土工墊加筋生態護坡草皮抗剪特性與固坡性能研究

徐 毅，陳 佳，趙 鋼，潘 毅

(1.江蘇省水利科學研究院， 南京 210017；2.河海大學 港口海岸及近海工程學院， 南京 210098)

*通訊作者：陳佳(1983-)，女，講師，主要從事生態護坡、海岸與航道工程研究。E-mail：2392347988@qq.com

植物根系在土壤中穿插、纏繞形成根系網絡，與土壤形成了一種天然的復合材料，通過種植植物進行固土護坡已有數百年的歷史，但是在水流、降雨等的沖刷、坡體重力與滲流力等的作用下，常常發生局部剝落掀起，甚至整體失穩等破壞。隨著土工合成材料技術的發展，同時為了提高植被護坡的能力，改善其抗水力侵蝕和固坡能力，在原有單純種植草本植物的基礎上，在坡體淺層添加一些土工加筋材料(如三維網墊、土工格柵等)形成土工墊加筋草皮[1-2]，用以提高植被護坡的性能。土工合成材料加筋之后的坡體，既有原本的綠化生態的功能，也增加了抗侵蝕能力，極大增加了植被護坡的可靠性、實用性。

國內較早開展植物根系加筋土相關研究。1995年，周錫九等[3]分析植草護坡草根加筋原理，論證了植草的淺層加固邊坡土體作用的機理，并以詳實的試驗數據證實了坡面植草的淺層加固作用是相當可觀的。楊晨輝等[4]論述了植物柔性邊坡結構所必須具有的特殊功能要求，針對一些特定品種的植物進行試驗對比，篩選出比較好的護坡植物為白三葉與黑麥草等。植物根系護坡已經有了廣泛的應用，但是一直以來植物根系護坡的作用機理尚不明確，文獻[5-12]對植物根系增強坡體土體加固能力的機理與規律進行了探索，研究主要通過土體剪切試驗研究草根加筋土的應力-應變關系及強度特性，試驗結果表明，草根加筋土的強度和抵抗變形的能力有顯著增強。

目前，對于土工墊加筋草皮所形成的新型生態護坡的研究遠遠落后于工程實踐。已開展的土工墊加筋草皮的研究主要集中在其抗水力沖刷性能的研究[13-15]，研究表明與天然植被護坡比較，加入土工墊后能大大提高護坡的抗水流沖刷能力，但并未對其在水流剪切力作用下抗沖刷性能改善的機理進行探討。土工墊加筋草皮抗剪性能的改善正是影響其抗沖刷性能的重要原因，但對于其抗剪能力的研究還鮮有開展。因此，本文對加筋草皮原狀樣進行了室內直剪試驗，獲得了加筋草皮抗剪強度參數，對其強度特性、植被根系和土工墊加筋作用進行了分析，為加筋草皮生態護坡的設計應用提供了參考依據。

1 試驗材料與試驗方案

圖1 應變控制式直剪儀圖2 試驗采用三維土工墊Fig.1 Strain-controlled direct Fig.2 Three dimensional geomat shear apparatus used in testing

本試驗主要研究土工墊加筋草皮的基本抗剪強度特性，通過與素土比較，研究土工墊和植物根系對土體的復合加筋作用。開展不同加筋量試樣比較試驗，分析加筋量對加筋草皮抗剪強度特性的影響。通過實驗室草箱培養加筋草皮，在草箱內使用環刀取樣以獲得直剪試驗需要的原狀樣，然后進行室內直剪試驗。試驗采用應變控制式直剪儀，如圖1所示，試樣內徑61.8 mm，高度20 mm。植草箱尺寸為59 cm×19 cm×20 cm(長×寬×高)，并在底部留有透水孔，選擇有利于植物生長的春季播種。試驗草種為生態護坡工程中常用的黑麥草。所選土工墊為一種聚酰胺單絲纖維所制三維高強土工網墊，如圖2所示，每平方米內含有長達1 400～2 700 m不等的不規則人造絲，厚度為20 mm，強度可達到100 kN/m以上，特有的三維空間結構，使其具有良好的原位保持土體的能力，同時也為植物的生長存活提供了空間。

