西宁盆地黄土区荷载条件下植被护坡力学效应

许 桐，刘昌义，胡夏嵩※，徐志闻，申紫雁，余冬梅

（1. 青海大学地质工程系，西宁 810016；2. 中国科学院青海盐湖研究所 中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室， 西宁 810008）

0 引言

随着交通、水利、矿业等基础设施建设力度的不断加大，特别是在西部地区，大量边坡需进行开挖，而不合理的边坡开挖方式直接影响和破坏了原有边坡植被，并导致大量次生裸地、水土流失甚至荒漠化等灾害，造成区域环境破坏[1-2]。2018年青海省境内共发生突发性地质灾害207起，其中崩塌25起，滑坡172起，泥石流10起，造成直接经济损失5117.74万元[3]；青海省境内中度以上退化草地面积为1647万hm2，沙化土地面积为1255.8万hm2，沙化扩展速率达2.5万hm2/a，水土流失面积为3543万hm2[4-5]。诱发滑坡等多数地质灾害的自然因素主要为降雨，人为影响因素主要为采矿和边坡开挖等[6]。因此，开展区域内人类工程活动对边坡稳定性影响方面的研究具有重要现实意义。

有关植物防治边坡浅层土壤侵蚀、浅层滑坡等灾害方面，国内外学者开展了大量研究[7-12]。Waldron[13]认为植物根系主要起到加筋作用，即通过根系与土体接触面间摩擦力将土体剪应力转换为根系拉应力，从而增强边坡土体抗剪强度。Daniele等[14]指出植被根系加固作用通过对土层水文过程和地质力学结构的影响来提高浅层边坡稳定性，根-土作为一种复合材料，根嵌入土体有助于增强土体抗剪强度，土体和根系的共同作用使土体强度得到加强。Hu等[15]通过开展不同植物根-土复合体室内直剪和三轴压缩试验，表明根-土复合体的粘聚力显著高于素土。Loades等[16]以大麦（Hordeum vulgare）为材料，研究了不同种植密度大麦根系对土壤加固作用，结果表明土体抗剪强度随着植物种植密度的增大而增加。王月等[17-18]分别选取小叶杨（Populus simonii）、白羊草（Bothriochloa ischaemum）、多花木蓝（Indigofera amblyantha）和双荚决明（Senna bicapsularis）为研究对象，结果表明根系可有效提高土体抗剪强度，且根-土复合体中根系的根长密度、根表面积密度愈大，其土体粘聚力c值愈大。

在有关边坡荷载试验方面，Zhu等[19]在研究土钉支护边坡稳定性问题时，采用光纤传感器监测边坡变形，利用极限平衡分析法得到边坡坡顶分阶段施加12.5～34.0 kPa荷载时，随着载荷梯度的增加，坡顶、坡中、坡底各层处应变相应增大，且与载荷增量密切相关。朱维伟[20]采用有限元强度折减法，以坡角45°、坡高10 m均质黏土边坡为对象，在坡顶施加条形载荷，载荷距坡顶边缘距离为2 m，计算得出载荷为200～600 kPa时边坡稳定安全系数，结果表明边坡稳定安全系数随载荷增加而降低。杨平等[21]采用有限元分析软件，结合有限元强度折减法分析了均质黏土高边坡的稳定特征，通过在坡顶布设均布载荷分析边坡稳定安全系数、坡体位移变化，计算结果表明当载荷由200 kPa增加至400 kPa时，坡脚处水平位移由98 mm增大至142 mm，边坡稳定安全系数则由1.337降低至1.156。

上述研究多采用室内模型试验、数值模拟计算等方法对边坡表层土体位移量开展的，研究对象多以素土边坡为主。相比较而言，开展植被边坡坡顶荷载条件下边坡浅层位移、土压力原位监测试验，探讨未种植与种植边坡浅层土体位移、土压力、粘聚力之间差异性等方面的相关研究较少。本研究通过在边坡坡顶施加载荷，在坡面不同位置处布设位移计、土压力盒等方式，探讨施加载荷前后边坡坡面不同位置处，草本和灌木植被根系对土体抗剪强度的增强作用及其差异性；在此基础上，进一步探讨草本和灌木植被对边坡稳定性的作用和贡献，以期为有效防治基础设施建设引起的坡面水土流失、浅层滑坡等灾害、提高边坡稳定性和区域生态地质环境保护提供理论支撑和实际指导。

