植物根系長度對生態(tài)袋加筋土擋墻穩(wěn)定性的影響

周云艷，錢同輝，宋 鑫，王曉梅，朱 笑，李小龍

植物根系長度對生態(tài)袋加筋土擋墻穩(wěn)定性的影響

周云艷1，錢同輝1※，宋 鑫2，王曉梅1，朱 笑1，李小龍1

（1. 中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，武漢 430074；2. 中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100020）

在生態(tài)型加筋土擋墻中，植物根系能發(fā)揮立體加筋效果。為了探索植物根系對生態(tài)袋加筋土擋墻的作用效果，該研究對不同根系長度（無根系、生態(tài)袋內(nèi)根系伸出袋外10、20和30 cm）的4組生態(tài)袋加筋土擋墻模型進(jìn)行加載試驗。因植物根系不易取材，易枯萎失去強(qiáng)度，而棕櫚葉不易枯萎且枯萎后仍然具有較大的抗拉強(qiáng)度，試驗中用棕櫚葉來替代植物根系。研究了擋墻水平位移、面墻后水平土壓力、加筋體末端水平土壓力、筋材拉應(yīng)變隨根系長度和荷載增加的變化規(guī)律。通過試驗發(fā)現(xiàn)：4組模型試驗中水平位移、面墻后水平土壓力、加筋體末端水平土壓力、格柵拉應(yīng)變隨荷載增加的變化規(guī)律基本一致，相同荷載作用下，相比無根系時，含根系的擋墻中4個參量的值均減小，且隨著根系長度的增加，值減小得越多。其中水平位移、面墻后及加筋體末端的水平土壓力3種參量在加載初期減幅較小，在加載后期，減幅大大提高。說明根系增加了生態(tài)袋面墻的整體剛度，根系對面墻后土體起到了加筋作用，使得加筋土擋墻的承載能力提高，加筋土擋墻內(nèi)部和外部的穩(wěn)定性增加。隨著根系長度增加，這種增強(qiáng)作用越明顯。最后對4種參量受根系長度影響的敏感性進(jìn)行了分析，得到4種參量的敏感性從大到小依次為：面墻后水平土壓力、水平位移、加筋體末端水平土壓力、格柵拉應(yīng)變。該研究結(jié)果為生態(tài)型加筋土擋墻的工程設(shè)計提供理論支撐。

植物；穩(wěn)定性；根系；生態(tài)袋；加筋土擋墻

0 引 言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，工業(yè)與民用建筑、開礦、水利、筑路等工程建設(shè)的大面積開挖破壞了原有的地表植被，從而加速了生態(tài)環(huán)境的惡化。傳統(tǒng)的硬質(zhì)坡面支擋結(jié)構(gòu)單純考慮結(jié)構(gòu)對邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)，而忽略了對周圍環(huán)境的恢復(fù)和協(xié)調(diào)作用。在人們越來越注重環(huán)保的今天，如何將支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與生態(tài)環(huán)境保護(hù)有機(jī)結(jié)合，形成有效的綜合防護(hù)體系的需求已經(jīng)迫在眉睫，生態(tài)袋加筋土擋墻作為一種將生態(tài)護(hù)坡和維護(hù)工程安全二者有機(jī)結(jié)合的新型支擋結(jié)構(gòu)型式應(yīng)運而生，其既保證了邊坡穩(wěn)定又兼顧了邊坡生態(tài)環(huán)境[1]。目前，生態(tài)袋加筋土擋墻得到越來越廣泛的應(yīng)用，越來越多高速公路、鐵路的邊坡采用生態(tài)袋加筋土擋墻作為支擋結(jié)構(gòu)。

