（道路与铁道工程专业论文）城市透水铺装材料与结构设计研究.pdf

s t u d y o nm a t e r i a l sa n ds t r u c t u r ed e s i g no fu r b a n p e r m e a b l ep a v e m e n t ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e z h a ol i a n g s u p e r v i s o r p r o f h a op e i w e n c h a n g a nu n i v e r s i t y x i a n c h i n a 论文独创性声明 本人声明 本人所呈交的学位论文是在导师的指导下 独立进行研究工 作所取得的成果 除论文中已经注明引用的内容外 对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 夜毛 加l9 年 月 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属学 校 学校享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请专利等权 利 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时 署名单位仍然为长安大学 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 慈名 导师签名 沙f9 年厂月占日 弘衫年c q g 日 摘要 透水铺装是一种新兴的城市铺装型式 通过采用大空隙结构层或排水渗透设施使雨 水能够通过铺装结构就地下渗 从而达到消除地表径流 雨水还原地下等目的 因其具 有涵养水分 改善人居环境和提高交通安全舒适性等功能而具有良好的发展前景 对透水铺装进行良好的材料与结构设计是保证其透水性能和承载能力的基本要求 与常规铺装设计方法不同 在透水铺装的结构设计中必须综合考虑透水性与结构强 度之间的矛盾 但目前国内外尚无完善的透水铺装结构设计方法 因此 如何合理的进 行透水铺装结构设计是非常重要的 本文从透水铺装的材料与结构两方面对其透水功能与承载特性进行研究 对透水铺 装常用结构组合方案进行归类与分析 总结了其特点和应用条件 为设计过程中结构组 合方案的选择提供了依据 通过透水铺装的常见病害分析 找出了级配碎石透水基层 沥青稳定碎石排水基层和土基所存在的问题 推荐了相应的设计方法与解决措施 通过 对透水铺装结构在最不利情况下的力学分析 提出了结构设计指标 通过对透水机理的 研究 提出可用于铺装结构透水功能设计与评价的综合指标 探讨了透水铺装透水功能 特性 提出了透水铺装的透水功能设计方法与要求 最终形成了一整套适用于城市透水 铺装的结构设计体系 关键词 城市透水铺装 结构设计 结构组合方案 承载能力 透水机理 透水功能设计 结构设计体系 a b s t r a c t p e r m e a b l ep a v e m e n ti san e wk i n do fu r b a np a v e m e n t i ta l l o w st h er a i n f a l lp e n e t r a t i n g t h r o u g ht h ep a v e m e n ts t r u c t i l r ei m m e d i a t e l yu s i n gp o r o u sl a y e r so rd r a i n a g ef a c i l i t i e s w h i c h c a n h e l pe l i m i n a t i n gt h es u r f a c er u n o f fa n dr e c h a r g i n gt h eg r o u n dw a t e r p e r m e a b l ep a v e m e n t w i l lh a v eab r i g h tf u t u r ea si t ss p e c i a lf u n c t i o n si nc o n s e r v i n gw a t e r i m p r o v i n gl i v i n g e n v i r o n m e n ta sw e l la st r a f f i cs a f l ya n dc o m f o r t i ns t r u c t u r a ld e s i g n i n gf o rp e r m e a b l ep a v e m e n t t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e ni n f i l t r a t i o n a n ds t r u c t u r a ls t r e n g t ho u g h tt ob es o l v e df i r s t l y t h e r ei ss t i l ln o ta n yc o n s u m m a t ep e r m e a b l e p a v e m e n ts t