植物因具有防止边坡浅表层破坏（滑坡和水土流失）和提供良好生态效益（绿色环保和投资少）被广泛应用于岩土工程防护中
[1]。植物根系与土壤组成的根-土复合体的力学特性对边坡浅层土体稳定性具有重要影响。根系可将土壤的剪应力转化为根系自身拉应力，从而增强土体的抗剪强度，这一增强效应得到了大量学者的试验证实
[2]。然而，边坡的单一植被类型防护存在生物多样性低、水土保持能力弱、根-土复合体抗剪强度不足等缺陷，难以长期稳定实际边坡
[3-4]。在南方大别山区公路的边坡防护工程中，草灌混合植被根系防护已成为主流，但目前有关多种类型植物根系与土壤的协同作用对根-土复合体力学性能的影响研究仍受到忽视。
在全球气候变化日益加剧的情况下，极端降雨、干旱等极端天气事件频发。反复的降雨和蒸发会引发根-土复合体强度与内应力改变
[5]。干湿循环对土壤的不可逆变化会诱发浅层滑坡（深度通常小于2 m）等地质灾害
[6-7]。干湿循环对植被边坡的长期稳定性构成了较大威胁。因此，深入研究干湿循环作用下草灌植物根-土复合体力学特性具有重要的理论价值和实际工程意义。
在草灌混合植被根-土复合体力学特性方面，刘亚斌等
[8]和姚怡宁等
[9]的试验表明草本植物和灌木植物组合的根面积比随着深度增加而减少，根-土复合体抗拉强度较素土明显增加；许桐等
[10]开展剪切试验发现单一植被边坡、素土边坡的位移量大于草灌组合边坡；赵玉娇等
[11-12]的原位直剪试验表明寒旱环境单一草本根-土复合体黏聚力显著大于灌木根-土复合体，草灌混合根-土复合体黏聚力显著大于单一草本或灌木根-土复合体。在根-土复合体力学试验和理论研究方面，研究学者开展植被根系的抗拉试验
[13-15]和根-土复合体的抗剪试验
[16-17]，并先后提出了Wu-Waldron Model
[18]、Fiber-Bundle Model
[19]、纤维束模型等
[20]多个力学数学模型，从试验和理论方面来衡量植被根系对边坡土壤抗剪强度的增强能力。
然而，目前仍缺乏有关干湿循环时不同植被根系类型对根-土抗剪强度的影响，尤其是干湿循环次数对根-土复合体力学性能产生的强度效应理论模型。此外，现有研究多聚焦于单一草本或灌木根系，而南方大别山区生态护坡中草灌混合的应用更为广泛，其草灌混合根系对边坡浅层土体力学性能的影响机制研究较为匮乏。
针对以上研究不足，结合鄂东大别山区生态防护的实际需求，本文选取鄂东大别山区生态护坡中常见的护坡植物（灌木植物多花木蓝Indigofera amblyantha和草本植物香根草Chrysopogon zizanioides）为研究对象，两者均具有根系发达、适应性强等特点。本文通过室内抗拉试验和直剪试验分析灌根与草灌根占比值（灌根占比）和干湿循环两个关键因素对根-土复合体力学性能（抗拉强度和抗剪强度）的影响规律，并基于试验数据构建干湿循环作用下根-土复合体强度预测模型，为草灌混合植被护坡工程的设计与优化提供参考。
1 研究区概况
取样地点位于湖北省黄冈市英山县某高速公路，地处大别山区腹地，岩土风化程度较高。该地区为亚热带湿润季风气候，气候温和，全年降雨量丰沛，为各类植物的生长提供良好的条件。该地区年多年平均降雨量1 300 mm，5—7月的梅雨季节，累计降雨量达400 mm，占比约40%，而在梅雨过后的夏季呈现持续高温天气，地表蒸发量较大。这种由降雨入渗与高温蒸发组成反复干湿循环过程易诱发浅层滑坡地质灾害。