1 研究区概况

西宁盆地地处黄土高原西缘与青藏高原东北部的交接地带，在多期构造叠加的背景下，形成了现今盆地与山地相间的地貌形态[22-23]。本研究的自建试验区位于西宁盆地西山长岭沟流域，隶属于湟水盆地，其地理坐标为东经101°75′00″，北纬36°73′00″[24]；属半干旱高原大陆性气候，年平均气温5～6℃，年平均蒸发量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%，多以暴雨和阵雨形式出现，具有历时短、强度大、降雨集中等特点[25-29]。试验区地理位置如图1所示。

2 材料与方法

2.1 试验材料

根据对西宁盆地及周边地区植物类型调查，本研究区内主要草本植物种为垂穗披碱草（Elymus nutans）、细茎冰草（Agropyron trachycaulum）、芨芨草（Achnatherum splendens）、草地早熟禾（Poa pratensis）、赖草（Leymus secalinus）等，灌木为柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）、霸王（Zygophyllum xanthoxylon）、白刺（Nitraria tangutorum）、中宁枸杞（Lycium barbarum）等。本文筛选出其中的优势草本植物垂穗披碱草（Elymus nutans）、灌木植物柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）作为试验材料，这2种植物对寒冷和干旱气候具有较强适应性，且生长较快、根系相对较为发达。

2.2 试验方法

2.2.1 植被种植方案

自建试验边坡坡度为30°，土质类型为粉土，土体平均密度1.43 g/cm3，平均含水率10.0%。土体粒径为0.001～0.250 mm，不均匀系数Cu为3.9，曲率系数Cc为0.74。试验区划分为4个小区，单个小区为1.5 m×2 m（长×宽）。其中3个小区种植草本垂穗披碱草、灌木柠条锦鸡儿和垂穗披碱草+柠条锦鸡儿，1个小区作为对照，为未种植素土边坡，具体种植方案如图2所示。试验区草本植被采用条播法种植，行间距20 cm，灌木采用穴播，组合种植采用撒播和穴播结合方法。于2017年6月种植。对生长期为2 a的草本和灌木进行生长量指标测试，得到垂穗披碱草平均根径0.67 mm，平均根长24 cm，灌木柠条锦鸡儿其平均根径3.28 mm，平均根长38 cm；组合种植的灌木柠条锦鸡儿平均根径2.43 mm，平均根长27 cm，垂穗披碱平均根径0.62 mm，平均根长20 cm。单一种植的垂穗披碱草、柠条锦鸡儿和组合种植的柠条锦鸡儿+垂穗披碱草，根系发育情况如图3所示。

2.2.2 边坡位移计与土压力盒布设与监测方案

本研究采用KTR3-50型直线位移传感器，其有效行程为0～100 mm，精度为1%～0.3% F.S。对坡顶、坡中、坡底3个不同位置开展浅层土体位移量监测。位移计分别布设在边坡地表距坡顶与坡底0.4 m，坡面中心位置布设水平与垂直2个方向的位移计，自坡顶起依次标记为1、2和3号，沿坡面水平方向布设2列，间隔为0.5 m，每个坡面共计布设6个位移计。

土压力盒型号为NZS-FBG-MPC，压力测量范围0～0.2 MPa，精度1% F.S。土压力盒分别布设在坡顶、坡中、坡底，自坡顶起向坡底依次记为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ号；埋设土压力盒时采用直径为10 cm自制取土器进行开孔，当开孔深度至土压力盒埋设深度（坡面以下0.15和0.3 m位置）后分层放置，并用原土回填、压实，采用环刀法测定密度，直至接近开孔前的土体密度。土压力盒与位移计布设方案如图4所示。

