邊坡植被防護(hù)與加固機(jī)理及其應(yīng)用技術(shù)

1、名3夬學(xué)研究生課程考核試卷科目：教師：姓名：學(xué)號(hào)：專業(yè)：建筑與土木工程類別：專業(yè)上課時(shí)間：2013年5月至7月考生成績(jī)：卷面成績(jī)平時(shí)成績(jī)課程綜合成績(jī)閱卷評(píng)語(yǔ)：閱卷教師（簽名）重慶大學(xué)研究生院邊坡植被防護(hù)與加固機(jī)理及其應(yīng)用技術(shù)摘要：植被護(hù)坡能有效地克服工程措施護(hù)坡的不足，在發(fā)揮固土護(hù)坡作用的同時(shí)，能充分發(fā)揮植被的景觀效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)，起到恢復(fù)生態(tài)、保護(hù)環(huán)境、美化景觀的作用。本文對(duì)植物根系的固土機(jī)理進(jìn)行了深入分析，并介紹了目前國(guó)內(nèi)外采用較多的護(hù)坡技術(shù)。關(guān)鍵詞：邊坡、植被、防護(hù)技術(shù)、加固機(jī)理邊坡是自然或人工形成的斜坡，是人類工程活動(dòng)中基本的地質(zhì)環(huán)境之一，也是工程建設(shè)中常見(jiàn)的工程形式。近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展

2、迅猛，開(kāi)礦、筑路、水利等基礎(chǔ)建設(shè)日新月異。然而，我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，山地面積相當(dāng)廣闊，工程建設(shè)過(guò)程中大量開(kāi)山、筑堤，形成很多裸露的坡面，不僅會(huì)引起水土流失、引發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，而且破壞了原有的地表植被，破壞了生態(tài)環(huán)境。工程建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響隨著規(guī)模的增大而增加，己不再是某一地區(qū)或一定范圍內(nèi)的局域性問(wèn)題，而是影響到我國(guó)生態(tài)環(huán)境建設(shè)總體目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的全局性問(wèn)題。而植被永遠(yuǎn)是防止水土流失最積極的因素，植物強(qiáng)勁的根系和致密的地表覆蓋不僅可以涵養(yǎng)水源、保持水土，而且可以凈化空氣、保護(hù)生態(tài)、美化環(huán)境。由于邊坡綠化的作用日益凸顯，國(guó)家己將綠化環(huán)保作為高速公路、鐵路驗(yàn)收的一個(gè)重要項(xiàng)目（占驗(yàn)收總分的10

3、%）0用植被代替工程護(hù)坡，逐漸恢復(fù)被破壞的生態(tài)環(huán)境，用草、花及灌木綠化美化邊坡，已成為當(dāng)今公路、鐵路等建設(shè)的必然要求，除部分不穩(wěn)定邊坡采用必要的土虧工砌體防護(hù)外，其余所有裸露的邊坡包括路塹、路基邊坡、取土、棄土場(chǎng)等全部進(jìn)行植被綠化防護(hù)。邊坡植被防護(hù)技術(shù)就是利用植被涵水固土的原理穩(wěn)定巖土邊坡的淺表層，同時(shí)恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的一種新技術(shù)。是涉及巖土工程、土力學(xué)、材料力學(xué)、水土保持學(xué)、恢復(fù)生態(tài)學(xué)、植物學(xué)、土壤肥料學(xué)等多學(xué)科于一體的綜合邊坡綠色防護(hù)技術(shù)。植被護(hù)坡技術(shù)的研究逐漸成為一個(gè)正在開(kāi)發(fā)的具有學(xué)科交叉性的新領(lǐng)域，按照國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年），植被護(hù)坡技術(shù)的研究尤其植被根系

4、固土機(jī)理的研究應(yīng)該是今后15年國(guó)家大力發(fā)展的新興學(xué)科之一。因此，深入開(kāi)展植被根系固土機(jī)理和護(hù)坡技術(shù)的研究，對(duì)于促進(jìn)水土流失的防治和生態(tài)環(huán)境的建設(shè)，以及推動(dòng)基礎(chǔ)研究和交叉學(xué)科發(fā)展具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。1傳統(tǒng)邊坡防護(hù)與植被防護(hù)的對(duì)比以往為了減少水土流失、防止邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞，常采用土木工程措施對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)，如早期的地表和地下排水到后來(lái)的抗滑擋土墻、抗滑樁、漿砌片石、錨桿、灌漿、噴射混凝土、加筋土、土錨釘?shù)龋捎弥脖淮胧┓雷o(hù)的應(yīng)用很少。隨著人們環(huán)境意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，恢復(fù)生態(tài)和保護(hù)環(huán)境成為項(xiàng)目開(kāi)發(fā)和建設(shè)中不可回避的問(wèn)題，項(xiàng)目開(kāi)發(fā)與環(huán)境保護(hù)必須同時(shí)兼顧才能促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展。因此，邊坡防護(hù)的

