土工垫加筋生态护坡草皮抗剪特性与固坡性能研究

徐 毅，陈 佳，赵 钢，潘 毅

(1.江苏省水利科学研究院， 南京 210017；2.河海大学 港口海岸及近海工程学院， 南京 210098)

*通讯作者：陈佳(1983-)，女，讲师，主要从事生态护坡、海岸与航道工程研究。E-mail：2392347988@qq.com

植物根系在土壤中穿插、缠绕形成根系网络，与土壤形成了一种天然的复合材料，通过种植植物进行固土护坡已有数百年的历史，但是在水流、降雨等的冲刷、坡体重力与渗流力等的作用下，常常发生局部剥落掀起，甚至整体失稳等破坏。随着土工合成材料技术的发展，同时为了提高植被护坡的能力，改善其抗水力侵蚀和固坡能力，在原有单纯种植草本植物的基础上，在坡体浅层添加一些土工加筋材料(如三维网垫、土工格栅等)形成土工垫加筋草皮[1-2]，用以提高植被护坡的性能。土工合成材料加筋之后的坡体，既有原本的绿化生态的功能，也增加了抗侵蚀能力，极大增加了植被护坡的可靠性、实用性。

国内较早开展植物根系加筋土相关研究。1995年，周锡九等[3]分析植草护坡草根加筋原理，论证了植草的浅层加固边坡土体作用的机理，并以详实的试验数据证实了坡面植草的浅层加固作用是相当可观的。杨晨辉等[4]论述了植物柔性边坡结构所必须具有的特殊功能要求，针对一些特定品种的植物进行试验对比，筛选出比较好的护坡植物为白三叶与黑麦草等。植物根系护坡已经有了广泛的应用，但是一直以来植物根系护坡的作用机理尚不明确，文献[5-12]对植物根系增强坡体土体加固能力的机理与规律进行了探索，研究主要通过土体剪切试验研究草根加筋土的应力-应变关系及强度特性，试验结果表明，草根加筋土的强度和抵抗变形的能力有显著增强。

目前，对于土工垫加筋草皮所形成的新型生态护坡的研究远远落后于工程实践。已开展的土工垫加筋草皮的研究主要集中在其抗水力冲刷性能的研究[13-15]，研究表明与天然植被护坡比较，加入土工垫后能大大提高护坡的抗水流冲刷能力，但并未对其在水流剪切力作用下抗冲刷性能改善的机理进行探讨。土工垫加筋草皮抗剪性能的改善正是影响其抗冲刷性能的重要原因，但对于其抗剪能力的研究还鲜有开展。因此，本文对加筋草皮原状样进行了室内直剪试验，获得了加筋草皮抗剪强度参数，对其强度特性、植被根系和土工垫加筋作用进行了分析，为加筋草皮生态护坡的设计应用提供了参考依据。

1 试验材料与试验方案

图1 应变控制式直剪仪图2 试验采用三维土工垫Fig.1 Strain-controlled direct Fig.2 Three dimensional geomat shear apparatus used in testing

本试验主要研究土工垫加筋草皮的基本抗剪强度特性，通过与素土比较，研究土工垫和植物根系对土体的复合加筋作用。开展不同加筋量试样比较试验，分析加筋量对加筋草皮抗剪强度特性的影响。通过实验室草箱培养加筋草皮，在草箱内使用环刀取样以获得直剪试验需要的原状样，然后进行室内直剪试验。试验采用应变控制式直剪仪，如图1所示，试样内径61.8 mm，高度20 mm。植草箱尺寸为59 cm×19 cm×20 cm(长×宽×高)，并在底部留有透水孔，选择有利于植物生长的春季播种。试验草种为生态护坡工程中常用的黑麦草。所选土工垫为一种聚酰胺单丝纤维所制三维高强土工网垫，如图2所示，每平方米内含有长达1 400～2 700 m不等的不规则人造丝，厚度为20 mm，强度可达到100 kN/m以上，特有的三维空间结构，使其具有良好的原位保持土体的能力，同时也为植物的生长存活提供了空间。

为了便于试验过程中在草箱中取样，采用如下方法：首先根据草箱平面尺寸裁剪相同面积的土工垫，在该土工垫上设计后期取样的数量和位置，在对应的取样位置处将土工垫剪出，剪出土工垫为圆形，直径为61.8 mm，然后将该圆形土工垫的直径进一步修剪为56 mm左右，这主要是考虑到在进行直剪试验时，防止直接剪切到土工垫，影响试验结果；然后将圆形试验土工垫和母土工垫拼接后铺设与草箱内，将称好重量的土体和草籽充分混合，随后与土工垫混合并适当压实，保证不同控制草籽密度能在取样区体现出不同的草根含量。在草箱内分层铺设表层加筋草垫时，在待取样圆形区域的圆心处插入一根直径、长度适当的标记杆，便于后期取样，如图 3所示。