2.2.3 边坡载荷试验

参照《土工试验规程》[30]平板载荷试验过程开展植被边坡和素土边坡坡顶载荷试验。试验装置主要由承压板、加载装置组成，加载物为0.4 m×0.3 m×0.15 m的沙袋，每个沙袋质量20 kg，载荷板尺寸为1.5 m×0.5 m，根据试验区边坡坡顶位置处空间尺寸实际情况设置载荷等级，在坡顶1.5 m×1.5 m范围内，每层放置10个沙袋（共200 kg）。根据预试验，加载200 kg时载荷对边坡坡面以下0.4 m处的位移传感器产生明显影响，加载2000 kg时沙袋堆置高度为1.9～2.2 m，在这一高度下，可确保在风、降雨等外界力作用下，加载物不发生倾斜、翻倒，并且不破坏原有边坡安全条件，因此以2000 kg作为本试验最大载荷。共设置10个等级载荷，依次为200、400、600、800、1000、1200、1400、1600、1800和2000 kg。

具体试验过程如下：1）首先将边坡顶部平整后平铺一层厚度约为1 cm沙垫层，使承压板与坡顶面平整接触；2）施加载荷前对土体位移计与土压力盒进行监测记录，记录土体位移和土压力变化情况；3）按试验设计的载荷等级，在坡顶位置施加第一级载荷；4）施加载荷后对边坡土体位移与土压力值进行监测，监测时间间隔为24 h；5）在每级载荷施加后待边坡土体位移与土压力监测结果趋于稳定后（即前、后2次监测的土压力盒监测电压值变化范围在0.01 V以内时，认为边坡达到稳定状态），继续施加下一级载荷；6）依次循环4～5次直至载荷试验结束。

2.2.4 根-土复合体直剪试验

分别在载荷试验前、后依次制备不同植被边坡，地表以下0～10、＞10～20和＞20～30 cm，3个不同深度位置处的根-土复合体原状直剪试样和素土试样，坡顶、坡中、坡底各取1组完整试样，1个坡面内制取3组。每组4个重复。取样同时完成相应位置处的含水率和密度测试试样制取。待试样制取完成后，将所有试样带回实验室进行相关试验。根-土复合体直剪试验利用ZJ型应变控制式直剪仪进行，将制备完成的原状直剪试样放置于剪切盒内上、下2块透水石之间，由杠杆系统对试样分级施加垂直压力。直剪仪使上、下剪切盒的接触面上产生剪切变形，直至测力计出现峰值，若峰值对应剪切位移小于4 mm，继续剪切至位移4 mm停机；测力计读数无峰值时，剪切至位移6 mm时停机[31]。试验过程中由计算机自动控制试验数据采集处理系统，依据《土工试验方法标准》[31]，在50、100、150和20 kPa的垂直压力下完成剪切试验，计算机自动绘制出抗剪强度-垂直压力关系曲线，并计算出该组根-土复合体试样的抗剪强度指标粘聚力c值和内摩擦角φ值[32]。

3 结果与分析

3.1 载荷作用前后不同类型边坡土体抗剪强度分析

表1为施加载荷前、后，灌木边坡、草本边坡、草本+灌木组合植被边坡和素土边坡的根-土复合体物理性质及抗剪强度试验结果，表2为根-土复合体中鲜根质量、含根量及含根数统计结果。由表1可知，在载荷作用前边坡地表以下相同深度处，4种类型边坡的根-土复合体密度、含水率和内摩擦角均未表现出显著性差异（P＜0.05），且密度、含水率均随取样深度的增加而降低，其中垂穗披碱草、柠条锦鸡儿、素土、组合种植边坡在地表以下＞20～30 cm处的密度相比较于0～10 cm处，分别降低3.42%、3.21%、3.50%和5.19%；含水率分别降低21.31%、16.13%、19.47%和23.04%。粘聚力c值随取样深度的变化规律与密度、含水率相同。其中含水率降低的原因在于植物根系对土壤水分具有吸收、引流等作用[33]，且3种类型植被边坡土体含根量均随取样深度的增加而减少（表2），含根量越高，土壤含水率亦越高，土体密度越小。3种植被边坡的根-土复合体粘聚力与素土边坡相比均表现出增加的变化趋势，其中组合种植边坡的根-土复合体粘聚力增加幅度为111.57%～136.50%，草本边坡的增幅为69.62%～88.73%，灌木边坡的增幅为67.40%～84.27%；组合植被的根-土复合体粘聚力均显著大于素土（P＜0.05），与单一草本、灌木植被的根-土复合体相比，粘聚力均未表现出显著性差异（P＞0.05）。由此可知，草本和灌木根系的存在对边坡土体粘聚力具有显著增强作用，其中组合植被对边坡土体抗剪强度增强作用大于单一植被，单一种植草本根系对边坡土体抗剪强度增强作用大于单一种植灌木。