在2022年8月发生滑坡事件，在当地公路局的管理下，边坡浅层通过客土喷播方式种植灌木植物多花木蓝和草本植物香根草进行生态防护，如
图1所示。
研究区的土体岩性为粉质黏土，试验土颗粒粒径级配采用室内颗粒分析试验得到，颗粒分级曲线如
图2所示。其中土体的饱和渗透系数通过渗透试验测定，抗剪强度指标（黏聚力和内摩擦角）通过直剪试验测得，其物理参数如
表1所示。
2 材料和方法
2.1 试验材料
为了研究不同干湿循环和植被根系类型对根-土复合体抗剪强度的影响，选取研究区草灌混合植被生长成熟期（36个月），草本香根草根系、灌木多花木蓝根系主要分布在距坡面10—30 cm，10—60 cm土层处。在研究区内斜坡上选定面积为1 m×1 m的3个草灌混合植被区域（避开草灌混合植被稀疏区与人为干扰区），采集根-土复合体带回实验室并进行冲洗得到草灌根系和试验土样，试验共采集草本根系50根和灌木根系30根。
2.2 抗拉试验
在试验区边坡上采集的草本根系和灌木根系选取较直的5 cm段作为抗拉试验材料。为了保证根新鲜、完整，把剪好根放入保鲜袋里面储存。根系分为饱和根和干燥根两组，新鲜根放入水中12 h得到饱和根，新鲜根在室内风干至质量恒定得到干燥根。室内抗拉试验采用电子拉力仪进行，拉伸加载速度控制为0.02 mm/s，测得最大拉力。试验完用游标卡尺测量根断裂处的平均根径。根抗拉强度T计算公式为
式中：T为抗拉强度（MPa）；F为单根抗拉拔力（kN）；D为单根直径（mm）。
2.3 抗剪试验
在直剪试验中，根-土复合体土样的制备严格遵照国家规范《土工试验方法标准（GB/T50123—2019）》。根系和土样将分层放入到试验盒中，分3层击实
[21]。根据文献
[22]的试验和根系分布，根系分布为竖向分布。根据采集的新鲜草、灌根筛选5根质量在（0.25±0.02） g范围的草本根和1根质量在（1.25±0.10） g范围的灌木根，5根草本根与1根灌木根质量相同，根系统一制备成为16根放入根-土复合体。
一次干湿循环过程先经历干燥阶段（烘箱设定60 ℃烘干至质量恒定为止），后经历湿润阶段（静水中浸泡6 h）。在干湿循环次数（0，1，3，6，10次）后取饱和的试样进行直剪试验。考虑草灌混合植被根系中灌木根占比大小的影响，占比设计为0（全部为草本根），25%，50%，75%，100%（全部为灌木根）的5组。每个干湿循环、每种灌木根占比各制备4个试样，增加素土组作为对照。
采用ZJ型应变控制式直剪仪对根-土复合体试样进行试验，如
图3所示。剪切速度根据土工试验方法标准与相关文献设定为0.2 mm/min
[9]，竖向压力分别为50，100，150，200 kPa共4个级别的平衡组。根据直剪试验结果绘制应力应变曲线，然后通过库仑定律得到抗剪强度指标黏聚力和内摩擦角。
式中：τf 为抗剪强度；c为黏聚力；σ为正应力；φ为内摩擦角。
每组直剪试验设置3次平行重复，最终结果取平均值。为了降低直剪试验的结果误差，采用单因素方差分析（Analysis of Variance, ANOVA）比较不同根径、干湿循环或物种间的抗剪强度差异。
3 结果与分析
3.1 不同含水率下草灌根的抗拉强度
根系的拉伸性能是评价草灌混合植被护坡的重要指标，抗拉强度与根径的幂律关系见
图4。抗拉强度随着根径的增大呈幂律减小趋势，草本根的抗拉强度可达40~120 MPa，灌木根均较低，通常在70 MPa以下，这是由于草本根较细（直径小于1 mm），直径小的草本根具有较高的抗拉强度，而直径较粗（直径1 mm~5 mm）灌木根抗拉强度较小。