在进行取样深度范围(即三维土工垫厚度，2 cm)土体填筑时，通过控制土体质量分层铺设压实，保证该区域土体具有相同的初始密度。所采用填筑土体不仅具有相同的含水量，且预先与设计重量(1.8 g、3 g)的草籽混合均匀。通过分层铺设压实土体直到土工垫顶面，使得混有草籽的土体嵌入到三维土工垫的空隙中，形成土工垫加筋土。考虑到土体自重以及后期养护浇水引起土体沉降，避免出现土工垫暴露的情况，在土工垫顶面以上继续覆约1 cm厚土体，最后播散有机肥料(标准为1 kg/m2)。

在播种完毕后的前两周，使用无纺布对样品进行覆盖，早晚各浇水一次。对草体进行持续养护，在养护3个月后进行取样、开展试验。试验中共取素土试样6个，加筋草皮试样18个，其中12个为含水量较高试样(约22.9%)、6个为含水量较低试样(约16.7%)，选择初始条件基本相同的三个试样进行不同竖向压力作用下直剪试验，相同参数试样进行两组平行试验以保证试验精度，试样具体参数指标如表1所列。剪切试样取样示意如图4所示，植草箱原位现场取样如图5所示。

图3 植草箱土工垫铺设与植被生长Fig.3 Geomat installation and grass growth in cultivation box图4 取样示意Fig.4 Diagram of sampling图5 植草箱原位现场取样Fig.5 Photo of sampling in cultivation box

试验在设计时，以播种草籽的质量梯度来控制原状样试样的根系含量，但在草体生长过程中发现，由于试验场地、光照、含水量的不同，每盆草的生长情况无法完全一致，这也导致了含根量的梯度与播种草籽质量梯度不完全一致。基于此，试验中将每组剪切完成的试样全部取出，小心取出试样中所有的土工垫和根系、分别称取其质量，并将土体烘干获得试样干土质量，将根系和土工垫总重量与干土重量之比定义为加筋量。

2 土体强度特性分析

图6 素土和加筋草皮位移-应力变化曲线Fig.6 Shear stress-strain of fallow soil and turf reinforcement mat

图6为不同竖向压力下素土和加筋草皮位移-应力变化曲线。从图中可以看出，素土和加筋草皮的位移应力曲线均呈现硬化增长趋势，没有出现明显的应力峰值。根据《土工试验方法标准》直剪试验规定，取剪切位移为4 mm所对应的剪应力为抗剪强度，随着垂直压力的增大，土的抗剪强度不断增大。在相同竖向压力条件下，素土试样的剪应力曲线都处于低位，也就是说加筋之后试样的抗剪力能够得到提升，土工垫与植被联合加筋作用能够在原有土体的基础上有效增加其抗剪强度。这也验证了加筋草皮在工程护坡、河道护岸等领域的可行性与有效性。

对比不同竖向压力下素土和加筋草皮剪切试验结果看出，随着竖向压力的增大，加筋草皮的强度增量是减小的。从图中可以看出，在竖向压力为25 kPa、50 kPa和100 kPa情况下，与素土相比，加筋后土体抗剪强度分别提高164.7%、55.3%和40.5%，在低应力水平条件下加筋作用更为显著。加筋作用在高、低压载的情况下作用不同，是因为当上覆压力较小时，土颗粒间较为松散，其咬合和摩擦作用对土体强度贡献量较小，所以加筋作用明显，加入根系与土工垫后土体强度提高；随着上覆压力的增大，土颗粒间的咬合和摩擦作用对土体强度贡献量逐渐增大，根系与土工垫的加筋作用贡献量降低、甚至存在破坏土体完整性、削弱颗粒间咬合的负面作用，因此表现为高压载状态下加筋效应趋于不明显。

表1 加筋草皮与素土抗剪强度指标Tab.1 Shear strength of turf reinforcement mat and fallow soils

按照《土工试验方法标准》，根据不同竖向应力下试样抗剪强度，按照Mohr-Coulomb 强度准则，可以计算获得素土和加筋草皮的抗剪强度指标(表1)。可以看出，加筋显著增加了土体的黏聚力，但对内摩擦角几乎没有影响。这个结果与植物根系土试验结果类似，表明土工垫在加筋草皮中起到了类似于人造植物根系的作用，同时由于其较强的抗拉强度，所以加筋草皮的黏聚力得到了显著的提高。