产生上述变化的主要原因在于，组合植被边坡土体含根量均大于单一草本植被边坡和单一灌木植被。根系数量与根-土复合体粘聚力c值之间呈正相关关系，即根-土复合体中根系未达到最优含根量时，随着根系数量的增加，粘聚力c值亦相应地增大，植被根系对边坡土体抗剪强度的增强作用贡献也愈显著[34]。此外，草本植物根系的刚度和抗弯折能力相对较弱，通常将其视为柔性加强筋材料，而灌木根系的主根具有较强的刚度和抗弯折能力，可视为刚性加强筋材料[35]。当含有组合根系的边坡土体受到剪切作用时，穿过剪切面的草本根系能够利用根-土界面的摩擦力作用将土体内部剪应力转化为根系之间的拉应力，而根系所承受的拉应力可转化为边坡土体剪切面的法向应力和切向应力，法向应力增加了边坡土体剪切面上的正应力，其结果使得土体剪切面的摩擦强度得以提高，而切向应力可抵抗剪切面土体的剪切变形[36]。相应地，当边坡浅层土体发生剪切变形时，灌木根系的主根能将土体所受到的剪应力传递至深层土体，同时灌木根系具有较大的刚度和抗弯能力，其增强拉应力的切向分力抵抗土体变形的能力[35]。

表1 载荷作用前、后边坡根-土复合体的物理性质与抗剪强度指标试验结果 Table 1 Test results of physical properties and shear strength indexes of slope root-soil composite before and after loading

从植被的根系分布特征来看，草本根系为须根型，对边坡浅层土体起加筋作用；灌木根系为直根型，对边坡土体起到一定的锚固作用，而组合植被实现浅层和深层根系在土体中的互补[37]。卢海静等[38]以2种草本植物垂穗披碱草（Elymus nutans）、细茎冰草（Slender Wildrye）和2种灌木柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）和霸王（Zygophyllum xanthoxylon）作为研究对象，采用草本和灌木单一种植和组合种植方式，并分别对相应的根-土复合体进行直剪试验，结果表明，草本和灌木混合种植的土体抗剪强度大于单一种植草本和灌木的根-土复合体抗剪强度。肖宏彬等[39]通过对香根草（Vetiveria zizanioides）+小叶女贞（Ligustrum quihoui）组合种植，与单一种植的小叶女贞在不同含水率和植物根系横截面积条件下进行根-土复合体直剪试验，试验结果表明在植物根系横截面积为10.1 mm2时，组合种植香根草+小叶女贞的根-土复合体粘聚力值（90.97 kPa）大于小叶女贞复合体（66.61 kPa）。这与本文研究结果一致。

表2 不同植被边坡的根-土复合体中含根量统计结果 Table 2 Statistical results of root amount in root-soil composite of different vegetation slopes