生態(tài)袋是由聚丙烯（PP）或者聚酯纖維（PET）為原材料制成的雙面熨燙針刺無紡布加工而成的袋子，具有透水性能及滿足植物生長的等效孔徑，對植物根系友好、易于植物生長。柔性生態(tài)袋加筋土擋墻指的是由填土、土工格柵、面層（用填充種植土的生態(tài)袋堆砌而成）及植物構(gòu)建的統(tǒng)一支擋結(jié)構(gòu)體系[2]。其采用生態(tài)護(hù)面，面層為分層堆砌的填充種植土的生態(tài)袋（袋與袋之間采用三角內(nèi)鎖扣相互連接以提高面層的穩(wěn)定性），改變了以往擋墻剛性面層的效果。植物通過生態(tài)袋自由生長，一方面起到綠化、環(huán)保、改善生態(tài)環(huán)境的作用；另一方面不斷生長的植被根系可以發(fā)揮不斷深入的立體加筋效果，根系穿過袋體如無數(shù)根錨桿嵌入到加筋土石和基礎(chǔ)土壤中，隨著根系固著力的增強(qiáng)，將使原加筋擋土結(jié)構(gòu)內(nèi)部及外部穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，且時間越長越穩(wěn)定。同時，植被株冠及落葉還可以為裸露的筋材提供保護(hù)，減緩?fù)凉ず铣刹牧系墓鉄崂匣瑥亩鴮崿F(xiàn)生態(tài)保護(hù)與擋墻穩(wěn)定性增長之間的良性循環(huán)。針對剛性面層加筋土擋墻，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量的試驗和理論研究。Bhattacharjee等[3-8]針對筋材長度、間距、墻面結(jié)構(gòu)等對加筋土擋墻變形性能的影響進(jìn)行了試驗研究，得出不同墻面結(jié)構(gòu)的加筋土擋墻的變形性能存在一定差異；Michalowski等[9-11]針對加筋土擋墻的破壞機(jī)理進(jìn)行了離心模型試驗、極限加載等試驗研究，徐鵬等[12-13]采用解析計算方法對擋墻的破壞模式進(jìn)行了理論分析，指出加筋土擋墻內(nèi)部及外部穩(wěn)定性破壞的形式與墻面結(jié)構(gòu)、筋材長度、間距等相關(guān)。Masoud等[14-18]采用循環(huán)加載試驗、振動臺試驗及數(shù)值模擬的方法對加筋土結(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)行了研究，指出加筋土擋墻因其柔性具有很好抗震性能。針對柔性加筋土擋墻，有部分學(xué)者也對其開展了一定研究。劉澤等[1,19-20]等對生態(tài)型加筋土擋墻動靜力學(xué)特性進(jìn)行了試驗研究，指出由于生態(tài)袋加筋土擋墻的面層具有柔性特征，其受力性能比普通剛性加筋土擋墻的受力性能更加復(fù)雜。然而目前生態(tài)袋加筋土擋墻的設(shè)計中大多套用普通硬質(zhì)加筋土擋墻的理論和方法，理論落后于工程實踐，因此開展生態(tài)袋加筋土擋墻的理論研究具有十分重要的意義。另一方面，植物根系具有很好的固土護(hù)坡作用。Hossein等[21-23]研究了植物根系的加筋作用，得到根系能提高土體的抗剪強(qiáng)度、增加邊坡穩(wěn)定性。Schwarz等[24-25]通過拉拔試驗等研究了植物根系固土的力學(xué)效應(yīng)。國內(nèi)很多學(xué)者也通過拉拔試驗[26]、三軸剪切[27-28]、直剪試驗[29-30]、數(shù)值模擬[31-33]等研究了植物護(hù)坡作用機(jī)理、指出根系具有固土增強(qiáng)作用、減蝕作用。因根系的固土作用，當(dāng)根系長滿生態(tài)袋，將增加生態(tài)袋面墻的整體性和剛度，而根系伸出袋外進(jìn)入生態(tài)袋后土層中將發(fā)揮立體加筋效果，根系必將對生態(tài)袋加筋土擋墻的受力性能產(chǎn)生影響，但目前的設(shè)計中沒有考慮植物根系的護(hù)坡作用。為了更加全面、客觀、系統(tǒng)地探討柔性生態(tài)袋加筋土擋墻的受力性能，考慮植物根系的作用是非常必要的。本文擬通過室內(nèi)模型試驗來探討植物根系對生態(tài)袋加筋土擋墻受力的影響，并揭示植物根系對生態(tài)袋加筋土擋墻穩(wěn)定性的增強(qiáng)作用，以期為工程設(shè)計提供理論支撐。