r u c t u r a ld e s i g nm e t h o di no u rc o u n t r y a n da b r o a d s o i ti sv e r yi m p o r t a n tt oc r e a t ar e a s o n a b l es t r u c t u r a ld e s i g nm e t h o df o rp e r m e a b l ep a v e m e n t t h ep a p e rs t u d i e so nt h ei n f i l t r a t i o nf u n c t i o na n db e a r i n gp r o p e r t yo fp e r m e a b l e p a v e m e n t f r o m a s p e c t s o fm a t e r i a la n d s t r u c t u r e b yc l a s s i l y i n g c o m m o ns t r u c t u r a l c o m p o s i t i o ns c h e m e sa n da n a l y z i n g t h ep a p e rs u m su pt h ec h a r a c t e r sa n da p p l y i n gc o n d i t i o n s o fe v e r ys c h e m e s u p p l y i n gb a s i sf o rt h ec h o i c eo fs t r u c t u r es c h e m e s o nb a s i so fa n a l y s i so n d a m a g e so fp e r m e a b l ep a v e m e n t t h ep a p e r f i n d so u tt h ep r o b l e m so fp e r m e a b l eg r a d e dg r a v e l b a s e a s p h a l tt r e a t e dp e r m e a b l eb a s ea n ds u b g r a d ep r o p e r t i e s p r o p o s e st h ed e s i g n i n gm e t h o d a n dc o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n t h ep a p e rc o n d u c t sm e c h a n i c a la n a l y s i so np e r m e a b l ep a v e m e n t s t r u c t u r eu n d e rt h ew o r s tc o n d i t i o n g e t st h es t r u c t u r a ld e s i g n i n gi n d e x t h r o u g ht h er e s e a r c h o ni n f i l i t r a t i o nm e c h a n i s m t w oi n t e g r a t i v ei n d i c e sa l eb r o u g h tf o r w a r df o rt h ed e s i g n i n ga n d e v a l u a t i n go fp a v e m e n t i n f i l t r a t i o nf u n c t i o n b yi n v e s t i g a t i n gt h ei n f i l t r a t i o nf u n c t i o n c h a r a c t e r i s t i c t h ep a p e r r e n d e r st h ei n f i l t r a t i o nd e s i g nm e t h o da n dc o r r e s p o n d i n g r e q u i r e m e n t s e v e n t u a l l ya ni n t e g r a ls t r u c t u r a ld e s i g ns y s t e mf o ru r b a np e r m e a b l ep a v e m e n t i sf o r m e d k e y w o r d s u r b a np e r m e a b l ep a v e m e n t s t r u c t u r ed e s i g n s t r u c t u r a lc o m p o s i t i o ns c h e m e b e a r i n gc a p a c i t y i n f i l t r a t i o nm e c h a n i s m i n f i l t r a t i o nd e s i g n s t r u c t u r ed e s i g ns y s t e m 1 1 目录 第一章绪论 