為了便于試驗過程中在草箱中取樣，采用如下方法：首先根據草箱平面尺寸裁剪相同面積的土工墊，在該土工墊上設計后期取樣的數量和位置，在對應的取樣位置處將土工墊剪出，剪出土工墊為圓形，直徑為61.8 mm，然后將該圓形土工墊的直徑進一步修剪為56 mm左右，這主要是考慮到在進行直剪試驗時，防止直接剪切到土工墊，影響試驗結果；然后將圓形試驗土工墊和母土工墊拼接后鋪設與草箱內，將稱好重量的土體和草籽充分混合，隨后與土工墊混合并適當壓實，保證不同控制草籽密度能在取樣區體現出不同的草根含量。在草箱內分層鋪設表層加筋草墊時，在待取樣圓形區域的圓心處插入一根直徑、長度適當的標記桿，便于后期取樣，如圖 3所示。

在進行取樣深度范圍(即三維土工墊厚度，2 cm)土體填筑時，通過控制土體質量分層鋪設壓實，保證該區域土體具有相同的初始密度。所采用填筑土體不僅具有相同的含水量，且預先與設計重量(1.8 g、3 g)的草籽混合均勻。通過分層鋪設壓實土體直到土工墊頂面，使得混有草籽的土體嵌入到三維土工墊的空隙中，形成土工墊加筋土。考慮到土體自重以及后期養護澆水引起土體沉降，避免出現土工墊暴露的情況，在土工墊頂面以上繼續覆約1 cm厚土體，最后播散有機肥料(標準為1 kg/m2)。

在播種完畢后的前兩周，使用無紡布對樣品進行覆蓋，早晚各澆水一次。對草體進行持續養護，在養護3個月后進行取樣、開展試驗。試驗中共取素土試樣6個，加筋草皮試樣18個，其中12個為含水量較高試樣(約22.9%)、6個為含水量較低試樣(約16.7%)，選擇初始條件基本相同的三個試樣進行不同豎向壓力作用下直剪試驗，相同參數試樣進行兩組平行試驗以保證試驗精度，試樣具體參數指標如表1所列。剪切試樣取樣示意如圖4所示，植草箱原位現場取樣如圖5所示。

圖3 植草箱土工墊鋪設與植被生長Fig.3 Geomat installation and grass growth in cultivation box圖4 取樣示意Fig.4 Diagram of sampling圖5 植草箱原位現場取樣Fig.5 Photo of sampling in cultivation box

試驗在設計時，以播種草籽的質量梯度來控制原狀樣試樣的根系含量，但在草體生長過程中發現，由于試驗場地、光照、含水量的不同，每盆草的生長情況無法完全一致，這也導致了含根量的梯度與播種草籽質量梯度不完全一致。基于此，試驗中將每組剪切完成的試樣全部取出，小心取出試樣中所有的土工墊和根系、分別稱取其質量，并將土體烘干獲得試樣干土質量，將根系和土工墊總重量與干土重量之比定義為加筋量。

2 土體強度特性分析

圖6 素土和加筋草皮位移-應力變化曲線Fig.6 Shear stress-strain of fallow soil and turf reinforcement mat

圖6為不同豎向壓力下素土和加筋草皮位移-應力變化曲線。從圖中可以看出，素土和加筋草皮的位移應力曲線均呈現硬化增長趨勢，沒有出現明顯的應力峰值。根據《土工試驗方法標準》直剪試驗規定，取剪切位移為4 mm所對應的剪應力為抗剪強度，隨著垂直壓力的增大，土的抗剪強度不斷增大。在相同豎向壓力條件下，素土試樣的剪應力曲線都處于低位，也就是說加筋之后試樣的抗剪力能夠得到提升，土工墊與植被聯合加筋作用能夠在原有土體的基礎上有效增加其抗剪強度。這也驗證了加筋草皮在工程護坡、河道護岸等領域的可行性與有效性。

