根系长度对边坡稳定性影响规律分析

林 遥

（吉安市水利水电规划设计院，江西 吉安 343000）

0 引言

近年来，随着国家各项工程的不断建设和发展，也产生了大量的裸露边坡，一方面破坏原有的生态环境；另一方面，边坡在施工、降雨等外荷载作用下易发生失稳破坏，传统的支护结构难以起到保护环境的作用[1,2]。随着国家双碳战略的逐步落地，学者们目光聚焦于生态护坡，大量试验证明，伸入边坡坡体的植物根系对边坡的表层土体具有明显的加固、防止水土流失、修复生态系统的作用，边坡表层的植物可起到美化环境的作用[3-5]。

刘秀萍等基于试验结果研究了不同植物根系分布对根系-黄土复合体的抗剪强度变化规律[6]；王元战等通过室内试验分析了含根量对草根加筋土的强度影响[7]；胡其志等对掺入狗牙根根系的土体进行剪切试验，得到了不同含根量下土体的抗剪性能指标[8]；付海峰等提出表观凝聚力概念，并通过数值模拟分析，表明了植物对浅层边坡稳定性有明显的提高[9]；袁宗浩等基于室内三轴试验得到根-土复合体强度特征，基于试验结果建立根系加固边坡有限元模型[10]；黄勇忠基于有限元模型讨论了植物根系空间分布模式与空间结构对于边坡的加固效果[11]。

目前，对于植物根系护坡的研究成果多集中在对植物根系力学性能和根-土复合体的抗剪能力评价，对于不同根系长度对边坡的变形、整体稳定性的影响研究鲜少报告。因此，下文就不同根系长度下，边坡位移变形及整体稳定性变化规律进行探究。

1 根-土复合体分析

根据相关研究成果并结合实际工程，基于MIDAS GTS 有限元软件建立了根-土复合体直剪试验模型，网格大小为0.1 m，如图1 所示。模型土体采用莫尔-库伦本构模型，计算参数如表1 所示；根系采用线弹性本构模型，计算参数见表2。在模型顶部施加均布竖向荷载，模拟直剪试验中的竖向压力；在模型上部左侧施加水平向荷载，模拟直剪试验水平向推力，荷载值参考相关试验规范。在模型底部约束X，Y两方向的位移；模型下部左右两侧约束方向位移。该模型中分别设置根系长度为0，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9 m 的6 种工况进行计算分析。不同植物根系长度下的根-土复合体抗剪强度的变化规律，如图2 所示。

表1 土体材料参数

表2 植物根系计算参数

图1 根-土复合体直剪试验模型图

图2 根-土复合体抗剪强度参数变化规律

由图2 可知，当植物根系长度为0 m 时，根-土复合体的黏聚力、摩擦角分别约为10 kPa，30.00°；当植物根系的长度为0.9 m 时，根-土复合体的黏聚力、摩擦角分别约为14 kPa，30.36°，即植物根系的存在加强了土体的抗剪强度。随着植物根系长度的增加，复合体的黏聚力、摩擦角随之增加，近似呈线性关系，根系长度从0 m 增加到0.9 m 时，根-土复合体的黏聚力、摩擦角分别增加了40%，1%，表明根-土复合体的黏聚力对植物根系长度的敏感性较高。

2 根-土复合体加固边坡分析

为分析不同根系长度对植物根系加固表层土体边坡的稳定性，利用MIDAS GTS 建立了单一坡度边坡，如图3 所示，其中坡高比为1∶1.5，边坡高度为8.0 m，根-土复合体加固层厚1.0 m。土体及根-土复合体均采用莫尔-库伦本构模型，根土复合体抗剪参数参考表2 取值。在模型底部约束X，Y两方向的位移，模型下左右两侧约束方向位移。荷载仅计算自重荷载。该模型中分别设置根系长度为0，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9 m 的6 种工况进行计算分析。

图3 根-土复合体加固边坡模型

图4 为植物根系长度为0，0.5 m 时的边坡水平位移云图。由图4 可知，在边坡顶部发生了负位移（位移方向与滑动方向相反），并且在边坡顶部形成三角形的滑移区，其最大负位移出现在坡顶处，水平位移最大值出现在边坡坡脚附近。原因是受边坡重力的作用，导致在边坡坡脚处形成剪出口，坡顶处土体将沿着类圆弧滑面滑动。当植物根系长度分别为0，0.5 m 时，其最大水平位移分别为23.84，23.78 mm，说明根-土复合体加固表层边坡仅减小边坡变形位移值，并不改变边坡的位移场分布特性。

图4 不同植物根系长度的边坡水平位移图

为了更直观地说明不同根系长度下表层根土复合体对边坡的加固效应，给出了如图5 所示的不同根系长度边坡的安全系数图。由图5 可以看出，根-土复合体可以提高边坡安全系数，根系长度与边坡安全系数呈正相关关系。植物根系长度分别为0，0.9 m 时，边坡安全系数增加了2.5%，可见植物根系对边坡的稳定有一定的提升但并不明显，主要是因为植物根系的加固作用主要针对浅层滑坡，而此次计算模型中边坡的塑形区距离边坡表层较远，植物根系难以发挥理想加固作用。因此，在选择植物根系加固边坡类型时，建议选用浅层边坡。

图5 安全系数随根系长度的变化规律

3 结语

上文通过数值模拟的方法探讨了植物根系主根长度对根-土复合体的抗剪强度及边坡稳定性的影响，计算结果对植物根系加固边坡设计的应用具有重要的支持作用。值得注意的是，影响植物根系加固作用的影响因素是多方面的，在后续研究中需要进一步研究植物根系的分布、倾斜度、密度等其他因素影响，以便为其推广应用提供更有利的支持。