l 1 1 研究背景和意义 1 1 2 透水铺装 2 1 2 1 透水铺装的定义 2 1 2 2 透水铺装与普通铺面及排水铺面的区别 3 1 2 3 透水铺装的分类 3 1 3 国内外研究现状 5 1 3 1 透水铺装在国内外应用发展概况 5 1 3 2 透水铺装国内外研究现状 7 1 3 3 课题研究的必要性 1 0 1 4 主要研究内容与技术路线 1 1 1 4 1 主要研究内容 11 1 4 2 技术路线 1 2 第二章透水铺装结构组合设计 1 3 2 1 透水铺装常用材料 1 3 2 1 1 透水性联锁块 13 2 1 2 透水性沥青混合料 13 2 1 3 透水性混凝土 1 4 2 1 4 大空隙水泥稳定碎石 1 4 2 1 5 级配碎石 一1 4 2 1 6 砂 砂浆 15 2 2 透水铺装结构型式分析 15 2 2 1 透水铺装结构层功能分析 1 5 2 2 2 透水铺装结构组合型式调查与分析 17 2 3 透水铺装结构组合方案 2 0 第三章透水铺装材料设计与性能研究 2 2 3 1 透水铺装典型破坏形式 2 2 3 1 1 不均匀沉陷 i 2 3 3 1 2 车辙与推移 2 3 3 1 3 面层碎裂与松散 2 4 3 2 级配碎石透水基层设计与性能研究 2 5 3 2 1 透水级配碎石级配范围 2 5 3 2 2 透水级配碎石抗剪性能试验研究 2 6 3 2 3 级配碎石渗透保水性能试验研究 2 8 3 3 沥青稳定碎石排水基层设计与性能研究 2 9 3 3 1 排水性沥青稳定碎石配合比设计 3 0 3 3 2 排水性沥青稳定碎石性能研究 3 0 3 4 透水铺装土基性能研究 3 3 3 4 1 透水铺装土基渗透性能研究 3 4 3 4 2 透水铺装土基承载能力研究 3 7 3 5 透水铺装面层材料技术要求 4 0 3 5 1 透水联锁块技术要求 4 0 3 5 2 透水性沥青混合料技术要求 4 l 3 5 3 透水混凝土技术要求 4 2 第四章透水铺装结构力学分析 j 4 4 4 1 结构分析方法概述 4 4 4 1 1 联锁砌块类铺面结构分析方法 4 4 4 1 2 铺装结构力学分析理论基础 4 7 4 1 3 透水铺装结构力学分析方法 4 8 4 1 4 结构层材料设计参数选取 5 0 4 2 铺装结构力学分析结果 5 3 4 2 1 透水铺装结构承载力特性 5 3 4 2 2 透水铺装承载能力影响因素分析 5 9 4 3 透水铺装结构设计指标 6 4 第五章透水铺装透水机理分析 6 6 5 1 透水铺装产流机制分析 6 6 5 1 1 产流机制的定义 6 7 5 1 2 透水铺装产流机制分析 6 8 5 2 透水铺装渗透过程分析 7 2 5 2 1 渗透分析参数确定 7 3 5 2 2 透水保水性能综合指标确定及计算 7 9 5 3 透水铺装透水功能特性分析 8 3 5 3 1 软件简介与分析模型一 8 3 5 3 2 透水铺装保水特性分析 8 5 5 3 4 蓄水层水分下渗特性分析 8 9 5 4 透水功能设计 9 2 5 4 1 透水功能设计要求 9 2 5 4 2 透水功能设计方法 9 3 5 5 本章小节 9 5 第六章透水铺装结构设计体系 9 6 6 1 降雨条件的确定 9 6 6 2 交通条件分级 9 8 6 3 设计指标容许值 10 0 6 3 1 柔性透水铺装 1 0 0 6 3 2 透水混凝土类透水铺装 1 0 1 6 4 透水铺装设计流程 1 0 1 6 5 实验区透水铺装结构设计实例 1 0 3 6 5 1 试验路概况 10 3 6 5 2 设计过程 10 3 结语与展望 1 0 7 研究主要结论 1 0 7 进一步研究设想 10 8 参考文献 1 0 9 j 改谢 113 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论弟一早珀下匕 随着中国工业化进程的不断推进和社会经济的发展 中国社会城市化的现象十分显 著 目前 我国不断加强城镇建设力度 城市化的水平和质量不断提高 这对于发展我 国国民经济和提高人民生活水平有很大帮助 然而 在城市化进程不断推进的背景下 由于城市污染 城市人口的剧增 城市规划与建设的不合理等多方面原因 造成了城市 生态环境问题日益严重 如城市空气质量下降 噪音污染 水资源匮乏 内涝 热岛效 应等 这些问题直接导致人们的生活质量下降 甚至危及人们的身心健康 因此 城市 生态环境问题已成为影响我国社会主义现代化建设和人民群众生产 生活的首要问题之 一 l 0 造成城市生态问题的重要原因之一 是城市规划建设的不合理 在城市建设过程中 大量使用水泥混凝土与沥青混合料等阻水材料覆盖城市地表 根据上世纪9 0 年代美国 芝加哥 洛杉矶等十大城市的统计 市内工厂 住宅 公共建筑以及人工铺筑道路的面 积之和占全市总面积的7 2 7 而这部分面积都是不透水的 另有资料表明 世界上的 主要城市不透水面积大都在5 0 以上 而上海市不透水面积则高达8 0 t 2 1 这些不透水 的城市地表覆盖物 隔断了自然土壤与大气之间的联系 造成城市的生态环境与自然生 态环境之间的巨大差异 使得城市居住环境不断恶化 城市不透水铺面的大量存在 对城市生态与环境的不利影响主要有以下几个方面 1 雨水仅能以地表径流的形式汇入城市排水系统而排出 造成排水系统的巨大 