本文是一篇土木工程论文，本文主要采用试验研究与理论分析相结合的方法，对开封古城墙的工程安全与稳定进行系统研究，对城墙坡面土及其根土复合体进行物理、力学性能试验获得城墙坡面土的各项性能参数；对城墙墙面土进行 XRD 表征试验、制备根土复合体试件进行直剪试验和冻融循环试验，对比分析植物根系对古城墙的影响。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
开封城是我国“八大古都”之一，“七朝建都”之地[1]，距今已有两千多年的历史[2,3]，是我国首批历史文化名城，世界上唯一一座城市中轴线从未变动的都城[4]，古城墙记录了这个城市在历史长河中曾作为一个国家，一座城池政治、经济、文化的发展。从建筑学的角度来看，开封城墙体系的发展历程、建筑工艺、建造形式，具有极高的科学艺术价值和历史文化价值[5]。
城墙不仅是古代城市的防御保护体系，同时也是记录人类物质文明建设和精神文明建设的重要载体[6]。历经朝代更替、战争纷扰和多次黄河决堤的冲刷，现如今开封古城墙下叠压着 5 层历代城墙[7]，虽然经过了历朝历代的修复，但其规模格局乃至重要坐标都未改变。古城墙的存在，在见证历史更替、发展的同时，也是一座城市文化底蕴的依托。
随着我国经济社会的飞速发展，我们的社会已经进入一个高速平稳的发展阶段，在追求经济与科技发展的同时，历史文化建设也不容忽视。现如今开封古城墙存在较为严重的破坏现象，多段城墙墙体表面出现裂缝、风化、盐析等现象，部分墙体发生不均匀沉降、墙砖剥落、墙体凸胀等破坏，更甚有小段墙体坍塌、损毁，并随着的时间推移而逐步演化为土坡。通过文献调研，上述破坏现象为我国各地古建筑的通有病害，如若不加以控制防范，将会对古建筑造成不可估量的损失。
墙体植物是岩生植物中较为独特的一类植物群体，其根系具有较强的可旱性和耐瘠薄能力，可在极端条件下自然生长繁衍于墙体裂缝中[8,9]。实地考察开封古城墙，城墙纵断面呈上窄下宽的梯形，植物种子易在发生风化的墙面裂缝处扎根、生长[10,11]，故城墙墙面、顶面及坡面存在多种植物生长现象。草本植物对生长环境的要求相对较低，考察中可见多种草本植物扎根于细小的墙体缝隙及坡面土体表层，通过研究植物根系对城墙墙体及坡体的影响，以期为古城墙的保护提供相关数据支持。
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1.2 古城墙的现状研究
我国多个省市存在古城墙建筑，对其现状进行调研发现，各大古城墙均存在较为严重的损坏现象，更甚有部分城墙现已不复存在。
永泰古城墙位于甘肃省白银市，始建于明朝，当时主要为抵御来自北方少数民族侵略而兴建，修建完毕后作为军事要塞发挥着重要的作用[12]，是现如今保存较为完整的明清时期军事防御城堡，经历数百年的风雨，古城墙出现不同程度的墙体开裂、风化、盐析、酥粉、凹进等诸多病害，甚至部分墙体严重坍塌，摇摇欲坠[13]。现如今对永泰古城墙的保护与修缮工作，亟待进行。
如今的苏州古城墙，主要分为三大类，第一大类：砖石城墙，全长 2.07 千米，占古城墙周长的 13.63%；第二大类：城墙残余土体，总长 2.52 千米，占古城墙周长的16.58%；第三大类：城墙遗址，总长 10.61 千米，占古城墙周长的 69.79%。苏州古城墙在遭受了长达数百年的自然风化侵蚀和人为损毁后，外城河内侧的城墙圈现已消失殆尽[14]。
荆州古城位于湖北省境内，其城墙是南方地区现存最为完整的古代墙体建筑[15]，东西长 3.75 千米，南北宽 1.2 千米，其修造可追溯到 2800 多年前，如今所屹立的古城墙是清朝在明城墙的基础上重筑修建[16,17]。而今的荆州古城墙近半垛墙已坍塌，多数垛墙杂草丛生，散落的墙砖随意埋没在过道上，在临近南门处，一棵大树倾倒后直接砸在城墙上，造成大面积墙体损坏，部分墙体开裂的豁口已宽至 1 米，荆州古城墙急需保护[18]。
大同古城墙历史悠久，其修筑史可分为三大时间段：北魏、辽金、明清。现存古城墙主体部分属于明代，于公元 1372 年进行历史上最大规模的修筑[19]。大同古城墙的修筑材料主要选用形状规则的长条状石材，配合三合土垒制而成，是一座类方形、面积约 3.36 平方千米的大型古建筑结构[20]。现如今的大同古城墙，北小城夯土墙体保存较为完整，南小城夯土墙体部分被保存下来，而东小城大部分夯土墙体已被毁坏，1950 年城墙砖墙被拆除，仅有条石基础尚存[21]。
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2 开封古城墙植物现状调查
2.1 城墙坡面植物种类
自然条件下城墙墙面及坡面存在大量草本植物，城墙一侧为坡体，坡面土能很好的为植物生长提供条件，坡面处的草本植物群落茂盛。城墙另一侧为墙体，随自然风化、雨水冲刷，墙面材料疏松流失，凹凸斑驳的墙面为植物的扎根生长提供便利。