對比不同豎向壓力下素土和加筋草皮剪切試驗結果看出，隨著豎向壓力的增大，加筋草皮的強度增量是減小的。從圖中可以看出，在豎向壓力為25 kPa、50 kPa和100 kPa情況下，與素土相比，加筋后土體抗剪強度分別提高164.7%、55.3%和40.5%，在低應力水平條件下加筋作用更為顯著。加筋作用在高、低壓載的情況下作用不同，是因為當上覆壓力較小時，土顆粒間較為松散，其咬合和摩擦作用對土體強度貢獻量較小，所以加筋作用明顯，加入根系與土工墊后土體強度提高；隨著上覆壓力的增大，土顆粒間的咬合和摩擦作用對土體強度貢獻量逐漸增大，根系與土工墊的加筋作用貢獻量降低、甚至存在破壞土體完整性、削弱顆粒間咬合的負面作用，因此表現為高壓載狀態下加筋效應趨于不明顯。

表1 加筋草皮與素土抗剪強度指標Tab.1 Shear strength of turf reinforcement mat and fallow soils

按照《土工試驗方法標準》，根據不同豎向應力下試樣抗剪強度，按照Mohr-Coulomb 強度準則，可以計算獲得素土和加筋草皮的抗剪強度指標(表1)。可以看出，加筋顯著增加了土體的黏聚力，但對內摩擦角幾乎沒有影響。這個結果與植物根系土試驗結果類似，表明土工墊在加筋草皮中起到了類似于人造植物根系的作用，同時由于其較強的抗拉強度，所以加筋草皮的黏聚力得到了顯著的提高。

結合實際情況，河道、海岸等岸坡表面的壓載一般不會超過50 kPa，且加筋草皮的應用主要是淺層加筋作用，淺層的壓載主要包括上部土層或水體等壓力，一般來說壓載較小。因加筋草皮應用在河道岸坡時其加筋效應能夠得到較大程度的發揮。

3 加筋量影響分析

圖7為不同加筋量條件下加筋草皮剪切應力與位移關系曲線。從圖中可以看出，試樣位移應力曲線形態一致，為硬化增長趨勢，在剪切位移3～4 mm時接近穩定。在各級豎向壓力作用下，隨著加筋量的增大，加筋草皮的強度均有所增大。在本次試驗中加筋量1.61%試樣在25 kPa豎向壓力下的強度與1.15%加筋量試樣在50 kPa豎向壓力下的強度接近，可見加筋對提高土體強度影響顯著。此外，從圖中剪切應力與位移曲線形態變化可以看出，隨著加筋草皮中加筋量的增加，曲線初始階段斜率也基本有所增大，如加筋量為1.61%的試樣在三種不同的豎向應力水平條件下均表現出較大的初始斜率。這主要是隨著加筋量的增加，植物根系和土工墊在加筋草皮內更容易形成三維空間結構，當受到剪切力作用加筋草皮發生變形后，該三維空間結構能更有效地起到傳遞和承擔荷載的作用，因此僅在發生較小變形的情況下加筋草皮就能承擔較大的外部剪切荷載。當然，曲線初始斜率還與豎向應力水平密切相關，隨著豎向應力水平的提高，加筋草皮的變形斜率一般呈現為增長的趨勢，這主要是加筋草皮的土顆粒在高豎向應力水平下更密實所致，在此時加筋量對斜率的影響有所減弱，即在高豎向應力水平下曲線初始斜率的變化幅度受加筋量影響較小。

