基于数值模拟的植物根系对人工土质边坡稳定性效应

Slope is an enssential component of the geographical process.Due to construction projects, a large number of man-made slope have been the major source of geological disaster and soil erosion. Numerous studies indicated that with regard to slope stability, the most important plant traits are those belowground,as the morphologly and topology of soil to shearing during a landslide. Plant species play a significant role on the effect of root-soil composite shear strength while the aerial organs of plants increase partial load on slope, these factors variety reinforcing effect of different plants. Moreover, lots of on-going studies based on numerical simulation model have been one of the important research focus, but failed coupling slope stability of plants. In order to coupled the effect of plant into slope stability analysis, this project will extract characteristic parameter from the reinforcement of soil shear strength by plant root and quantify it, and applying it to soil slope safety calculation through numerical simulation method. The results can advance the knowledge on plants reasonable spatial allocation and slope stability.

坡面是地理过程发生发展的重要单元，生产建设项目等人为活动产生的大量人工土质边坡是土壤侵蚀的主要发生地和灾害的主要来源。研究表明，植物措施对边坡防护具有重要的作用，植物根系通过增加土体的抗剪强度提高了土坡的稳定性，而植物的地上部分将增加边坡的荷载，这些因素综合影响着不同类型植物对坡体稳定性提高效果。如何将数值模型运用于土质边坡稳定性研究是当今的热点问题，但现有土坡稳定性计算模型中未能耦合植物的固坡作用。为解决在土质边坡稳定性计算中，无法耦合植物作用这一科学问题，本项目将首先提取植物根系固土的效果参数与植物地上部分参数并将其量化，然后运用数值模拟的方法将其应用于土质边坡的安全系数计算中，建立耦合植物作用的人工土质边坡稳定性模型。继而可以利用该模型探索植物空间配置对坡体稳定性的影响，为边坡治理研究寻找新的思路和方案。

坡面是地理过程发生发展的重要单元，生产建设项目等人为活动产生的大量人工土质边坡是土壤侵蚀的主要发生地和灾害的主要来源。选取北京山区及三峡库区常见20余种植物根系及边坡类型，通过野外调查、室内外试验研究，及数值模拟的方法，对植物根系固土参数进行了提取和筛选，在综合考虑植物根系力学特性，根系构型及分布特征的内在关联的同时构建使用于植被边坡探讨了植物根系构型、空间配置方式，根系生长年限，风力、植物自重等附加荷载多重复杂条件下边坡稳定动态。研究结果表明：（1）乔木，灌木，草本的根系分布及构型有差异，乔木植物根系由于分布着较多的倾斜根系，因此多为R型根系结构；而灌木树种多存在主根系，且根系的埋深深度较深，水平根和倾斜根系数量较少，因此多表现为V型；草本植物根系大多为散生根型，因此多表现为M型根系结构。（2）乔灌草植物的根系抗拉强度不存在明显的大小关系，草本植物根系直径变化对抗拉强度的影响较小，其次是乔木根系，最后是灌木根系，影响拔出力的因素依次为位置、分支节点数、根系长度。（3）数值模拟结果表明，植被边坡的稳定性动态与配置方式有关，对于坡度较小的坡体，宜栽植榆树混种狗尾草、沙打旺等草本,考虑风荷载的作用不建议栽种夹竹桃；而对于坡度较高的情况，考虑风荷载的作用不建议栽种酸枣；对于坡度较大的坡体，宜栽植刺槐混种狗尾草、沙打旺等草本。研究结果不仅为植被固坡的研究提供了新的方法和思路，也为土质边坡的植被配置提供了理论支撑。