西寧盆地黃土區(qū)荷載條件下植被護坡力學(xué)效應(yīng)

許 桐，劉昌義，胡夏嵩※，徐志聞，申紫雁，余冬梅

（1. 青海大學(xué)地質(zhì)工程系，西寧 810016；2. 中國科學(xué)院青海鹽湖研究所 中國科學(xué)院鹽湖資源綜合高效利用重點實驗室， 西寧 810008）

0 引言

隨著交通、水利、礦業(yè)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度的不斷加大，特別是在西部地區(qū)，大量邊坡需進行開挖，而不合理的邊坡開挖方式直接影響和破壞了原有邊坡植被，并導(dǎo)致大量次生裸地、水土流失甚至荒漠化等災(zāi)害，造成區(qū)域環(huán)境破壞[1-2]。2018年青海省境內(nèi)共發(fā)生突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害207起，其中崩塌25起，滑坡172起，泥石流10起，造成直接經(jīng)濟損失5117.74萬元[3]；青海省境內(nèi)中度以上退化草地面積為1647萬hm2，沙化土地面積為1255.8萬hm2，沙化擴展速率達2.5萬hm2/a，水土流失面積為3543萬hm2[4-5]。誘發(fā)滑坡等多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害的自然因素主要為降雨，人為影響因素主要為采礦和邊坡開挖等[6]。因此，開展區(qū)域內(nèi)人類工程活動對邊坡穩(wěn)定性影響方面的研究具有重要現(xiàn)實意義。

有關(guān)植物防治邊坡淺層土壤侵蝕、淺層滑坡等災(zāi)害方面，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究[7-12]。Waldron[13]認為植物根系主要起到加筋作用，即通過根系與土體接觸面間摩擦力將土體剪應(yīng)力轉(zhuǎn)換為根系拉應(yīng)力，從而增強邊坡土體抗剪強度。Daniele等[14]指出植被根系加固作用通過對土層水文過程和地質(zhì)力學(xué)結(jié)構(gòu)的影響來提高淺層邊坡穩(wěn)定性，根-土作為一種復(fù)合材料，根嵌入土體有助于增強土體抗剪強度，土體和根系的共同作用使土體強度得到加強。Hu等[15]通過開展不同植物根-土復(fù)合體室內(nèi)直剪和三軸壓縮試驗，表明根-土復(fù)合體的粘聚力顯著高于素土。Loades等[16]以大麥（Hordeum vulgare）為材料，研究了不同種植密度大麥根系對土壤加固作用，結(jié)果表明土體抗剪強度隨著植物種植密度的增大而增加。王月等[17-18]分別選取小葉楊（Populus simonii）、白羊草（Bothriochloa ischaemum）、多花木藍（Indigofera amblyantha）和雙莢決明（Senna bicapsularis）為研究對象，結(jié)果表明根系可有效提高土體抗剪強度，且根-土復(fù)合體中根系的根長密度、根表面積密度愈大，其土體粘聚力c值愈大。

在有關(guān)邊坡荷載試驗方面，Zhu等[19]在研究土釘支護邊坡穩(wěn)定性問題時，采用光纖傳感器監(jiān)測邊坡變形，利用極限平衡分析法得到邊坡坡頂分階段施加12.5～34.0 kPa荷載時，隨著載荷梯度的增加，坡頂、坡中、坡底各層處應(yīng)變相應(yīng)增大，且與載荷增量密切相關(guān)。朱維偉[20]采用有限元強度折減法，以坡角45°、坡高10 m均質(zhì)黏土邊坡為對象，在坡頂施加條形載荷，載荷距坡頂邊緣距離為2 m，計算得出載荷為200～600 kPa時邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，結(jié)果表明邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨載荷增加而降低。楊平等[21]采用有限元分析軟件，結(jié)合有限元強度折減法分析了均質(zhì)黏土高邊坡的穩(wěn)定特征，通過在坡頂布設(shè)均布載荷分析邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)、坡體位移變化，計算結(jié)果表明當(dāng)載荷由200 kPa增加至400 kPa時，坡腳處水平位移由98 mm增大至142 mm，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)則由1.337降低至1.156。