圖8為加筋量對抗剪強度影響變化曲線。從圖中可以看出，在各級豎向壓力之下，隨著加筋量的增大，抗剪強度值及其增量均呈增大趨勢。與素土試樣比較，加筋量為1.61%試樣的剪切強度顯著大于1.15%加筋量試樣。當加筋量從0增大至1.15%時，在不同豎向壓力(25 kPa、50 kPa、100 kPa)作用下抗剪強度的增量分別為10.6 kPa、5.9 kPa和4.7 kPa；而當加筋量從1.15%增大至1.61%時，在各級豎向壓力作用下抗剪強度的增量分別為17.8 kPa、16.1 kPa和22.8 kPa，增量顯著增大。這主要是由于當加筋草皮的加筋量較小時，分布于土體內根系與土工墊能各自發揮一定的加筋作用，此時由加筋引起的強度增量主要取決于根系與土工墊材料自身的抗拉強度，主要依靠表面摩擦力來傳遞荷載，但因為加筋量少沒有形成空間網狀結構，所以無法通過根系與土工墊形成的空間結構傳遞與承擔荷載；當加筋量進一步增大至1.61%時，土體內的根系更加發達，與土工墊的相互連接和纏繞作用增強，所形成空間網狀結構的傳力作用逐漸顯現，加筋草皮強度增量明顯。因此，加筋草皮強度與加筋量密切相關，與天然植被相比，土工墊的加入可在植物未生長或生長初期發揮人工根系作用，起到加筋土體增強土體強度的作用，隨著植被的生長根系逐漸發達，加筋草皮中的總加筋量逐漸增加，土體內植物根系與土工墊的相對獨立的加筋作用也逐漸向聯合加筋作用發展，加筋作用更為突出。

圖7 不同加筋量條件下加筋草皮剪切應力與位移關系曲線Fig.7 Shear stress-strain of turf reinforcement mat with different reinforcement content圖8 加筋量對抗剪強度影響變化曲線Fig.8 Influence of reinforcement content on shear strength

圖9 加筋量對加筋草皮黏聚力影響Fig.9 Influence of reinforcement content on cohesion

圖9反映了加筋量對加筋草皮黏聚力的影響，具體數據見表1。從圖中可以看出，在含水量相同的前提下，隨著加筋量的增大，加筋草皮的黏聚力迅速增大，這與剪切應力迅速增大的規律是類似的(如圖 8所示)。隨著加筋量的增大，土工墊與植物根須所構建的三維空間結構逐步完善，在外部剪切力作用下，通過土顆粒與土工墊、植物根系之間的表面摩擦作用將部分荷載傳遞到土工墊和根系，通過它們的抗拉能力承擔了部分荷載，在植物根系和土工墊相互纏繞、連接作用下形成的三維空間結構內也可以直接傳遞荷載，提高了荷載傳遞效率，特別是由于土工墊自身具有良好的抗拉強度和結構性，能夠在發生較小變形時即可承載較大的荷載，這在宏觀力學參數上就表現為黏聚力的增大。因此，土工墊在加筋草皮中起到了骨干網架結構的作用，不斷延伸的植物根系則起到了加密網格結構、加大與土體接觸的作用，使得加筋草皮具備了遠大于素土和植物土的抗剪強度和黏聚力。從圖 9還可以看出，采用指數型函數可以很好的反映加筋草皮黏聚力隨加筋量的變化。由于目前關于根系加筋土的強度測定還沒有統一的方法，隨著土工墊加入又給加筋草皮的現場取樣增加了難度，因此加筋草皮黏聚力隨加筋量指數增加的特點也給加筋草皮抗剪強度的確定提供了一種可能的方法。

4 含水量影響分析

圖10 不同含水量條件下加筋草皮剪切應力與位移關系曲線Fig.10 Shear stress-strain of turf reinforcement mat with different water content

圖10為不同含水量條件下加筋草皮剪切應力與位移關系曲線。從圖中可以看出，在各級豎向壓力作用下，低含水率試樣對應的抗剪強度較大，含水率增大時，抗剪強度降低。本次試驗中加筋草皮均處于非飽和狀態，根據非飽和土力學理論，土體的抗剪強度主要來自于黏聚力、摩擦力和基質吸力，隨著土體含水量的增加，基質吸力會降低，從而造成了抗剪強度的降低。在本次對比試驗中，在各級不同豎向壓力條件下，在加筋量相同的前提下，當含水量從22.9%下降至16.7%時，加筋草皮強度增量分別為4.7 kPa、6.2 kPa和3.3 kPa，該強度增量小于植物根系和土工墊加筋量增大引起的強度增量。

