綠色屋頂允許坡度的探討

藍 翔 鄧征宇 周 文 吳羽璇

中機國際工程設計研究院有限責任公司 湖南 長沙 410007

當前我國城市化不斷發展，越來越多的農村居民開始進入城市當中，成為城市居民。在此過程中需要城市大量構建建筑物，從而導致城市污染問題日益嚴重[1]。除此之外，城市當中的空氣污染、水污染、熱島效應等，也極大影響了居民的生活環境。屋頂是城市不透水下墊面的重要組成部分之一，在城市用地緊缺、土地資源利用不充分的情況下，屋面已逐漸成為了一個運用生態技術的新區域。綠色屋頂具有調控徑流、減少建筑熱負荷、為野生動物提供棲息地、減少噪聲和空氣污染等生態功能[2]。綠色屋頂的出現為由城市化引起的雨洪及面源污染問題治理提供了新的思路[3]。

綠色屋頂的坡度與屋面的雨水控制及整體安全密切相關，但是當前全球對綠色屋頂坡度的研究較少，工程實踐中采用的標準相差較大，沒有統一標準，造成設計及施工過程無法可依。本文從土力學的角度出發對這個問題進行分析研究，得出種植土內摩擦角是影響綠色屋頂最大允許坡度的重要因素這一結論，對綠色屋頂的工程實踐有重要的指導意義。

1 綠色屋頂的分類及構造

1.1 綠色屋頂的分類

根據JGJ 155—2013《種植屋面工程技術規程》[4]定義，綠色屋頂是鋪設了種植土或放置了容器，以種植植物的建筑面屋頂或地下建筑頂板。依據屋面的種植情況，綠色屋頂主要分為花園式種植和簡單式種植2種。簡單式種植屋面為僅種植地被植物、低矮灌木的屋面，花園式種植屋面為種植喬灌木和地被植物，并設置園路、坐凳等休憩設施的屋面。根據屋面坡度，綠色屋頂則分為綠色平屋面和綠色坡屋面，其中坡度小于3%的為綠色平屋面，坡度大于3%的為綠色坡屋面。

1.2 綠色屋頂的構造

綠色屋頂主要包括蓄水層、排水層、過濾層、種植層和植被覆蓋層這幾個組成部分，如圖1所示。

當前用于綠色屋頂種植的土壤，主要是無機種植土和改良土，土壤厚度一般為100～300 mm。花園式屋面種植土的種植厚度通常為300～600 mm，當種植大喬木時，厚度通常不小于900 mm。典型綠色屋頂的構造如表1所示。

2 國內外綠色屋頂允許坡度的規定

不同規范及各地海綿圖集對綠色屋頂允許坡度要求不同，例如：

圖1 典型綠色屋頂結構示意

表1 典型綠色屋頂構造選用

1）JGJ 155—2013《種植屋面工程技術規程》規定：屋面坡度大于等于20%時的種植屋面設計應設置防滑構造，屋面坡度大于50%時不宜做種植屋面。

2）《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建（試行）》規定：綠色屋頂適用于符合屋頂荷載、防水等條件的平屋頂建筑和坡度≤15°的坡屋頂建筑。

3）GB 51222—2017《城鎮內澇防治技術規范》規定：當屋面坡度不大于15°時，可設置綠色屋頂。

4）圖集14J206《種植屋面建筑構造》規定：綠色屋頂適用于10%～50%坡度，屋頂坡度在20%以下不考慮防滑，20%～50%做防滑設施，大于50%不考慮做綠色屋頂。

5）《上海市海綿城市建設技術標準圖集（試行）》規定：屋面坡度大于15°時不宜做綠色屋面。

6）《廈門市海綿城市建設技術標準圖集（試行）》規定：屋頂坡度在20%以下不考慮防滑，20%～50%做防滑，大于50%不考慮做綠色屋頂。

7）《海綿城市建設技術——低影響開發單項設施及雨水利用系統標準圖集（第二版）》規定：屋頂坡度在10%以下不考慮設置防滑構造，坡度在10%～30%時的種植坡屋面設計采用防滑構造。

8）《長沙市海綿城市建設規劃與設計導則（試行）》規定：地下室頂板和屋頂坡度小于15°的單層或多層建筑宜采用綠色屋頂技術。

9）《紐約州雨洪管理手冊》規定：可在平屋頂或坡度不超過30%的屋頂上安裝綠化屋頂，前提是采用專用捆扎和侵蝕控制裝置。

坡度及角度的對照情況如下：當坡度為15%、20%、30%、40%、50%時，對應角度分別為8.53°、11.30°、16.69°、21.80°、26.56°；當角度分別為15°、20°、25°、30°、40°時，對應坡度分別為26.79%、36.39%、46.63%、57.73%、83.90%。

由此可知，國內外相關規范及圖集均對綠色屋頂的允許坡度有相關要求，國內綠色屋頂的最大坡度規定未完全統一，主要集中于15%～50%。美國《紐約州雨洪管理手冊》規定不超過30%坡度的屋面可設置綠色屋頂，但必須采用專用捆扎等防滑措施。國內相關規范及圖集規定：綠色屋頂坡度在20%以下時，可不考慮設置防滑措施；坡度在20%～50%時，應采取防滑措施，防滑措施主要有設置防滑擋墻、擋土板等（圖2），其中綠色屋頂坡度小于30%時，擋土板、擋土墻間距不超過1.5 m，超過該坡度時，擋土板、擋土墻間距不超過1.2 m。

