边坡植被防护与加固机理及其应用技术

研究生课程考核试卷科目：教师：姓名：学号：专业：建筑与土木工程类别：专业上课时间：2013年5月至7月考生成绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语：阅卷教师(签名)重庆大学研究生院边坡植被防护与加固机理及其应用技术摘要：植被护坡能有效地克服工程措施护坡的不足，在发挥固土护坡作用的同时，能充分发挥植被的景观效应和环境效应，起到恢复生态、保护环境、美化景观的作用。

本文对植物根系的固土机理进行了深入分析，并介绍了目前国内外采用较多的护坡技术。

关键词：边坡、植被、防护技术、加固机理边坡是自然或人工形成的斜坡，是人类工程活动中基本的地质环境之一，也是工程建设中常见的工程形式。

近年来我国经济发展迅猛，开矿、筑路、水利等基础建设日新月异。

然而，我国是一个多山的国家，山地面积相当广阔，工程建设过程中大量开山、筑堤，形成很多裸露的坡面，不仅会引起水土流失、引发滑坡、泥石流等地质灾害，而且破坏了原有的地表植被，破坏了生态环境。

工程建设对生态环境的影响随着规模的增大而增加，己不再是某一地区或一定范围内的局域性问题，而是影响到我国生态环境建设总体目标实现的全局性问题。

而植被永远是防止水土流失最积极的因素，植物强劲的根系和致密的地表覆盖不仅可以涵养水源、保持水土，而且可以净化空气、保护生态、美化环境。

由于边坡绿化的作用日益凸显，国家己将绿化环保作为高速公路、铁路验收的一个重要项目(占验收总分的10%)。

用植被代替工程护坡，逐渐恢复被破坏的生态环境，用草、花及灌木绿化美化边坡，已成为当今公路、铁路等建设的必然要求，除部分不稳定边坡采用必要的圬工砌体防护外，其余所有裸露的边坡包括路堑、路基边坡、取土、弃土场等全部进行植被绿化防护。

边坡植被防护技术就是利用植被涵水固土的原理稳定岩土边坡的浅表层，同时恢复生态环境的一种新技术。

是涉及岩土工程、土力学、材料力学、水土保持学、恢复生态学、植物学、土壤肥料学等多学科于一体的综合边坡绿色防护技术。

植被护坡技术的研究逐渐成为一个正在开发的具有学科交叉性的新领域，按照《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》，植被护坡技术的研究尤其植被根系固土机理的研究应该是今后15年国家大力发展的新兴学科之一。

因此，深入开展植被根系固土机理和护坡技术的研究，对于促进水土流失的防治和生态环境的建设，以及推动基础研究和交叉学科发展具有重要的理论意义和现实意义。

1 传统边坡防护与植被防护的对比以往为了减少水土流失、防止边坡发生失稳破坏，常采用土木工程措施对边坡进行防护，如早期的地表和地下排水到后来的抗滑挡土墙、抗滑桩、浆砌片石、锚杆、灌浆、喷射混凝土、加筋土、土锚钉等，而采用植被措施防护的应用很少。

随着人们环境意识的逐渐增强，恢复生态和保护环境成为项目开发和建设中不可回避的问题，项目开发与环境保护必须同时兼顾才能促进经济可持续性发展。

因此，边坡防护的目的不仅仅是保护坡面、稳定坡体、减少水土流失，还必须同时兼顾恢复植被、丰富景观。

近年来，对边坡采用植被防护进行生态恢复日益引起重视。

生态护坡与传统边坡防护相比具有明显的优势。

前者可长期有效地发挥固土护坡、美化环境的功能，费省效宏；后者不但造价高，景观效果差，而且随着时间的推移，防护功能急剧下降，维护成本将增高。

因此，在国内外边坡防护工程建设中，越来越倾向于采用植被措施护坡或者利用植被防护和工程措施相结合的方法。

1.1 传统边坡防护的弊端首先，传统边坡防护方法生态景观效果差。

传统的土木工程措施护坡，虽然能确保边坡稳定，却忽略了工程建设对生态环境的破坏作用。

加上许多工程边坡盲目冒失地大量采用浆砌片石护坡及喷射水泥砂浆等防护方式，浆砌片石及喷射砂浆或混凝土等工程措施完全封闭了植被生长的环境，使得边坡原有的自然植被永远不能恢复，永久性破坏了原有的生态环境。

