余芹芹，乔 娜，胡夏嵩，李国荣，朱海丽

(青海大学地质工程系，青海西宁810016)

滑坡是工程建设中岩土体边坡经常遇到的一种自然地质灾害，滑坡的发生会造成滑坡周边地区交通中断、河流堵塞，甚至摧毁厂矿及掩埋村庄，影响人们的生命和财产安全，因此开展对滑坡的研究和防治具有重要的意义。目前国内外学者研究认为，植物的根系具有加筋、锚固土体、提高土体抗剪强度的功能，从而有利于加固边坡。我们同时采用根系强度试验、根－土复合体强度试验、根系增强土体的理论计算和有限元数值模拟等综合方法评价根系对提高土体强度、边坡稳定性的贡献，以期为边坡加固、生态地质环境保护等提供理论依据和实际的指导意义。

1 植物根系固坡力学效应

1.1 浅根加筋作用

草本植物的根系主要分布在坡体的浅部表层，其与表层土体牢牢结合在一起，增加了土体的抗剪强度，提高了边坡的稳定性，即为浅根的加筋作用。众多学者对根系的加筋作用开展了大量的研究，已形成了较为完善的研究成果。周云艳等(2009)［1］将含根系的岩土体看成一特殊的复合材料，将岩土体视为基体相材料，根系为增强相材料，在荷载等作用下根系犹如纤维，使根－土复合体呈现“塑性”特征，从而起到阻裂增强作用。单炜等(2008)［2］认为盘结于土体中的植物根系与土体组成三维网状结构体，根系的加筋作用一方面表现为增加了土层的“凝聚力”，另一方面表现为对土粒的网兜包裹效应。宋庆丰等(2009)［3］认为植物根系的加筋作用为土层提供了附加“黏聚力”ΔC，它一方面使原土体的抗剪强度向上推移了距离ΔC，另一方面又因为限制了土体的侧向膨胀而使“侧压力”增大，从而在竖向应力不变的情况下使最大剪应力减小。黄圣瑞等(2009)［4］认为根系提高土体强度的根本在于土体与根系在变形始末两方面存在显著差异，因而它们在共同变形过程中，存在相互错动趋势，这种错动被根系与土体间存在的摩阻力所抵抗。陈昌富等(2006)［5］研究认为加筋土是由土和筋材组成的复合体，它们共同受力、协调变形，当受到外荷载作用时，土体和筋材都发生变形，由于筋材的弹性模量高于土体的弹性模量，因此筋材和土体之间产生相互错动或有相互错动趋势，此时筋材通过摩擦力将本身的抗拉强度与土体的抗压强度有机结合并相互调动起来，从而提高土体强度，减小变形。封金财等(2004)［6］将植物根系视为带预应力的三维加筋材料，通过把土层中的剪应力转化成根的拉应力，从而增强土的抗剪强度。

1.2 垂直深根锚固作用

木本植物的主直根系粗壮、扎入土层深，能显著提高根－土复合体的抗剪强度，从而起到有效稳定边坡的作用，该作用即为深根的锚固作用。根系是一个复杂的动态系统，根系对土体的加固作用机理相对较为复杂。国内外研究者对根系锚固作用开展了大量理论研究。Danjon等(2005)［7］将主根视为“杆”，起到锚固土体作用，侧根看作“牵索”，其能将主根夹持。Crook等(1996)［8］认为根系的锚固组成可被视为下坡向根系被压缩，上坡向根系受拉拽，而垂直坡面的根系受折。其中下坡向与垂直坡面根系的抗外力能力主要决定于根系自身强度，而上坡向根系在受拉拽过程中，应力沿根系向深层岩土体传递，根系的锚固能力受根系自身强度、土壤强度及根－岩土结合强度等因素影响。王礼先(2005)［9］、宋云(2004)［10］认为深粗根具有一定的刚度，周围覆盖土体具有移动趋势时将产生一定的摩擦力，此时深粗根系类似于锚杆系统，锚固在土层中的根系可起到抗滑桩和扶壁的作用以抵抗坡体产生的剪应力。王可钧等(1998)［11］认为植物根系穿过边坡的潜在滑动面，能起到桩与锚杆的作用，可将土层的剪切变换成植物根的拉伸作用。宋维峰等(2008)［12］将垂直根系的锚固作用分为三部分，即垂直根系对根－土复合体的箍束骨架作用、垂直根系分担荷载作用和垂直根系的应力传递与扩散作用。