1 室內(nèi)模擬試驗

1.1 試驗設(shè)計

為了研究植物根系對生態(tài)袋加筋土擋墻的影響，本文共進(jìn)行了4組模型試驗，分別是生態(tài)袋中無根系、生態(tài)袋內(nèi)有根系且根系伸出袋外進(jìn)入生態(tài)袋面層（面墻）后土層中10、20和30 cm長4種情況。本次模型試驗以高速公路邊坡的生態(tài)袋加筋土擋墻為研究對象，為了模擬加筋土擋墻頂部的行車荷載，對生態(tài)袋加筋土擋墻模型進(jìn)行往復(fù)3次的豎向加載試驗。豎向荷載通過液壓千斤頂分級施加，每級荷載增量為20 kPa，施加每級荷載后，觀測擋墻的變形，當(dāng)變形穩(wěn)定后再施加下一級荷載，當(dāng)加載至極限荷載的80%（約160 kPa）后，逐漸卸載至0，再以相同方法重復(fù)加載2次，分別測讀每次加載的試驗數(shù)據(jù)，然后取平均值。為提高加載精度，在千斤頂下面裝有稱重傳感器。通過設(shè)置在擋墻內(nèi)外的元器件來測試柔性生態(tài)袋加筋土擋墻的變形特征、土壓力分布特征和土工格柵應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律。因棕櫚葉易取材、抗拉強(qiáng)度高、不易枯萎，且枯萎后仍然具有一定的抗拉強(qiáng)度，試驗中用棕櫚葉來替代植物根系。利用抗拉試驗儀測定每層棕櫚葉的軸向剛度。

試驗?zāi)Ｐ鸵越B諸高速公路的生態(tài)加筋土擋墻實體工程為原型，根據(jù)相似性原理，按比例1:10確定本試驗擋土墻尺寸為1.6 m×0.6 m×0.9 m（長×寬×高），擋土墻坡度為70°。柔性生態(tài)袋加筋土擋墻面板采用土工格柵反包生態(tài)袋，每2個生態(tài)袋作為一層反包形成擋土墻的柔性面板。擋土墻內(nèi)埋設(shè)有12個土壓力盒（3個水平放置用來測定豎向土壓力；9個豎向放置用來測定水平土壓力），埋設(shè)3層土工格柵，土工格柵上連接有應(yīng)變片用于測定土工格柵的應(yīng)變。擋墻墻頂放置2個豎向百分表，來測定擋土墻的豎向變形，在面墻上沿高度方向架設(shè)3個水平向百分表，用來測定面墻的水平變形，從下往上依次為第1層、第2層和第3層，如圖1所示。

1.百分表 2.生態(tài)袋 3.土壓力盒（豎向放置） 4.土壓力盒（水平放置） 5.應(yīng)變片 6.土工格柵 7.格柵反包 8.連接棒 9.千斤頂 10.稱重傳感器 11.分配梁 12.加壓鋼板 13.60 mm厚黏土封閉層

1.2 模型制作

模型箱采用槽鋼、鋼板制作，其尺寸為1.6 m長× 0.6m寬×1.2 m高（因擋墻頂部有60 mm厚黏土封閉層、加壓鋼板等，同時為了方便安裝百分表等底座將高度增加0.3 m），其中頂面和一個側(cè)面為臨空面，頂面臨空便于放置加壓鋼板，使用液壓千斤頂在擋土墻頂部施加豎向荷載，側(cè)面臨空面為生態(tài)袋柔性面板，真實模擬實際工程中擋土墻的受力。本次試驗?zāi)Ｐ蛽鯄Σ捎萌斯ず粚嵉姆椒ㄟM(jìn)行填筑，每層夯實厚度控制在10 cm，每一層填筑完畢后，利用填土密實度檢測儀進(jìn)行檢測，使密實度達(dá)到95%。填料為黏土，其容重和飽和容重分別為17和18 kN/m3，粘聚力為25 kPa，內(nèi)摩擦角為21°。最優(yōu)含水率為12.6%，最大干密度為1.98 g/m3。

試驗采用尺寸為815 mm×510 mm（長×寬）的生態(tài)袋，將生態(tài)袋中裝入過10 mm篩后的種植黏性土，袋口用扎帶扎結(jié)，扎結(jié)后的生態(tài)袋尺寸為600 mm× 350 mm×150 mm（長×寬×高）。本試驗共采用6個生態(tài)袋，每2個生態(tài)袋作為一個加筋層用土工格柵反包，每個加筋土層高度為30 cm，反包長度為50 cm，每層平鋪土工格柵長度為100 cm，見圖1所示。生態(tài)袋與生態(tài)袋之間用連接器連接。