压力 甚至造成城市内涝 雨水通过管道排出 还可能造成江河的二次污染 2 雨水长期无法回渗地下 以补充地下水资源 造成地下水位不断下降 同时 影响地表及地下生物的生长 3 不透水铺面阻隔了地面与大气进行水分及热量的交换 使大地丧失对空气的 水热调节 加重城市 热岛效应 4 不透水铺面上雨天积水严重 造成行人和车辆通行困难 甚至导致事故的发 生 为了解决以上由于城市大面积使用不透水铺面所引发的一系列问题 应当考虑使用 既具有一般铺面的功能 又同时具有透水蓄水功能的透水性铺装来代替目前大量使用的 第一章绪论 不透水铺装以改善城市的生活环境 透水铺装代替一般铺面有以下优势 1 透水铺装能够使雨水迅速的渗入地表 还原成地下水 使地下水资源得到及 时补充 保持土壤湿度 改善城市地表植物和土壤微生物的生存条件 2 透水铺装无表面积水和夜间反光 提高了车辆 行人的通行舒适性与安全性 雨天路面无积水 避免轮胎与路面的水膜的形成 缩短刹车距离提高行车安全性 3 透水路面上大量的孔隙能够吸收车辆行驶时产生的噪音 营造安静舒适的环 境 4 透水铺装具有较大的孔隙并与土壤相通 能积蓄较多的热量和水分 有利于 调节城市的生态环境 缓解热岛效应 5 当集中降雨时 能够减轻排水设施的负担 防止城市内涝 避免对公共水域 的二次污染 1 2 透水铺装 1 2 1 透水铺装的定义 透水铺装是指将透水良好 空隙率较高的材料应用于面层 基层甚至土基 在保证 一定的路用强度和耐久性的前提下 使雨水能够顺利进入铺面结构内部 通过具有临时 贮水能力的基层 直接下渗入土基或进入铺面内部排水管排除 从而达到雨水还原地下 和消除地表径流等目的的铺装型式 2 1 6 透水铺装对于雨水的处理方式 从根本上颠覆了一般公路或城市道路设计中将水损 坏视为主要的破坏形式的理念 一般的公路与城市道路设计 为了保证路面结构的承载 能力维持在较高的水平 都尽量将外部水分阻隔于路面结构以外 而透水铺装这种特殊 的铺面型式 为了实现城市下垫层与大气进行水 气的交换 以达到营造良好生态环境 的目的 其设计思想是通过透水材料在铺装各结构层的应用 使雨水能够顺畅进入铺面 结构并及时下渗 然而 由于水分进入到铺面结构内部 使铺面材料处于潮湿甚至饱和状态 势必会 造成铺面材料的性能变差 导到结构整体的承载能力下降 因此 透水性铺装目前主要 被应用于人行道 广场 停车场以及轻交通量车道等对铺面承载力要求较低的场合f 3 l 2 长安大学硕士学位论文 1 2 2 透水铺装与普通铺面及排水铺面的区别 普通铺面为了避免水分进入铺面结构内部引起水损坏的发生 通常要求表面不渗 水 降雨以表面排水的方式排入边沟或下水道等排水设施 排水铺面是表面层或整个面层允许雨水渗入 但下面层或基层不允许渗透的路面结 构型式 渗入面层的水分沿不透水结构层表面 通过侧向流动 排入道路边缘排水设施 这种渗流方式避免了基层和路基因浸水而损失承载能力 透水铺面是从面层到基层乃至路基都允许水分渗透 使降落在铺面范围内的水分顺 利进入铺面结构内部 并进一步渗入土基 从而还原地下 因其各个结构层都允许水分 自由进入 故其承载能力通常都较低 以上三种铺面型式对水分的处理方式如图1 1 所示 水 层 层 基 图1 1 普通铺面 透水铺面 排水铺面的区别 1 2 3 透水铺装的分类 目前 国内外各地由于所处环境 经济 交通状况不同 所采用的透水铺装在材料 或结构组合有所差异 从而形成了各种类型的透水铺装实体 根据铺装材料和结构上的 不同 透水铺装可有以下分类方式 1 根据透水铺装在保水功能上的不同 可分为全保水透水铺装及半保水透水铺装 二者的区别如图1 2 所示 第一章绪论 降雨 v n 透水蔼层 n n 一 v 纂 降雨 v n 透永面层 r 边水叩层 一 z 透逮萋层 不透水基层 土基 全保术铺面半保水铺面 图1 2 全保水 半保水透水铺装的区别 透水铺装使水分及时下渗入铺装结构之中 从而最大程度的消除地表径流 然而根 据对铺装结构承载力要求的不同以及对整个排水结构的要求不同 对进入内部的水分有 两种不同的处理方式 全保水铺装 进入到结构内部的水分 使其仅通过渗透进入土基 以达到雨水完全 还原地下的效果 通常路基土渗透能力较小 雨水可能无法及时完全下渗 因此要求透 水铺装的基层材料具有较大的空隙率 以便暂时存贮雨水 即降落到透水铺装范围内的 雨水 全部由铺装结构内部保持 半保水铺装 雨水由铺装表面下渗到基层 一部分由基层保持 另一部分沿不透水 底基层表面以连通空隙为通道排出 进入附属排水设施 即降落到透水铺装范围内的雨 水 部分由铺装结构内部保持 这种铺装类型 也能完全达到消除地表径流的目的 同 时也能达到一定的保持水分 改善水温状况的目的 2 根据铺装面层所使用的材料不同 透水铺装可分为联锁砌块类铺装 透水沥青混 凝土铺装和透水水泥混凝土铺装 4 5 由于透水铺装要同时实现良好透水和足够承载能力 因而对其所使用的材料也提出 了更高的要求 尤其是对于铺装面层材料 目前很多的研究都集中在其面层的材料类型 和性能上 面层材料的优劣 将极大程度地影响铺装结构的整体性能 因此 有必要根 据面层材料对其进行分类 透水性沥青混凝土类 这种类型的铺面结构在国内外的研究和应用上都比较广泛 目前在国内主要以排水路面上面层的形式应用于高速公路或城市道路 属于整体性透水 材料 