1.3 侧根斜向牵引作用

斜向牵引效应是侧向延伸的根系以侧根牵引力的形式，提高根际土层斜向抗张强度从而提高土体抗滑力的作用［13］。斜向牵引效应又称水平牵拉作用、斜向支撑作用、侧根系抗张强度的增强作用。Coppin等(1990)［14］提出在森林的浅层土壤中，树木的侧根组成了连续的和具有斜向牵引作用的根网，对根际土层的增强有重要的意义。Swanson等(1977)［15］认为根系对潜在滑动斜坡薄弱土层的斜向增强作用可作为克服浅层甚至是深层不稳定性的重要机制之一。周跃等(1999)［13］针对乔木侧根对土体的斜向牵引效应进行了研究，认为植物根系从相对稳定的土体延伸到潜在滑移的土体中，根系自身的抗拉强度和根－土黏聚力具有牵制滑移和加固土体的作用，从而增加边坡稳定性。晏益力等(2006)［16］提出土壤与植物根系之间的相互作用可以分为附着黏结型、摩擦型和剪切型三种类型，这三种根－土黏聚作用所提供的阻力，使侧根对土壤具有牵引效应，增强了根系土层的整体强度。

2 根－土复合体模拟分析

2.1 数值模拟

2.1.1 边坡稳定性

Dawson等(1999)［17］采用有限元法(FEM)对边坡稳定性进行了分析和评价。Griffiths等(1999)［18］采用FEM法分析了边坡稳定性，并通过计算安全系数对边坡进行稳定性评价。郑颖人等(2002)［19］采用FEM法求解岩质边坡稳定安全系数，并通过模拟计算确定出在自重应力作用下的边坡塑性区，同时还分析了坡体中锚杆对边坡稳定性的影响。蔡庆娥等(2003)［20］应用有限元折减系数法，对公路边坡的变形与稳定性进行了分析，论证了锚索、索间土体、挡墙背后填土对边坡稳定性的影响。徐中华等(2004)［21］采用FEM法分析了活树桩对边坡安全系数的影响，指出由于活树桩根系的支撑和加筋作用，使边坡稳定性得到显著提高。Kokutse等(2006)［22］采用三维有限元法(3D FEM)研究了森林结构和根系的形态分布对边坡稳定性的影响。康亚明等(2006)［23］利用FEM法和极限平衡法对边坡稳定性进行了计算机模拟分析，确定了滑动面的位置，并采用安全系数评价了边坡稳定性。刘秀萍等(2008)［24］运用FEM法分析了刺槐和油松林边坡的应力和变形特性，探讨了不同根型树种对边坡稳定性的影响，得出油松林护坡效果相对好于刺槐林边坡。李宗坤等(2009)［25］采用有限元软件 ABAQUS自带的Mohr－Coulomb塑性模型、Drucker－Prager模型及 Duncan－Chang非线性弹性模型，分析了不同本构模型对边坡稳定性计算结果的影响，并与传统的极限平衡法计算结果进行了比较。周健等(2009)［26］认为边坡的失稳破坏运动是一个存在岩土体滑动、平移、转动的复杂过程，具有宏观上的不连续性和单个块体运动的随机性，运用PFC(颗粒流)程序对砂质土坡和黏质土坡分别进行了数值模拟，得出土性对边坡的破坏类型存在显著影响，随着颗粒黏性的增大，边坡破坏类型从塑性破坏向脆性破坏过渡。