考慮到如果將應(yīng)變片直接粘貼在土工格柵柵格上，柵格起拱可能使應(yīng)變片與格柵分離，故土工格柵應(yīng)變的測量采用等代測試原理，即由鋼片局部代替測量段的土工格柵，將應(yīng)變片貼在鋼片上，并在應(yīng)變片外層套PVC管進(jìn)行保護(hù)。在每一反包層0.3 m高的填土中部埋設(shè)4個土壓力盒，其中3個豎向埋置，1個水平埋置，豎向埋置時土壓力盒光滑受力面朝向擋墻填土（即背離臨空面），水平埋置時光滑面朝上。3個豎向埋置的土壓力盒分別位于生態(tài)袋后、該層土工格柵末端，及兩者間的中間位置處，水平埋置的土壓力盒位于中間位置處，見圖1所示。埋設(shè)時需確?？佣磧?nèi)沒有尖銳的礫石，并在四周布滿細(xì)砂做保護(hù)層。為防止土壓力盒與導(dǎo)線接頭處破壞，在導(dǎo)線端先套一小段塑料管，再在接頭處套一PVC管的彎頭進(jìn)行保護(hù)。棕櫚葉的埋置，先往生態(tài)袋里裝入部分土，再在生態(tài)袋側(cè)面剪8～10個小孔，每個孔中插入10根棕櫚葉，然后再將余下的土全部裝入生態(tài)袋內(nèi)。

2 結(jié)果與分析

2.1 面墻的水平位移分析

在模型擋墻生態(tài)袋面墻上沿墻高分別安裝了3個百分表，分別用來測擋墻第1層、第2層和第3層處的水平位移（圖2）。圖2a為根系伸出袋外30 cm時擋墻不同高度處的水平位移隨荷載增加的變化曲線。分析可知，模型擋墻各層的水平位移變化規(guī)律相似，隨著荷載增加均逐漸增大，當(dāng)荷載小于80 kPa時，擋墻的水平位移基本呈線性變化，當(dāng)荷載增大到100 kPa時，墻頂豎向荷載的影響程度大幅增加，擋墻的水平位移增幅明顯增大。第2層的水平位移最大，即墻面中部的位移最大，其次是上部，下部的水平位移最小。墻面水平位移最大值出現(xiàn)在擋墻的中上部，整體呈鼓出狀態(tài)。

注：L-0對應(yīng)生態(tài)袋中無根系；L 10、 L 20、L 30分別對應(yīng)根系伸出袋外10、20、30 cm。下同。

圖2 b為各生態(tài)袋加筋土擋墻中部（第2層）水平位移隨荷載增加的變化曲線。由圖可知，隨荷載增加，含根系的生態(tài)袋加筋土擋墻中部的水平位移均小于無根系時擋墻中部的水平位移。且荷載較小時，無根系和有根系的擋墻墻面水平位移相差較小，隨著荷載的增大，兩者的位移相差逐漸增大。根系越長，相同荷載作用下，生態(tài)袋加筋土擋墻的水平位移值越小。在160 kPa荷載作用下，無根系生態(tài)袋加筋土擋墻中部的水平位移為8.06 mm，根系伸出袋外30、20及10 cm時擋墻中部的水平位移分別為6.38、7.0和7.58 mm，相比無根系時分別減少20.8%、13.2%和6.0%。而在140 kPa荷載作用時，無根系生態(tài)袋加筋土擋墻中部的水平位移為5.75 mm，根系伸出袋外30、20及10 cm時擋墻中部的水平位移相比無根系時分別減小了24%、19.8%、12.7%。由此可見，根系的存在增加了柔性面層的整體剛度，相同荷載作用下使得柔性面層擋墻的水平位移相應(yīng)減少，提高了擋墻的整體穩(wěn)定性。