结合实际情况，河道、海岸等岸坡表面的压载一般不会超过50 kPa，且加筋草皮的应用主要是浅层加筋作用，浅层的压载主要包括上部土层或水体等压力，一般来说压载较小。因加筋草皮应用在河道岸坡时其加筋效应能够得到较大程度的发挥。

3 加筋量影响分析

图7为不同加筋量条件下加筋草皮剪切应力与位移关系曲线。从图中可以看出，试样位移应力曲线形态一致，为硬化增长趋势，在剪切位移3～4 mm时接近稳定。在各级竖向压力作用下，随着加筋量的增大，加筋草皮的强度均有所增大。在本次试验中加筋量1.61%试样在25 kPa竖向压力下的强度与1.15%加筋量试样在50 kPa竖向压力下的强度接近，可见加筋对提高土体强度影响显著。此外，从图中剪切应力与位移曲线形态变化可以看出，随着加筋草皮中加筋量的增加，曲线初始阶段斜率也基本有所增大，如加筋量为1.61%的试样在三种不同的竖向应力水平条件下均表现出较大的初始斜率。这主要是随着加筋量的增加，植物根系和土工垫在加筋草皮内更容易形成三维空间结构，当受到剪切力作用加筋草皮发生变形后，该三维空间结构能更有效地起到传递和承担荷载的作用，因此仅在发生较小变形的情况下加筋草皮就能承担较大的外部剪切荷载。当然，曲线初始斜率还与竖向应力水平密切相关，随着竖向应力水平的提高，加筋草皮的变形斜率一般呈现为增长的趋势，这主要是加筋草皮的土颗粒在高竖向应力水平下更密实所致，在此时加筋量对斜率的影响有所减弱，即在高竖向应力水平下曲线初始斜率的变化幅度受加筋量影响较小。

图8为加筋量对抗剪强度影响变化曲线。从图中可以看出，在各级竖向压力之下，随着加筋量的增大，抗剪强度值及其增量均呈增大趋势。与素土试样比较，加筋量为1.61%试样的剪切强度显著大于1.15%加筋量试样。当加筋量从0增大至1.15%时，在不同竖向压力(25 kPa、50 kPa、100 kPa)作用下抗剪强度的增量分别为10.6 kPa、5.9 kPa和4.7 kPa；而当加筋量从1.15%增大至1.61%时，在各级竖向压力作用下抗剪强度的增量分别为17.8 kPa、16.1 kPa和22.8 kPa，增量显著增大。这主要是由于当加筋草皮的加筋量较小时，分布于土体内根系与土工垫能各自发挥一定的加筋作用，此时由加筋引起的强度增量主要取决于根系与土工垫材料自身的抗拉强度，主要依靠表面摩擦力来传递荷载，但因为加筋量少没有形成空间网状结构，所以无法通过根系与土工垫形成的空间结构传递与承担荷载；当加筋量进一步增大至1.61%时，土体内的根系更加发达，与土工垫的相互连接和缠绕作用增强，所形成空间网状结构的传力作用逐渐显现，加筋草皮强度增量明显。因此，加筋草皮强度与加筋量密切相关，与天然植被相比，土工垫的加入可在植物未生长或生长初期发挥人工根系作用，起到加筋土体增强土体强度的作用，随着植被的生长根系逐渐发达，加筋草皮中的总加筋量逐渐增加，土体内植物根系与土工垫的相对独立的加筋作用也逐渐向联合加筋作用发展，加筋作用更为突出。

图7 不同加筋量条件下加筋草皮剪切应力与位移关系曲线Fig.7 Shear stress-strain of turf reinforcement mat with different reinforcement content图8 加筋量对抗剪强度影响变化曲线Fig.8 Influence of reinforcement content on shear strength