上述研究多采用室內(nèi)模型試驗、數(shù)值模擬計算等方法對邊坡表層土體位移量開展的，研究對象多以素土邊坡為主。相比較而言，開展植被邊坡坡頂荷載條件下邊坡淺層位移、土壓力原位監(jiān)測試驗，探討未種植與種植邊坡淺層土體位移、土壓力、粘聚力之間差異性等方面的相關(guān)研究較少。本研究通過在邊坡坡頂施加載荷，在坡面不同位置處布設(shè)位移計、土壓力盒等方式，探討施加載荷前后邊坡坡面不同位置處，草本和灌木植被根系對土體抗剪強度的增強作用及其差異性；在此基礎(chǔ)上，進一步探討草本和灌木植被對邊坡穩(wěn)定性的作用和貢獻，以期為有效防治基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)引起的坡面水土流失、淺層滑坡等災(zāi)害、提高邊坡穩(wěn)定性和區(qū)域生態(tài)地質(zhì)環(huán)境保護提供理論支撐和實際指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

西寧盆地地處黃土高原西緣與青藏高原東北部的交接地帶，在多期構(gòu)造疊加的背景下，形成了現(xiàn)今盆地與山地相間的地貌形態(tài)[22-23]。本研究的自建試驗區(qū)位于西寧盆地西山長嶺溝流域，隸屬于湟水盆地，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)101°75′00″，北緯36°73′00″[24]；屬半干旱高原大陸性氣候，年平均氣溫5～6℃，年平均蒸發(fā)量1763 mm，年均降水量350 mm，降水主要集中在6—9月份，占全年降水量的70%～80%，多以暴雨和陣雨形式出現(xiàn)，具有歷時短、強度大、降雨集中等特點[25-29]。試驗區(qū)地理位置如圖1所示。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

根據(jù)對西寧盆地及周邊地區(qū)植物類型調(diào)查，本研究區(qū)內(nèi)主要草本植物種為垂穗披堿草（Elymus nutans）、細莖冰草（Agropyron trachycaulum）、芨芨草（Achnatherum splendens）、草地早熟禾（Poa pratensis）、賴草（Leymus secalinus）等，灌木為檸條錦雞兒（Caragana korshinskii）、霸王（Zygophyllum xanthoxylon）、白刺（Nitraria tangutorum）、中寧枸杞（Lycium barbarum）等。本文篩選出其中的優(yōu)勢草本植物垂穗披堿草（Elymus nutans）、灌木植物檸條錦雞兒（Caragana korshinskii）作為試驗材料，這2種植物對寒冷和干旱氣候具有較強適應(yīng)性，且生長較快、根系相對較為發(fā)達。

2.2 試驗方法

2.2.1 植被種植方案

自建試驗邊坡坡度為30°，土質(zhì)類型為粉土，土體平均密度1.43 g/cm3，平均含水率10.0%。土體粒徑為0.001～0.250 mm，不均勻系數(shù)Cu為3.9，曲率系數(shù)Cc為0.74。試驗區(qū)劃分為4個小區(qū)，單個小區(qū)為1.5 m×2 m（長×寬）。其中3個小區(qū)種植草本垂穗披堿草、灌木檸條錦雞兒和垂穗披堿草+檸條錦雞兒，1個小區(qū)作為對照，為未種植素土邊坡，具體種植方案如圖2所示。試驗區(qū)草本植被采用條播法種植，行間距20 cm，灌木采用穴播，組合種植采用撒播和穴播結(jié)合方法。于2017年6月種植。對生長期為2 a的草本和灌木進行生長量指標(biāo)測試，得到垂穗披堿草平均根徑0.67 mm，平均根長24 cm，灌木檸條錦雞兒其平均根徑3.28 mm，平均根長38 cm；組合種植的灌木檸條錦雞兒平均根徑2.43 mm，平均根長27 cm，垂穗披堿平均根徑0.62 mm，平均根長20 cm。單一種植的垂穗披堿草、檸條錦雞兒和組合種植的檸條錦雞兒+垂穗披堿草，根系發(fā)育情況如圖3所示。