綜合加筋量和含水量對加筋草皮強度的影響可以看出，植物生長對提高加筋草皮的抗剪強度主要體現在力學加筋和水力基質吸力兩個方面。一方面，隨著植被生長土體中的植物根系逐漸發達，根系良好的抗拉性能可以直接起到加筋土體的作用，通過根系拉力和根系表面摩擦力承載荷載，提高土體的抗剪強度；另一方面，土體生長過程中可以消耗土體內的部分水分，一定程度上降低了土體的含水量，使得土體的基質吸力增加，也提高的了土體的強度。此外，植被的莖葉也能在一定程度上起到減小降雨等條件下水體下滲入土的作用。植被生長初期通常對水分的需求量比較大，但此時的人工灌溉作用增加了土體含水量，降低了土體的強度，對護坡穩定性不利，加筋草皮中土工墊的存在彌補了此不足，提高了初期加筋草皮的強度，增加了護坡的整體穩定性，隨著植物根系的發展，與土工墊形成空間網狀結構，更好的起到加筋土體的作用。因此，土工墊在加筋草皮中主要起到兩方面的作用。其一，加筋草皮生長初期，起到加筋土體的主導作用；其二，在土體內植物根系與土工墊構成三維空間網狀結構形成綜合加筋作用，同時利用其抗拉強度高的特點，提高加筋作用。

5 土工墊加筋草皮護坡穩定性分析

從室內試驗可以看出，加筋后土體的抗剪強度有顯著提高，為了分析土工墊加筋草皮對護坡整體穩定的影響，建立了土工墊加筋草皮護坡有限元數值分析模型，采用了強度折減法，研究了表層土工墊加筋草皮對護坡穩定安全系數的影響。

強度折減法分析邊坡穩定是一個非線性的迭代過程，是尋找外力和內力達到平衡狀態的過程，整個計算過程結束時需要有一個合適的判斷標準來衡量岸坡的失穩。失穩判別標準的實質就是隨著土體的粘聚力和內摩擦角逐漸降低，坡體內出現連續滑動面(屈服點連成貫通面)之后，即邊坡失穩。本次計算中判斷坡體失穩的標準為，邊坡存在屈服不收斂的計算節點，或者此時邊坡坡體變形明顯導致網格失真，導致有限元計算過程不再收斂時，此時坡體可能已經失穩。

目前在加筋土數值模擬中通常不考慮加筋體與土體相互作用，而是將加筋土復合體簡化為一種均質材料，通過提高加筋土的強度參數，然后采用均質的有限元法對其求解，從而體現加筋土的影響。這種將坡體簡化為“上下雙層”土坡的方法較為簡便，但是在簡化過程中忽略了土工墊-植被聯合加筋土的塑性以及各向異性等重要特征。對于加筋草皮而言，在土體中加入土工墊和植被根系后三者相互作用顯著，因此本文采用分別模擬土體、土工墊和植物根系的方法，考慮加筋體與土體不同的本構關系，在一定程度上忽略根、墊、土在界面上的錯動和滑移，假定根、墊、土三者之間直接相連且自動實現位移協調，分別取根系、土工墊、土體各自的材料參數進行計算，合理考慮加筋體與土體之間的位置關系與相互作用，避免設置過多的接觸面單元導致計算量超載或不收斂。