这种类型的透水铺面多用于行车道或停车场 但要求交通量较小 见图1 3 中 1 透水性水泥混凝土类 这种材料也属于整体性透水材料 材料的承载能力更强 但 由于其模量相对较高 故对透水性基层的要求也更高 这种铺面类型多用于城市街道或 停车场 见图1 3 中 2 4 长安大学硕士学位论文 联锁砌块类 透水性砌块类结构种类很多 主要包括透水砖 植草砖等 它们利用 自身的透水性以及连接缝和自身镂空部分来透水 并通过自身强度及块体间联锁作用形 成铺面整体强度 这种类型铺面多用于小区步道 广场铺装及停车场等场合 见图1 3 中 3 4 2 3 4 图1 3 常见的透水铺装面层类型 此外 还有一些特殊形式的材料类型 如砾石铺装 结构型透水铺装 j w 空调导 水类铺面 嵌草铺装 木料铺装等 1 3 国内外研究现状 1 3 1 透水铺装在国内外应用发展概况 1 9 4 0 年英国皇家空军为快速排除飞机跑道的积水而首次采用了透水性铺装 引 自 1 9 8 6 年开始 英国c o v e n t r y 大学建筑环境学院的c j p r a t t 便对透水性铺面的径流抑制 及污染防治的效果做过一系列的研究 并且相当具有代表性 直至1 9 9 5 年提出了评估 透水性铺面的径流模型 在最近的研究中 尝试在住宅区针对透水性铺面对水的再利用 提出相关实测分析与优劣评估 德国 混凝土路面砖 标准中规定 用于面层的路面砖必须有1 0 以上的孔隙 以 使雨水能渗入地下 德国政府制定目标 至t j 2 0 1 0 年把全国9 0 的路面改造成为透水路面 第一章绪论 为配合透水步道铺装 德国还研制了透水性砂浆1 4 j 荷兰 丹麦为了降低交通噪音而多采用多孔隙沥青路面 并针对城市道路尘土阻塞 的问题 发展双层多孔隙路面 上层粒径较下层小 因而上层具有过滤大颗粒尘土的作 用 落入路面孔隙内的尘土则因下层孔隙较大而被水冲出 从而达到自清孔隙的效果 美国与日本在应用透水铺装改善城市生态环境方面处于领先地位 代表了透水铺装 发展的趋势 早期美国应用多孔性铺面是为了解决雨天道路湿滑的问题 之后对透水道路的使用 由行车安全的目的逐渐转向环境生态保护的目的 1 9 6 6 年森林保护局开始在林业道路路 面上使用透水性材料 到7 0 年代美国各州己积极推动透水铺面的应用 美国透水性混凝土铺面于1 9 7 0 年在佛罗罩达开始推广 透水性混凝土铺面因其有良 好的耐久性及排水性 初期广泛被使用在停车场及中低承载力路面 1 9 9 0 年佛罗里达水 资源管理单位推动暴雨径流还原计划 s t o r m w a t e rr e h a b i l i t a t i o np r o j e c t 在b a t hc l u b c o n c o u r s e 使用透水性混凝土铺面 希望通过使用透水性混凝土来增加暴雨径流入渗量 美国对透水道路的研究和应用 主要着眼于其对地表径流的抑制作用和对由地表径 流引起的污染物扩散的抑制作用 7 8 日本是多雨国家 其单位面积年平均降雨量为1 8 0 0m m 是世界年平均降雨量的2 1 5 倍 2 0 世纪7 0 年代 为解决 因抽取地下水而引起地基下沉 等问题 日本采取了 雨 水的地下还原对策 开发应用透水性沥青路面 揭开了日本研究应用透水铺面的序幕 1 9 7 3 年东京建设局为了改善行道树生长环境 建立了三个人行道透水铺面试验区 1 9 7 8 年将透水性铺面列入 沥青路面纲要 2 0 世纪8 0 年代初期日本建设省推行 雨水 渗透计划 确定主要将透水性铺装应用于公园 广场 停车场 运动场及城市道路 以实现对城市生态环境的改善 1 9 8 3 年颁布的 都市防洪政策 把雨水储留 渗透设施 设置纳入其中 透水性铺面被逐步采用 至u 1 9 9 6 年初 仅东京一地 铺设透水性铺面达 4 9 5 0 0 0 m 2 1 9 9 9 年全国已累积修筑了1 0 0 0 万平方米的透水铺面实体 2 0 0 3 年开展了在行 车道应用透水性铺面的试验 并于2 0 0 5 年提出行车道透水性铺面技术准则 7 9 在我国透水铺装的应用还处于起步阶段 其应用范围较小 目前仅做一些尝试性的 使用或在重要的示范性项目上使用 其设计 施工尚缺乏统一的标准 且对于透水铺装 的生态效益关注不够 随着国内保护生态环境 提高生活质量的意识不断提高 透水铺 装在国内将获得快速的发展 2 0 世纪7 0 年代 北京园林局为了抢救古村 曾研制了一些具有透水 透气性能的砌 6 长安大学硕士学位论文 块 用于铺装皇家园林的广场和道路 随着人们对城市生态环境认识的逐步提高 一些 大中城市在政府部门的重视和引导下 透水性铺装开始应用于城市广场 停车场 人行 道和城区河道护坡等工程中 如上海新国际博览中心 一期 就大量使用透水路面 天 津市在海河整治工程中也应用透水性材料进行护坡的砌护 2 0 0 7 年北京路政局编制了 北京市透水人行道设计施工技术指南 以推动并规范透水性人行道的应用 2 0 0 6 年广州修建了一段全透式试验路 采用综合的排水系统 保留了现有道路的排 水设施 路面的积水一部分从路面直接渗透入地下 一部分从排水系统收集 1 3 在杭州 以生态闻名的西溪湿地一级园路 浙大紫金港校区均采用了透水沥青铺装 环城东路青年公园段人行道实验性铺装了彩色透水沥青 这标志着人行道透水铺装在杭 州市应用的开始 