由表1可知，荷载条件下，4种边坡的土体密度、含水率均随取样深度的增加而减小，其变化规律与荷载前相同。荷载试验后，相同深度处的密度、含水率均未表现出显著性差异（P＜0.05）。植被边坡的根-土复合体粘聚力c值均高于素土边坡，柠条锦鸡儿边坡在地表以下0～10、＞10～20 和＞20～30 cm处的根-土复合体粘聚力c值与素土边坡相比较，粘聚力c值增加量分别为7.32、7.18 和6.96 kPa，增加幅度分别为63.87%、67.04%和75.24%；垂穗披碱草边坡在地表以下0～10、＞10～20 和＞20～30 cm处的根-土复合体粘聚力c值与素土边坡相比较，粘聚力c值增加量分别为8.22、7.05 和7.44 kPa，增加幅度分别为71.73%、65.83%和80.43%。柠条锦鸡儿+垂穗披碱草组合种植边坡在地表以下0～10、＞10～20和＞20～30 cm位置处的根-土复合体粘聚力c值与素土边坡相比，粘聚力c值增加量分别为12.91、11.04和11.43 kPa，增加幅度分别为112.65%、103.08%和123.57%。荷载试验后，在边坡地表以下0～30 cm处，3种植被边坡的土体抗剪强度均显著高于素土边坡（P＜0.05）；组合植被边坡、单一灌木和单一草本边坡之间土体的抗剪强度未表现出明显差异（P＞0.05）。由此可知，植物根系能有效增强边坡土体抗剪强度，组合植被根系对边坡抗剪强度的增强作用均大于单一植被。

分析表1可知，荷载试验后，4种边坡的土体密度、含水率、粘聚力均较荷载试验前有一定程度的增长，其中素土边坡的增长幅度分别为1.45%～2.80%、1.09%～3.59%和7.75%～9.25%。单一草本、灌木和组合植被边坡的密度增长幅度分别为0.71%～2.05%、0.66%～9.79%和0.65%～0.68%，含水率增长幅度分别为3.33%～7.55%、4.19%～4.59%和4.45%～8.13%，粘聚力增长幅度分别为3.79%～7.25%、3.25%～6.95%和2.63%～3.97%。

刘昌义等[40]通过对黄河源区6种不同植物组合类型的根-土复合体进行直剪试验发现，根-土复合体粘聚力c值随根-土复合体密度的增加而增大；当根-土复合体含水率小于20%时，粘聚力c值随含水率增加而增大。倪九派等[41]通过对重庆丘陵山区钙质紫色土和中性紫色土2种土壤进行三轴压缩试验，测定含水率和干密度交互作用对土壤抗剪强度指标的影响，结果表明含水率和干密度的交互作用对粘聚力c具有显著影响，粘聚力c值随干密度的增加而增大。这与本文研究结果相同。

3.2 荷载条件下边坡土体压力及其变化特征

3种植被边坡与素土边坡在载荷作用前、后的土体压力值监测结果如表3所示。由表3可知，素土边坡在坡面以下15和30 cm位置处，水平方向的平均土压力变化量分别为0.495 和0.550 kPa；垂穗披碱草边坡的水平方向平均土压力变化量分别为1.312和1.397 kPa，为素土边坡的2.65和2.33倍；柠条锦鸡儿边坡的水平方向土压力变化量为素土边坡的1.38和2.21倍；组合植被边坡的水平方向平均土压力变化量为素土边坡的4.35和4.24倍。

表3 不同植被类型边坡荷载前后的土体土压力变化量 Table 3 Changes of soil pressure before and after loading of different vegetation types slope kPa

素土边坡竖直方向的平均土压力变化量分别为0.189和0.212 kPa；垂穗披碱草边坡的竖直方向平均土压力变化量为0.474和0.499 kPa，为素土边坡的2.51和2.35倍。柠条锦鸡儿边坡的竖直方向土压力变化量为0.153和0.234 kPa。组合植被边坡的竖直方向土压力变化量分别为0.783和0.903 kPa，为素土边坡的4.14和4.25倍。由此可知，植被边坡浅层土压力值变化大于素土边坡，其主要原因在于植物根系具有的吸水作用，导致土体含水率升高，植物根系周围土体自重提高，使得植被边坡浅层土压力值变化大于素土边坡[42]。本研究中，在竖直方向15 cm处，柠条锦鸡儿边坡的平均土压力变化量小于素土边坡，初步分析产生该现象的原因在于，灌木植被柠条锦鸡儿的根系类型为直根型，通过地上茎叶和地下根系部分生物量统计结果可知，该灌木种根系在0～20 cm处较为发达，主根根径为2.61～3.89 mm、侧根根径为0.87～1.94 mm。这种根系对地表以下0～20 cm深度处的土体结构产生疏松作用，使得土体具有一定的回弹性能；而素土边坡未受到植物根系影响，其土体结构相对较为紧密和完整，在坡顶施加一定荷载后，不含根系的素土易产生压缩固结现象，使得竖直方向15 cm深度处的柠条锦鸡儿边坡的土压力变化相对小于素土边坡。韩少杰等[43]对黑龙江克山农场典型黑土表层土体开展的土壤压缩与回弹特性研究表明，植被恢复能增强黑土表层土壤的回弹性和承载能力，该结论与本文研究结果基本一致。