圖2 防滑措施做法示意

3 內摩擦角對綠色屋頂允許坡度的影響

3.1 影響原理分析

當前影響綠色屋頂土壤強度的主要因素是剪切破壞，因此要增強綠色屋頂的土壤強度，就必須增強土壤的抗剪切特性。影響土壤抗剪強度的因素，主要是土壤的內摩阻力和黏聚力，其中土壤的摩阻性質主要由土壤的內摩擦角決定。土壤顆粒越大，顆粒之間的間隙越少，則顆粒和顆粒之間的摩擦力越大，咬合系數越高，此時進行土壤剪切需要耗費更多的能量。當前判斷黏性土的特性指標主要是黏聚力，而影響黏聚力的因素是土壤分子引力形成的固化黏聚力和原始黏聚力。原始黏聚力指的是土壤顆粒之間的分子引力，而固化黏聚力是土壤化合物的膠合作用。

無黏性土之間基本不會產生連結作用，因此無黏性土的抗剪強度主要由顆粒之間的摩擦力所決定。摩擦力與土壤的密實度、密度和含水情況密切相關。決定黏性土壤抗剪強度的因素較為復雜，其中起到決定性作用的是連接強度，摩擦力起到輔助作用。從研究數據可以得知，紅黏土的內摩擦角、黏聚力和土壤含水率呈現出反比例關系，土壤含水量的增加會減小土壤顆粒之間的黏聚力和內摩擦角，而這2個因素又會影響到坡體的整體穩定性，但是黏聚力對坡體的影響呈現出先大后小的趨勢，而內摩擦角則與坡度的穩定性系數呈現正比例關系。

當前對土壤抗剪強度產生影響的因素主要包括土壤的性質、結構狀態和組成等，除此之外，還與形成土壤的應力歷史有一定的相關性。應力歷史以及當前土壤的應力狀態，是決定土壤抗剪強度最關鍵的因素。

3.2 抗剪強度的基本理論

本文中的抗剪強度基本理論引用土力學中的庫倫原理，根據砂土試驗，將土的抗剪強度τf表達為滑動面上法向總應力σ的函數[5]，即τf＝σtan φ。以后又提出了適合黏性土的更普遍的表達式：τf＝c+σtan φ。其中的c是土的黏聚力，φ是土的內摩擦角。

庫侖公式在τf-σ坐標中表現為2條直線，如圖3所示。從庫侖公式可以看出，土壤的抗剪強度與剪切面上的法向應力呈現出正比例關系，土粒之間的鑲嵌作用和滑動摩擦作用，會產生一定的摩擦力，該摩擦力與土壤粗糙度、密實度和顆粒級配等密切相關。當前判斷黏性土壤的抗剪強度主要從兩方面進行：一是土壤的摩擦力，摩擦力與剪切面上的法向應力呈現正比例關系；二是土地之間的黏聚力，這個力產生的原因是土壤顆粒之間的靜電引力作用和膠結作用。黏性土抗剪強度變化范圍較大，摩擦角為0～30°，土壤的黏聚力則是10～200 kPa。

圖3 抗剪強度與法向壓應力之間的關系

研究調查發現，判斷土的抗剪強度，應該從土壤性質、排水條件、剪切速率、應力狀態及應力歷史等方面進行。因此，土的抗剪強度還可以用有效應力σ'表示剪切破壞面上的法向應力，稱為抗剪強度有效應力法，c'和φ'稱為有效應力強度指標。確定土壤抗剪強度主要是確定土粒之間的有效應力，因此庫侖公式可以較為簡便地判斷土壤真實的抗剪強度。當前許多與土工相關的分析方法，都是在此基礎上建立而成，所以本次試驗也使用了庫侖公式。

3.3 綠色屋頂允許坡度的計算

對于綠色屋頂，最上層種植土的防滑問題實質是抗剪強度的計算確定。綠色屋頂的填土為素填土，考慮施工開始時素填土組成及壓實度不高的情況，本次以最不利情況（無黏性土）按上述庫侖公式計算，計算模型如圖4所示。

圖4 綠色屋頂允許坡度計算示意

通過重力分解可知F/P＝tan α，設土摩擦力為f，根據庫侖公式得出內摩擦系數μ＝tan φ＝f/P。由此可知：當屋頂坡度角α大于內摩擦角φ時，土沿坡向分力將大于摩擦力（即抗剪強度），可能引起滑坡，即綠色屋頂坡度角宜小于內摩擦角。

4 結語

1）用于種植屋面的素填土的內摩擦角是影響綠色屋頂允許坡度的重要因素，綠色屋頂的允許坡度宜小于相關素填土的內摩擦角。而不同地域素填土的土質不同，即相應的內摩擦角也不同，在綠色屋頂設計過程中應考慮所用的相關土質差異。若綠色屋頂的填土采用當地素填土，應根據所在地的地勘報告進行設計。通過整理參考長沙市區相關地勘報告，其大部分素填土的內摩擦角均大于15°。

2）現有規范及各地海綿圖集對綠色屋頂允許的最大坡度的規定并不統一，建議在坡度超過26.79%（坡度角為15°）時不考慮設置綠色屋頂，在坡度超過15%（坡度角為8.53°）時考慮設置綠色屋頂的防滑措施。

3）綠色坡屋面在施工時，應注意將種植土壓實，增強密實度，從而提高抗剪強度。

[1] 郭宏,劉紅梅.探討我國城市水環境存在的問題與治理對策[J].資源 節約與環保,2014(6):85.

[2] 陸蕓.綠色屋頂的生態效益研究[D].北京:北京林業大學,2016.

[3] 李俊生,尹海偉,孔繁花,等.綠色屋頂雨洪調控能力與效益評價[J]. 環境科學,2019,40(4):285-292.

[4] 楊沖,左雙英.持續降雨對土質邊坡穩定性影響研究[J].路基工程, 2019(5):6-11.

[5] 趙成剛.土力學原理[M].北京:清華大學出版社,2009.