2.2.2 邊坡位移計與土壓力盒布設(shè)與監(jiān)測方案

本研究采用KTR3-50型直線位移傳感器，其有效行程為0～100 mm，精度為1%～0.3% F.S。對坡頂、坡中、坡底3個不同位置開展淺層土體位移量監(jiān)測。位移計分別布設(shè)在邊坡地表距坡頂與坡底0.4 m，坡面中心位置布設(shè)水平與垂直2個方向的位移計，自坡頂起依次標(biāo)記為1、2和3號，沿坡面水平方向布設(shè)2列，間隔為0.5 m，每個坡面共計布設(shè)6個位移計。

土壓力盒型號為NZS-FBG-MPC，壓力測量范圍0～0.2 MPa，精度1% F.S。土壓力盒分別布設(shè)在坡頂、坡中、坡底，自坡頂起向坡底依次記為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ號；埋設(shè)土壓力盒時采用直徑為10 cm自制取土器進行開孔，當(dāng)開孔深度至土壓力盒埋設(shè)深度（坡面以下0.15和0.3 m位置）后分層放置，并用原土回填、壓實，采用環(huán)刀法測定密度，直至接近開孔前的土體密度。土壓力盒與位移計布設(shè)方案如圖4所示。

2.2.3 邊坡載荷試驗

參照《土工試驗規(guī)程》[30]平板載荷試驗過程開展植被邊坡和素土邊坡坡頂載荷試驗。試驗裝置主要由承壓板、加載裝置組成，加載物為0.4 m×0.3 m×0.15 m的沙袋，每個沙袋質(zhì)量20 kg，載荷板尺寸為1.5 m×0.5 m，根據(jù)試驗區(qū)邊坡坡頂位置處空間尺寸實際情況設(shè)置載荷等級，在坡頂1.5 m×1.5 m范圍內(nèi)，每層放置10個沙袋（共200 kg）。根據(jù)預(yù)試驗，加載200 kg時載荷對邊坡坡面以下0.4 m處的位移傳感器產(chǎn)生明顯影響，加載2000 kg時沙袋堆置高度為1.9～2.2 m，在這一高度下，可確保在風(fēng)、降雨等外界力作用下，加載物不發(fā)生傾斜、翻倒，并且不破壞原有邊坡安全條件，因此以2000 kg作為本試驗最大載荷。共設(shè)置10個等級載荷，依次為200、400、600、800、1000、1200、1400、1600、1800和2000 kg。

具體試驗過程如下：1）首先將邊坡頂部平整后平鋪一層厚度約為1 cm沙墊層，使承壓板與坡頂面平整接觸；2）施加載荷前對土體位移計與土壓力盒進行監(jiān)測記錄，記錄土體位移和土壓力變化情況；3）按試驗設(shè)計的載荷等級，在坡頂位置施加第一級載荷；4）施加載荷后對邊坡土體位移與土壓力值進行監(jiān)測，監(jiān)測時間間隔為24 h；5）在每級載荷施加后待邊坡土體位移與土壓力監(jiān)測結(jié)果趨于穩(wěn)定后（即前、后2次監(jiān)測的土壓力盒監(jiān)測電壓值變化范圍在0.01 V以內(nèi)時，認為邊坡達到穩(wěn)定狀態(tài)），繼續(xù)施加下一級載荷；6）依次循環(huán)4～5次直至載荷試驗結(jié)束。