5、目的不僅僅是保護(hù)坡面、穩(wěn)定坡體、減少水土流失，還必須同時(shí)兼顧恢復(fù)植被、豐富景觀。近年來(lái)，對(duì)邊坡采用植被防護(hù)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)日益引起重視。生態(tài)護(hù)坡與傳統(tǒng)邊坡防護(hù)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。前者可長(zhǎng)期有效地發(fā)揮固土護(hù)坡、美化環(huán)境的功能，費(fèi)省效宏；后者不但造價(jià)高，景觀效果差，而且隨著時(shí)間的推移，防護(hù)功能急劇下降，維護(hù)成本將增高。因此，在國(guó)內(nèi)外邊坡防護(hù)工程建設(shè)中，越來(lái)越傾向于采用植被措施護(hù)坡或者利用植被防護(hù)和工程措施相結(jié)合的方法。1.1 傳統(tǒng)邊坡防護(hù)的弊端首先，傳統(tǒng)邊坡防護(hù)方法生態(tài)景觀效果差。傳統(tǒng)的土木工程措施護(hù)坡，雖然能確保邊坡穩(wěn)定，卻忽略了工程建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞作用。加上許多工程邊坡盲目冒失地大量采用漿砌片

6、石護(hù)坡及噴射水泥砂漿等防護(hù)方式，漿砌片石及噴射砂漿或混凝土等工程措施完全封閉了植被生長(zhǎng)的環(huán)境，使得邊坡原有的自然植被永遠(yuǎn)不能恢復(fù)，永久性破壞了原有的生態(tài)環(huán)境。缺乏植物覆蓋的邊坡，一方面不利于固土護(hù)坡，破壞了坡體，而且大量的雨水直接流失，加大了對(duì)周邊地區(qū)的沖刷，給農(nóng)田水利帶來(lái)不利影響。另一方面，也不利于改善邊坡的景觀效果，大量裸露的巖石和混凝土不僅視覺(jué)效果差，形成了一片灰色的世界，缺乏生機(jī)與美感，與自然環(huán)境不協(xié)調(diào)，同時(shí)也不利于吸收陽(yáng)光和汽車尾氣及凈化有毒物質(zhì)、凈化空氣和吸收噪聲等。其次，傳統(tǒng)加固方法易失效。傳統(tǒng)的土木工程措施護(hù)坡，在初期防護(hù)效果很好，作用顯著，能確保邊坡穩(wěn)定。但隨著時(shí)間的推移，護(hù)

7、面墻表面、混凝土墻面等工程防護(hù)表面會(huì)在雨水、日照等影響下風(fēng)化，隨著混凝土逐步老化、鋼筋銹蝕加劇，防護(hù)工程強(qiáng)度逐漸降低,防護(hù)效果越來(lái)越差。另外，當(dāng)坡面沒(méi)有被全部封閉時(shí)，下落的雨滴在打擊坡面時(shí),把動(dòng)量傳遞給土體，產(chǎn)生的分裂力使土體顆粒分離飛濺。在滴濺過(guò)程中，雨滴動(dòng)量越大，撞擊分裂力越大，被濺出的土粒數(shù)量也越多。地表徑流將己被滴濺分離的土粒帶走，產(chǎn)生坡面侵蝕。這對(duì)采用傳統(tǒng)方法加固的邊坡造成危害，如使坡面框架梁架空、虛脫、斷裂等，往往造成加固結(jié)構(gòu)失效，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。植被能攔截高速下落的雨滴，減少雨滴數(shù)量、滴濺能量及飛濺的土粒。更為重要的是，植被能夠抑制地表徑流并削弱雨滴濺蝕，從而能控制土粒流失，通常情

8、況下，土體的流失量隨植被覆蓋率的增加呈指數(shù)關(guān)系降低。最后，大量工程措施使成本增高。過(guò)去，邊坡防護(hù)大量采用漿砌片石等防護(hù)方式，這些防護(hù)形式大量使用石料和勞力，破壞了自然環(huán)境，造價(jià)也較高。根據(jù)夏漢平1等統(tǒng)計(jì)，在廣東等南方地區(qū)修建公路邊坡石砌工程的造價(jià)一般在200元/m2,有些難度較大的工程接近300元/m2<并且隨著時(shí)間的推移其防護(hù)效果逐漸降低，無(wú)自我更新能力，必須經(jīng)常維護(hù)，施工難度大，費(fèi)用增加。舒翔等也有統(tǒng)計(jì)顯示，厚約2m的片石混凝土（漿砌片石）擋土墻的綜合單價(jià)約為300元/m3,厚約0.5-1.5m的漿砌片石護(hù)面墻的綜合單價(jià)約為250元/m3,厚約0.3m的漿砌片石護(hù)坡的綜合單價(jià)約為25

9、0元/m3。1.2 植被防護(hù)的優(yōu)勢(shì)長(zhǎng)期以來(lái)的科學(xué)和實(shí)踐證實(shí)，植被具有改善生態(tài)環(huán)境、減少水土流失、涵養(yǎng)水源、固土固坡、改善氣候、吸毒滯塵等其他工程措施所不具有的作用。植被防護(hù)是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的防治方法與措施，具有不可替代的重要作用。植被護(hù)坡較之工程措施護(hù)坡的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是植被護(hù)坡的環(huán)境效應(yīng)和美化景觀效應(yīng)。一方面，植被護(hù)坡能夠恢復(fù)和重建原有的地表植被，進(jìn)而恢復(fù)原有的生態(tài)系統(tǒng)，起到生態(tài)恢復(fù)和保護(hù)環(huán)境的作用；另一方面，植被護(hù)坡有效克服了工程措施景觀效果差的缺點(diǎn)，能有效地豐富、美化自然景觀。而且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人們生活水平的穩(wěn)步提高，人們對(duì)環(huán)境和景觀美化的追求愈來(lái)愈高，在防護(hù)和治理災(zāi)害的同時(shí)，