3.3 荷载条件下边坡土体位移量变化特征

3.3.1 素土边坡土体位移

荷载条件下素土边坡在地表以下40 cm处的累计位移量监测结果如图5所示。由图5可知，当坡顶载荷达到2000 kg时，素土边坡浅层土体在坡面顶端1号监测点竖直方向最大位移为11.25 mm，水平方向最大位移为9.86 mm，在3号监测点竖直方向最小位移为3.88 mm，水平方向最小位移为3.99 mm，竖直方向1号监测点位移量为3号监测点的2.90倍，水平方向1号监测点位移量为3号监测点的2.47倍。由图5可知，在相同载荷条件下，土体竖直与水平方向的位移量均表现出自坡顶向坡底逐渐减小的变化规律，且随着荷载等级不断增加，土体位移逐渐增大。当载荷为1000～2000 kg时，竖直和水平方向的位移增长幅度明显大于200～1000 kg时的增长速度，因此当载荷为200～1000 kg时区内素土边坡呈相对稳定的状态。

3.3.2 草本植被边坡浅层土体位移

荷载条件下草本植被边坡，在地表以下0～40 cm位移量监测结果如图6所示。由图6可知，垂穗披碱草边坡在荷载条件下边坡土体最大位移出现在1号监测点处，最小位移出现在3号监测点处，当载荷达到2000 kg时，竖直方向最大位移为5.63 mm，最小位移为2.53 mm，水平方向最大位移为5.17 mm，最小位移为2.00 mm。当坡顶载荷为2000 kg时，相比较于素土边坡1号监测点，在竖直和水平方向位移量分别减小5.62和4.72 mm，减小幅度分别为49.96%和47.87%，表明草本植被可有效抑制边坡浅层土体发生位移，且草本植被边坡在载荷等级为200～1000 kg时边坡较为稳定。

3.3.3 灌木植被边坡浅层土体位移

荷载条件下柠条锦鸡儿植被边坡，在地表以下0～40 cm位移监测结果如图7所示。由图7可知，柠条锦鸡儿植被边坡在施加载荷为2000 kg时，1号监测点产生最大位移，竖直方向的最大位移为7.97 mm，在水平方向最大位移为7.35 mm；在3号监测点的位移相对最小，竖直方向位移为3.01 mm，水平方向位移为2.63 mm；当载荷为2000 kg时，1号监测点柠条锦鸡儿边坡与素土边坡竖直和水平方向位移量相比，位移量分别减小3.28和2.51 mm，减小幅度分别为29.16%和25.46%，由此可知，灌木植物根系可为边坡土体提供附加抗剪强度，进而有效减缓边坡浅层土体位移和增强边坡稳定性。载荷超过1200 kg时竖直和水平方向位移增长量明显增大，因此载荷为200～1200 kg时，灌木植被边坡相对较稳定。

3.3.4 草本+灌木组合种植植被边坡浅层土体位移

草本+灌木组合植被边坡，地表以下0～40 cm的位移监测结果如图8所示。由图8可知，坡顶载荷为2000 kg时，1号监测点产生最大位移，在竖直方向最大位移为3.86 mm，水平方向最大位移为3.57 mm；3号监测点的位移相对最小，竖直和水平方向位移分别为1.98和1.60 mm；与素土边坡相比，荷载为2000 kg时，在1号监测点竖直和水平方向位移量分别减小7.39和6.29 mm，减小幅度分别为65.69%和63.79%。由以上结果可知，草本+灌木组合植被边坡浅层土体位移小于素土边坡，表明草本+灌木组合种植植被可有效抑制边坡土体位移的产生，起到增强边坡土体抗剪强度和提高边坡稳定性的作用。