2 0 0 7 年 宁波市北仑区将5 4 0 0 m 2 的人行道升级改造为透水铺装 采用 的是彩色混凝土路面透水砖 1 1 海南三亚市海棠湾地区规划为世界级的旅游度假天堂 作为配合打造 国家海岸 的一个重要组成部分 海棠湾的各项市政基础配套设施都根据 生态建设 注重全面 协调和可持续发展 的精神 优先采用先进的透水性路面 环保型材料 注重雨水收集 利用 地下水回灌等问题 对树立区域形象 促进其经济发展 提高环境质量起到至关 重要的作用 12 1 台湾地区对于透水铺装的应用和研究比较深入和广泛 逐步形成了较完善的设计 试验 应用和推广体系 2 0 0 0 年1 2 月 台湾经济部水利署开发生态铺面工法技术 2 0 0 1 年1 2 月 内政部营建 署模拟 试验透水性铺面在台湾全省范围内的可行性并进行其结构设计 施工 管理维 护及成本分析的研究 2 0 0 3 年7 月台北市政府工务局在台北市西安街铺设透水性人行道 这是台湾地区透水铺面应用于人行道的首个实例 2 0 0 3 年8 月内政部营建署在台北市淡 海新市镇建立透水性铺面试验区 2 0 0 3 年7 月国立台北科技大学在校园内铺设透水性人 行道 车行道 广场 2 0 0 4 年3 月台北市政府工务局在台北市北安路铺设透水性人行道 2 0 0 4 年9 月行政院工程会预定年底在全台完成1 9 1 0 0 m 2 以上的透水性人行道铺面 行政院 在 2 0 1 5 年经济发展远景第一阶段三年冲刺计划 2 0 0 7 2 0 0 9 公共建设套案计划将 人 本交通 列为重点计划 1 3 2 透水铺装国内外研究现状 目前对透水铺装的研究 仅在一些发达国家取得了较大的进展 如美国 澳大利亚 第一章绪论 以及一些欧洲国家等 这些国家都十分重视城市生态环境和人居条件的改善 特别是对 城市水环境的保持尤为重视 在美国 对透水铺装的研究最系统且最具代表性 其研究的侧重点一方面在于透水 铺面对地表径流的抑制和增加雨水下渗率的作用 美国新泽西州和宾夕法尼亚州等 都 将透水铺装作为 城市暴雨洪水管理 s t o r m w a t e rm a n a g e m e n t 的一种最佳手段 b e s t m a n a g e m e n tp r a t i c e b m p 来研究和使用 并分别出版了相应的研究手册 它们对于透 水铺装的分类 常用结构 设计要素及关键点 施工程序 养护等都给出了较为详细的 说明 另一个研究的侧重点在于透水铺装对由于地表径流引起的污染物扩散的抑制作 用 美国的许多学者都通过各种手段研究其对各种污染物 如碳氢化合物 重金属等对 下层土壤 地下水 排水口下游自然水体的污染的抑制 美国北卡罗莱那州东部一座透水铺装停车场修筑了四种不同类型的透水铺装以及 普通的不透水沥青铺面进行对比研究 四种铺面分别为 透水混凝土铺面 两种不同表 面孔隙面积的透水联锁块铺面 填砂的镂空砖铺面 k e l l y a c o l l i n s 等人在2 0 0 6 年6 月 至u 2 0 0 7 年7 月对其进行观测 主要是区别其在表面径流量 总流出水量 洪峰流量 速 洪峰延时等方面的水文差异 并分析了影响它们透水效果的因素 与此同时 作者还评 估与比较了各种类型的透水铺面对于水质改善的效果 希望为北卡州提供一个统一的评 价透水铺面减少雨水中污染物的方法 以为其作为暴雨管理最佳措施提供依据 1 4 1 5 此外 美国的研究还关注透水铺面渗透能力的衰减 土工织物的应用等方面的内容 英国研究人员也倾向于对透水铺装在消除雨水中污染物方面作用进行研究 主要研 究方法与内容美国大致相同 另外 有研究利用试验验证了在透水铺面中选用合适的土 工织物对于拦截日常停车渗入铺面内部的油分的重要性 结果表明 在透水性铺装使用 寿命早期选用土工织物对油分截留有重要影响 另外 土工薄膜处理的场地上 铺设直 接入渗型透水铺装体系 将有效地吸收大部分碳氢污染物1 1 6 另外有关研究表明 土工织物有助于防止土壤颗粒进入透水铺装的基层 对于透水 性沥青稳定碎石基层 使用土工织物可以减少车辙深度和其上透水砖的破损率 并有助 于使透水铺装维持在一个较高的使用水平 l7 在澳大利亚 有研究者从透水铺装的规划 设计 施工全过程进行了详细的阐述 对于透水铺装的设计 采用了结构设计与水文设计并举的理念 以期使铺面同时满足交 通要求和暴雨管理 雨水水质控制的水文要求 研究中还讨论了影响铺面材料选择的因 素 介绍了铺面施工的程序 并对实体工程进行了长期性能的观测 1 8 8 长安大学硕士学位论文 国内对透水铺装究起步较晚 但最近几年取得了较大进展 2 0 0 2 年起 王波等人结合国外透水铺装使用经验和国内已有透水性路面材料研究结 果进行了相关试验研究 从宏观上分析总结了透水铺装的特点 作用 从雨水收集 渗 透 储存等方面入手 提出将城市不透水硬化地面改造为透水性铺装 建立雨水存储体 系及排水管沟的透水的思路 19 1 并分析介绍透水铺装的多个细节上的问题 如从透水铺 装结构整体分析铺装的透水体系 并介绍其维护及保养方法 2 0 进行不同材质 不同孔 隙率透水地砖的蒸发试验研究 以探讨透水砖的材质 空隙率 表面颜色对其强度及表 面温度的影响 2 1 通过多孔混凝土吸声系数试验研究不同孔隙率 不同噪音频率对多孔 混凝土吸声性能的影响 2 1 