透水性鋪面設計

一、鋪面結構

透水性鋪面之鋪設過程包括結構設計、材料選用、施工及後績維設等階段，

遂水性鋪面依其用途，及為達到鋪面所需之承載強度及透水性，鋪面鋪設之需求 如以下各節所述。

透水性鋪面設計流程依其用途區分為○1車行道鋪面及○2人行道鋪面，車行道 鋪面為具有車輛行駛之中低承載道路、停車場或廣場等，鋪面承載設計對象為「車 輛」，其需考慮交通童及一般試驗室易於求出之CBR(California Bearing Ratio) 等設計條件，並以此設定鋪面之所需承載厚度。

人行道之設計承載對象為「人」，如步道、徒度區、腳踏車道或徒步廣場等。

透水性鋪面(包含有面層、底層、過濾層與路基等層)各層之材料以具有足夠之孔 隙率及透水能力，藉以蓄存及入滲所設計之降雨強度，設計之降雨強度愈大，鋪 面之厚度隨之增加，因此，在經濟戒本及設置鋪面附屑排水設施之間必須有最佳 化之分析過程。簡言之，遂水性鋪面之設計原則如下所示:

1.車行道鋪面：考慮交通量、CBR值、保水量及降雨強度等，以能承受交通荷重 應有厚度及透水功能之鋪面。

2.人行道鋪面：鋪面面層不積水為主，提供行人舒遇性之透水性鋪面。

二、透水鋪面結構

透水性鋪面之基本構造由上而下依序為面層、底層、過濾層及基層構成，如 圖所示。面層不採用一般鋪面之瀝青透層及黏層，以免阻礙雨水滲透，底層具有 承受面層之承載壓力，並具有儲留雨水之功能，人行道承載設計較低，底層一般 設計為單一層次，車行道之承載設計較高，底層分為上層底層及下層基層，過濾 層在雨水向路基滲透時，具有過濾的作用，且能防止路基土壤侵入底層。並將日 本常用透水性鋪面型式列於表5-1，以供參考。

鋪面橫斷面坡度之決定應考慮(1)鋪面厚度不足應付所推估雨量時，藉助該 坡度排除鋪面的水(2)方便與其他鋪面銜接(3)人行道則考慮用路行人之舒適 性，因此人行道之橫斷坡度以l~3%，車行道之橫斷坡度為2~3%。

圖5-1 透水鋪面基本結構剖面圖

表5-1 日本常用之透水性鋪面形式

第二節 台灣透水性鋪面設計

近年來，連鎖磚與透水磚鋪面廣為採用，其主要用途在於人行道、街道以及 停車場等等範圍。本研究將針對人文、地文與水文之觀點出發，配合鋪面力學之 觀念進行一系列之力學分析與探討，爾後根據所得之結果，建立一設計法以供國 內連鎖磚與透水磚鋪面應用。連鎖磚與透水磚鋪面應用已行之有年，其主要設計 斷面型式以及主要力學機制如同圖5-2所示。圖5-2為連鎖磚／透水磚鋪面斷面 圖，在以往研究中，不論連鎖磚或是透水磚鋪面，其最大水平拉應變以及最大鉛 直應變產生之處與柔性鋪面相同，因此在進行連鎖磚／透水磚鋪面之分析以及設 計時，大多參考以往柔性鋪面之分析與設計方法法。

一般而言，連鎖磚／透水磚鋪面排列方式與其型狀多不相同，而最常見的型 狀多為長方型，其最常被使用之排列方式如圖5-3所示。當其鋪面受到荷重作用 而產生推擠之作用，如圖5-4中，當B磚受到荷重而產生位移後，即會對兩旁之A、