2.2 水平土壓力分析

2.2.1 擋墻面墻后水平土壓力分析

圖3 a為不同根長條件下各加筋土擋墻面墻后水平土壓力沿墻高的分布對比曲線。從圖中可以看出，面墻后水平土壓力沿著墻高從上往下逐漸增大，其中擋墻底部的水平土壓力增大得更多，整體呈非線性分布，隨著荷載的增加擋墻底部的水平土壓力相對增大的幅度更大。這主要是因為生態(tài)袋的變形會釋放墻背處的一部分水平土壓力，并且越靠近擋墻上部，受到墻面變形的影響就越大，所以在豎向荷載作用下，墻背處的水平土壓力不是線性變化的。從圖3 a看出，相同荷載作用下，不同高度處無根系的生態(tài)袋加筋土擋墻面墻后水平土壓力均大于含根系的生態(tài)袋加筋土擋墻面墻后的水平土壓力，尤其遠(yuǎn)大于根系伸出袋外30 cm的情況。

圖3 面墻后水平土壓力對比

圖3b為不同根長情況下加筋土擋墻中部（第2層）面墻后水平土壓力隨荷載增加的變化曲線。從圖中可以看出，不同根系長度面墻后水平土壓力隨荷載增加而增加，其變化規(guī)律基本一致；隨著根系長度增加，面墻后水平土壓力逐漸減小。在160 kPa荷載作用下，無根系生態(tài)袋加筋土擋墻面墻后水平土壓力為33.9 kPa，根系伸出袋外30、20及10 cm時加筋土擋墻面墻后水平土壓力分別為27.88、30和32.6 kPa，相比無根系時分別減小了17.5%、11.5%和3.8%。而在120 kPa荷載作用時，無根系生態(tài)袋加筋土擋墻面墻后水平土壓力為23.9 kPa，根系伸出袋外30、20及10 cm時擋墻面墻后水平土壓力相比無根系時分別減小了5.78、2.78和1.68 kPa，分別減小了24%、11.6%和7%。面墻背面的水平土壓力越小，所鋪設(shè)筋材受到的拉力就越小，越不容易受破壞，擋墻的內(nèi)部就越穩(wěn)定。相同荷載作用下，含根系生態(tài)袋加筋土擋墻面墻后水平土壓力均比無根系時的面墻后水平土壓力減小，則根系的存在增加了生態(tài)袋加筋土擋墻內(nèi)部的穩(wěn)定性，隨著根系的增長，生態(tài)袋加筋土擋墻內(nèi)部越穩(wěn)定。

2.2.2 擋墻加筋體末端水平土壓力分析

圖4 a為各級荷載作用下根系伸出袋外30 cm的擋土墻加筋體末端處水平土壓力沿墻高的分布曲線。同面墻后水平土壓力的變化規(guī)律相比，加筋體末端水平土壓力沿墻高從上往下更趨近線性增加，沿墻高的非線性變化趨勢減弱。各測點的水平土壓力隨荷載的增大而增加，不同墻高處的測點，水平土壓力隨荷載的變化規(guī)律基本相同。圖4 b為不同根系長度的擋土墻底部即第1層的加筋體末端處水平土壓力隨荷載變化的對比曲線，從圖中看出，隨著根系長度增加，相同荷載作用下加筋體末端處水平土壓力有一定的減小，根系越長減少得越多。但隨荷載增大的變化規(guī)律基本一致。且隨著荷載的增大，含根系的擋墻加筋體末端處水平土壓力相比無根系時減小得越多。在160 kPa荷載作用時，無根系生態(tài)袋加筋土擋墻加筋體末端水平土壓力為71.06 kPa，根系伸出袋外30、20及10 cm時加筋體末端水平土壓力相比無根系時分別減小了11.06、7.26和4.86 kPa，分別減小了15.6%、10.2%和6.8%。測得的擋墻加筋體末端的水平土壓力即為作用在加筋土擋墻上的外力，所受的外力（水平土壓力）越小，加筋土擋墻就越穩(wěn)定。

圖4 加筋體末端水平土壓力對比

相同荷載作用下，含根系生態(tài)袋加筋土擋墻加筋體末端的水平土壓力均比無根系時加筋體末端的水平土壓力減小，則根系的存在增加了生態(tài)袋加筋土擋墻外部的穩(wěn)定性，隨著根系長度增加，這種增強(qiáng)作用越明顯。