10、越來(lái)越注重邊坡的景觀效應(yīng)。植物較之混凝土、巖石是具有生命的活體，植物的生長(zhǎng)呈現(xiàn)勃勃生機(jī)，并且植物的生長(zhǎng)處于不斷的變化中，從幼苗的成長(zhǎng)到形成茂密的森林，從發(fā)芽展葉到花開(kāi)花落，一年往復(fù)一年，寒來(lái)暑往，千姿百態(tài)的形狀和變幻無(wú)窮的色彩呈現(xiàn)出不同的季相，形成豐富的、富于變化的景觀，顯示出一種動(dòng)態(tài)變化之美，創(chuàng)造出良好的環(huán)境氛圍，給人以詩(shī)畫(huà)般的風(fēng)韻和意境，使人們心情愉悅，感到安祥、舒暢和寧?kù)o。植被措施防護(hù)邊坡相比土木工程措施防護(hù)邊坡具有以下優(yōu)點(diǎn)，如表1所示。表1.植被措施與工程措施邊坡防護(hù)特點(diǎn)對(duì)比表邊坡防護(hù)特點(diǎn)植被措施工程措施目標(biāo)功能以預(yù)防為主以救災(zāi)為主啟效作用時(shí)間永久起作用，有自我修復(fù)能力在有限時(shí)間段內(nèi)起

11、作用景觀功能美化景觀，與環(huán)境協(xié)調(diào)形成地球傷疤，景觀效果差與環(huán)境的關(guān)系改善劃、境，重建綠色破壞原有的植被和環(huán)境利用自然資源有效開(kāi)發(fā)利用自然資源消耗自然資源治理費(fèi)用費(fèi)用較低,多方向冉生產(chǎn)費(fèi)用較高，不能再生產(chǎn)與巖土體兼容性1植被與巖土體兼容性好工程材料與巖土體兼容性差止匕外，植被護(hù)坡有兩個(gè)方面的功能效應(yīng)：（1）地面的植被覆蓋層、樹(shù)冠、枝葉及枯枝落葉層能夠截留雨水，阻止地表徑流的發(fā)生，從而有效降低坡面的沖刷；（2）土體中大量分布的側(cè)根和須根相互纏繞、盤根錯(cuò)節(jié)，形成具有一定抗張強(qiáng)度的根網(wǎng)，將根際土壤牢牢地包裹在一起形成一個(gè)整體，同時(shí)深粗的垂直根系能深入深處較穩(wěn)定的土層中，把根際淺層土層錨固到深處較穩(wěn)定的

12、土層上，更增加了土體的穩(wěn)定性。因此植被措施能夠有效防治水土流失、治理邊坡表淺層滑坡，有效提高邊坡淺表層土體的強(qiáng)度，有效提高邊坡淺表層的穩(wěn)定性。禾草、豆科植物和小灌木在地下0.75l,5m深處有明顯的土壤加強(qiáng)作用，樹(shù)木根系的這種加強(qiáng)作用則可影響到地下3m甚至3m以上的土層。2植被根系固土的力學(xué)原理近半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已從不同側(cè)面和角度對(duì)植物根系固土護(hù)坡的作用機(jī)理進(jìn)行了大量的研究和探索，取得了一定成果，主要表現(xiàn)為：（1）主根或粗根對(duì)邊坡巖土體的錨固作用；（2）須根或細(xì)根對(duì)邊坡巖土體的加筋作用，并由此形成了根系固土力學(xué)機(jī)制的兩個(gè)理論：加筋理論和錨固理論。2.1 植被根系固土的加筋理論植物

13、根系的加筋理論是由加筋士理論衍生而來(lái)的。所謂加筋土就是在土中按一定方向和間距鋪設(shè)一層或多層具有一定抗拉強(qiáng)度的加筋材料與填土交替而成的一種復(fù)合體。我們知道，土體具有一定的抗壓強(qiáng)度，但它的抗剪切強(qiáng)度較低，而抗拉強(qiáng)度更低，如果我們?cè)谕羶?nèi)摻入或鋪設(shè)適量的加筋材料，可以不同程度地提高土的強(qiáng)度并改善其變形特性，形成加筋土。2.1.1 根系加筋作用分析由植物根系的分布特點(diǎn)可知，根系在土體中的分布呈網(wǎng)狀、縱橫交錯(cuò)，隨著深度的增加含根量由地表向下逐漸減少，在根系盤結(jié)范圍內(nèi)的土體可看作由土和根系組成的根-土復(fù)合材料，根系可以看成一種柔性加筋材料，而根土復(fù)合體可以看作是加筋土，只是土體中根系的分布盤根錯(cuò)節(jié)，遠(yuǎn)比工程

14、中的加筋材料的分布復(fù)雜得多，故將根系看成是對(duì)土體的三維加筋，根土復(fù)合體則看成是三維加筋土。因此可按加筋土原理來(lái)分析含根土體的受力狀態(tài)，即把土中的根分布看作加筋材料的分布，根系如同加筋材料一樣對(duì)土體起到加筋增強(qiáng)的作用，從而使得根土復(fù)合體的強(qiáng)度明顯提高。對(duì)無(wú)根的土體施加豎向荷載，土體將產(chǎn)生豎向壓縮變形和側(cè)向膨脹變形。隨著豎向荷載的增大，土體的壓縮變形和側(cè)向的膨脹變形隨之加大，直到土體發(fā)生剪切破壞。當(dāng)對(duì)根土復(fù)合體施加同樣的豎向荷載，土體和根系將共同承受外荷載，土體和根系都發(fā)生變形，由于土體和根系的變形模量相差很大，根系的變形遠(yuǎn)小于土體的變形，根系和土體間為了變形協(xié)調(diào)，根系和土體之間必將產(chǎn)生摩擦阻力來(lái)