C兩磚產生推擠之行為，並且產生向上翹起之現象，在經過交通荷重後則容易造 成透水磚或是連鎖磚斷裂之現象。並且當透水磚與連鎖磚之排列方式、以及形狀 之不同，亦會對其鋪面產生不同之推擠效應，其如同圖5-6之示意圖所示。亦當 其磚受到荷重作用時，由於其所產生之位移以及旋轉之現象，即會對其磚間之接 縫（joint：其接縫中以砂做為填補材料）產生不同之影響（圖5-6），因此磚與 磚間之應力傳遞、位移與變形之效應將為研究中力學分析所討論之重點。

國外許多專家學者已利用有限元素法，針對透水磚與連鎖磚鋪面之力學行為 進行分析與比較。Nejad研究中指出，當利用有限元素法進行分析時，若採用三 維有限元素法並且將其材料設定為非線性材料，其結果與真實最相近。然而其研 究中主要亦還是針對個案進行探討，諸如接縫之模擬、墊層砂(bedding sand) 之模擬、基層與底層之模擬等等，其適用性皆尚有發展之空間。因此未來在力學 分析之方向將朝向透水磚以及連鎖磚鋪面之特性分析方面，以期找出真正能代表 此一鋪面型式之參數，以利未來進行分析以及設計。

圖5-2 連鎖磚／透水磚鋪面斷面圖

圖5-3 連鎖磚／透水磚鋪面磚塊排列方式示意圖

圖5-4 連鎖磚／透水磚受力後向外推擠示意圖

圖5-5 不同磚形狀、排列方法所產生之推擠效應圖

圖5-6 磚鋪面受到荷重後其接縫產生之效應

ㄧ、連鎖磚與透水磚鋪面基底層厚度設計法

連鎖磚與透水磚鋪面之基底層厚度設計方法已有諸多學者提出，其主要之力 學反應如同柔性鋪面，雖然已有許多學者針對其提出基底層厚度設計法之建議，

但其大多皆以AASHTO 93 Design Guide做為設計法之主要考量依據，以下將就連 鎖磚以及透水磚鋪面主要設計法進行介紹：

連鎖磚鋪面之基底層厚度設計法，有美國連鎖磚鋪面協會（Interlocking Concrete Pavement Institute，ICPI）提出建議以及設計流程，其設計法之主 要參考依據為AASHTO 93 Design Guide中之柔性鋪面設計法，而AASHTO設計法主 要是以結構數（Structural Number，SN）之方法考量之，美國連鎖磚鋪面協會 之設計法則是將透水磚、連鎖磚與墊層砂(bedding sand)視為一層，其層係數之 考量與瀝青混凝土面層之層係數相同皆為0.44。在其設計流程中，先以交通量

ESAL做為交通荷重，再利用現地路基土壤之CBR值或是Mr值，根據其設計之參考 圖表即可進行基底層厚度之設計。並且在基底層厚度設計法中不僅可以利用級配 粒料層做為基底層厚度設計材料，亦可採用瀝青或是混凝土處理層之方式做為基 底層。在其設計流程中即可針對地區性之不同需求進行考量與評估，以求得一最 適合之連鎖磚或是透水磚鋪面基底層厚度與材料種類。

在英國預鑄混凝土協會（British Precast Concrete Federation ，BPCF）

所推廣的InterPave在其設計手冊中，亦提供了一系列的透水磚鋪面的設計法，

其主要將設計方法分為水文設計因子以及荷重因子，其將降雨量之觀念導入，其 先行利用全英國各城市不同r因子（60分鐘之降雨深度比上兩天最大之降雨深度 之比值）之方法，配合交通荷重以及現地試驗，即可進行鋪面厚度之設計，其設 計流程如同圖5-7所示。

雖然英國預鑄混凝土協會所建議之設計法己將降雨量此一因子納入鋪面設 計法之考量，然而其交通荷重與一般國內之交通荷重參考方式並不相同，在國內 交通荷重之方式考量方式為ESAL，而在此一設計法中以幾種不同車款之總重之方 式進行考量，如此較無法完整的代表交通荷重，並且其r因子僅針對英國各城市 之狀況進行分析，而台灣之氣候環境與英國亦大不相同，因此未來在設計法之考 量上將先以美國連鎖磚鋪面協會所建議之設計流程做為參考依據，爾後再將降雨 量以及力學分析之觀念導入研究中所建議之設計流程。