2.2.4 根-土復(fù)合體直剪試驗

分別在載荷試驗前、后依次制備不同植被邊坡，地表以下0～10、＞10～20和＞20～30 cm，3個不同深度位置處的根-土復(fù)合體原狀直剪試樣和素土試樣，坡頂、坡中、坡底各取1組完整試樣，1個坡面內(nèi)制取3組。每組4個重復(fù)。取樣同時完成相應(yīng)位置處的含水率和密度測試試樣制取。待試樣制取完成后，將所有試樣帶回實驗室進行相關(guān)試驗。根-土復(fù)合體直剪試驗利用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀進行，將制備完成的原狀直剪試樣放置于剪切盒內(nèi)上、下2塊透水石之間，由杠桿系統(tǒng)對試樣分級施加垂直壓力。直剪儀使上、下剪切盒的接觸面上產(chǎn)生剪切變形，直至測力計出現(xiàn)峰值，若峰值對應(yīng)剪切位移小于4 mm，繼續(xù)剪切至位移4 mm停機；測力計讀數(shù)無峰值時，剪切至位移6 mm時停機[31]。試驗過程中由計算機自動控制試驗數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準》[31]，在50、100、150和20 kPa的垂直壓力下完成剪切試驗，計算機自動繪制出抗剪強度-垂直壓力關(guān)系曲線，并計算出該組根-土復(fù)合體試樣的抗剪強度指標(biāo)粘聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值[32]。

3 結(jié)果與分析

3.1 載荷作用前后不同類型邊坡土體抗剪強度分析

表1為施加載荷前、后，灌木邊坡、草本邊坡、草本+灌木組合植被邊坡和素土邊坡的根-土復(fù)合體物理性質(zhì)及抗剪強度試驗結(jié)果，表2為根-土復(fù)合體中鮮根質(zhì)量、含根量及含根數(shù)統(tǒng)計結(jié)果。由表1可知，在載荷作用前邊坡地表以下相同深度處，4種類型邊坡的根-土復(fù)合體密度、含水率和內(nèi)摩擦角均未表現(xiàn)出顯著性差異（P＜0.05），且密度、含水率均隨取樣深度的增加而降低，其中垂穗披堿草、檸條錦雞兒、素土、組合種植邊坡在地表以下＞20～30 cm處的密度相比較于0～10 cm處，分別降低3.42%、3.21%、3.50%和5.19%；含水率分別降低21.31%、16.13%、19.47%和23.04%。粘聚力c值隨取樣深度的變化規(guī)律與密度、含水率相同。其中含水率降低的原因在于植物根系對土壤水分具有吸收、引流等作用[33]，且3種類型植被邊坡土體含根量均隨取樣深度的增加而減少（表2），含根量越高，土壤含水率亦越高，土體密度越小。3種植被邊坡的根-土復(fù)合體粘聚力與素土邊坡相比均表現(xiàn)出增加的變化趨勢，其中組合種植邊坡的根-土復(fù)合體粘聚力增加幅度為111.57%～136.50%，草本邊坡的增幅為69.62%～88.73%，灌木邊坡的增幅為67.40%～84.27%；組合植被的根-土復(fù)合體粘聚力均顯著大于素土（P＜0.05），與單一草本、灌木植被的根-土復(fù)合體相比，粘聚力均未表現(xiàn)出顯著性差異（P＞0.05）。由此可知，草本和灌木根系的存在對邊坡土體粘聚力具有顯著增強作用，其中組合植被對邊坡土體抗剪強度增強作用大于單一植被，單一種植草本根系對邊坡土體抗剪強度增強作用大于單一種植灌木。

產(chǎn)生上述變化的主要原因在于，組合植被邊坡土體含根量均大于單一草本植被邊坡和單一灌木植被。根系數(shù)量與根-土復(fù)合體粘聚力c值之間呈正相關(guān)關(guān)系，即根-土復(fù)合體中根系未達到最優(yōu)含根量時，隨著根系數(shù)量的增加，粘聚力c值亦相應(yīng)地增大，植被根系對邊坡土體抗剪強度的增強作用貢獻也愈顯著[34]。此外，草本植物根系的剛度和抗彎折能力相對較弱，通常將其視為柔性加強筋材料，而灌木根系的主根具有較強的剛度和抗彎折能力，可視為剛性加強筋材料[35]。當(dāng)含有組合根系的邊坡土體受到剪切作用時，穿過剪切面的草本根系能夠利用根-土界面的摩擦力作用將土體內(nèi)部剪應(yīng)力轉(zhuǎn)化為根系之間的拉應(yīng)力，而根系所承受的拉應(yīng)力可轉(zhuǎn)化為邊坡土體剪切面的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力，法向應(yīng)力增加了邊坡土體剪切面上的正應(yīng)力，其結(jié)果使得土體剪切面的摩擦強度得以提高，而切向應(yīng)力可抵抗剪切面土體的剪切變形[36]。相應(yīng)地，當(dāng)邊坡淺層土體發(fā)生剪切變形時，灌木根系的主根能將土體所受到的剪應(yīng)力傳遞至深層土體，同時灌木根系具有較大的剛度和抗彎能力，其增強拉應(yīng)力的切向分力抵抗土體變形的能力[35]。