在直径相同时，干燥根的抗拉强度大于饱和根，草本植物干燥根抗拉强度是饱和根的1.2~1.5倍，灌木植物干燥根抗拉强度是饱和根的1.1~1.3倍。根饱和后出现直径增加而张力会降低，根的细胞壁结合强度降低。这是由于草本植物根的根直径更小，土壤含水率较高时更容易饱和，根细胞壁在饱水后膨胀软化，细胞壁之间的连接受到削弱，从而张力下降更显著。
3.2 草灌根系类型对根-土复合体力学特性的影响
为了研究植被物种多样性对根-土复合体力学特性的影响，测定不同灌根占比下根-土复合体的抗剪强度，如
表2和
图5所示。
土体抗剪强度指标是研究草灌根-土复合体力学特性的重要参数。根-土复合体的黏聚力与内摩擦角均存在显著的差异性（
p<0.05）。由
图5A可知，相同含水率下黏聚力与灌根占比的增大呈现先增加后减少的趋势，对灌根占比变化较为敏感，黏聚力大小对应的植被类型依次为草灌根系>草本根系>灌木根系。干湿循环6次时草灌混合根-土复合体黏聚力较灌木根-土复合体提高11.69%~12.82%，比草本根-土复合体增加了10.10%~11.20%。草灌混合根-土复合体对土体黏聚力增长量大于单一物种的草本根-土复合体和灌木根-土复合体。这是由于草本根系以须根为主，呈水平或倾斜分布状态，其根-土复合体中剪切面上仅有部分的根段，即仅部分根系能增强土体的抗剪切变形作用，灌木根系在土体中仅有部分呈近似的主直根生长，即垂直方向的主根和水平方向的侧根，其在根-土复合体中剪切面上大多数根段都存在，锚固作用提供抗剪能力；草灌根-土复合体既有灌木型的主根或侧根的锚固，又有草本根-土复合体的部分须根对剪切变形作用，两者协同构成“深层锚固+浅层加筋”的多维度加固体系，剪切过程中应力由脆弱的土体通过根-土界面的摩擦或连接传递给高强度的根系，从而黏聚力增幅最大。另外，从
图5B可以看出，植被物种下不同灌根占比的土样内摩擦角变化不明显，内摩擦角主要集中在一定范围内波动，不随植被物种波动而变化。尽管根系通过加筋作用和抗拉作用能增强抗剪强度，由于未改变土体的微观结构和内摩擦特性，因此宏观上内摩擦角的变化不大。
分析表明，植被根系的存在可明显提高根-土复合体的抗剪强度，并随灌根占比的增加而先增加后降低，草、灌根系增加抗剪效应可能受含水率的影响。这是由于草、灌根系在土体里可增大土体周围的容重，从而导致土体的摩擦力增强。同时草本根系的存在相对于灌木根系与土体颗粒的接触面更大，进而具有更强的根-土界面的作用力，适量的灌木根系能通过抗拉作用增大土体抗剪强度
[23]。
3.3 干湿循环对根-土复合体力学特性的影响
为了定量研究根-土复合体受干湿循环的破坏影响，采用
式（3）定义的劣化度
D来研究干湿循环次数
N对不同灌根占比的根-土复合体剪切强度的损伤程度
[24]。
式中：Di 为根-土复合体黏聚力劣化度（%）；c0为初始试样的黏聚力（kPa），取3次平行直剪试验的平均值；cn 为第N次干湿循环后试样的黏聚力（kPa），取3次平行直剪试验的平均值。
由每组3次平行直剪试验平均值得到黏聚力，再根据
式（3）得到不同灌根占比时干湿循环次数的劣化度（见
图6）。黏聚力均随着干湿循环次数的增加而降低，黏聚力与干湿循环次数呈非线性减小关系。在干湿循环3次以内，黏聚力降低较快；干湿循环第3次时，没有灌木根时黏聚力下降5.99 kPa，劣化度达到25.22%；在3次后，黏聚力降低速率逐渐放缓，灌根占比25%时黏聚力在干湿循环6次时下降8.91 kPa，劣化度达到34.51%。这是由于干湿循环导致根-土复合体发生缩胀，引发根-土界面黏结能力衰减、土体结构的微裂缝和空隙增大，从而导致黏聚力的降低。经历了6次干湿循环后，根-土复合体发生根系重新填充空隙、土体结构重新调整适应和水分吸湿-脱湿平衡平衡，从而劣化效应随着干湿循环次数的增加而衰弱。