表2 數值計算模型參數Tab.2 Parameters for numerical simulation model

計算護坡型式與幾何尺寸見圖11。邊坡底部為全部固定邊界條件，沿邊坡長度方向的左右邊界條件為水平約束條件，邊坡前沿與后沿的邊界條件同樣為水平約束條件，其他位置無約束。根系形狀為實心細長圓柱體，采用彈性材料單元，將根系材料設置為只抗拉不抗壓的柔性性質，忽略主根、副根的區別，將根系排布依據根系等效截面面積原則簡化為等間距均勻分布的垂直根系群，根系直徑1 mm，長度0.5 m。使用空間網狀桁架結構模擬土工墊，與根系的模擬相似，將土工墊材料屬性設置為只抗拉不抗壓性質的柔性材料，土工墊直徑1.5 mm，厚度2 cm。與實際情況相同，土工墊沿著坡面平鋪在距離坡表面2 cm深度處，數值計算模型見圖12。土體采用摩爾-庫倫模型，計算參數見表2。

圖11 計算護坡型式Fig.11 Diagram of slope in computation圖12 土工墊加筋草皮護坡數值計算模型Fig.12 Finite element model in computation

13-a 未加筋護坡總位移云圖13-b 土工墊加筋草皮護坡總位移云圖圖13 不同護坡總位移云圖Fig.13 Total displacement of different slopes

圖14 不同護坡安全系數與豎向特征位移關系Fig.14 Relationship of safety factor and vertical characteristic displacement

圖13為不同類型(未加筋與加筋草坡)護坡總位移云圖。通過對比可以看出，由于表面鋪設了土工墊，以及坡體0.5 m深度范圍內植物根系群的作用，其失穩時邊坡位移最大的滑動體范圍向坡體后方移動，可以觀察到最大位移量仍然發生在坡頂位置處，但是坡體內部位移量由沿著坡體表面圓弧滑動變為向坡內移動，增加坡體穩定性。

圖14為不同護坡安全系數與豎向特征位移關系。從圖中可以看出，隨著材料參數安全系數(折減系數)的增大，護坡的豎向特征位移均表現為先平穩后增大的特征，在相同的安全系數的條件下，加筋草皮護坡的特征位移均小于未加筋護坡的位移。取位移變化拐點處折減系數為護坡整體穩定的安全系數，在鋪設加筋草皮前后護坡的安全系數分別為1.11和1.26，護坡穩定安全系數約提高了13.5%，因此在護坡表層鋪設土工加筋草皮后有利于增加護坡的整體穩定性。

6 結論

植物根系在土壤中穿插、纏繞形成根系網絡，具有提高土體抗剪強度的作用。為進一步改善植被固坡和抗水力侵蝕能力，將三維土工墊與植被相結合形成加筋草皮，既保留了植被護坡的生態特性，又提高了淺層土體強度。本文對加筋草皮原狀樣進行了室內直剪試驗，獲得了加筋草皮抗剪強度參數，對其強度特性、植被根系和土工墊加筋作用進行了分析。主要結論如下：

(1)與天然素土相比，根系和土工墊共同加筋作用可顯著提高加筋草皮的抗剪強度，特別是在低豎向應力水平條件下加筋作用更為顯著。

(2)根系和土工墊加筋作用顯著增加了加筋草皮的黏聚力，但對內摩擦角幾乎沒有影響，即植物根系、土工墊變形所提供的抗拉力能夠使得土體獲得似黏聚力。

(3)在各級豎向壓力作用下，隨著加筋量的增大，加筋草皮的抗剪強度均近似按指數形式增大，同時加筋量越高加筋引起的強度增量也越大，加筋作用效率也就越高。植物根系和土工墊相互纏繞、連接作用在土體內所形成的三維空間網狀結構，是加筋草皮抗剪強度和黏聚力顯著提高的根本原因。

(4)在各級豎向壓力作用下，低含水率試樣對應的抗剪強度較大，含水率增大時，由于基質吸力降低，抗剪強度也會降低。

(5)有限元數值模擬結果表明，在護坡表面鋪設土工墊加筋草皮后，由于坡面土工墊平面加筋作用和坡體植物根系深度加筋作用，使得其失穩時邊坡位移最大的滑動體范圍向坡體后方移動，因此加筋草皮提高了護坡的整體穩定性，增加了護坡的安全系數。