15、約束限制土體的變形，因此在同樣的豎向荷載作用下，根土復(fù)合體的變形則會(huì)大大減小，要使具有相同物理特性的含根土體破壞，則必須施加更大的豎向荷載，如圖1所示，從而使原土體的抗剪強(qiáng)度包線向上推移了一個(gè)距離c,Ac的大小與根密度、強(qiáng)度和土的顆粒性質(zhì)有關(guān)。故根系的存在為土層提供了一附加“黏聚力”Ac,從而使含根土體的抗剪強(qiáng)度大大提高。而根土復(fù)合體的強(qiáng)度特性主要表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度特性，所以根系的加入改變了土的力學(xué)性能，限制約束了土體的變形。理論計(jì)算表明，素士邊坡在發(fā)生滑坡之前，在自重或外荷的作用下，坡頂會(huì)發(fā)生明顯的下沉并出現(xiàn)拉裂縫，坡腳附近則有較大的側(cè)向位移，隨著坡頂裂縫的開(kāi)展和坡腳側(cè)向位移增加，潛在滑裂面上的

16、土體的剪應(yīng)變逐漸增大，當(dāng)達(dá)到臨界值，滑裂面上的土體突然下滑。而對(duì)于含根土的邊坡，由于根系的加筋作用，增加了根系土層的抗剪強(qiáng)度，并限制其側(cè)向位移，從而增加了邊坡根系層的穩(wěn)定性，有效地阻止了邊坡的淺層滑坡的發(fā)生。2.1.2 根系加筋作用力學(xué)模型最早對(duì)植物根系的加筋作用進(jìn)行描述的是Waldron,他在1977年提出了簡(jiǎn)單的加筋土的力平衡模型3,此模型是Mohr-coulomb強(qiáng)度方程的修正形式：7r=c+0tan+AS(1)式中：.一加筋土體的剪切強(qiáng)度；S一加筋引起的剪切強(qiáng)度增加值。GrayandAlRefeai(1986)采用這個(gè)模型描述加筋土的變形和破壞機(jī)理，推導(dǎo)出根系與剪切平面垂直和斜交時(shí)剪切

17、強(qiáng)度的增量ASH。土體的剪切引起根系的彎曲或錯(cuò)動(dòng)，使得根有被拔出的趨勢(shì)，動(dòng)員了根系的抗拉力，將拉力沿與剪切面平行和垂直兩個(gè)方向進(jìn)行分解，垂直向分力增加了剪切面上的圍壓，平行向分力則直接參與剪切抵抗。圖2為單根對(duì)土體的加筋力學(xué)模型，圖2(a)表示根的延伸方向與土體的剪切區(qū)正交的情況，圖2(b)表示根的延伸方向與土體剪切區(qū)斜交的情況。(a)正交狀態(tài)(b)斜交狀態(tài)圖2.單根與土體作用力學(xué)模型根據(jù)上圖，可以推導(dǎo)出以下公式:正交時(shí)：(2)(3)S=Tsin工costan斜交時(shí):式中:AAS-Tsin90'-工cos-90AA_ktaniS一由于根的加筋作用所引起的剪切強(qiáng)度增加值；T一動(dòng)用的土體單

18、位面積上的根系抗拉強(qiáng)度，T為根的抗拉力(N),A為A土體面積；日一剪切變形角；邛一剪切變形角；i一根的延伸方向與剪切面的初始夾角；k剪切變形比，k=x/H,x為剪切位移，H為剪切區(qū)的厚度。若面積為A的土體內(nèi)，共有n個(gè)根，其中m個(gè)為正交根，n-m個(gè)為斜交根，根的抗拉力分別為Ti、T2、T3、,Tn,正交根的剪切變形角分別為&、&、也、，也，斜交根的延伸方向與剪切面的初始夾角分別為im+1、im+2、，、in,剪切變形比分別為km+1、km+2、，、kn,則一由于根系的加筋作用所增加的土體的抗剪強(qiáng)度為:mm"Tjsinj'、.Tjcos'S=小-'

19、tan:(4)tan丁AA'、Tjsin90-1'jj=m1A一11-、式中：¥j=tan(尸m+1,m+2,.,n)。kj+tanij求出AS后，代入式(1),即可獲得根土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度。參數(shù)小可由素士的直剪試驗(yàn)獲得，參數(shù)m,n和ij,(j=m+1,n)可以通過(guò)野外截取含根系土體的縱橫剖面統(tǒng)計(jì)而獲得，但參數(shù)Tj、。不易測(cè)得，Tj需根據(jù)破壞時(shí)根系的形態(tài)來(lái)確定，若根系被拉斷，則Tj為根系的抗拉強(qiáng)度乘以其斷面面積，若根系被拔出，則Tj為根系與土體間的摩擦阻力。根土復(fù)合體可以看作是各向異性的復(fù)合材料，它的強(qiáng)度取決于土的抗剪力、土與根系的摩擦阻力及根系的抗拉力。2.2 植物