3.4 干湿循环下草草灌混合-土复合体抗剪强度预测模型
不同干湿循环次数
N对根-土复合体抗剪强度的劣化度
D影响如
图7所示，可以看出劣化度
D与干湿循环次数
N呈对数关系，拟合如下关系式。
式中：
A，
B分别为曲线的拟合参数。从
图7可以看出劣化度
D与干湿循环次数
N具有较高的相关系数，
式（4)适用于
N≥1，
N=0时
D=0拟合效果良好，参数
A=14.18，
B=9.45。
根据3.2节的研究可知，当干湿循环次数N=0时，黏聚力c0与灌根占比η呈非线性关系，两者的关系如式（5）所示：
式中：
η为灌根占比；
a，
b，
c为拟合参数。从
图8可以看出，无干湿循环下黏聚力
c0与灌根占比
η具有较高的相关系数，拟合效果良好，参数
a=-0.0018，
b=0.18，
c=23.24。
将公式（5）代入公式（4）得到黏聚力cn 与灌根占比η、干湿循环次数N的关系式：
在实际应用中可根据公式（6），预测不同干湿循环、灌根占比的草灌混合根-土复合体黏聚力。
根据
公式（6）得到不同灌根占比和干湿循环下的加固根-土复合体黏聚力预测值，将黏聚力预测值与实测值进行对比，拟合曲线如
图9所示。计算预测值与实际值的均方根误差（RMSE）小于3 kPa、平均绝对百分比误差（MAPE）小于5%、拟合优度（
R2）大于0.95，说明预测值与实际值的平均偏差小、相对误差较小、拟合效果好，该黏聚力预测模型可以较好地进行草灌根-土复合体预测，具有较好的实用价值。
4 讨论
4.1 草本须根与灌木主根的形态学差异及其对力学性能的影响
植被根系形态影响了根-土复合体的抗剪特性
[12]。在鄂东大别山区，生长期2.5 a时草本香根草的须根深度可达40 cm，灌木多花木蓝主根深度可达60 cm，高于西宁盆地的草本紫花苜蓿根深度30 cm和灌木柠条锦鸡儿的根系深度50 cm
[10]，是由于西宁盆地的年均降雨量少，而蒸发量较大，自然环境不利于植物根系的生长。草本香根草须根具有直径细、细胞壁薄、数量多且密集的形态特征，灌木多花木蓝根具有直径大、细胞壁增厚、木质化程度高的形态特征。在边坡发生剪切时，两者不同形态特征决定了对土体的不同力学性能，韧性较强的草本根系与土体颗粒的接触面积大于脆性的灌木根系，可有效加筋土颗粒和提升根-土复合体的黏聚力。抗弯折性能强的灌木主侧根能有效抵抗土体的剪切变形，从而增强根-土复合体的抗剪强度。
本研究中，草、灌根的形态特征对抗拉性能的影响呈现出显著规律性，这与草本根的抗拉强度高于灌木根的类似
[24]。植被根木质化程度影响了其抗拉特性，木质化程度低的草本根抗拉力低于木质化程度高的灌木根，但灌木的根径大于草本，抗拉强度与根径呈现指数负相关性，从而存在草本根的抗拉强度可能大于灌木根，也可能小于灌木根，主要取决于根径、木质化程度等影响因素。
4.2 根-土界面的黏结机制和破坏模式
根-土界面的黏结作用是根-土复合体的力学性能的关键
[25]。草本须根通过与土颗粒的分子引力与毛细物理作用、黏液分泌化学作用和三维立体机械啮合作用提升根-土界面的黏结强度，刚性较大的灌木根的黏结强度低于草本须根，主要通过自身的刚度抵抗土颗粒的滑移。