2.3 筋材應(yīng)變分析

試驗發(fā)現(xiàn)生態(tài)袋加筋土擋墻各層土工格柵拉應(yīng)變沿其鋪設(shè)方向呈非線性分布，但每層中各測點的拉應(yīng)變隨荷載增大的分布規(guī)律基本一致。圖5 a為160 kPa荷載作用時不同根系長度的生態(tài)袋加筋土擋墻第2層的土工格柵拉應(yīng)變對比曲線。從圖中看出，土工格柵各測點拉應(yīng)變沿筋長方向呈先增大后減小的單峰值分布，在距離生態(tài)袋面墻最遠(yuǎn)處的拉應(yīng)變最小，在中部距生態(tài)袋面墻0.3 m處的拉應(yīng)變最大。圖5 b為不同根系長度的生態(tài)袋加筋土擋墻第2層距面墻0.3 m處的土工格柵拉應(yīng)變隨荷載變化曲線。從圖中可以看出，不同根系長度的生態(tài)袋加筋土擋墻格柵拉應(yīng)變隨荷載增加的發(fā)展規(guī)律基本一致，但相同荷載作用下，隨著根系長度增加，土工格柵的拉應(yīng)變呈逐漸減小趨勢，這是因為根系起到了一定的加筋作用，分擔(dān)了一部分土工格柵的拉力。120 kPa荷載作用下無根系加筋土擋墻的格柵拉應(yīng)變?yōu)?.24%，根系伸出袋外長10、20及30 cm的加筋土擋墻的格柵拉應(yīng)變相比無根系時均減小，其減少所占比例分別為2.4%、6.45%和9.27%。140 kPa荷載作用下相比無根系時，根系伸出袋外長10、20及30 cm的加筋土擋墻的格柵拉應(yīng)變均減小，其減少所占比例分別為3.7%、6.5%和9.3%。測得的格柵的拉應(yīng)變越小，表明格柵所受的拉力越小，越不容易破壞，從而增加加筋土擋墻內(nèi)部的穩(wěn)定性，提高加筋土擋墻的承載能力。隨著根系的增長，這種增強(qiáng)作用越明顯。

圖5 第2層土工格柵的拉應(yīng)變對比

2.4 根系長度影響敏感性分析

豎向加載的過程中，在其他條件相同的情況下，隨著根系長度增加，含根系的生態(tài)袋加筋擋土墻的水平位移、面墻后水平土壓力、加筋體末端水平土壓力、格柵拉應(yīng)變這4種參量與無根系生態(tài)袋加筋擋土墻相比均相對減小，且根系越長，其相對減小得越多。為了比較根系長度的變化，對水平位移、面墻后水平土壓力、加筋體末端水平土壓力、格柵拉應(yīng)變這4種參量影響的敏感性，對4種參量的相對減小百分比與根長進(jìn)行擬合，比較擬合曲線隨根長變化的斜率大小，曲線越陡峭斜率越大，則表明隨根系長度增加參量相對減小得越快，對根系長度的變化越敏感。因在加載初期，4種參量的相對減小量均較小，隨荷載增加相對減小量均逐漸增大，故選取最后3級荷載進(jìn)行統(tǒng)計，取它們的平均值來進(jìn)行擬合。

表1 根系長度影響敏感性分析

注：相比無根系時相對減小百分比取最后3級荷載（120、140、160 kPa）的平均值。

Note: The relative reduction percentage compared to no root takes the average of the last three-stage load (120, 140, 160 kPa).

從表1可以看出，水平位移、面墻后水平土壓力、加筋體末端水平土壓力、格柵拉應(yīng)變這4種參量相對無根系時的相對減小百分比與根長間的擬合關(guān)系均呈線性關(guān)系，決定系數(shù)均大于0.9，其擬合曲線的斜率分別為0.60、0.76、0.45、0.33。隨根系長度增加，水平位移、面墻后水平土壓力相對減小得較快，2種參量對根系長度的變化較敏感；而加筋體末端水平土壓力、格柵拉應(yīng)變相對減小得較慢，2種參量對根系長度的變化較不敏感。4種參量的敏感性從大到小依次為：面墻后水平土壓力、水平位移、加筋體末端水平土壓力、格柵拉應(yīng)變。