表1 載荷作用前、后邊坡根-土復(fù)合體的物理性質(zhì)與抗剪強度指標(biāo)試驗結(jié)果 Table 1 Test results of physical properties and shear strength indexes of slope root-soil composite before and after loading

從植被的根系分布特征來看，草本根系為須根型，對邊坡淺層土體起加筋作用；灌木根系為直根型，對邊坡土體起到一定的錨固作用，而組合植被實現(xiàn)淺層和深層根系在土體中的互補[37]。盧海靜等[38]以2種草本植物垂穗披堿草（Elymus nutans）、細莖冰草（Slender Wildrye）和2種灌木檸條錦雞兒（Caragana korshinskii）和霸王（Zygophyllum xanthoxylon）作為研究對象，采用草本和灌木單一種植和組合種植方式，并分別對相應(yīng)的根-土復(fù)合體進行直剪試驗，結(jié)果表明，草本和灌木混合種植的土體抗剪強度大于單一種植草本和灌木的根-土復(fù)合體抗剪強度。肖宏彬等[39]通過對香根草（Vetiveria zizanioides）+小葉女貞（Ligustrum quihoui）組合種植，與單一種植的小葉女貞在不同含水率和植物根系橫截面積條件下進行根-土復(fù)合體直剪試驗，試驗結(jié)果表明在植物根系橫截面積為10.1 mm2時，組合種植香根草+小葉女貞的根-土復(fù)合體粘聚力值（90.97 kPa）大于小葉女貞復(fù)合體（66.61 kPa）。這與本文研究結(jié)果一致。

表2 不同植被邊坡的根-土復(fù)合體中含根量統(tǒng)計結(jié)果 Table 2 Statistical results of root amount in root-soil composite of different vegetation slopes

由表1可知，荷載條件下，4種邊坡的土體密度、含水率均隨取樣深度的增加而減小，其變化規(guī)律與荷載前相同。荷載試驗后，相同深度處的密度、含水率均未表現(xiàn)出顯著性差異（P＜0.05）。植被邊坡的根-土復(fù)合體粘聚力c值均高于素土邊坡，檸條錦雞兒邊坡在地表以下0～10、＞10～20 和＞20～30 cm處的根-土復(fù)合體粘聚力c值與素土邊坡相比較，粘聚力c值增加量分別為7.32、7.18 和6.96 kPa，增加幅度分別為63.87%、67.04%和75.24%；垂穗披堿草邊坡在地表以下0～10、＞10～20 和＞20～30 cm處的根-土復(fù)合體粘聚力c值與素土邊坡相比較，粘聚力c值增加量分別為8.22、7.05 和7.44 kPa，增加幅度分別為71.73%、65.83%和80.43%。檸條錦雞兒+垂穗披堿草組合種植邊坡在地表以下0～10、＞10～20和＞20～30 cm位置處的根-土復(fù)合體粘聚力c值與素土邊坡相比，粘聚力c值增加量分別為12.91、11.04和11.43 kPa，增加幅度分別為112.65%、103.08%和123.57%。荷載試驗后，在邊坡地表以下0～30 cm處，3種植被邊坡的土體抗剪強度均顯著高于素土邊坡（P＜0.05）；組合植被邊坡、單一灌木和單一草本邊坡之間土體的抗剪強度未表現(xiàn)出明顯差異（P＞0.05）。由此可知，植物根系能有效增強邊坡土體抗剪強度，組合植被根系對邊坡抗剪強度的增強作用均大于單一植被。