20、根系固土錨固理論錨固理論通常指巖土工程中的錨桿、土釘?shù)戎ёo(hù)作用理論。土體的抗剪強(qiáng)度較低，抗拉強(qiáng)度幾乎為零，但原位土體一般具有一定的結(jié)構(gòu)整體性。如在土體中設(shè)置土釘或錨桿，通過(guò)它們與土體間相互作用，錨桿、土釘具有箍束骨架、分擔(dān)荷載、傳遞和擴(kuò)散應(yīng)力、約束土體變形等作用，從而可有效地提高土體的整體強(qiáng)度，彌補(bǔ)土體抗拉、抗剪強(qiáng)度的不足。并通過(guò)將錨桿、土釘伸入深層穩(wěn)定的巖土體中，可將淺層軟弱、松動(dòng)、不穩(wěn)定的巖土體錨固于深層穩(wěn)定的土層中，以防止不穩(wěn)定土體的離層滑落。2.2.1 植物根系錨固作用分析植物的根系，特別是木本植物的垂直根系一般粗而深，具有一定的剛度，且可扎入巖土層的深處較穩(wěn)定的土層上，此時(shí)可將深粗根

21、看作預(yù)應(yīng)力錨桿，根據(jù)錨桿的支護(hù)理論，通過(guò)根土間的相互作用，垂直根系將把淺層根際土層錨固到深處較穩(wěn)定的土層上，從而使土體的穩(wěn)定性明顯增加。根系和土體間的相互作用主要包括黏結(jié)作用和摩擦作用。前者是由于土壤和根之間的有機(jī)膠質(zhì)、粘液及毛細(xì)作用而產(chǎn)生的一種粘合作用，根土間的這種粘合鍵比較弱，容易受根土界面上剪切而破壞。后者是由根所受的土壤壓力和根土之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的摩擦阻力，這種類型的粘合作用強(qiáng)度較大根據(jù)錨固理論，通過(guò)根土間的相互作用，樹(shù)木垂直主根的錨固作用表現(xiàn)為：(1)垂直根系的增強(qiáng)作用。素土邊坡由于自身具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整體性，在最初原位邊坡能保持穩(wěn)定，具有一定的穩(wěn)定安全系數(shù)。但由于土體的抗剪

22、強(qiáng)度相對(duì)較低，抗拉強(qiáng)度幾乎為零，當(dāng)坡高超過(guò)臨界坡高、超載等作用時(shí)，將使土體所受的剪力逐漸增大而超過(guò)其抗剪強(qiáng)度；或者因地下水位升降等因素作用而使土體含水量增加，引起土體的抗剪強(qiáng)度減小，從而使土體所受的剪力超過(guò)其抗剪強(qiáng)度，此時(shí)，素士邊坡將發(fā)生突然的整體失穩(wěn)破壞。而具有較高的抗拉強(qiáng)度的垂直根系的存在，可以通過(guò)根系、根土接觸面與土體三者間的共同作用，約束土體的變形，提高土體抗拉、抗剪強(qiáng)度，從而使根土復(fù)合體的抵抗滑動(dòng)的能力明顯增強(qiáng)。(2)垂直根系對(duì)根系層土體起著箍束骨架作用。植物根系在土層中向四周和縱深生長(zhǎng)、穿插，相互交織、盤根錯(cuò)節(jié)，形成網(wǎng)狀，將士顆粒牢固地聯(lián)結(jié)在一起，而垂直粗深根系具有一定的剛度和較大

23、的抗拉力，在土體內(nèi)沿縱深方向垂直分布，猶如整個(gè)網(wǎng)狀根系系統(tǒng)的骨架，使其形成一個(gè)牢固的空間整體，從而增強(qiáng)了復(fù)合土體的整體性與穩(wěn)定性。(3)垂直根系的分擔(dān)荷載作用。由于根系具有相對(duì)土體較高的抗拉強(qiáng)度，在土體進(jìn)入塑性狀態(tài)后，通過(guò)根土間的相互作用，土體中的剪應(yīng)力部分轉(zhuǎn)化成根系內(nèi)的拉應(yīng)力，使應(yīng)力逐漸向根系轉(zhuǎn)移，使土體中的剪應(yīng)力減小。(4)垂直根系的應(yīng)力傳遞與擴(kuò)散作用。由于土壤和根之間的有機(jī)膠質(zhì)、粘液及毛細(xì)作用而產(chǎn)生的咬合作用及根土間的相互嵌制作用，形成了根土界面上的黏聚力；再加上根系的膨脹作用壓緊了其周圍的土介質(zhì)，提高了根系與周圍土體之間的摩擦阻力，從而通過(guò)根土間的相互作用，垂直根系將不穩(wěn)定的表層土體錨

24、固到未遭到破壞影響并依然具有較高承載能力的深層土體上，使它們形成整體，有效阻止了淺層不穩(wěn)定土體的破壞。由于垂直粗深根系具有一定的剛度和較高的抗拉力，通過(guò)根土間的相互作用，垂直根系將坡面推力傳遞到深層較穩(wěn)定的地層，利用穩(wěn)定地層對(duì)垂直根系產(chǎn)生一的錨固作用和被動(dòng)抗力，阻止淺層土體的滑動(dòng)，從而使坡面的穩(wěn)定性增加，邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)提高。根系將坡面所承受的荷載向土體深層傳遞及周圍擴(kuò)散的同時(shí)，降低了根土復(fù)合體的應(yīng)力水平、改善了土體的變形性能，從而增加了邊坡的穩(wěn)定性。2.2.2 植物根系錨固作用力學(xué)模型植物的根系，特別是木本植物的垂直根系深而粗，有的可伸入地下5米以上,若垂直深粗根系扎入深層較穩(wěn)定的巖土層中