北京市市政工程研究院研究生张爱江利用模型试验并结合试验路的铺设和性能监 测 对透水性步道的材料和结构进行了较为系统的研究 推荐出了用于北京地区的材料 与结构型式 4 北京交通大学博士生关彦斌将理论分析与试验研究相结合 分析透水性 沥青路面的透水机理 提出了透水沥青路面渗透分析模型 依据沥青混合料集料最大粒 径建立了透水性沥青混合料雨水渗透的随机网络模型和数学模型 从控制地表径流的角 度 利用雨水渗透模型建立了透水性沥青路面结构设计参数 提出了基于控制地表径流 的透水性沥青路面典型结构型式 2 2 1 2 0 0 5 年北京路政局开展了 北京市城镇透水人行道应用研究 并通过试验路的铺 筑总结出许多应用经验 编制了 北京市透水人行道设计施工技术指南 其内容涵盖 了透水人行道的设计 施工 质量检验和竣工等方面的内容 以供北京市类似工程作为 参考 该技术指南的设计部分包括结构层厚度计算 结构层组合设计以及各个结构层的 具体设计要求和排水设计 指南从北京地区实际情况出发 对透水人行道的一些设计指 标作出具体规定 结构层厚度主要从满足透水 储水功能以及抗冻要求的角度来进行确 定 根据透水人行道各结构层的不同功能及特性推荐供不同设计条件下选用的典行结构 5 l o 我国台湾地区对于透水性铺面的研究较为体统和深入 其主要手段是基于现场足尺 的实体试验对透水铺面的透水效益和生态效果进行研究 总结铺面结构和材料的设计经 验 以下是在台湾透水铺面试验实体中较为成功的例子 1 新店透水性铺面 将不同的透水铺面施设于基地上 运用截留雨水进行人造雨场的施作进行透水观察 与比较 利用地温计 红外线表面温度量计 移动式气象站 土壤水分仪 通过远端传 9 第一章绪论 输进行观测 考察透水铺面减少地表径流的效果 保水功效 缓解热岛效应的功效等 2 观音国小人行步道 旨在通过观测验证透水铺面较一般铺面在降低环境温度 提高舒适度 降低酷热指 数等方面的优势 3 中正大学停车场 停车场车道为透水沥青混凝土 停车区为透水砖铺面 旨在考察透水铺面对改善大 地渗透能力 降低地表及环境温度的效果 以上试验性透水实体的铺筑 大大方便了台湾研究者对透水铺装的研究 在透水铺 装综合设计方面 中央大学林志栋教授 针对中正大学停车场的破坏 从材料 气候 交通 设计四个方面分析其破坏原因 提出了透水铺装选址对于下垫土壤的要求 以及 透水铺面所能承受的交通类型 中央大学的刘耀斌 针对透水铺装的选址 结构设计及 铺面性能评价都给出了较明确的方法和指标要求 在选址方面 提出要根据当地水文 地文 人文三方面情况来决策 在结构设计方面 提出了综合交通条件 材料特性 气 候环境来进行设计 在性能评价方面 主要提出了铺面的透水性 耐久性及安全性的评 价方法与标准 如材料的渗透系数 孔隙率 吸水率 抗弯强度 抗压强度等 6 1 中央 大学叶铭钦以发展透水性铺面咨询系统为主题 采用专家问卷的方式 搜集专家经验与 看法 架构透水性铺面专家咨询系统 系统内容包括规划调查 铺面设计 材料与施工 检验 铺面维护与历史资料库 该系统还可对不同施工方式 材料使用进行工程成本的 计算 以作为资源分配的依据 系统整合了透水性铺面工程案例与专家经验 以做为将 来透水性铺面的设计与相关研究的参考依据 2 3 i 目前国外一些科研机构开发了几种可用于结构体水文分析和透水铺面结构设计的 软件 如p c s w m m l o c k p a v e 等 并有研究人员对运用其进行铺面设计的可行性进 行研究 极大方便了透水铺装的分析和设计 1 3 3 课题研究的必要性 由于透水铺装具有良好的生态环保 节约资源及交通安全等方面的效果 它的大规 模应用将成为我国城市建设发展的必然趋势 在透水铺装应用之前 应该提出一整套透 水铺装结构与材料的设计 施工 养护 评价体系 目前国内外对透水铺装的研究重点 主要集中在透水铺装的功能评价上 对于铺装结构以及透水材料的设计研究不够系统深 入 1 0 长安大学硕上学位论文 透水铺装因其功能特点鲜明 其工作特性明显区别于 般的铺装和道路 因此 对 透水铺装的设计也应体现出其透水功能的特点 而目前国内外尚无专门针对透水铺装系 统的设计体系 目前 关于透水铺装的结构设计方法主要存在以下几个问题 1 以经验法为主 就目前国内外对透水铺装的结构设计而言 大多还是通过对工程实体的使用和监测 来总结经验或通过问卷调查等手段 借助专家的经验来进行设计 这种结构设计方法很 难为透水铺装的大规模应用提供科学的 可信的依据 2 结构设计与透水功能设计结合不紧密 透水铺装最大的特点是其透水性与自身承载力之间的矛盾 这应该成为透水铺设计 的关键问题 透水铺装的结构设计也应以这一根本矛盾为基础 将透水功能设计与承载 力设计统 n 结构设计体系中 而目前透水功能部分的设计在整个结构设计中的地位不 明确 作用不明显 这容易造成设计成果在应用时出现透水功能差或易于破坏等问题 3 设计方法不完善 当前对透水铺装的研究已经开始注重从交通 环境 材料等多个方面入手 综合分 析透水铺装的各方面问题 但在现有的透水铺装的结构设计方法中并没能很好地融合这 些因素 使得设计方法无法同时体现交通 环境作用以及结构体自身特性等设计要素 设计体系不够完善 鉴于目前透水铺装结构设计存在以上诸多问题 有必要对透水铺装进行新的探索和 研究 以期找到一个完善的 系统的透水铺装结构设计方法 