分析表1可知，荷載試驗后，4種邊坡的土體密度、含水率、粘聚力均較荷載試驗前有一定程度的增長，其中素土邊坡的增長幅度分別為1.45%～2.80%、1.09%～3.59%和7.75%～9.25%。單一草本、灌木和組合植被邊坡的密度增長幅度分別為0.71%～2.05%、0.66%～9.79%和0.65%～0.68%，含水率增長幅度分別為3.33%～7.55%、4.19%～4.59%和4.45%～8.13%，粘聚力增長幅度分別為3.79%～7.25%、3.25%～6.95%和2.63%～3.97%。

劉昌義等[40]通過對黃河源區(qū)6種不同植物組合類型的根-土復(fù)合體進行直剪試驗發(fā)現(xiàn)，根-土復(fù)合體粘聚力c值隨根-土復(fù)合體密度的增加而增大；當(dāng)根-土復(fù)合體含水率小于20%時，粘聚力c值隨含水率增加而增大。倪九派等[41]通過對重慶丘陵山區(qū)鈣質(zhì)紫色土和中性紫色土2種土壤進行三軸壓縮試驗，測定含水率和干密度交互作用對土壤抗剪強度指標(biāo)的影響，結(jié)果表明含水率和干密度的交互作用對粘聚力c具有顯著影響，粘聚力c值隨干密度的增加而增大。這與本文研究結(jié)果相同。

3.2 荷載條件下邊坡土體壓力及其變化特征

3種植被邊坡與素土邊坡在載荷作用前、后的土體壓力值監(jiān)測結(jié)果如表3所示。由表3可知，素土邊坡在坡面以下15和30 cm位置處，水平方向的平均土壓力變化量分別為0.495 和0.550 kPa；垂穗披堿草邊坡的水平方向平均土壓力變化量分別為1.312和1.397 kPa，為素土邊坡的2.65和2.33倍；檸條錦雞兒邊坡的水平方向土壓力變化量為素土邊坡的1.38和2.21倍；組合植被邊坡的水平方向平均土壓力變化量為素土邊坡的4.35和4.24倍。

表3 不同植被類型邊坡荷載前后的土體土壓力變化量 Table 3 Changes of soil pressure before and after loading of different vegetation types slope kPa

素土邊坡豎直方向的平均土壓力變化量分別為0.189和0.212 kPa；垂穗披堿草邊坡的豎直方向平均土壓力變化量為0.474和0.499 kPa，為素土邊坡的2.51和2.35倍。檸條錦雞兒邊坡的豎直方向土壓力變化量為0.153和0.234 kPa。組合植被邊坡的豎直方向土壓力變化量分別為0.783和0.903 kPa，為素土邊坡的4.14和4.25倍。由此可知，植被邊坡淺層土壓力值變化大于素土邊坡，其主要原因在于植物根系具有的吸水作用，導(dǎo)致土體含水率升高，植物根系周圍土體自重提高，使得植被邊坡淺層土壓力值變化大于素土邊坡[42]。本研究中，在豎直方向15 cm處，檸條錦雞兒邊坡的平均土壓力變化量小于素土邊坡，初步分析產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因在于，灌木植被檸條錦雞兒的根系類型為直根型，通過地上莖葉和地下根系部分生物量統(tǒng)計結(jié)果可知，該灌木種根系在0～20 cm處較為發(fā)達，主根根徑為2.61～3.89 mm、側(cè)根根徑為0.87～1.94 mm。這種根系對地表以下0～20 cm深度處的土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疏松作用，使得土體具有一定的回彈性能；而素土邊坡未受到植物根系影響，其土體結(jié)構(gòu)相對較為緊密和完整，在坡頂施加一定荷載后，不含根系的素土易產(chǎn)生壓縮固結(jié)現(xiàn)象，使得豎直方向15 cm深度處的檸條錦雞兒邊坡的土壓力變化相對小于素土邊坡。韓少杰等[43]對黑龍江克山農(nóng)場典型黑土表層土體開展的土壤壓縮與回彈特性研究表明，植被恢復(fù)能增強黑土表層土壤的回彈性和承載能力，該結(jié)論與本文研究結(jié)果基本一致。

