预设大裂缝植物根系对中原地区土遗址边坡的力学作用研究

1.引言

中国建筑历史悠久，其主要建筑形式为土木结构，随着时间的推移，土木建筑中的木质结构受到环境的影响消失殆尽，留下来大片的土遗址。土遗址受到环境的影响，很容易发生物理与化学风化作用，这种反应是毁灭性的，会对文物保护带来很大的难度。河南省作为华夏文明的起源地，其境内存在大量的大遗址，由于历史背景的不同，大遗址的分布也有明显的区域特征。现阶段的土遗址研究主要体现为以下几方面：研究土遗址的病害及破坏机理；研究发掘与现场保护；初步研究了环境和土遗址的关系等等。大遗址的力学作用研究也在进行之中并取得了一些进展，本文就预设大裂缝植物根系对中原地区土遗址边坡的力学作用进行了相关研究。

2.植物根系对土遗址的锚固作用

自然界的土体具有散体性、多相性和自然变异性。土的抗剪强度较低，抗拉强度几乎为零，而植物根系在空间中的分布为三维网状，根系相当于一种柔性加筋体，其嵌入土体内部，与土体之间相互作用，从而具有束缚土体颗粒，承担一定的荷载，深部根系还可以产生锚固作用，约束土体的变形，将松软土层锚固于深层稳定土层防止土体剥离倾覆。此外，根系与土体之间的接触还将产生摩擦阻力，根系与土体的相互作用增强。从而加强斜坡的稳定性。

3.有限元软件分析计算

大型有限元分析软件Abaqus具有较强的处理分析能力，可以很好地模拟土坡稳定。虽然没有内置强度折减系数法，但是其在abaqus中可以人为实现。

通过研究单根系和主直根系两种根系形态，以及两者相互作用的形态，分析根系与土体相互作用的受力特性，进而建立相应的的计算模型，通过分析各个工况的结果，以了解根系与土体的相互作用。

为了能够明显的对比出不同树根对土坡的破坏程度，选用尺寸大小一样的边坡进行计算。边坡土体的基本参数如下：截取底边L=17.5m，高H=10m，厚度A=1.6m的土方，坡度为1：1.5，γ=20KN/m?，粘聚力c=40KPa，内摩擦角φ=55.46°（即强度折减系数为0.5，这是为了防止土体本身不稳定），弹性模量E=100MPa，泊松比μ=0.25。

对土体，采用了常规的理想弹塑性本构模型，土体的破坏采用Mohr-Coulomb

破坏准则。设置其最大主应力MAXP=100KPa，其损伤演化选取能量的、线性最大的、幂法则的。

对于桩体（树根）由于其形态的不定性，故不提供图片实例，其基本参数为：γ=24KN/m?，弹性模量E=30000MPa，泊松比μ=0.2.

下面通过改变根系形态等因素建立有限元数值分析探求影响植物根系破坏边坡的因素。各个工況的情况如下表所示：

分析工况 边坡上根系形态（有无预设裂缝） 备注

工况1 设置一根树根（预设大裂缝1.6x1.6） 设置在土体顶部

工况2 设置一根主直根（预设大裂缝） 设置在土体顶部

土体是否破坏判断标准：在土体破坏后，土体中你会产生相应的失效单元，呈青色或者灰白色，如图：（1） （2） （3） ，若显示为图中所示状态，则为破坏或失效单元。

4.计算结果与分析

工况1：：在边坡上设置一根树根，预设大裂缝（1.6mx1.6m）设置在土体顶部的情况下，树根对土体的影响。

分析结果：

在边坡上设置一根树根，预设大裂缝（1.6mx1.6m）设置在土体顶部的情况下，其土体已有失稳迹象或已经失稳。并沿着裂缝和树根路径呈劈裂性破坏。

土体总体完好，没有失稳迹象，且在裂缝旁也没有明显的坏死单元。

工况2：在边坡上设置一根主直根，预设大裂缝（1.6mx1.6m）设置在土体顶部的情况下，树根对土体的影响。

分析结果：以上是在边坡上设置一根主直根，预设大裂缝（1.6mx1.6m）设置在土体顶部的情况下，模拟计算的结果。边坡已经有失稳的迹象或是已经失稳，且同样在侧根孔洞周围，土体坏死的比较严重。由工况1和工况2可知，大裂缝在边坡顶部的条件下，无论是单根还是主直根，土体都会发生失稳破坏。

5.结论与展望

通过对植物根系破坏边坡的数值模拟研究得出如下结论：

（1）强度折减法是当前土坡稳定分析中广泛采用的数值模拟分析方法，在有限元分析软件Abaqus中可以实现此功能。通过采用真实数据资料和三维数值模拟进行建模，打破了传统的二维模式，能够让读者从各个角度观察到边坡的应力应变以及植物根系的状态，使模型和数据能够最直接的表达出来。

（2）在土体中部设置一个大裂缝不影响土体的稳定性。

（3）在顶部设置裂缝模拟土体开裂，在设置大裂缝的情况下，无论是单根还是主直根（带侧根）都会使土体发生失稳破坏。

（4）植物根系在一定条件下对边坡有锚固的作用。

作者简介：

付晨，福建农林大学作物科学学院、福建农林大学海峡联合研究院根系生物学中心，研究方向，作物科学。

（作者单位：福建农林大学作物科学学院、

福建农林大学海峡联合研究院根系生物学中心）