二、台灣透水鋪面設計方法

利用國外之柔性鋪面設計方法，用來評估設計透水性鋪面和連鎖磚及透水磚 設計為路基之厚度。加上利用設計雨型之觀念，判斷設計斷面之保水量是否為合 乎設計要求，目前一般設計之保水量約一公尺厚度約可以保存15公分以上之高度 水量。設計上由一小時之降雨廷時所降下之雨量評估，以目前滲透指數約3成左 右，對一小時設計降雨量之滲透量對所設計透水性鋪面厚度是否能承受，圖5-7 為設計流程圖，未來後續研究將進行降雨強度和入滲量之關係量。

圖5-7 台灣透水鋪面設計流程圖

設計方實例

假設將進行半保水性鋪面設計，即為需要一透水性面層、透層、及透水性級 配層。假設值:

設計區域：商業區、住宅區道路

設計交通荷重：8.4×105 ESALs（20年）

現地試驗CBR、Mr值：Mr值=4500 psi

由條件中已知其設計交通荷重，並且己得知Mr值為4500 psi，因此可直接利 用下圖5-8，求得當底層材料為粒料級配時，其厚度為13 英吋約35公分厚，如圖 5-9(a)中所示。

若欲再增加其底層之保水量，可再增加一層基層。其底層採用級配，若欲再 增加一基層，需先行求得僅採用底層時之厚度，如同上述底層為粒料時，其厚度 為13英吋。其底層可採用最小之設計厚度4 英吋或是4英吋以上之厚度，此時基

層則為原來13英吋減去所欲採用之底層厚度，亦即13英吋減去4英吋，再將剩下 的厚度乘以其基層修正因子（如表1所示），以粒料底層為例，需將剩下之9英吋 乘上1.75倍，因此可得到基層厚度為15.75 英吋約45公分厚，其設計斷面示意圖 如同圖5-9 (c)所示。在完成所有不同斷面狀況之厚度設計後，可根據不同地區 特性所需要之功能性以及工程經濟性等等方面進行設計斷面之選擇。

表5-2 基層厚度修正因子表

底層種類 基層厚度修正因子

粒料 1.75

瀝青處理底層 3.4

混凝土處理底層 2.5

圖5-8 底層採用粒料時之設計圖

圖5-9 不同斷面設計圖

假設基底層之等效水力傳導係數為1×10-3 cm/sec、現地乾密度 1850kg/cm3、含水量9.5％可計算可以得到下表

表5-3 不同設計厚度之保水量

各層等效水力傳導係數 各層保水量 透水性基底層35公分厚 1 × 10-3 cm/sec 6.2cm 透水性基底層45公分厚 1 × 10-3 cm/sec 8.0cm

(a) (b)

(d) (c)

下圖5-10為當地之5年設計雨型，其累積雨量為1238.9mm，以入滲指數40%。

圖5-10 5年設計雨型圖

在排水系統的水平滲流之水力傳導係數為Kx=1×10-3 cm/sec，排水孔大小(A) 為10×10cm2離路面35cm(i)，所以排水量q=KxiA=0.35cm3/sec。假設鋪面面積大 小為(200×400)cm2，取厚度為45cm斷面為一個排水孔。

在以入滲量一半時，預估前5分鐘時降15cm的雨量有一半滲入於透水鋪面 中，相常於6cm保水量。對於設計值8cm保水量還能承受此設計雨型，且在鋪面設 計時還有多一個排水孔考慮進去。所以在設計上應可以接受

由於降雨強度和滲入量之關係尚未建立，預估於結案報告時完成實驗和分

由於降雨強度和滲入量之關係尚未建立，預估於結案報告時完成實驗和分