3 討論

植物根系增加生態(tài)袋加筋土擋墻穩(wěn)定性的作用機(jī)理（機(jī)械作用）有 2 個方面：1）加筋作用，即將根系看作加筋材料，含根的土體看作加筋土，根系將約束限制土體的變形，提高土體的強(qiáng)度[27]。根系加筋作用的大小與根系長度、根系直徑、根系抗拉強(qiáng)度、根系的分布等密切相關(guān)，其影響范圍直接和根系長度相關(guān)。2）錨固作用，根系具有一定的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，當(dāng)根系穿過生態(tài)袋進(jìn)入其后土層中時，猶如嵌入土層中的無數(shù)根錨桿，鎖緊臨空的生態(tài)袋，使生態(tài)袋和土層間相互擠壓，緊密形成一個整體，提高了生態(tài)袋和土層間、土層與土層間的摩擦阻力，從而使生態(tài)袋面墻的整體性和剛度提高。同時隨著根系伸入土層中長度的增加，錨固力逐漸增大，使不穩(wěn)定表層錨固到更深處較穩(wěn)定的土體中形成整體，從而提高擋墻的整體穩(wěn)定性。根系穿過袋體伸入土層中的長度是決定其對生態(tài)袋加筋土擋墻產(chǎn)生增強(qiáng)作用的一個關(guān)鍵因素。故本文著重考慮了根系伸入土層長度對生態(tài)袋加筋土擋墻穩(wěn)定性的影響。根系伸入土層長度越長，增強(qiáng)作用越明顯。相同加載條件下，根系伸出袋外30 cm時，擋墻的水平位移、水平土壓力最小，相比無根系時其值減少得最多。從而提高了生態(tài)袋加筋土擋墻的承載能力，增加了生態(tài)袋加筋土擋墻內(nèi)部和外部的穩(wěn)定性。

因植物根系不易取材，易枯萎失去強(qiáng)度，棕櫚葉不易枯萎且枯萎后仍然具有較大的抗拉強(qiáng)度，本文中用棕櫚葉來替代植物根系進(jìn)行模擬試驗。事實上根系能分泌出一些化學(xué)物質(zhì)，可增強(qiáng)土壤與根系間的接觸程度，增大根系和土體之間的粘結(jié)強(qiáng)度，而根毛、根瘤菌將增加根系表面的粗糙度，使得根系與土壤間的摩擦力更大[31]，所以實際中根系的增強(qiáng)效果將更顯著。

本次模型試驗中因試驗條件等原因只考慮了水平方向植物根系伸出生態(tài)袋外長度的影響，而植物根系在土中的實際分布情況是很復(fù)雜的。根系的形態(tài)特征、生長方向、根系密度、根系長度、根系直徑、根系類型及植物種類等均將會影響植物根系對生態(tài)袋加筋土擋墻的立體加筋效果。因此，后期應(yīng)開展大量的更加復(fù)雜的試驗以及借助計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)等來研究探索這些因素的影響，更加真實有效地反映植物根系對生態(tài)袋加筋土擋墻的力學(xué)效應(yīng)。

4 結(jié) 論

為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，植被被逐漸引入到生態(tài)袋加筋土擋墻中，既能起到綠化環(huán)保作用，又能起到立體加筋的效果。本文通過對含不同長度的根系和無根系的生態(tài)袋加筋土擋墻的模型試驗對比分析得到：

1）與無根系生態(tài)袋加筋土擋墻相比，隨著根系長度增加，相同荷載作用下生態(tài)袋加筋土擋墻墻面的水平位移逐漸減小。荷載較小時，無根系和有根系的擋墻墻面水平變形差距較小，隨著荷載的增大，兩者的變形差距增大。根系增加了生態(tài)袋面墻的整體剛度，減少了生態(tài)袋加筋土擋墻的水平變形，提高了生態(tài)袋加筋土擋墻的穩(wěn)定性。

2）生態(tài)袋加筋土擋墻面墻后及加筋體末端的水平土壓力均隨著施加荷載的增大而增大，沿著墻高從上往下逐漸增大呈非線性分布，其中面墻后的水平土壓力沿墻高分布的非線性更明顯。相同荷載作用下，隨著根系長度增加，面墻后及加筋體末端的水平土壓力均逐漸減小，從而提高了生態(tài)袋加筋土擋墻內(nèi)部和外部的穩(wěn)定性。

3）不同根系長度的生態(tài)袋加筋土擋墻格柵拉應(yīng)變均隨荷載增加而增加，其變化規(guī)律基本一致。因根系對土體起到了加筋作用，分擔(dān)了土工格柵的部分拉力，含根系生態(tài)袋加筋土擋墻內(nèi)土工格柵的拉力均比無根系時所受的拉力減小，根系的存在增加了生態(tài)袋加筋土擋墻內(nèi)部的穩(wěn)定性及承載能力，隨著根系長度增加，這種增強(qiáng)作用越明顯。

