植被根系对边坡力学性能影响

曹艳伟

（鄂尔多斯市科技事业发展中心，内蒙古鄂尔多斯 017000）

0 引言

土质边坡工程在冻融循环、干湿循环等环境营力与自重、水力等机械荷载共同作用下易出现多种工程病害，多数土质边坡工程均采用圬工材料进行防护，有效提高了土质边坡的抗侵蚀能力以及稳定性，但缺乏与周围自然环境的协调、极大降低工程的美观性。近几年，植物护坡理念获得更多工程界与学术界研究者的关注，已取得一些显著成绩。

研究表明根系有助于提高土体抗剪强度，根系的分布形态、延伸度以及与土体接触面积对根系复合土的抗剪强度影响显著，进而影响边坡的稳定性[1-2]。一些学者通过试验研究深根对边坡的锚固作用，结果表明根系能够延长边坡土体的破坏过程，对边坡起到一定锚固作用，但有效锚固深度有限[3]。大多数学者主要针对植物根系对边坡土体内摩擦角、黏聚力、抗剪强度的影响以及对边坡土体的锚固作用展开研究，而针对根系对边坡土体应力场影响情况的研究相对较少。

依据实际工程资料及大量参考文献，本文利用ABAQUS有限元软件构建土质边坡的裸坡模型与植被边坡模型，通过计算分析根系对土质边坡力学性能的影响，有助于揭示植被护坡机理。

1 裸坡计算分析

1.1 裸坡模型构建

依据工程资料与相关文献[1-3]，选择土质边坡坡高10 m、坡度1：1.5进行数值模拟计算。采用理想线弹塑性Mohr-Coulomb模型构建裸坡模型。土质边坡的物理力学指标如表1所示。

表1 物理力学指标

利用ABAQUS有限元软件，按照上述边坡尺寸及土体物理力学指标建立裸坡数值模拟计算模型，如图1所示。

图1 裸坡模型

1.2 结果分析

计算结果如图2所示，分别为裸坡水平方向应力场与竖向应力场分布图。从图中可以看出，边坡为裸坡状态时，水平与竖向均为压应力且随深度方向呈递增趋势。应力分布趋势符合土力学中土体在自重作用下应力分布状态。

图2 计算结果

2 植被边坡计算分析

2.1 植被边坡模型构建

基于所构建的裸坡模型，利用ABAQUS有限元软件相关操作切割出根系控位。根系类型为榆树根，根据参考文献[1，3]根的直径选为10 cm、长度为6 m，根系的物理力学性质指标如表2所示。

表2 根系的物理力学性质指标

构建植被边坡模型时，根系与土体之间的接触采用面对面离散型，法向模型选为硬接触，根据参考文献[1，3]根系与土体之间的摩擦系数为0.53。所构建的植被边坡模型如图3所示。

图3 植被边坡模型

2.2 结果分析

图4、图5分别为植被边坡水平方向与竖向应力场分布云图及根系部位放大图。植被边坡在水平方向与竖向的应力均存在正负值，沿深度方向应力由正值逐渐过渡为负值，在根系附近一定深度处土体正负值应力分布于根系两侧。从局部放大图中可以看出，根系的正应力值明显小于土体的，表明根系受拉情况弱与边坡土体。

图4 水平方向应力分布

图5 竖向应力分布

与裸坡应力场分布对比分析，植被边坡中根系显著改变边坡土体应力场分布状态，沿边坡深度方向应力由正值逐渐过渡为负值，表明根系有利于提高土体抵抗压缩变形性能，增强边坡稳定性。

3 结论

1）裸坡土体水平方向与竖向均为压应力，随深度增加呈现递增现象，与土力学中土体在自重作用下的应力场分布一致；

2）植被边坡土体水平方向与竖向应力沿深度均由正值逐渐过渡为负值；

3）植被边坡中根系周围一定深度处土体正负值应力分布于根系两侧，且根系受拉情况明显小于土体；

4）根系显著改变边坡土体应力场分布状态，有助于提高边坡土体抗压缩变形能力及稳定性。