酸模，多年生草本植物，基生叶及茎下部叶呈箭形，端部急尖或圆钝，全缘或呈微波状；适应性强，喜光、耐荫、耐寒[36]。在三处实地考察的开封城墙区段均有生长，多见于城墙坡面，偶见城墙墙体顶部。酸模基本属性参数见表 2-1，样本采集时的植物形貌见图 2-1。
表 2-1 酸模植物
沿阶草，百合科草本植物。根纤细，根部近末端处偶有小块根；地下走茎长，鞘上有膜质。耐强光，可在强光照射下生长，也可在荫敝环境下生长，属耐荫植物[37]。耐热性佳，能耐受最高 46℃的气温。耐寒性佳，可耐受-20℃的低温，严寒季节其叶均保持常绿。耐湿性极强，在年均相对湿度达 81%的环境下能保持良好生长[38]，在雨水中浸泡 7 天仍无明显涝害症状。耐旱性好[39]，根系发达，叶片表层有蜡质保护膜，干旱环境下可极大的减少水分蒸发，进而维持生长所需的营养和水分。
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2.2 城墙墙面植物种类
狗牙根草，低矮草本植物，叶线形，鞘微脊，叶面无毛，花序呈穗状。柱头紫红，杆细且韧，杆壁厚且光滑。生长范围广、根茎蔓延性好，能较好的固土。工程中，常用于铺设草坪或球场。狗牙根草基本属性参数见表 2-6，样本采集时的植物形貌见图2-6。
表 2-6 狗牙根草植物
本章对城墙植物现状进行调研，城墙墙面及坡面均存在大量草本植物，城墙坡面为土质边坡，能较好的为植物提供自然生长所需条件。城墙墙面裂缝及砖缝中也存在大量草本植物，对城墙进行实地考察，得出以下主要结论：
（1）城墙坡面存在多种草本植物，且物种多样性丰富。
（2）草本植物多生长于墙面裂缝处或砖缝间，根系附近的墙砖风化开裂明显，砖缝间隙增大，墙体裂缝处的植物加快裂缝发展，破坏城墙内部墙土。
（3）墙体植物是岩生植物中特殊的一类植物群体，自然繁衍生长于墙体裂缝中，使墙体出现不同程度的损伤，这种损伤对城墙而言是不可逆的。
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3 开封古城墙坡面土根土复合体力学特性研究 ........................... 21
3.1 试验原材料的选取 ........................................ 21
3.2 城墙坡面土物理性能试验 .................................. 21
4 开封古城墙墙面土材料研究 ............................. 63
4.1 试验原材料的选取 ................................... 63
4.2 人工配制城墙墙面土 .................................. 63
5 开封古城墙墙面土特性试验 ............................ 73
5.1人工墙面土根土复合体直剪试验 .......................................... 73
5.1.1 小麦三七土根土复合体直剪试验 ............................. 73
5.1.2 大蒜三七土根土复合体直剪试验 ........................ 74
5 开封古城墙墙面土特性试验
5.1 人工墙面土根土复合体直剪试验
三七土具有密度大、耐久性好、不透水及原材料来源广泛等优点，其中糯米浆液中的有机成分，可对三七土的主要矿物成分碳酸钙起到调控作用，可控制碳酸钙的形貌尺寸、晶体大小，使土体结构致密，力学性能得到提升[71]。
5.1.1 小麦三七土根土复合体直剪试验
配制浓度为 6%、温度为 78℃的糯米浆液，倒入体积掺量为 3：7 的生石灰粉与粉质黏土混合物中拌和均匀。待反应结束后，掺入最大掺量的植物根系，制备三七土根土复合体试件。
制备小麦根系三七土根土复合体试件，自然状态下进行养护，随时间推移试件含水率逐渐降低，表面硬度值基本趋于稳定。自然状态下养护 7 天，对其进行直剪试验，测量小麦根系三七土根土复合体试件抗剪强度值，对比分析硬化后土体试件抗剪强度变化趋势，抗剪强度试验结果见表 5-1，抗剪强度变化曲线见图 5-1。
表 5-1 小麦三七土根土复合体抗剪强度
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6 结论与展望
6.1 主要结论
本文主要采用试验研究与理论分析相结合的方法，对开封古城墙的工程安全与稳定进行系统研究，对城墙坡面土及其根土复合体进行物理、力学性能试验获得城墙坡面土的各项性能参数；对城墙墙面土
