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(fā)展，越來越多的農(nóng)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(huán)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(tài)技術的新區(qū)域。綠色屋頂具有調(diào)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(tài)功能[2]。綠色屋頂?shù)某霈F(xiàn)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?shù)钠露扰c屋面的雨水控制及整體安全密切相關，但是當前全球?qū)G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(tǒng)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(fā)對這個問題進行分析研究，得出種植土內(nèi)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?shù)墓こ虒嵺`有重要的指導意義。

1 綠色屋頂?shù)姆诸惣皹嬙?/h2>

1.1 綠色屋頂?shù)姆诸?/h3>

根據(jù)JGJ 155—2013《種植屋面工程技術規(guī)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(jù)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(jù)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?shù)臉嬙?/h3>

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?；▓@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?shù)臉嬙烊绫?所示。

2 國內(nèi)外綠色屋頂允許坡度的規(guī)定

不同規(guī)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(guī)程》規(guī)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(fā)雨水系統(tǒng)構建（試行）》規(guī)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(zhèn)內(nèi)澇防治技術規(guī)范》規(guī)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(guī)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(guī)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(guī)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(fā)單項設施及雨水利用系統(tǒng)標準圖集（第二版）》規(guī)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(guī)劃與設計導則（試行）》規(guī)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(guī)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(nèi)外相關規(guī)范及圖集均對綠色屋頂?shù)脑试S坡度有相關要求，國內(nèi)綠色屋頂?shù)淖畲笃露纫?guī)定未完全統(tǒng)一，主要集中于15%～50%。美國《紐約州雨洪管理手冊》規(guī)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(nèi)相關規(guī)范及圖集規(guī)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(nèi)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?shù)耐寥缽姸?，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?nèi)摩阻力和黏聚力，其中土壤的摩阻性質(zhì)主要由土壤的內(nèi)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(shù)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?zhàn)ぞ哿Φ囊蛩厥峭寥婪肿右π纬傻墓袒ぞ哿驮拣ぞ哿ΑＴ拣ぞ哿χ傅氖峭寥李w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(chǎn)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?jīng)Q定性作用的是連接強度，摩擦力起到輔助作用。從研究數(shù)據(jù)可以得知，紅黏土的內(nèi)摩擦角、黏聚力和土壤含水率呈現(xiàn)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(nèi)摩擦角，而這2個因素又會影響到坡體的整體穩(wěn)定性，但是黏聚力對坡體的影響呈現(xiàn)出先大后小的趨勢，而內(nèi)摩擦角則與坡度的穩(wěn)定性系數(shù)呈現(xiàn)正比例關系。

當前對土壤抗剪強度產(chǎn)生影響的因素主要包括土壤的性質(zhì)、結構狀態(tài)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(tài)，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(jù)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(shù)[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(nèi)摩擦角。

庫侖公式在τf-σ坐標中表現(xiàn)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(xiàn)出正比例關系，土粒之間的鑲嵌作用和滑動摩擦作用，會產(chǎn)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(xiàn)正比例關系；二是土地之間的黏聚力，這個力產(chǎn)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(diào)查發(fā)現(xiàn)，判斷土的抗剪強度，應該從土壤性質(zhì)、排水條件、剪切速率、應力狀態(tài)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(zhì)是抗剪強度的計算確定。綠色屋頂?shù)奶钔翞樗靥钔?，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(jù)庫侖公式得出內(nèi)摩擦系數(shù)μ＝tan φ＝f/P。由此可知：當屋頂坡度角α大于內(nèi)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(nèi)摩擦角。

4 結語

1）用于種植屋面的素填土的內(nèi)摩擦角是影響綠色屋頂允許坡度的重要因素，綠色屋頂?shù)脑试S坡度宜小于相關素填土的內(nèi)摩擦角。而不同地域素填土的土質(zhì)不同，即相應的內(nèi)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(zhì)差異。若綠色屋頂?shù)奶钔敛捎卯數(shù)厮靥钔?，應根?jù)所在地的地勘報告進行設計。通過整理參考長沙市區(qū)相關地勘報告，其大部分素填土的內(nèi)摩擦角均大于15°。

2）現(xiàn)有規(guī)范及各地海綿圖集對綠色屋頂允許的最大坡度的規(guī)定并不統(tǒng)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?shù)姆阑胧?/p>

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(huán)境存在的問題與治理對策[J].資源 節(jié)約與環(huán)保,2014(6):85.

[2] 陸蕓.綠色屋頂?shù)纳鷳B(tài)效益研究[D].北京:北京林業(yè)大學,2016.

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

[4] 楊沖,左雙英.持續(xù)降雨對土質(zhì)邊坡穩(wěn)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.