25、，則將淺層根際土層錨固到深處較穩(wěn)定的土層上，增加淺層土體的穩(wěn)定性。當(dāng)垂直根系扎入深層較穩(wěn)定的土層時(shí)，結(jié)合垂直根系的分布特點(diǎn)，把根系簡(jiǎn)化為以主根為軸向、側(cè)根為分支的全長(zhǎng)粘接型錨桿，運(yùn)用錨桿的支護(hù)原理來(lái)分析它對(duì)周邊土體的力學(xué)加固作用，具錨固力的大小可以通過(guò)計(jì)算各側(cè)根與周圍土體間的粘合作用力以及主根與周圍土體間的粘合作用力的累加而獲得4。可以建立如圖3的根系模型5圖3.垂直根系力學(xué)分析對(duì)于地表下z深度處的根徑大于1mm的任意段dl,根段表面單位面積上所受到的正壓力為立,其中，：為土體的自然容重。由前述根系和土體界面間的相互作用即粘結(jié)力飛由界面摩擦作用和黏結(jié)作用耦合而成，其值為：%(z尸%(z)+C(

26、5)式中：%(z)一根系和土體間的摩擦力，令根土間的靜摩擦系數(shù)為小,故相應(yīng)的最大靜摩擦力為祖女；C根系和土體間的勃聚力。則整個(gè)根段dl所受到的最大粘結(jié)力為：df=Ats(?夕冗rzjCdl(6)式中：r一根段的半徑；A一根段的表面積，A=2r如。df在鉛垂方向的投影分量為：dfz=dfcos=2nrz+C)dlcosB=2兀r(工，z+C”dz(7)由上式可知任意根段所受到的最大粘結(jié)力在鉛垂方向的分量與根伸展的傾斜方向(9)無(wú)關(guān)。對(duì)于整個(gè)根系，若令根的平均半徑沿深度z方向的分布函數(shù)為r=P(z),根的密度沿深度Z方向的分布函數(shù)為N=Q(z),則地下z-z+dz范圍內(nèi)，根系的最大粘結(jié)力在垂直方向

27、的分量為：£df=2n(N¥z+C(P)z,(Qzdz(8)因而，根系的總的最大的粘結(jié)力在垂直方向的分量為：QOoOQ0F=fSdfz=2出尸JP(z)Q(z).zdz+2jtCJP(z)Q(z)dz(9)000因此，根系的最大錨固力為：oOQOQ0T=F=f£dfz=2用尸JP(z)Q(z>zdz+2兀CfP(z)Q(z)dz(10)000函數(shù)P(z)和Q(z)的確定可通過(guò)對(duì)原位含根土體沿不同深度分別剖取橫剖面，對(duì)根莖、根的數(shù)量進(jìn)行量測(cè)并擬合數(shù)據(jù)而獲得。根土間的摩擦系數(shù)以、根系和土體間的黏聚力C可通過(guò)根土接觸面的剪切試驗(yàn)而獲得。在植被護(hù)坡中由于引入了活的植

28、物，它不僅具有工程屬性，而且具有生物發(fā)展屬性。當(dāng)植被處于不同的生長(zhǎng)發(fā)育階段，根系所起的固土護(hù)坡作用也不盡相同，從而導(dǎo)致根系的固土護(hù)坡作用具有較強(qiáng)的生物發(fā)展屬性。如深入地下較深、粗壯的垂直根系能穿過(guò)坡體淺層的松散風(fēng)化層，將其錨固到深處較穩(wěn)定的土層上，深粗根在土體中起到抗滑樁和扶壁的作用，能有效抵抗坡體產(chǎn)生的剪應(yīng)力，此時(shí)，根系主要起錨周作用；而當(dāng)種植的初期，根系深入地下較淺且較細(xì)，則主要起加筋的作用，它們?cè)谕馏w中盤根錯(cuò)節(jié)，與土體共同形成根土復(fù)合體，根系對(duì)土體起到加筋增強(qiáng)的作用，使土體的抗剪強(qiáng)度提高；而對(duì)于含有較多的垂直向下的穿過(guò)潛在剪切滑動(dòng)面的強(qiáng)勁須根的根系，提高抵抗淺位滑坡的能力更強(qiáng)。3邊坡植被

29、防護(hù)技術(shù)3.1 邊坡植被防護(hù)的影響因素采用植被防護(hù)措施不僅能起到保護(hù)坡面、穩(wěn)定坡體、減少水土流失，而且還同時(shí)起到恢復(fù)植被、保護(hù)生態(tài)環(huán)境及豐富景觀的作用。邊坡所處的地質(zhì)地貌、氣象水文、土壤條件等自然因素將直接影響植物護(hù)坡工程的護(hù)坡效果，同時(shí)，了解邊坡的地質(zhì)狀況、地形地貌、土壤性質(zhì)及坡度、氣候條件等也是合理地選擇植被、進(jìn)行群落配置及選擇適宜的邊坡防護(hù)技術(shù)的先決條件，因此在實(shí)施植被護(hù)坡之前，必須充分考慮這些因素的影響。(1)地質(zhì)狀況邊坡表土層的地質(zhì)狀況將直接影響植物根系的分布特征，如果在很薄的土層下面存在巖體結(jié)構(gòu)較完整的水平板狀基巖，則根系主要分布在薄土層中，難以向下延伸；反之，如果巖體破碎、裂隙發(fā)

