植被護坡作用及根系固坡機理

哈爾濱鐵道職業(yè)技術(shù)學院 黑龍江哈爾濱 150086

摘要：隨著人類對環(huán)保和生態(tài)問題的日益重視，為實現(xiàn)人與自然生態(tài)環(huán)境的相互協(xié)調(diào)，植被護坡技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。本文主要從植被護坡的作用、根系固土作用力學機理及其影響因素三個方面進行了闡述，能為植被護坡技術(shù)的實際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：植被護坡；作用；固土機理

1 概述

近年來，隨著大批鐵路項目的不斷開展，施工中由于受到自然環(huán)境、選線和投資等因素的限制，存在著大量開挖的不穩(wěn)定邊坡。這些開挖后的邊坡地表植被遭到破壞，易造成水土流失和生態(tài)環(huán)境的嚴重失衡。植被護坡技術(shù)則利用植被涵水固土的原理能夠有效地解決了工程建設(shè)與生態(tài)環(huán)境間的矛盾，它不僅可以減少水土流失，快速恢復自然生態(tài)環(huán)境，還可以改善和美化行車環(huán)境，并且能夠穩(wěn)固邊坡，具有造價低、施工操作方法簡單等優(yōu)勢，因此植被護坡技術(shù)在我國鐵路邊坡防護中得到了廣泛應(yīng)用。

2 植被護坡作用

植被護坡主要通過植物地上莖葉和地下根系的作用達到防護邊坡作用的，植被護坡作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）水土保持作用

植被莖葉的存在可以有效地承接雨水，避免雨水直接擊打地面，減少雨水對邊坡的沖蝕。植被可以降低邊坡表面風速，防止風蝕，同時植被的枯落物可以有效地減少地表徑流，提高土壤持水量，起到蓄水作用。

（2）恢復生態(tài)環(huán)境

邊坡上的植物能夠通過光合作用釋放出大量的氧氣，吸收汽車尾氣和有害氣體，吸附空氣中的塵埃，凈化空氣，降低噪音和強光反射。通過植物護坡措施可以調(diào)節(jié)局部惡化道路的小氣候，改善被破壞區(qū)域周圍的溫度和濕度。選擇生長速度快、覆蓋率高、根系發(fā)達的植物能夠在較短時間內(nèi)恢復動物和微生物的棲息和生存環(huán)境，并逐漸重新形成和恢復原本被破壞的生物鏈。

（3）景觀功能

相關(guān)研究表明，綠色可以緩解眼睛疲勞。對邊坡植被類型進行合理的選擇與配置，通過分段變化不同顏色和形狀的植被種類與布局，可以改善傳統(tǒng)工程防護帶來的突兀與單調(diào)的氛圍，能夠營造出舒適、柔和、美麗的自然景觀，緩解司機視覺疲勞，避免司機瞌睡，從而保證行車安全，降低交通事故。

（4）穩(wěn)固邊坡，提高邊坡穩(wěn)定性

大量的研究證明，植物根系的存在能夠提高邊坡土體的粘聚力，增強土體的抗剪強度，同時還可以將表層土體的荷載傳遞到深層土體中，分散集中的土體應(yīng)力，可以有效降低土體發(fā)生崩塌和滑坡的幾率。

3 根系固坡作用機理

植物根系主要通過根系的加筋作用與錨固作用，提高土體的粘聚力和根-土間的摩擦力，增強邊坡土體的抗剪強度和穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)根系固坡、穩(wěn)定邊坡的功能。

（1）加筋作用

大多數(shù)草本植物和水平根系發(fā)達的木本植物，它們的淺細根系主要分布在邊坡表層，并且錯綜盤結(jié)在一起，這些大量的小側(cè)根或根毛狀微根與土顆粒接觸的表面積大，如同纖維一樣加入到周圍土體中并與周圍土壤緊密地黏附在一起，有利于改善邊坡土體的強度、變形等力學性質(zhì)。通常在對邊坡土體進行力學分析時，將這些淺細根系看作加筋材料，將根系與土看作是根-土復合體的加筋土。正因為這些起加筋作用的淺細根系的存在，使得原土體的粘聚力得到提高，同時也增強了根土復合體的抗剪強度和邊坡土體的承載能力。

大量的試驗研究認為這些淺細根系的存在能顯著提高土體的抗剪強度，對邊坡土體的主要貢獻體現(xiàn)在提高土體的粘聚力方面，而對內(nèi)摩擦角的影響相對較小。

扈萍對馬尼拉草進行室內(nèi)直剪試驗，認為根系能顯著增加土體的抗剪強度，含根土體的粘聚力增量與根系分布密度成正比，而內(nèi)摩擦角基本不變。

王華研究提出有狗牙根和早熟禾兩種根系的土體與無根土相比較，其粘聚力提高率為7.56%～47.88%，而內(nèi)摩擦角的提高僅為0.72%～4.84%，并且抗剪強度的增強程度隨土層深度的增加而逐漸變小。

