預設大裂縫植物根系對中原地區(qū)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(jié)構(gòu)，隨著時間的推移，土木建筑中的木質(zhì)結(jié)構(gòu)受到環(huán)境的影響消失殆盡，留下來大片的土遺址。土遺址受到環(huán)境的影響，很容易發(fā)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(nèi)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(qū)域特征。現(xiàn)階段的土遺址研究主要體現(xiàn)為以下幾方面：研究土遺址的病害及破壞機理；研究發(fā)掘與現(xiàn)場保護；初步研究了環(huán)境和土遺址的關(guān)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(qū)土遺址邊坡的力學作用進行了相關(guān)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(wǎng)狀，根系相當于一種柔性加筋體，其嵌入土體內(nèi)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(chǎn)生錨固作用，約束土體的變形，將松軟土層錨固于深層穩(wěn)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(chǎn)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(wěn)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(wěn)定。雖然沒有內(nèi)置強度折減系數(shù)法，但是其在abaqus中可以人為實現(xiàn)。

通過研究單根系和主直根系兩種根系形態(tài)，以及兩者相互作用的形態(tài)，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(jié)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(shù)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(nèi)摩擦角φ=55.46°（即強度折減系數(shù)為0.5，這是為了防止土體本身不穩(wěn)定），彈性模量E=100MPa，泊松比μ=0.25。

對土體，采用了常規(guī)的理想彈塑性本構(gòu)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(tài)的不定性，故不提供圖片實例，其基本參數(shù)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(tài)等因素建立有限元數(shù)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(tài)（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(chǎn)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(tài)，則為破壞或失效單元。

4.計算結(jié)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(jié)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(wěn)跡象或已經(jīng)失穩(wěn)。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(wěn)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(jié)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(jié)果。邊坡已經(jīng)有失穩(wěn)的跡象或是已經(jīng)失穩(wěn)，且同樣在側(cè)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(fā)生失穩(wěn)破壞。

5.結(jié)論與展望

通過對植物根系破壞邊坡的數(shù)值模擬研究得出如下結(jié)論：

（1）強度折減法是當前土坡穩(wěn)定分析中廣泛采用的數(shù)值模擬分析方法，在有限元分析軟件Abaqus中可以實現(xiàn)此功能。通過采用真實數(shù)據(jù)資料和三維數(shù)值模擬進行建模，打破了傳統(tǒng)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(tài)，使模型和數(shù)據(jù)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(wěn)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(cè)根）都會使土體發(fā)生失穩(wěn)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(nóng)林大學作物科學學院、福建農(nóng)林大學海峽聯(lián)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(nóng)林大學作物科學學院、

福建農(nóng)林大學海峽聯(lián)合研究院根系生物學中心）