30、育，則根系可穿過(guò)土層，沿巖石的裂隙向下延伸，一方面能吸收養(yǎng)分和較深處的地下水，即有利于植物的生長(zhǎng)，同時(shí)又增強(qiáng)了根系的固土能力。土壤的酸堿性與地層巖性有關(guān)，砂巖、頁(yè)巖、凝灰?guī)r發(fā)育的土壤一般偏酸性，而石灰?guī)r上發(fā)育的土壤一般偏堿性。因此地層的結(jié)構(gòu)和巖性，直接影響護(hù)坡植物的選取和適宜的邊坡防護(hù)技術(shù)的采用。(2)坡度坡面安全性與坡度成反相關(guān)，坡度的大小直接影響坡面物質(zhì)的穩(wěn)定性，故坡度與施工工程質(zhì)量成反相關(guān)。坡度對(duì)植被恢復(fù)有很大影響，大于45用勺坡面易引發(fā)水土流失和水熱的再分配，坡度越大種植條件越惡劣，種子與幼苗越易受到雨水沖刷，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響程度越大。(3)氣候條件邊坡所處的氣候條件如年平均溫度、

31、最高溫度、最低溫度、霜凍天數(shù)、年平均降水量、連續(xù)干早天數(shù)等，將直接影響護(hù)坡植物選擇、施工季節(jié)和時(shí)間。另外，風(fēng)向和風(fēng)級(jí)對(duì)設(shè)計(jì)植物的株行距及其走向也有重要的意義。(4)土壤土壤是植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，植物生長(zhǎng)所需的水分和養(yǎng)分均來(lái)自土壤。土壤的結(jié)構(gòu)即機(jī)械組成，包括粘粒、粉粒、砂粒和石塊的含量，直接影響土壤的蓄水性、透水透氣性、孔隙度等物理特性。同時(shí)，也影響土壤中有機(jī)質(zhì)含量、土壤含水量、土壤微生物活性等，因此對(duì)于不同機(jī)械組成的土壤選擇不同生物學(xué)生態(tài)學(xué)特性的植物，使其適應(yīng)邊坡的立地條件，往往是植被護(hù)坡工程成敗關(guān)鍵之一。3.2邊坡植被防護(hù)技術(shù)3.2.1 鋪貼草皮鋪貼草皮是目前使用較多的一種護(hù)坡方法，尤其是應(yīng)用于

32、低路基邊坡。它是將人工培育的生長(zhǎng)優(yōu)良健壯的草坪，鏟起并運(yùn)至待防護(hù)、綠化的坡面，按照一定的規(guī)格要求重新鋪植，使邊坡迅速形成草坪的護(hù)坡綠化技術(shù)。雖然滿足了“即時(shí)綠、見(jiàn)效快”的要求，但隨著時(shí)間的推移，暴露出的弊端較多。(1)草種單一，在邊坡植物群落中缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，鋪貼初期必須經(jīng)常除雜，以確保成活率與覆蓋度，否則會(huì)被高大雜草掩沒(méi)甚至吞噬。(2)投入大，效果欠佳。由于邊坡持水性差、澆灌不便、有機(jī)質(zhì)含量低、土壤微生物活性低，鋪貼后草皮重新扎根之前將渡過(guò)一個(gè)萎焉休克期，此期間若水分供給不及時(shí)，草皮很容易枯死。另外，在鋪貼草皮前需平整地表和清除表層石塊等雜物，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，效率低。再者，草皮多出自于附近農(nóng)田，移植時(shí)

33、常帶進(jìn)生命力極強(qiáng)的農(nóng)田雜草的種子與根莖，這給本無(wú)雜草的生土邊坡帶來(lái)了無(wú)窮的后期養(yǎng)護(hù)隱患3.2.2 液壓噴播液壓噴播技術(shù)是以水為載體的植被建植技術(shù)，先對(duì)邊坡進(jìn)行簡(jiǎn)易修整，然后使用高壓噴槍將種籽、肥料、覆蓋材料、土壤改良劑、保水劑、色素和防蝕劑等加水?dāng)嚢韬笠宰銐蚋叩膲毫χ苯訃姺笤谕寥辣砻?，形成松軟而穩(wěn)定的養(yǎng)生覆蓋層。噴播后的混合物在土壤表面形成一層膜狀結(jié)構(gòu)，能有效地防止沖刷，并能在較短時(shí)間內(nèi)萌芽長(zhǎng)成植株迅速覆蓋坡面。與傳統(tǒng)鋪貼草皮方式相比，其優(yōu)勢(shì)在于：(1)噴播方法適用范圍廣，由于使用覆蓋料、土壤穩(wěn)定劑和專用肥料等材料,加之噴播設(shè)備的噴射功能和加接軟管等，不但適用于地勢(shì)平緩、土質(zhì)好的坡面，更適用于