缺乏植物覆盖的边坡，一方面不利于固土护坡，破坏了坡体，而且大量的雨水直接流失，加大了对周边地区的冲刷，给农田水利带来不利影响。

另一方面，也不利于改善边坡的景观效果，大量裸露的岩石和混凝土不仅视觉效果差，形成了一片灰色的世界，缺乏生机与美感，与自然环境不协调，同时也不利于吸收阳光和汽车尾气及净化有毒物质、净化空气和吸收噪声等。

其次，传统加固方法易失效。

传统的土木工程措施护坡，在初期防护效果很好，作用显著，能确保边坡稳定。

但随着时间的推移，护面墙表面、混凝土墙面等工程防护表面会在雨水、日照等影响下风化，随着混凝土逐步老化、钢筋锈蚀加剧，防护工程强度逐渐降低，防护效果越来越差。

另外，当坡面没有被全部封闭时，下落的雨滴在打击坡面时，把动量传递给土体，产生的分裂力使土体颗粒分离飞溅。

在滴溅过程中，雨滴动量越大，撞击分裂力越大，被溅出的土粒数量也越多。

地表径流将己被滴溅分离的土粒带走，产生坡面侵蚀。

这对采用传统方法加固的边坡造成危害，如使坡面框架梁架空、虚脱、断裂等，往往造成加固结构失效，导致边坡失稳。

植被能拦截高速下落的雨滴，减少雨滴数量、滴溅能量及飞溅的土粒。

更为重要的是，植被能够抑制地表径流并削弱雨滴溅蚀，从而能控制土粒流失，通常情况下，土体的流失量随植被覆盖率的增加呈指数关系降低。

最后，大量工程措施使成本增高。

过去，边坡防护大量采用浆砌片石等防护方式，这些防护形式大量使用石料和劳力，破坏了自然环境，造价也较高。

根据夏汉平[1]等统计，在广东等南方地区修建公路边坡石砌工程的造价一般在200元/m2，有些难度较大的工程接近300元/m2。

并且随着时间的推移其防护效果逐渐降低，无自我更新能力，必须经常维护，施工难度大，费用增加。

舒翔[2]等也有统计显示，厚约2m的片石混凝土（浆砌片石）挡土墙的综合单价约为300元/m3，厚约0.5-1.5m的浆砌片石护面墙的综合单价约为250元/m3，厚约0.3m的浆砌片石护坡的综合单价约为250元/m3。

1.2 植被防护的优势长期以来的科学和实践证实，植被具有改善生态环境、减少水土流失、涵养水源、固土固坡、改善气候、吸毒滞尘等其他工程措施所不具有的作用。

植被防护是一种经济、环保的防治方法与措施，具有不可替代的重要作用。

植被护坡较之工程措施护坡的一个突出优点就是植被护坡的环境效应和美化景观效应。

一方面，植被护坡能够恢复和重建原有的地表植被，进而恢复原有的生态系统，起到生态恢复和保护环境的作用；另一方面，植被护坡有效克服了工程措施景观效果差的缺点，能有效地丰富、美化自然景观。

而且随着社会经济的持续发展和人们生活水平的稳步提高，人们对环境和景观美化的追求愈来愈高，在防护和治理灾害的同时，越来越注重边坡的景观效应。

植物较之混凝土、岩石是具有生命的活体，植物的生长呈现勃勃生机，并且植物的生长处于不断的变化中，从幼苗的成长到形成茂密的森林，从发芽展叶到花开花落，一年往复一年，寒来暑往，千姿百态的形状和变幻无穷的色彩呈现出不同的季相，形成丰富的、富于变化的景观，显示出一种动态变化之美，创造出良好的环境氛围，给人以诗画般的风韵和意境，使人们心情愉悦，感到安祥、舒畅和宁静。