胡夏嵩通過對種植在PVC管內(nèi)的四翅濱藜、白刺、檸條錦雞兒和四赤濱藜四種灌木進行研究，提出這四種灌木能使土體粘聚力提高22.0%～76.3%，內(nèi)摩擦角變化不顯著，灌木根土復合體抗剪強度與法向壓力仍符合庫侖定律。

（2）錨固作用

植被的深粗根能夠穿過邊坡潛在滑動面，當周圍土體具有滑動趨勢時，根土間產(chǎn)生一定的摩擦力，深粗根同時通過這種摩擦作用將根系與周圍土體聯(lián)系起來，起到錨固土體的作用。對其進行力學分析時，可將深粗根看作是具有固坡作用的錨桿，其錨固力大小可通過計算根系與周圍土體的摩擦力累加獲得。

國內(nèi)外學者通過大量的原位拉拔試驗與室內(nèi)抗拔力試驗研究，認為植物根系的抗拔力通常與根系直徑、根系長度等因素有關(guān)，并且與這些因素呈正相關(guān)趨勢。

楊永紅對苦刺、車桑子、合歡和桉樹根系進行抗拉拔試驗，分別建立了這四種植物根系的最大抗拉拔力與根系直徑和長度的回歸公式，并認為桉樹根系錨固效果最好。

胡夏嵩、陳桂琛等人對青藏鐵路路基邊坡兩側(cè)的的垂穗披堿草進行原位拉拔試驗，研究表明根系抗拔力與根表面積、須根數(shù)量及分蘗數(shù)等因素成線性關(guān)系，并且須根數(shù)量是影響抗拔力值的主要因素。

劉小光采用根系拉拔試驗機對油松根系進行單根拉拔試驗，結(jié)果表明根土摩擦力與直徑成正比，滑移量隨著根系埋深、加荷速度的增加而變大。

4 影響根系固坡作用的因素

根系對邊坡土體的穩(wěn)固作用通常會受到諸多因素的影響，對于植被自身因素而言，其固坡作用通常與根系的分布特征、根系的強度和根系類型等因素有關(guān)。

（1）根系的分布特征

根系的分布特征決定了根系對邊坡穩(wěn)定性所起的作用，而根系的分布特征與植物的種類、水平和垂直分布情況等因素有關(guān)。草本植物通常無明顯主根，多以直徑小于1mm的須根為主，分布較淺。木本植物根系常分為垂直根、水平根和散生根三種，根系分布深度比草本植物深。草本植物根系和木本植物淺細根系由于直徑較小且密集分布在邊坡表層，對土體只要起到加筋作用，對提高土壤的抗剪強度比分布較少的較粗根系更具優(yōu)勢；而木本植物中的主根能扎入到較深的土層中，具有約束土體、抵抗土體滑移的作用，起深層錨固邊坡土體的作用。

（2）根系的強度

植物根系的強度與植物種類、根系直徑、生長環(huán)境及根系位置等因素有關(guān)，相互間略有差異，對土體抗剪強度的提高和對邊坡穩(wěn)定性的影響程度也不同。眾多關(guān)于根系強度的研究表明：植物根系的抗拉力與根徑成正比，但抗拉強度卻隨著根徑的增加呈降低趨勢；抗拔力通常與根系直徑、根系長度、植株高度等有關(guān)，根系的抗拔力隨著根徑、根長和植株高度的增加成增長的趨勢。

（3）根系類型

植物根系對土體的力學作用取決于根系的受力情況，因此對邊坡土層中的根系進行受力分析時，首先要判斷根系的類型。植物根系通常分為抗剪型根系和摩擦型根系。當土體發(fā)生滑動時，如果根土間的靜摩擦力大于根系自身的抗拉力，根系則會被拉斷，屬于抗剪型根系，這類根系對土體的抗滑作用主要表現(xiàn)在根系沿滑動面的抗拉力的分量。相反，若根土間的靜摩擦力小于根系的抗拉力，根系通常會被拔出，屬于摩擦型根系，其對土體的抗滑作用則主要表現(xiàn)在根土間的靜摩擦力的分量。

參考文獻：

[1]張永興.邊坡工程學[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008：224-226.

[2]王華，趙志明，何劉.不同植被類型根系固土效應(yīng)的試驗研究[J].鐵道建筑，2009，11：62-63.

[3]胡夏嵩，李國榮，朱海麗.寒旱環(huán)境灌木植物根_土相互作用及其護坡力學效應(yīng)[J].巖石力學與工程學報，2009，28（3）：619.

[4]扈萍.高速公路邊坡植被護坡的力學分析[D].濟南：山東大學碩士學位論文，2005：38.

[5]劉小光，冀曉東，趙紅華等.油松根系與土壤摩擦性能研究[J].巖石力學與工程學報，2012，34（6）：63-67.

[6]楊永紅.東川礫石土地區(qū)植被固土護坡機理研究[D].成都：西南交通大學博士學位論文，2006：94-108.