3.3 荷載條件下邊坡土體位移量變化特征

3.3.1 素土邊坡土體位移

荷載條件下素土邊坡在地表以下40 cm處的累計位移量監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)坡頂載荷達到2000 kg時，素土邊坡淺層土體在坡面頂端1號監(jiān)測點豎直方向最大位移為11.25 mm，水平方向最大位移為9.86 mm，在3號監(jiān)測點豎直方向最小位移為3.88 mm，水平方向最小位移為3.99 mm，豎直方向1號監(jiān)測點位移量為3號監(jiān)測點的2.90倍，水平方向1號監(jiān)測點位移量為3號監(jiān)測點的2.47倍。由圖5可知，在相同載荷條件下，土體豎直與水平方向的位移量均表現(xiàn)出自坡頂向坡底逐漸減小的變化規(guī)律，且隨著荷載等級不斷增加，土體位移逐漸增大。當(dāng)載荷為1000～2000 kg時，豎直和水平方向的位移增長幅度明顯大于200～1000 kg時的增長速度，因此當(dāng)載荷為200～1000 kg時區(qū)內(nèi)素土邊坡呈相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.3.2 草本植被邊坡淺層土體位移

荷載條件下草本植被邊坡，在地表以下0～40 cm位移量監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，垂穗披堿草邊坡在荷載條件下邊坡土體最大位移出現(xiàn)在1號監(jiān)測點處，最小位移出現(xiàn)在3號監(jiān)測點處，當(dāng)載荷達到2000 kg時，豎直方向最大位移為5.63 mm，最小位移為2.53 mm，水平方向最大位移為5.17 mm，最小位移為2.00 mm。當(dāng)坡頂載荷為2000 kg時，相比較于素土邊坡1號監(jiān)測點，在豎直和水平方向位移量分別減小5.62和4.72 mm，減小幅度分別為49.96%和47.87%，表明草本植被可有效抑制邊坡淺層土體發(fā)生位移，且草本植被邊坡在載荷等級為200～1000 kg時邊坡較為穩(wěn)定。

3.3.3 灌木植被邊坡淺層土體位移

荷載條件下檸條錦雞兒植被邊坡，在地表以下0～40 cm位移監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，檸條錦雞兒植被邊坡在施加載荷為2000 kg時，1號監(jiān)測點產(chǎn)生最大位移，豎直方向的最大位移為7.97 mm，在水平方向最大位移為7.35 mm；在3號監(jiān)測點的位移相對最小，豎直方向位移為3.01 mm，水平方向位移為2.63 mm；當(dāng)載荷為2000 kg時，1號監(jiān)測點檸條錦雞兒邊坡與素土邊坡豎直和水平方向位移量相比，位移量分別減小3.28和2.51 mm，減小幅度分別為29.16%和25.46%，由此可知，灌木植物根系可為邊坡土體提供附加抗剪強度，進而有效減緩邊坡淺層土體位移和增強邊坡穩(wěn)定性。載荷超過1200 kg時豎直和水平方向位移增長量明顯增大，因此載荷為200～1200 kg時，灌木植被邊坡相對較穩(wěn)定。

3.3.4 草本+灌木組合種植植被邊坡淺層土體位移

草本+灌木組合植被邊坡，地表以下0～40 cm的位移監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，坡頂載荷為2000 kg時，1號監(jiān)測點產(chǎn)生最大位移，在豎直方向最大位移為3.86 mm，水平方向最大位移為3.57 mm；3號監(jiān)測點的位移相對最小，豎直和水平方向位移分別為1.98和1.60 mm；與素土邊坡相比，荷載為2000 kg時，在1號監(jiān)測點豎直和水平方向位移量分別減小7.39和6.29 mm，減小幅度分別為65.69%和63.79%。由以上結(jié)果可知，草本+灌木組合植被邊坡淺層土體位移小于素土邊坡，表明草本+灌木組合種植植被可有效抑制邊坡土體位移的產(chǎn)生，起到增強邊坡土體抗剪強度和提高邊坡穩(wěn)定性的作用。

