預設大裂縫植物根系對中原地區土遺址邊坡的力學作用研究

1.引言

中國建筑歷史悠久，其主要建筑形式為土木結構，隨著時間的推移，土木建筑中的木質結構受到環境的影響消失殆盡，留下來大片的土遺址。土遺址受到環境的影響，很容易發生物理與化學風化作用，這種反應是毀滅性的，會對文物保護帶來很大的難度。河南省作為華夏文明的起源地，其境內存在大量的大遺址，由于歷史背景的不同，大遺址的分布也有明顯的區域特征。現階段的土遺址研究主要體現為以下幾方面：研究土遺址的病害及破壞機理；研究發掘與現場保護；初步研究了環境和土遺址的關系等等。大遺址的力學作用研究也在進行之中并取得了一些進展，本文就預設大裂縫植物根系對中原地區土遺址邊坡的力學作用進行了相關研究。

2.植物根系對土遺址的錨固作用

自然界的土體具有散體性、多相性和自然變異性。土的抗剪強度較低，抗拉強度幾乎為零，而植物根系在空間中的分布為三維網狀，根系相當于一種柔性加筋體，其嵌入土體內部，與土體之間相互作用，從而具有束縛土體顆粒，承擔一定的荷載，深部根系還可以產生錨固作用，約束土體的變形，將松軟土層錨固于深層穩定土層防止土體剝離傾覆。此外，根系與土體之間的接觸還將產生摩擦阻力，根系與土體的相互作用增強。從而加強斜坡的穩定性。

3.有限元軟件分析計算

大型有限元分析軟件Abaqus具有較強的處理分析能力，可以很好地模擬土坡穩定。雖然沒有內置強度折減系數法，但是其在abaqus中可以人為實現。

通過研究單根系和主直根系兩種根系形態，以及兩者相互作用的形態，分析根系與土體相互作用的受力特性，進而建立相應的的計算模型，通過分析各個工況的結果，以了解根系與土體的相互作用。

為了能夠明顯的對比出不同樹根對土坡的破壞程度，選用尺寸大小一樣的邊坡進行計算。邊坡土體的基本參數如下：截取底邊L=17.5m，高H=10m，厚度A=1.6m的土方，坡度為1：1.5，γ=20KN/m?，粘聚力c=40KPa，內摩擦角φ=55.46°（即強度折減系數為0.5，這是為了防止土體本身不穩定），彈性模量E=100MPa，泊松比μ=0.25。

對土體，采用了常規的理想彈塑性本構模型，土體的破壞采用Mohr-Coulomb

破壞準則。設置其最大主應力MAXP=100KPa，其損傷演化選取能量的、線性最大的、冪法則的。

對于樁體（樹根）由于其形態的不定性，故不提供圖片實例，其基本參數為：γ=24KN/m?，彈性模量E=30000MPa，泊松比μ=0.2.

下面通過改變根系形態等因素建立有限元數值分析探求影響植物根系破壞邊坡的因素。各個工況的情況如下表所示：

分析工況 邊坡上根系形態（有無預設裂縫） 備注

工況1 設置一根樹根（預設大裂縫1.6x1.6） 設置在土體頂部

工況2 設置一根主直根（預設大裂縫） 設置在土體頂部

土體是否破壞判斷標準：在土體破壞后，土體中你會產生相應的失效單元，呈青色或者灰白色，如圖：（1） （2） （3） ，若顯示為圖中所示狀態，則為破壞或失效單元。

4.計算結果與分析

工況1：：在邊坡上設置一根樹根，預設大裂縫（1.6mx1.6m）設置在土體頂部的情況下，樹根對土體的影響。

分析結果：

在邊坡上設置一根樹根，預設大裂縫（1.6mx1.6m）設置在土體頂部的情況下，其土體已有失穩跡象或已經失穩。并沿著裂縫和樹根路徑呈劈裂性破壞。

土體總體完好，沒有失穩跡象，且在裂縫旁也沒有明顯的壞死單元。

工況2：在邊坡上設置一根主直根，預設大裂縫（1.6mx1.6m）設置在土體頂部的情況下，樹根對土體的影響。

分析結果：以上是在邊坡上設置一根主直根，預設大裂縫（1.6mx1.6m）設置在土體頂部的情況下，模擬計算的結果。邊坡已經有失穩的跡象或是已經失穩，且同樣在側根孔洞周圍，土體壞死的比較嚴重。由工況1和工況2可知，大裂縫在邊坡頂部的條件下，無論是單根還是主直根，土體都會發生失穩破壞。

5.結論與展望

通過對植物根系破壞邊坡的數值模擬研究得出如下結論：

（1）強度折減法是當前土坡穩定分析中廣泛采用的數值模擬分析方法，在有限元分析軟件Abaqus中可以實現此功能。通過采用真實數據資料和三維數值模擬進行建模，打破了傳統的二維模式，能夠讓讀者從各個角度觀察到邊坡的應力應變以及植物根系的狀態，使模型和數據能夠最直接的表達出來。

（2）在土體中部設置一個大裂縫不影響土體的穩定性。

（3）在頂部設置裂縫模擬土體開裂，在設置大裂縫的情況下，無論是單根還是主直根（帶側根）都會使土體發生失穩破壞。

（4）植物根系在一定條件下對邊坡有錨固的作用。

作者簡介：

付晨，福建農林大學作物科學學院、福建農林大學海峽聯合研究院根系生物學中心，研究方向，作物科學。

（作者單位：福建農林大學作物科學學院、

福建農林大學海峽聯合研究院根系生物學中心）