針對鋪設方磚的人行道路面的排水方法

2019-09-18 06:50:36岳國盛

城市道橋與防洪 2019年9期

岳國盛

（沈陽理工大學，遼寧沈陽 110168）

0 引言

隨著經濟的發展，鋪設方磚的人行道目前非常普遍。這種人行道便于清掃，路面平整，給人們的生活帶來方便。可是，這種非常普遍的人行道，在出現降雨的時候就影響人們的出行，其原因就是路面的積水。關于路面排水的研究大多針對機動車道路[1-2]，而涉及人行道排水的較少。這里對人行道的排水問題做初步分析，由于路面平整，并且方磚的下面為混凝土層，所以整個人行道路面基本不能滲水，這就是路面積水的原因。從這個原因出發，有以下兩種克服積水的方法：（1）將方磚鋪設的路面改為弧形，即路面中心線高，兩側低。這種方法在實際施工中采用不多，可能與成本相關，并且對方磚的上表面形狀也提出了新要求；（2）在鋪設的方磚之間保留縫隙。在縫隙處可以填沙土或碎沙粒。本研究圍繞第二種方法進行。

1 研究方法

1.1 縫隙寬度對行人腳部的不適程度

由于方磚之間的縫隙邊緣會導致行人的鞋底變形，從而引起腳部不適。研究過程主要考慮了方磚間縫隙尺寸。我們在行走過程中，腳部的主要受力區域為前掌和后跟，較多文獻曾對此進行過研究。這樣，腳部的不適可以分解為前掌不適和后跟不適。在我們行走過程中，足底是周期性地與地面接觸，只有我們的腳踏在方磚間的縫隙上面時才會引起不適。為了方便，行走過程腳部的不適可以簡化為下面的問題：

假設方磚間縫隙的寬度為w，腳掌的受力部位可以表示為半徑r的圓形區域，并且在整個圓形區域受力均勻。若腳掌部位的受力為F，在方磚之間不保留縫隙時，腳掌所受平均壓強p0=F/（π·r2）；當腳掌踏在保留縫隙的方磚上面時，腳掌的受力面積由于縫隙的存在而減小，此時腳掌所受平均壓強 p1=F/S（w，δ），其中 S（w，δ）為腳掌受力部位不包含縫隙的面積，δ為縫隙中心線與腳掌受力圓形區域圓心的距離，具體見式（1）：

由于方磚間縫隙的存在，所以腳掌所受壓強p1＞p0。如果壓強的增量Δp在腳掌舒適度許可的范圍內，即可保留方磚之間的縫隙。

通過計算發現，若方磚間縫隙w保持不變，腳掌部位壓強的增量Δp與δ負相關；若縫隙位置與腳掌受力中心點的距離δ不變，腳掌部位壓強的增量Δp與w正相關。所以當δ=0時，選取合適的w，就是研究腳掌舒適度的目標。關于腳掌舒適度的直接研究較少，所以間接參考文獻[3～7]中給出的足底壓力以及足底不同部位的接觸面積等測量數據。

為了簡化計算，先將足底不同部位Ri與地面接觸區域映射為圓形Ci，主要考慮前掌、足中和足跟這三個部分。隨著方磚間縫隙w的增大，足底三個區域的壓強增量的計算結果見表1和表2。

由表1、表2可知，隨著方磚間縫隙增大，足底壓強的增量是增大的。w的尺寸不能超過Ci的半徑的0.8倍。若w超過Ci的半徑的0.8倍，足底壓強增量的超過100%。

由于足底的三個區域與地面接觸面積不同，大小依次為前掌、足跟和足中。所以方磚間縫隙的尺寸主要參考足中的接觸面積。至于足底壓強的增量Δp，主要參考正常情況下足底壓強的變化范圍，根據文獻[3～5]給出的數據，足底壓強變化范圍在42%～115%之間，見表3，再根據表1和表2計算得到對應的標準化間隙w/r。

根據表3的標準化間隙數據及足底不同接觸區域映射的圓形面積，可以計算出方磚間的間隙的尺寸w分別對應19.76 mm、20.87 mm、28.15 mm。因此，間隙寬度的尺寸w不超過19 mm，即可滿足行人腳部舒適度的要求。

1.2 縫隙的方向與路面積水的關系

鑒于在方磚之間的縫隙填入沙土或碎沙粒，這兩種材料的滲水能力顯然超過方磚。路面產生積水就是由于方磚的滲水性差。下面定量研究縫隙的尺寸對路面積水的影響。

假設路面的面積為A，單位時間內單位面積的降雨量為Q，方磚縫隙填充物在單位時間內單位面積的滲水量為q，填充物的滲水率可以參考文獻[8]，設方磚的縫隙面積所占比率為k，這樣在單位時間內路面的積水量W可以表示為：

由式（2）可知，路面的積水量隨著縫隙面積所占比率為k的增大而減少。下面給出單位面積內，方磚的縫隙面積所占比率k的計算公式：

其中w為方磚間縫隙寬度，θ為縫隙的方向與人行道中心線的夾角。通過計算發現，對于相同的w，當θ=45°時，方磚間縫隙面積所占比率k達到最大。這就意味著，方磚間縫隙方向與人行道中心線的夾角為45°時，最有利于路面排水。

在人行道內部，隨著方磚間縫隙寬度的增加，縫隙面積所占比率k隨之增大，更有利于人行道路面的排水。

1.3 該方法對人行道建設成本的影響

這里以一條長L m，寬W m的人行道為例。如果鋪設方式不保留方磚之間的縫隙，整個路面需要L·W m2的方磚；若采用保留縫隙的鋪設方式，假設方磚間縫隙面積所占路面的比率為k，則節省方磚k·L·W m2。由于在方磚之間的縫隙填入沙土或碎沙粒，這樣會有一部分填充材料的開支，鑒于這兩種填充物的價格明顯低于方磚的價格，所以這種鋪設方法能夠降低人行道的建設成本。