1 4 主要研究内容与技术路线 1 4 1 主要研究内容 本文在总结分析国内外对透水铺装的应用经验基础上 归纳具有代表性的透水铺装 类型 以平衡透水功能与承载力之间的根本矛盾为中心线 分别从透水功能 材料特性 承载能力等三方面进行分析 并最终将这三方面进行统一 形成一个完整的设计体系 具体研究内容包括 1 透水铺装结构组合研究 通过对国内外透水铺装结构常用组合方案进行汇总和分析 提出各结构层的功能作 用 并提炼出有代表性的典型方案进行分析 1 l 第一章绪论 2 透水材料特性分析 通过对透水铺装常见病害的分析 找出其承载能力减弱原因 以对透水铺装材料进 行针对性研究 提出相应的材料设计方法和性能改善措施 3 透水铺装结构承载力特性 针对不同铺装结构 提出相应的结构承载力分析方法 确定适合于透水铺装材料的 设计参数及结构设计的控制指标 以体现水分对铺装材料的作用 使结构设计更加合理 4 透水铺装的透水设计 透水设计是透水铺装结构设计的根本 本部分内容旨在明确透水铺装的透水机理 以提出合理的透水设计方法 了解铺装的透水功能特性 使透水设计更好地做到因地制 宜 1 4 2 技术路线 本文针对透水铺装 以平衡 透水与承载力的根本矛盾 为中心线 以提供 结构 设计思路与方法 为目的 对透水功能 材料性能 承载特性分别进行分析 在研究中 找出其结合点 最终提出合理的透水铺装设计方法 长安大学硕士学位论文 第二章透水铺装结构组合设计 2 1 透水铺装常用材料 透水性铺装作为一种特殊的铺装类型 从铺装顶面至土基的各个结构层都要具有较 高的透水性能 才能达到其功能性的要求 同时又要保证其具有较好的承载能力和稳定 性 这就从结构组合和材料设计两方面对透水铺装提出了较为特殊的要求 透水性铺装 的材料组成设计与使用性能的优劣 直接关系到合理结构方案的确定 因此 选择合理 的透水性材料用于透水铺装结构十分重要 以下总结国内外常用的透水性铺装材料及其 用于不同结构层时应满足的要求 2 1 1 透水性联锁块 透水性联锁块是目前人行道 广场 停车场等城市公共铺装应用最为广泛的面层材 料类型 如透水砖 植草砖等 这类面层材料主要利用自身空隙 块体间的接缝 砖体 的镂空部分等渗透雨水 从而获得较为理想的透水效果 面层由块体相互拼接咬合形成 借助于块体之间的嵌锁作用来抵抗一部分的永久变形 同时块体间的相互作用能将竖向 应力变为水平推力 这种作用被称为 拱效应 这使得联锁块层具有一定的扩散荷载 能力 2 5 联锁块类铺面整体性差 表面接缝多 平整度不好 不利于车辆顺畅行驶 但由于 其经济性好 适应变形能力强 施工与维作方便 且其透水性容易保持 故在透水铺装 中的应用前景良好 块体类透水铺装材料在应用时应注意选择合适的类型 拼接方式以及块体自身渗透 系数以保证足够的透水性 还应控制块体的抗压强度和抗折强度等指标以保证块体不因 自身强度不足而出现断块或破损 2 1 2 透水性沥青混合料 目前国内对透水性沥青混合料的应用较为成熟 主要是将其应用于高等级公路上面 层 以及为解决路面水损坏问题在路面结构内部设置沥青稳定碎石排水基层 此类材料 系骨架空隙结构沥青混合料 其空隙率可达到2 5 甚至更高 混合料内部的空隙呈连通 状态 从而为水分提供下渗和排出的路径 透水性沥青混合料应用于透水性铺面 主要是在对透水铺面承载力有较高要求的场 合 如在停车场和行车道中将其作为铺装结构的面层或基层 因此 除需保证沥青混合 第二章透水铺装结构组合设计 料具有足够的空隙率或渗透性 以使雨水能及时下渗并具有足够的临时贮存水分的空间 外 还要保证材料的承载能力 利用沥青混合料较高的抗压回弹模量避免铺面在车辆作 用下过早出现沉陷 开裂 推移等破坏 此外 沥青混合料在水浸湿和动水冲击下的水 稳定性也十分重要 2 1 3 透水性混凝土 透水性混凝土 也称多孔混凝土 是介于水泥稳定碎石和普通混凝土之间的一种贫 混凝土 采用开级配组成和较水泥稳定碎石更高的水泥用量 以保证形成大孔隙和获得 较高弹性模量 2 6 1 透水性混凝土由于有较高的水泥用量 其强度和抗剥落能力都要强于 大空隙水泥稳定碎石材料 由于其整体性较强 强度较高 在透水铺面中被用作面层材 料 并可获得很好的使用效果 在某些特殊场合 透水性混凝土也被用作透水基层 以 期大幅度提高铺面结构整体刚度 透水性混凝土作为透水面层 铺面强度得到很大的提高 但应注意保持透水混凝土 长期具有较高的渗透能力 此外 由于透水性混凝土属刚性整体类材料 而其细集料用 量很少或没有 导致其抗折强度降低 故应注意其下基层的设计 防止面层发生断裂 2 1 4 大空隙水泥稳定碎石 在大空隙级配粒料中掺加少量水泥 可以弥补级配碎石粒料排水基层在施工时不易 整平压实 强度低 抗变形能力差的缺点 由于水泥细料占据少量的空隙 水泥处治后 的碎石粒料的透水性有所下降 但由于水泥稳定类材料具有较强的整体性和刚度 使其 成为透水铺面一种具有优势的基层材料 在应用大空隙水泥稳定碎石基层的场合 主要目的应在于为铺面提供坚强的承载平 台 使铺装结构整体不因车辆荷载作用出现较大的变形影响使用性能 因此 透水铺装 对于大空隙水泥稳定碎石的要求在于保证一定的空隙率的同时 必须具有较高的承载能 力 抗压 抗弯拉 以提高结构整体承受车辆荷载的能力 2 1 5 级配碎石 级配碎石是透水性铺装基层材料的主要类型 透水铺装