图9 加筋量对加筋草皮黏聚力影响Fig.9 Influence of reinforcement content on cohesion

图9反映了加筋量对加筋草皮黏聚力的影响，具体数据见表1。从图中可以看出，在含水量相同的前提下，随着加筋量的增大，加筋草皮的黏聚力迅速增大，这与剪切应力迅速增大的规律是类似的(如图 8所示)。随着加筋量的增大，土工垫与植物根须所构建的三维空间结构逐步完善，在外部剪切力作用下，通过土颗粒与土工垫、植物根系之间的表面摩擦作用将部分荷载传递到土工垫和根系，通过它们的抗拉能力承担了部分荷载，在植物根系和土工垫相互缠绕、连接作用下形成的三维空间结构内也可以直接传递荷载，提高了荷载传递效率，特别是由于土工垫自身具有良好的抗拉强度和结构性，能够在发生较小变形时即可承载较大的荷载，这在宏观力学参数上就表现为黏聚力的增大。因此，土工垫在加筋草皮中起到了骨干网架结构的作用，不断延伸的植物根系则起到了加密网格结构、加大与土体接触的作用，使得加筋草皮具备了远大于素土和植物土的抗剪强度和黏聚力。从图 9还可以看出，采用指数型函数可以很好的反映加筋草皮黏聚力随加筋量的变化。由于目前关于根系加筋土的强度测定还没有统一的方法，随着土工垫加入又给加筋草皮的现场取样增加了难度，因此加筋草皮黏聚力随加筋量指数增加的特点也给加筋草皮抗剪强度的确定提供了一种可能的方法。

4 含水量影响分析

图10 不同含水量条件下加筋草皮剪切应力与位移关系曲线Fig.10 Shear stress-strain of turf reinforcement mat with different water content

图10为不同含水量条件下加筋草皮剪切应力与位移关系曲线。从图中可以看出，在各级竖向压力作用下，低含水率试样对应的抗剪强度较大，含水率增大时，抗剪强度降低。本次试验中加筋草皮均处于非饱和状态，根据非饱和土力学理论，土体的抗剪强度主要来自于黏聚力、摩擦力和基质吸力，随着土体含水量的增加，基质吸力会降低，从而造成了抗剪强度的降低。在本次对比试验中，在各级不同竖向压力条件下，在加筋量相同的前提下，当含水量从22.9%下降至16.7%时，加筋草皮强度增量分别为4.7 kPa、6.2 kPa和3.3 kPa，该强度增量小于植物根系和土工垫加筋量增大引起的强度增量。

综合加筋量和含水量对加筋草皮强度的影响可以看出，植物生长对提高加筋草皮的抗剪强度主要体现在力学加筋和水力基质吸力两个方面。一方面，随着植被生长土体中的植物根系逐渐发达，根系良好的抗拉性能可以直接起到加筋土体的作用，通过根系拉力和根系表面摩擦力承载荷载，提高土体的抗剪强度；另一方面，土体生长过程中可以消耗土体内的部分水分，一定程度上降低了土体的含水量，使得土体的基质吸力增加，也提高的了土体的强度。此外，植被的茎叶也能在一定程度上起到减小降雨等条件下水体下渗入土的作用。植被生长初期通常对水分的需求量比较大，但此时的人工灌溉作用增加了土体含水量，降低了土体的强度，对护坡稳定性不利，加筋草皮中土工垫的存在弥补了此不足，提高了初期加筋草皮的强度，增加了护坡的整体稳定性，随着植物根系的发展，与土工垫形成空间网状结构，更好的起到加筋土体的作用。因此，土工垫在加筋草皮中主要起到两方面的作用。其一，加筋草皮生长初期，起到加筋土体的主导作用；其二，在土体内植物根系与土工垫构成三维空间网状结构形成综合加筋作用，同时利用其抗拉强度高的特点，提高加筋作用。

5 土工垫加筋草皮护坡稳定性分析

从室内试验可以看出，加筋后土体的抗剪强度有显著提高，为了分析土工垫加筋草皮对护坡整体稳定的影响，建立了土工垫加筋草皮护坡有限元数值分析模型，采用了强度折减法，研究了表层土工垫加筋草皮对护坡稳定安全系数的影响。

强度折减法分析边坡稳定是一个非线性的迭代过程，是寻找外力和内力达到平衡状态的过程，整个计算过程结束时需要有一个合适的判断标准来衡量岸坡的失稳。失稳判别标准的实质就是随着土体的粘聚力和内摩擦角逐渐降低，坡体内出现连续滑动面(屈服点连成贯通面)之后，即边坡失稳。本次计算中判断坡体失稳的标准为，边坡存在屈服不收敛的计算节点，或者此时边坡坡体变形明显导致网格失真，导致有限元计算过程不再收敛时，此时坡体可能已经失稳。

目前在加筋土数值模拟中通常不考虑加筋体与土体相互作用，而是将加筋土复合体简化为一种均质材料，通过提高加筋土的强度参数，然后采用均质的有限元法对其求解，从而体现加筋土的影响。这种将坡体简化为“上下双层”土坡的方法较为简便，但是在简化过程中忽略了土工垫-植被联合加筋土的塑性以及各向异性等重要特征。对于加筋草皮而言，在土体中加入土工垫和植被根系后三者相互作用显著，因此本文采用分别模拟土体、土工垫和植物根系的方法，考虑加筋体与土体不同的本构关系，在一定程度上忽略根、垫、土在界面上的错动和滑移，假定根、垫、土三者之间直接相连且自动实现位移协调，分别取根系、土工垫、土体各自的材料参数进行计算，合理考虑加筋体与土体之间的位置关系与相互作用，避免设置过多的接触面单元导致计算量超载或不收敛。