综合分析图5～图8可知，组合植被在竖直和水平方向的位移量与草本、灌木和素土边坡相比分别减小了1.60和1.77 mm、3.78和4.11 mm、7.39和6.29 mm。在坡顶最大荷载条件下，组合植被、草本植被、灌木植被与素土边坡相比，在竖直方向的位移量平均减小幅度为58.81%、44.80%和28.41%，水平方向位移量平均减小幅度为62.20%、48.66%和31.71。由此可知，草本+灌木组合植被对边坡浅层位移抑制作用相对较为突出，其次为垂穗披碱草边坡，最后为柠条锦鸡儿边坡。组合种植植被边坡对边坡浅层位移抑制作用大于单一植被边坡，主要原因在于，组合种植方式中，灌木根系能将边坡土体受到的剪应力传递至深层土体中，且主根具有一定刚度和抗弯能力，能有效抵抗边坡土体发生的剪切变形，同时草本根系对浅层土体起到加筋作用，因此组合种植方式提高边坡浅层稳定性效果更为明显[34]。

窦增宁[44]通过模拟降雨试验对不同类型边坡位移量进行监测，结果表明，在模拟降雨试验后未种植边坡的水平和垂直方向位移量均显著大于植被边坡，且霸王（Zygophyllum xanthoxylon）+垂穗披碱草（Elymus nutans）种植植被边坡位移量最小，其次为草本植被垂穗披碱草边坡和灌木植被霸王边坡。稽晓雷等[45]采用PLAXIS 3D有限元软件研究了模拟降雨条件下，植物不同根系布置模式对边坡稳定性的影响，结果表明含根系边坡的位移量显著降低，且不同根系布置模式对边坡位移量影响程度不同，当降雨强度为5 mm/h、降雨历时为1 d时，混合植被根系、相交根系、竖直根系、水平根系、倾斜根系和无根系边坡产生的最大位移分别为1.55、1.56、1.68、2.09、1.88和16.00 mm，混合植被根系对边坡变形的抑制效果最好。本研究中，组合植被边坡、单一草本植被边坡、单一灌木植被边坡的根系分布模式，分别符合混合根系（草本与灌木组合）、相交根系（单一草本）和竖直根系（单一灌木），研究结果与稽晓雷等[45]基本一致。

4 结论

1）3种不同类型植被边坡土体粘聚力均表现出随边坡土体取样深度的增加呈逐渐减小的变化趋势，与0～10 cm处相比，在地表以下＞20～30 cm处，垂穗披碱草、柠条锦鸡儿边坡和柠条锦鸡儿+垂穗披碱草组合种植边坡的土体粘聚力减小幅度分别为12.37%、10.59%和14.04%。

2）边坡在荷载条件下，4种边坡相同位置处土体粘聚力c值与荷载试验前相比均呈增大趋势，与荷载试验前相比，柠条锦鸡儿边坡、垂穗披碱草边坡和组合种植柠条锦鸡儿+垂穗披碱草边坡，以及素土边坡其根-土复合体粘聚力增加幅度分别为3.25%～6.95%、3.79%～7.25%、2.63%～3.97%和7.75%～9.25%。

3）施加载荷前后，3种边坡的根-土复合体粘聚力均大于素土边坡。粘聚力c值增加幅度由大至小依次为草本+灌木组合植被边坡、草本边坡、灌木边坡。因此，草本+灌木组合种植方式对提高边坡土体抗剪强度有更明显效果。

4）在坡顶最大荷载条件下，与素土边坡相比组合植被、草本植被、灌木植被边坡在竖直方向的位移量减小平均幅度为58.81%、44.80%和28.41%，水平方向位移量平均减小幅度为62.20%、48.66%和31.71%，草本+灌木组合植被对边坡浅层位移抑制作用更大。