植被措施防护边坡相比土木工程措施防护边坡具有以下优点，如表1所示。

此外，植被护坡有两个方面的功能效应：（1）地面的植被覆盖层、树冠、枝叶及枯枝落叶层能够截留雨水，阻止地表径流的发生，从而有效降低坡面的冲刷；（2）土体中大量分布的侧根和须根相互缠绕、盘根错节，形成具有一定抗张强度的根网，将根际土壤牢牢地包裹在一起形成一个整体，同时深粗的垂直根系能深入深处较稳定的土层中，把根际浅层土层锚固到深处较稳定的土层上，更增加了土体的稳定性。

因此植被措施能够有效防治水土流失、治理边坡表浅层滑坡，有效提高边坡浅表层土体的强度，有效提高边坡浅表层的稳定性。

禾草、豆科植物和小灌木在地下0.75-l.5m深处有明显的土壤加强作用，树木根系的这种加强作用则可影响到地下3m甚至3m以上的土层。

2 植被根系固土的力学原理近半个多世纪以来，国内外许多学者已从不同侧面和角度对植物根系固土护坡的作用机理进行了大量的研究和探索，取得了一定成果，主要表现为：（1）主根或粗根对边坡岩土体的锚固作用；（2）须根或细根对边坡岩土体的加筋作用，并由此形成了根系固土力学机制的两个理论：加筋理论和锚固理论。

2.1 植被根系固土的加筋理论植物根系的加筋理论是由加筋土理论衍生而来的。

所谓加筋土就是在土中按一定方向和间距铺设一层或多层具有一定抗拉强度的加筋材料与填土交替而成的一种复合体。

我们知道，土体具有一定的抗压强度，但它的抗剪切强度较低，而抗拉强度更低，如果我们在土内掺入或铺设适量的加筋材料，可以不同程度地提高土的强度并改善其变形特性，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点可知，根系在土体中的分布呈网状、纵横交错，随着深度的增加含根量由地表向下逐渐减少，在根系盘结范围内的土体可看作由土和根系组成的根-土复合材料，根系可以看成一种柔性加筋材料，而根土复合体可以看作是加筋土，只是土体中根系的分布盘根错节，远比工程中的加筋材料的分布复杂得多，故将根系看成是对土体的三维加筋，根土复合体则看成是三维加筋土。

因此可按加筋土原理来分析含根土体的受力状态，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样对土体起到加筋增强的作用，从而使得根土复合体的强度明显提高。

对无根的土体施加竖向荷载，土体将产生竖向压缩变形和侧向膨胀变形。

随着竖向荷载的增大，土体的压缩变形和侧向的膨胀变形随之加大，直到土体发生剪切破坏。

当对根土复合体施加同样的竖向荷载，土体和根系将共同承受外荷载，土体和根系都发生变形，由于土体和根系的变形模量相差很大，根系的变形远小于土体的变形，根系和土体间为了变形协调，根系和土体之间必将产生摩擦阻力来约束限制土体的变形，因此在同样的竖向荷载作用下，根土复合体的变形则会大大减小，要使具有相同物理特性的含根土体破坏，则必须施加更大的竖向荷载，如图1所示，从而使原土体的抗剪强度包线向上推移了一个距离△c，△c 的大小与根密度、强度和土的颗粒性质有关。

故根系的存在为土层提供了一附加“黏聚力” △c，从而使含根土体的抗剪强度大大提高。

而根土复合体的强度特性主要表现为抗剪强度特性，所以根系的加入改变了土的力学性能，限制约束了土体的变形。

图1.根系的加筋作用图 理论计算表明，素土边坡在发生滑坡之前，在自重或外荷的作用下，坡顶会发生明显的下沉并出现拉裂缝，坡脚附近则有较大的侧向位移，随着坡顶裂缝的开展和坡脚侧向位移增加，潜在滑裂面上的土体的剪应变逐渐增大，当达到临界值，滑裂面上的土体突然下滑。

而对于含根土的边坡，由于根系的加筋作用，增加了根系土层的抗剪强度，并限制其侧向位移，从而增加了边坡根系层的稳定性，有效地阻止了边坡的浅层滑坡的发生。