34、高陡邊坡及貧瘠地帶的強(qiáng)制綠化，不需進(jìn)行大面積換土。(2)對(duì)邊坡表面的平整度無(wú)嚴(yán)格要求，特別適合于不平整和含石塊較多的土壤地帶。不需平整地表和清除表層石塊等雜物，省工省時(shí)，同時(shí)又避免了人為帶進(jìn)田間雜草。(3)覆蓋物和土壤穩(wěn)定劑的共同作用，能有效防止雨水沖刷，避免種子流失覆蓋物還能起到保濕保溫的作用，建植后植被整齊均勻，防護(hù)和綠化效果顯著。(4)噴播施工效率高，每臺(tái)設(shè)備每天可噴播萬(wàn)余平方米，可滿足大面積綠化工程需要。(5)種子配比靈活多變，避免了單一草種綠色期短、競(jìng)爭(zhēng)力弱等缺陷，可根據(jù)地質(zhì)地貌、氣候條件、土壤特性選擇不同的植物群落配置。優(yōu)勢(shì)明顯，經(jīng)常與其他護(hù)坡固坡方法搭配使用。3.2.3 三維植被

35、網(wǎng)技術(shù)三維網(wǎng)植被網(wǎng)技術(shù)適用于多類邊坡，如一般土質(zhì)邊坡、煤渣邊坡、風(fēng)化巖石邊坡等，尤以路基填方邊坡使用效果最佳。三維植被網(wǎng)是以熱塑性樹(shù)脂為原料，采用一系列工藝經(jīng)擠出、拉伸等形成相互纏繞，在結(jié)合點(diǎn)處相互融合，制成的兩層或多層表面呈凸凹不平網(wǎng)包的層狀結(jié)構(gòu)孔網(wǎng)。底層為一個(gè)高模量基礎(chǔ)層，采用雙向拉伸技術(shù)，具有一定的彈性和強(qiáng)度，可防止植被網(wǎng)變形，并能有效地防止水土流失。網(wǎng)孔有較大的容土空間，網(wǎng)袋中的充填物(土顆粒、營(yíng)養(yǎng)土、草籽等)能很好地被固定，植被覆蓋率高，抗風(fēng)、抗水沖蝕能力強(qiáng)，并能加強(qiáng)較陡邊坡的防護(hù)，抵抗大雨、暴雨的襲擊。植被形成后根系與網(wǎng)交織纏繞形成一層保護(hù)層，植物根系扎入泥土，與網(wǎng)、泥土三者形成一

36、個(gè)牢固的復(fù)合力學(xué)嵌鎖體系，還可起到坡面表層加筋的作用，從而起到固土護(hù)坡的作用。缺點(diǎn)是現(xiàn)在的土工網(wǎng)墊大多數(shù)以熱塑樹(shù)脂為原料，塑料老化后，在土壤里容易形成二次污染。3.2.4 客土噴播客土噴播是一種融合土壤學(xué)、植物學(xué)、生態(tài)學(xué)理論的生態(tài)防護(hù)技術(shù)。首先，精心配制適合于特殊地質(zhì)條件下的植物生長(zhǎng)基質(zhì)(客土)和種子，然后，用掛網(wǎng)噴播的方式覆蓋在邊坡表面，噴播厚度一般為0.030.lm,并根據(jù)坡面穩(wěn)定性確定錨桿的長(zhǎng)度和金屬網(wǎng)的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)巖質(zhì)邊坡的防護(hù)和綠化。該技術(shù)最初由廣東省高等級(jí)公路公司和交通部科學(xué)研究院聯(lián)合從日本引進(jìn)，首次在惠河高等級(jí)公路項(xiàng)目中的實(shí)施。施工工藝順序?yàn)椋呵謇砥旅妫@孔打錨桿，掛網(wǎng)，噴射

37、客土。客土配方是該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵，具包含土壤、纖維、肥料、保水劑、粘結(jié)劑、穩(wěn)定劑。配制后的客土應(yīng)能滿足植物生長(zhǎng)所需要的基本厚度、酸堿度、空隙率、營(yíng)養(yǎng)成分、水份以及耐久性。這些指標(biāo)不僅與具體的邊坡地質(zhì)條件有關(guān)，而且還受當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件的影響，因此，該技術(shù)引進(jìn)必須根據(jù)具體情況進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)。植物種類的選擇也有別于普通植草?？屯羾姴サ闹参飸?yīng)由多種草本、灌木組成，而且盡量采用與當(dāng)?shù)靥烊恢脖活愃频姆N類。混合種類的目的在于使植被可以實(shí)現(xiàn)從草坪到樹(shù)林的演替。錨桿掛網(wǎng)的目的主要有兩方面：一是防護(hù)功能，對(duì)于邊坡局部不穩(wěn)定者，可通過(guò)加大加深錨桿以穩(wěn)定邊坡；二是支撐功能，客土基質(zhì)可以借助金屬網(wǎng)的支撐附著在坡面，對(duì)坡率陡者可以加密網(wǎng)或設(shè)置雙層網(wǎng)。由于客土可以由機(jī)械拌和，掛網(wǎng)實(shí)施容易，因此，該技術(shù)施工的機(jī)械化程度高，速度快。4結(jié)語(yǔ)植被護(hù)坡措施是一種應(yīng)用越來(lái)越廣泛的新型邊坡防護(hù)技術(shù)，為了恢復(fù)生態(tài)、保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的可持續(xù)性發(fā)展，達(dá)到人類社會(huì)和自然的和諧統(tǒng)一，采用植物的方法或與土木工程相結(jié)合的方法來(lái)加固邊坡是邊坡防護(hù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，將在筑路、水利、采礦、輸油氣管道和城鎮(zhèn)建設(shè)等