4）隨著植物根系長度的變化，4種參量的敏感性從大到小依次為：面墻后水平土壓力、水平位移、加筋體末端水平土壓力、格柵拉應(yīng)變。

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Effects of plant root lengths on stability of ecological bag reinforced retaining wall

Zhou Yunyan1, Qian Tonghui1※, Song Xin2, Wang Xiaomei1, Zhu Xiao1, Li Xiaolong1

(1.,,430074,; 2.&,100020,)

In the flexible ecological reinforced retaining wall, the vegetation can not only play a greening and environmental protection role, but also the growing plant roots have a three-dimensional reinforcement effect. In order to explore the effect of plant roots on stability of the ecological bag reinforced retaining wall, In this study, three round-trips vertical load tests were carried out on four groups of ecological bag reinforced retaining wall models with different root lengths. That were, no root in the ecological bag, and the roots extended out ecological bag of 10, 20 and 30 cm respectively. Palm leaves were selected to replace plant roots in the tests due to plant roots are easy to wilt and lose strength, while palm leaves are not easy to wilt and still have large tensile strength after wilting. The variations of four parameters, horizontal displacement of ecological bag reinforced retaining wall, horizontal earth pressure behind the ecological bag wall-plate and near reinforced body end, the tensile strain of geogrid, were studied with root length and load. The results showed that the variation rules of the four parameters with the increase of load in the four sets of model tests were similar. Through the comparative analysis of the test data, it was found that the presence of roots increased the overall rigidity of the ecological bag wall-plate, under the same load, compared with no root, the horizontal displacement in the three types of retaining walls with different root lengths all decreased, and the more root length increased, the more the values decreased. The horizontal displacement had slightly decrease in load less than 80 kPa, while obviously decrease in load more than 100 kPa. The horizontal earth pressures behind the ecological bag wall-plate without roots in different wall heights were all greater than that of the rooted reinforced retaining wall under the same load, especially the roots extended out the ecological bag of 30 cm. The horizontal earth pressures near reinforced body end and tensile strain of the geogrid had similar trends with the horizontal earth pressures behind the ecological bag wall-plate，and they were gradually decreased under the same load with the root length increased. Then the sensitivities of the four parameters affected by the root length were analyzed, and the sensitivities of the four parameters were in order from high to low as follows: horizontal earth pressure behind the ecological bag wall-plate, horizontal displacement of retaining wall, horizontal earth pressure near reinforced body end, tensile strain of geogrid. The two parameters, horizontal earth pressure behind the ecological bag wall-plate and horizontal displacement of ecological bag reinforced retaining wall, were more sensitive to the change of root length. The results showed that the plant roots could improve the integrity and stiffness of the ecological bag wall-plate, and increased the internal and external stability of flexible ecological reinforced retaining wall. With root length increased, the strengthening effect became more obvious. The successful implement of this research can provide important experimental basis for understanding the nature of the role of plant roots on flexible ecological reinforced retaining walls.

plants; stability; roots; ecological bag; reinforced retaining wall

周云艷，錢同輝，宋鑫，等. 植物根系長度對生態(tài)袋加筋土擋墻穩(wěn)定性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(13)：102-108.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.012 http://www.tcsae.org

Zhou Yunyan, Qian Tonghui, Song Xin, et al. Effects of plant root lengths on stability of ecological bag reinforced retaining wall[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(13): 102-108. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.012 http://www.tcsae.org

2019-09-22

2020-06-13

國家自然科學(xué)基金項目（植物淺細(xì)根固土護(hù)坡的微細(xì)觀作用機(jī)理研究（41102228）；湖北省交通廳項目（荊宜高速公路邊坡綠化基盤材料及工藝研究（2004056056）；綠化植被草籽的選擇及施工養(yǎng)護(hù)（2004056061）

周云艷，博士，講師，主要從事巖土工程與邊坡防護(hù)方面的研究。Email：zhouyunyan369@sohu.com

錢同輝，教授，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治等方面研究。Email：qiantongh@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.012

TU 441

A

1002-6819(2020)-13-0102-07