本研究中草、灌根在根-土复合体的破坏形态呈现出不同的破坏模式，界面黏结强度高于自身抗拉强度的草本根在剪切试验中多发生根拔出破坏，界面黏结强度低于自身抗拉强度的灌木根在剪切试验中多发生根滑移破坏，与杉树根系
[25]、云南松
[26]、条锦鸡儿
[27]类似，根-土界面黏结性能受到根系直径、根系方位等影响。根径较大时，根系对土体的机械咬合作用和界面的接触面积大，其黏结强度会增加。根系与剪切面的角度影响了根系的受力状态，垂直根系较倾斜根系的易发挥拉拔阻力作用，但不利于根系发挥阻剪效应。
4.3 干湿循环对根系抗拉强度和根-土界面强度的双重影响
在抗拉试验中，干湿循环影响根系的抗拉强度。相较于饱和根，干燥的香根草和多花木蓝根的抗拉强度大于饱和根，这与小叶女贞根
[28]类似，含水率影响根的抗拉强度，干湿循环对根细胞壁易产生微裂缝。在直剪试验中，干湿循环对根-土复合体的截面强度的结果具有直接影响。相较于未干湿循环，10次干湿循环的根-土复合体黏聚力劣化度43%，与垂穗披碱草
[29]类似。干湿循环通过物理与化学作用，破坏了根-土界面的物质组成和接触状态，这种不可逆的界面破坏会随着干湿循环的次数的增加而减小，从而降低根-土界面的黏结强度。干湿循环通过水分的渗透与蒸发，破坏根土界面黏结力及土壤颗粒间胶结作用，导致复合体力学性能随循环次数增加呈递减趋势，前期循环中，水分蒸发使根系与土壤产生收缩变形，界面出现微裂隙，力学性能下降速度快；后期循环中，根土变形趋于稳定，裂隙扩展速率减缓，力学性能衰减幅度降低。
本次试验采用的室内直剪试验是根据根-土复合体的试样标准尺寸与相同的环境变量，是对实际边坡环境的简化，存在一定局限性。室内试验没有考虑土壤结构不均匀、草灌根系分布复杂、孔隙水压力变化等实际影响
[30]，试验结果与实际边坡存在一定偏差，后续将开展现场原位剪切试验。
本文采用的干湿循环为考虑干燥、湿化条件的变化对根-土复合体的强度影响，这与实际干湿循环条件（周期与强度）有差距，后续将进一步研究干湿循环条件参数（烘干温度与浸泡时间）下根-土复合体的强度劣化机理。
5 结论
（1） 草、灌根系抗拉强度随着根径增大而非线性减少，灌木根的抗拉强度小于草本根的抗拉强度。干燥状态下根系的抗拉强度大于饱和状态，且干燥的草本根、灌木根系的抗拉强度分别是饱和根系1.2~1.5倍，1.1~1.3倍；
（2） 黏聚力受草灌根系类型和干湿循环的影响显著（p<0.05），内摩擦角变化较小。根-土复合体的黏聚力均大于素土，黏聚力增幅为30.86%~59.86%。灌木占比75%时草灌混合黏聚力大于单一灌木或草本，黏聚力随着干湿循环增大呈幂指数减少的变化，降幅达35%~43%；
（3） 基于试验数据，通过引入干湿循环劣化度，构建了可综合考虑灌木占比、根直径和干湿循环次数的根-土复合体黏聚力数学表达式，该模型能很好地表述干湿循环对草灌混合根-土复合体的抗剪强度的弱化效应，可适用于大别山区类似气候、草灌混合植被边坡的根-土复合体，具备较高预测精度。该模型可应用于鄂东大别山区边坡草灌混合植被防护工程的设计与稳定性评价。
国家自然科学基金项目(52078194)
湖北省自然科学基金项目(2025AFD363)
河湖健康智慧感知与生态修复教育部重点实验室(HGKFZP015)
环境岩土与河湖生态修复湖北省重点实验室(HJKFYP202408)
京公网安备11010202008535号
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