表2 数值计算模型参数Tab.2 Parameters for numerical simulation model

计算护坡型式与几何尺寸见图11。边坡底部为全部固定边界条件，沿边坡长度方向的左右边界条件为水平约束条件，边坡前沿与后沿的边界条件同样为水平约束条件，其他位置无约束。根系形状为实心细长圆柱体，采用弹性材料单元，将根系材料设置为只抗拉不抗压的柔性性质，忽略主根、副根的区别，将根系排布依据根系等效截面面积原则简化为等间距均匀分布的垂直根系群，根系直径1 mm，长度0.5 m。使用空间网状桁架结构模拟土工垫，与根系的模拟相似，将土工垫材料属性设置为只抗拉不抗压性质的柔性材料，土工垫直径1.5 mm，厚度2 cm。与实际情况相同，土工垫沿着坡面平铺在距离坡表面2 cm深度处，数值计算模型见图12。土体采用摩尔-库伦模型，计算参数见表2。

图11 计算护坡型式Fig.11 Diagram of slope in computation图12 土工垫加筋草皮护坡数值计算模型Fig.12 Finite element model in computation

13-a 未加筋护坡总位移云图13-b 土工垫加筋草皮护坡总位移云图图13 不同护坡总位移云图Fig.13 Total displacement of different slopes

图14 不同护坡安全系数与竖向特征位移关系Fig.14 Relationship of safety factor and vertical characteristic displacement

图13为不同类型(未加筋与加筋草坡)护坡总位移云图。通过对比可以看出，由于表面铺设了土工垫，以及坡体0.5 m深度范围内植物根系群的作用，其失稳时边坡位移最大的滑动体范围向坡体后方移动，可以观察到最大位移量仍然发生在坡顶位置处，但是坡体内部位移量由沿着坡体表面圆弧滑动变为向坡内移动，增加坡体稳定性。

图14为不同护坡安全系数与竖向特征位移关系。从图中可以看出，随着材料参数安全系数(折减系数)的增大，护坡的竖向特征位移均表现为先平稳后增大的特征，在相同的安全系数的条件下，加筋草皮护坡的特征位移均小于未加筋护坡的位移。取位移变化拐点处折减系数为护坡整体稳定的安全系数，在铺设加筋草皮前后护坡的安全系数分别为1.11和1.26，护坡稳定安全系数约提高了13.5%，因此在护坡表层铺设土工加筋草皮后有利于增加护坡的整体稳定性。

6 结论

植物根系在土壤中穿插、缠绕形成根系网络，具有提高土体抗剪强度的作用。为进一步改善植被固坡和抗水力侵蚀能力，将三维土工垫与植被相结合形成加筋草皮，既保留了植被护坡的生态特性，又提高了浅层土体强度。本文对加筋草皮原状样进行了室内直剪试验，获得了加筋草皮抗剪强度参数，对其强度特性、植被根系和土工垫加筋作用进行了分析。主要结论如下：

(1)与天然素土相比，根系和土工垫共同加筋作用可显著提高加筋草皮的抗剪强度，特别是在低竖向应力水平条件下加筋作用更为显著。

(2)根系和土工垫加筋作用显著增加了加筋草皮的黏聚力，但对内摩擦角几乎没有影响，即植物根系、土工垫变形所提供的抗拉力能够使得土体获得似黏聚力。

(3)在各级竖向压力作用下，随着加筋量的增大，加筋草皮的抗剪强度均近似按指数形式增大，同时加筋量越高加筋引起的强度增量也越大，加筋作用效率也就越高。植物根系和土工垫相互缠绕、连接作用在土体内所形成的三维空间网状结构，是加筋草皮抗剪强度和黏聚力显著提高的根本原因。

(4)在各级竖向压力作用下，低含水率试样对应的抗剪强度较大，含水率增大时，由于基质吸力降低，抗剪强度也会降低。

(5)有限元数值模拟结果表明，在护坡表面铺设土工垫加筋草皮后，由于坡面土工垫平面加筋作用和坡体植物根系深度加筋作用，使得其失稳时边坡位移最大的滑动体范围向坡体后方移动，因此加筋草皮提高了护坡的整体稳定性，增加了护坡的安全系数。