我国属于多山国家，在高速公路、铁路等基础建设中不可避免出现大量土石裸露边坡，传统的抹面、喷浆、喷混凝土、浆砌片石护墙、挂网喷浆护坡等护坡方法耐久性差，后期维护费用高，最关键的是不利于景观和生态环境。因此，随着人们环保意识的提高，坡面防护应该是加固、景观、生态三项功能的统一。生态护坡通过在边坡上种植植物，利用植物与岩土体的相互作用对边坡进行防护、加固，并能恢复自然生态环境的护坡方式，增强沿线景观效应。而植物防护就是现今所推广的坡面生态防护方式，其利用植物的茎叶阻挡抑制雨水对坡面的冲刷，利用根系与岩土体的相互作用减轻坡面的不稳定和侵蚀。　　 边坡有土质和岩质之分，目前岩质边坡植物防护的理论和应用研究滞后于实践应用，使其在工程上具体实践应用只停留在定性和经验阶段。对根系-基材-岩体的相互作用关系还没有得到深入分析。在实际设计和应用上也存在问题，使植物护坡的长期性受到影响。因此，从岩土工程学、水土保持学等多学科交叉的角度，根据岩质边坡的岩性特点、边坡稳定情况、研究区气候等条件，加强对岩质边坡植被防护技术的理论和应用研究，深入分析植被根系-客土基材-岩体间的相互作用机理，建立植物根系增强边坡岩体抗剪能力及其对表层抗冲刷性贡献的定量研究，是迫切需要解决的。　　 红色粉砂岩是我国华南和华中等地区分布较广的“红层”中代表性岩石之一，其具有孔隙率大、导水性好、强度低、表层易风化等特点，在重视生态环保选线的今天对其采用植物护坡取代传统工程护坡是必然趋势。论文结合湖北省交通厅科技项目—荆宜高速公路岩石边坡绿化基盘材料及应用研究，在对边坡岩性、结构、稳定状态进行分析的基础上，通过室内根-基材直剪试验、室内、外根系抗拉和锚固试验、试验地现场观测和分析，结合ANSYS有限元数值模拟计算，对红色粉砂岩边坡植物防护的理论进行了深入研究，并对植物护坡在荆宜高速公路红色粉砂岩边坡的应用进行了探讨。论文对岩质边坡植物护坡的应用具有一定的指导作用，对提高我国边坡生态防护技术的科技含量，促进我国边坡生态防护事业进一步的发展，具有重要的现实意义。　　 本论文的研究内容有：　　 (1)论文应用Mont-Carlo随机模拟原理、室外观测和室内试验等对研究区边坡岩体质量、岩性、边坡稳定性及植物防护的必要性进行分析，并结合当地气候特点、岩体结构特点、矿物成分对护坡方案进行了探讨；　　 (2)论文结合红色粉砂岩特性，从浅根加筋、深根锚固、植物茎叶及根系的水文效应三方面对岩质边坡进行植物防护的机理进行论述。　　 (3)运用工程力学和土力学的基础理论，应用应变式直剪仪对基材-根系复合体进行室内直剪试验，研究基材一根系复合体的抗剪力学特性，并探明其与植物种类、垂直压力、复合体含根量、含水量的关系，目的是为岩石边坡植被护坡机理完善及应用提供必要的支持。　　 (4)对研究区几种主要护坡深根植物根系力学特征和锚固作用进行研究。论文通过室内抗拉试验分析研究区几种护坡植物(主要木本植物)根系的最大抗拉力、极限抗拉强度、伸长率、割线模量，并对不同植物根系力学特征进行比较。通过室内、外抗拉拔和锚固试验对根系锚固岩体的类型及作用进行阐述，从而总结根系的活性锚杆作用。根据根系参与岩体抗剪切模型，对根各种锚固力的计算进行初步阐述。　　 (5)应用数值分析的方法研究植物防护岩质边坡的稳定性。根据植物根系的实际特征，构建根-客土-岩体复合体的本构模型，应用ANSYS软件分析红色粉砂岩边坡在有根、无根、不同根距、不同含水量情况下的主应力场、剪应力场、水平位移场、垂直位移场及安全系数，从而得出根系加固、不同造林密度、含水量等对红色粉砂岩边坡稳定的影响，对植物防护边坡的稳定性进行定量研究。　　 (6)论文对研究区样地不同组分的植物护坡效果进行了观测和分析，主要包括景观、生态和坡面抗侵蚀的动态效果，从而得出护坡效果最好的最佳植物组合。　　 (7)对荆宜高速公路红色粉砂岩边坡植物防护的应用进行探讨。根据护坡和生态的需求对植物进行选择；根据室内三轴剪切试验、室外样地植物出芽率和生长试验对基材层水泥含量和配方进行设计；根据变形和强度要求对锚杆进行设计。在设计和施工方案确定后，对红色粉砂岩边坡采用厚层基材植物护坡机制进行了动态预测。　　 本文得到的结论如下：　　 (1)在正常工况下红色粉砂岩边坡稳定，而在降雨条件下自然边坡会因为含水量增大而强度降低，表面冲刷严重，导致坡体稳定性降低，对边坡进行植物防护是十分必要的。　　 (2)研究区年降雨量丰富，红色粉砂岩中含有硅素等适合植物生长的养分，且岩体存在大量微裂隙，导水性好，能够供给植物生长必需的水分，采用上覆基材植物护坡是可行的。　　 (3)对于狗牙根等草本植物，因其根系在基材中近似于三维乱向分布，相当于纤维混凝土中的纤维，故以其含根的质量百分比(含根率)作为含根量的衡量标准，而紫穗槐等木本植物虽然也是三维乱向分布于基材中，但是由于相对于草本植物来说，其根系较粗而少，相当于钢筋混凝土中的纵向钢筋，当根与基材结合力发生破坏时，根在基材中发生移位变形，接着基材被剪破，所以对于紫穗槐根系来说，将基材的接触表面积与试样的体积之比作为含根量的衡量标准。　　 (4)通过根-基材复合体直剪试验发现：在试样干密度和含水量一定的前提下，随着含根量增加，抗剪强度增量呈增大的趋势，对复合体抗剪强度增量与含根率进行回归分析可知，皆呈幂函数关系，其中内摩擦角变化不大，而内聚力随含根量增加而增大；在相同含根量时抗剪强度随垂直压力的增加而增大，随含水量增大而减少;无根基材和根系复合体试样都存在着应变软化特征，且随含根率提高，应变软化特征越明显，说明材料的延性越好，这是由于根系间的交错缠绕，对基质具有三维加筋效应，使复合体具有弹塑性变形能力。　　 (5)护坡植物(主要是木本植物)根系穿过基材层，在岩体缝隙中不断延伸、生长，与岩体结合成一体，提高岩体抗剪能力与刚度，改善岩体应力重分布，限制岩体的膨胀、变形、移动。其主要作用表现在锚固和抗拉两方面。　　 (6)紫穗槐等四种不同植物在根系直径一定的情况下，根系极限抗拉强度大小顺序为：紫穗槐＞木子树＞栾树＞紫花苜蓿；且随着根系直径的增大，四种不同植物根系极限抗拉强度、伸长率为减小的趋势，而最大抗拉力为增大的趋势。紫穗槐、紫花苜蓿、木子树根系拉应力达到极限抗拉强度时的割线模量超过400MPa。　　 (7)根系作为有生命力的锚杆，其锚固力的类型有挤胀锚固力、抗拉拔锚固力、抗剪切锚固力三种。通过室内根系与岩体界面摩擦试验和抗拉锚固力，可以得到根径向对岩体的挤胀锚固力的大小，皆不超过岩体抗拉强度，如把根看做静止状态不会对岩体产生劈裂破坏。根在生长中具有一定的生长力，从微观角度来看其并不是静止的，而是时时刻刻都在进行养分输送，与周围环境进行着物质交换的，故其对岩体劈裂破坏的可能性还是存在的。抗剪切锚固力对岩体的贡献至关重要，能够增强岩体破坏的延性。　　 (8)应用ANSYS软件对基材-根-岩体共同体受力时的应力和应变进行模拟可知，根系的存在，改变了边坡的应力分布，使应力集中趋于缓和，根系使边坡应力向深部转移，降低了表层坡体的应力。浅细根系与岩体的挤压，在两者之间产生摩擦力，使边坡的最大、最小主应力及剪应力减小，应力最大值小于无植物边坡，说明植物有利于边坡的稳定性。　　 (9)随着岩体含水量的增加，边坡的水平及垂直位移都增加，边坡的最大、最小主应力、剪应力的最大值都明显增大，在坡面还存在一定的拉应力。由于岩体重度的增加，及岩体抗剪强度的降低，在饱和情况下，首先易于在边坡表层产生破坏，然后快速向内部转移，最终形成整体破坏。　　 (10)在坡肩及坡脚部位适当加密植树，可以减小坡肩张力区及坡脚剪力区范围，减小应力集中。根系之间存在一定的距离，根系后岩体与根系周围岩体挤压的过程中，在根系后形成了应力拱。为了充分发挥应力拱的工程作用，在适当加大植树密度。　　 (11)通过对不同植物组分坡面植被覆盖率、冬季绿色率、坡面抗侵蚀性进行分析，可知动态上连续的多层次立体植物群落很重要，可以使坡面获得较高的植被覆盖率，并通过降雨截留、削弱滴溅侵蚀、抑制坡面径流等方面有效地减小降雨对坡面的冲刷，避免水土流失，达到较好的护坡效果。在护坡植物配比中适当选择耐寒植物、开花植物种类及其配比，增强冬季坡面绿色率、延长坡面有花时间，增加沿线边坡的美感。　　 (12)在厚层基材植物护坡的设计中，植物的选择、基材和锚杆的设计是关键。植物种类应本着在最短生命周期内，实现功能、环境与视觉的统一效应的原则来确定。基材中水泥的剂量及基材层的配方既要满足抗剪强度的要求，又要满足样地里植物出芽率和生长的要求。　　 (13)根据大部分植物根系伸入土层的情况，可将研究区厚层基材植物防护红色粉砂岩岩质边坡的过程分为三个阶段。根据预测，护坡过程的第三阶段是植物护坡正常、理想的工作阶段，达到了功能、环境与视觉的统一效应。　　 综上所述，论文通过应用室内、外试验、数值模拟方法对湖北荆宜高速公路红色粉砂岩路堑边坡植物防护的机理进行验证、阐述，并对植物护坡在荆宣高速公路红色粉砂岩边坡的应用进行论述。植物根系对基材层和边坡岩体具有一定的的加固作用，植物茎叶能够提高边坡抗冲刷性，植物护坡技术在红色粉砂岩边坡应用是成功的，可以大规模推广。