綜合分析圖5～圖8可知，組合植被在豎直和水平方向的位移量與草本、灌木和素土邊坡相比分別減小了1.60和1.77 mm、3.78和4.11 mm、7.39和6.29 mm。在坡頂最大荷載條件下，組合植被、草本植被、灌木植被與素土邊坡相比，在豎直方向的位移量平均減小幅度為58.81%、44.80%和28.41%，水平方向位移量平均減小幅度為62.20%、48.66%和31.71。由此可知，草本+灌木組合植被對邊坡淺層位移抑制作用相對較為突出，其次為垂穗披堿草邊坡，最后為檸條錦雞兒邊坡。組合種植植被邊坡對邊坡淺層位移抑制作用大于單一植被邊坡，主要原因在于，組合種植方式中，灌木根系能將邊坡土體受到的剪應(yīng)力傳遞至深層土體中，且主根具有一定剛度和抗彎能力，能有效抵抗邊坡土體發(fā)生的剪切變形，同時草本根系對淺層土體起到加筋作用，因此組合種植方式提高邊坡淺層穩(wěn)定性效果更為明顯[34]。

竇增寧[44]通過模擬降雨試驗對不同類型邊坡位移量進行監(jiān)測，結(jié)果表明，在模擬降雨試驗后未種植邊坡的水平和垂直方向位移量均顯著大于植被邊坡，且霸王（Zygophyllum xanthoxylon）+垂穗披堿草（Elymus nutans）種植植被邊坡位移量最小，其次為草本植被垂穗披堿草邊坡和灌木植被霸王邊坡。稽曉雷等[45]采用PLAXIS 3D有限元軟件研究了模擬降雨條件下，植物不同根系布置模式對邊坡穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明含根系邊坡的位移量顯著降低，且不同根系布置模式對邊坡位移量影響程度不同，當(dāng)降雨強度為5 mm/h、降雨歷時為1 d時，混合植被根系、相交根系、豎直根系、水平根系、傾斜根系和無根系邊坡產(chǎn)生的最大位移分別為1.55、1.56、1.68、2.09、1.88和16.00 mm，混合植被根系對邊坡變形的抑制效果最好。本研究中，組合植被邊坡、單一草本植被邊坡、單一灌木植被邊坡的根系分布模式，分別符合混合根系（草本與灌木組合）、相交根系（單一草本）和豎直根系（單一灌木），研究結(jié)果與稽曉雷等[45]基本一致。

4 結(jié)論

1）3種不同類型植被邊坡土體粘聚力均表現(xiàn)出隨邊坡土體取樣深度的增加呈逐漸減小的變化趨勢，與0～10 cm處相比，在地表以下＞20～30 cm處，垂穗披堿草、檸條錦雞兒邊坡和檸條錦雞兒+垂穗披堿草組合種植邊坡的土體粘聚力減小幅度分別為12.37%、10.59%和14.04%。

2）邊坡在荷載條件下，4種邊坡相同位置處土體粘聚力c值與荷載試驗前相比均呈增大趨勢，與荷載試驗前相比，檸條錦雞兒邊坡、垂穗披堿草邊坡和組合種植檸條錦雞兒+垂穗披堿草邊坡，以及素土邊坡其根-土復(fù)合體粘聚力增加幅度分別為3.25%～6.95%、3.79%～7.25%、2.63%～3.97%和7.75%～9.25%。

3）施加載荷前后，3種邊坡的根-土復(fù)合體粘聚力均大于素土邊坡。粘聚力c值增加幅度由大至小依次為草本+灌木組合植被邊坡、草本邊坡、灌木邊坡。因此，草本+灌木組合種植方式對提高邊坡土體抗剪強度有更明顯效果。

4）在坡頂最大荷載條件下，與素土邊坡相比組合植被、草本植被、灌木植被邊坡在豎直方向的位移量減小平均幅度為58.81%、44.80%和28.41%，水平方向位移量平均減小幅度為62.20%、48.66%和31.71%，草本+灌木組合植被對邊坡淺層位移抑制作用更大。