植被根系對邊坡力學性能影響

曹艷偉

（鄂爾多斯市科技事業發展中心，內蒙古鄂爾多斯 017000）

0 引言

土質邊坡工程在凍融循環、干濕循環等環境營力與自重、水力等機械荷載共同作用下易出現多種工程病害，多數土質邊坡工程均采用圬工材料進行防護，有效提高了土質邊坡的抗侵蝕能力以及穩定性，但缺乏與周圍自然環境的協調、極大降低工程的美觀性。近幾年，植物護坡理念獲得更多工程界與學術界研究者的關注，已取得一些顯著成績。

研究表明根系有助于提高土體抗剪強度，根系的分布形態、延伸度以及與土體接觸面積對根系復合土的抗剪強度影響顯著，進而影響邊坡的穩定性[1-2]。一些學者通過試驗研究深根對邊坡的錨固作用，結果表明根系能夠延長邊坡土體的破壞過程，對邊坡起到一定錨固作用，但有效錨固深度有限[3]。大多數學者主要針對植物根系對邊坡土體內摩擦角、黏聚力、抗剪強度的影響以及對邊坡土體的錨固作用展開研究，而針對根系對邊坡土體應力場影響情況的研究相對較少。

依據實際工程資料及大量參考文獻，本文利用ABAQUS有限元軟件構建土質邊坡的裸坡模型與植被邊坡模型，通過計算分析根系對土質邊坡力學性能的影響，有助于揭示植被護坡機理。

1 裸坡計算分析

1.1 裸坡模型構建

依據工程資料與相關文獻[1-3]，選擇土質邊坡坡高10 m、坡度1：1.5進行數值模擬計算。采用理想線彈塑性Mohr-Coulomb模型構建裸坡模型。土質邊坡的物理力學指標如表1所示。

表1 物理力學指標

利用ABAQUS有限元軟件，按照上述邊坡尺寸及土體物理力學指標建立裸坡數值模擬計算模型，如圖1所示。

圖1 裸坡模型

1.2 結果分析

計算結果如圖2所示，分別為裸坡水平方向應力場與豎向應力場分布圖。從圖中可以看出，邊坡為裸坡狀態時，水平與豎向均為壓應力且隨深度方向呈遞增趨勢。應力分布趨勢符合土力學中土體在自重作用下應力分布狀態。

圖2 計算結果

2 植被邊坡計算分析

2.1 植被邊坡模型構建

基于所構建的裸坡模型，利用ABAQUS有限元軟件相關操作切割出根系控位。根系類型為榆樹根，根據參考文獻[1，3]根的直徑選為10 cm、長度為6 m，根系的物理力學性質指標如表2所示。

表2 根系的物理力學性質指標

構建植被邊坡模型時，根系與土體之間的接觸采用面對面離散型，法向模型選為硬接觸，根據參考文獻[1，3]根系與土體之間的摩擦系數為0.53。所構建的植被邊坡模型如圖3所示。

圖3 植被邊坡模型

2.2 結果分析

圖4、圖5分別為植被邊坡水平方向與豎向應力場分布云圖及根系部位放大圖。植被邊坡在水平方向與豎向的應力均存在正負值，沿深度方向應力由正值逐漸過渡為負值，在根系附近一定深度處土體正負值應力分布于根系兩側。從局部放大圖中可以看出，根系的正應力值明顯小于土體的，表明根系受拉情況弱與邊坡土體。

圖4 水平方向應力分布

圖5 豎向應力分布

與裸坡應力場分布對比分析，植被邊坡中根系顯著改變邊坡土體應力場分布狀態，沿邊坡深度方向應力由正值逐漸過渡為負值，表明根系有利于提高土體抵抗壓縮變形性能，增強邊坡穩定性。

3 結論

1）裸坡土體水平方向與豎向均為壓應力，隨深度增加呈現遞增現象，與土力學中土體在自重作用下的應力場分布一致；

2）植被邊坡土體水平方向與豎向應力沿深度均由正值逐漸過渡為負值；

3）植被邊坡中根系周圍一定深度處土體正負值應力分布于根系兩側，且根系受拉情況明顯小于土體；

4）根系顯著改變邊坡土體應力場分布狀態，有助于提高邊坡土體抗壓縮變形能力及穩定性。