分析可知，基层厚度的确定，主要取决于土基模量和荷载情况，应该将两项指标进行综合考虑。现将对于不同的土基模量、不同的荷载情况，基层厚度选用参考值列于表 3。在使用时应首先要确定(或现场测试)现场土基模量值，如果达不到设计要求，就应对土基进行处理或增加基层的厚度；第二，应考虑人行道的使用环境，例如，在一些没有护拦、花坛等出现车辆停放在人行道上的路段，应统计或估计可能出现停放车辆的最大荷载，最终确定基层的选用厚度。 表 3 基层厚度选用表(单位：cm) 3.结语 目前，对于人行道结构的计算分析，在城市道路设计规范中还没有依据，通过大量国内外资料的查阅，利用弹性层状体系理论分析能够符合实际工程的精度要求。运用 BISAR 30 的弹性层状体系计算程序进行结构计算和分析，对于基层底面拉应力指标均能满足控制要求；对表面弯沉指标控制而言，应该综合考虑现场土基模量和荷载情况，从而选定基层的厚度，以确保人行道的使用寿命。