2.1.2 力学效应

Ekanayake 等(1999)［27］运用能量渐进模型(Energy Approach Model)研究了根－土复合体的位移过程，认为位移发生过程中根系可承受较大的应变。Frydman等(2001)［28］采用有限差分法(FDM)分析了加筋土体的剪切试验。Operstein等(2002)［29］采用FDM法研究了边坡土体中植物根系所产生的附加内聚力。Beek等(2005)［30］采用FDM法研究了含根土体的抗剪强度，认为植物根系能够增加土体的抗剪强度，且穿过滑动面根系的数量对边坡的稳定性起主要作用。Greenwood(2006)［31］采用极限平衡方法(The Limit Equilibrium Method)评价了植物根系对边坡土壤的加强作用。张云伟等(2006)［32］分析了多侧根土体牵引效应的力学过程，建立了可用于计算机仿真的多侧根对土体牵引效应模型，并以MATLAB为工具建立了仿真系统，通过实例测试表明仿真系统的有效性。Dupuy等(2007)［33］采用3D FEM法研究了不同土体类型边坡根系的锚固作用，认为土体类型不仅影响根系的发展，而且影响根系的锚固作用，其中黏聚型土体能够显著提高根系的锚固作用。张超波等(2008)［34］采用三轴压缩试验结合非线性有限元模拟的方法研究了根－土复合体的应力应变传递变化，结果表明，土体中加根能显著提高土体承载力、限制土体侧向变形、减少土体沉降量，证实了用有限元法来模拟根－土复合体三轴试验的可行性。李国荣等(2010)［35］采用FEM法模拟了生长期为2 a的4种灌木根系对边坡稳定性的增强作用，得出:种植4种灌木的坡体，其水平和竖直方向的位移显著小于素土边坡，根－土相互作用增加了坡体的黏聚力和抗剪强度，使试验区边坡应力集中范围缩小，塑性破坏区面积减小，提高了边坡的稳定性。

2.2 理论模型

近年来开展根对土体强度的增强作用的定量评价备受国内外学者的关注。Wu等(1979)［36］得到根系抗拉力所产生的土体抗剪强度的增量 ΔS=Tr(cosθtanφ+sinθ)，其中 Tr=∑tri/A，为单位面积土的剪切区域内根的总抗拉应力。式中:θ为根与剪切面之间的夹角，(°);φ为土体内摩擦角，(°);tri为单位面积土体中根系平均抗拉强度，kPa。当48°＜θ＜72°时，上式可简化为 ΔS=1.2Tr。Ekanayake 等(2002)［37］运用能量法分析认为，根－土复合体的剪切强度可分为土体和根两个部分来分别考虑，推导出的公式为 τRP=×tanφ'+c'+SR×(AR/AS)，式中:τRP为根－土复合体剪切强度，kPa;为剪切面有效正压力，kPa;SR为根系在土壤中的强度，kPa;AR为根的横截面积，mm2;AS为剪切面面积，mm2;×tanφ'+c'为土体的剪切强度;SR×(AR/AS)为根的剪切强度。江锋等(2008)［38］将根视为侧向受力和轴向受拉的柔索，得到了面积A内n条根时土的抗剪强度增加值为)/A，式中:Ti为根所受的拉力，N;A为剪切面面积，mm2;αi为根受力后变形部分与剪切面的夹角，(°)。郝彤琦等(2000)［39］通过花米草土体－根系复合体原型结构试样直剪试验得知，复合体抗剪强度τ随含根量Mr的增加而提高，并总结出复合体的抗剪强度与含根量之间的关系为τ=τ0+0.14Mr×φr，该式表明根系与土体之间的摩擦力和黏聚力会提高土体的抗剪强度。周辉等(2006)［40］根据植被护坡作用机理和应力应变模式分析，建立了加固作用力学模型，推导出了植物根系的抗滑力一般计算式和植物根系加固能力的计算式。张谢东等(2008)［41］探讨了根系分布密度与土体抗剪强度间的关系，建立了植物根系的锚固公式。刘跃明等(2003)［42］基于摩尔－库伦破坏准则建立了平衡条件下的摩擦型根土黏合键破坏模型。

3 展望

(1)植物生长发育具有显著的时空特征，故其在不同生长阶段，根－土相互作用的力学特性或根对土的增强作用效果不同，因此需深入探索根－土相互作用力学特性的时间尺度效应，以评价不同生长时期植物根系的固坡效应和贡献。

(2)采用有限元法对植物根－土复合体增强土体强度进行评价，在建立根－土复合体计算模型时，应尝试考虑根在土体中的生长方向、根的生长深度、根系的数量等因素对土体强度的影响，以期进一步深入研究有限元法模拟评价的针对性和实用性。

(3)植被在生长与固坡的同时，会受到自然风力、水等外营力作用的影响。以风力作用为例，当植物受风荷载作用时，会将荷载传递给边坡土体，改变边坡的应力应变场，对边坡的稳定性造成负面影响。故若能考虑风力、水等外界因素对边坡稳定性的影响作用，那将对边坡治理与防护的有效实施具有理论指导价值和现实意义。

(4)从植物根系的分布特征和受力情况考虑，草本和灌木植物根系有利于浅层边坡的防护与加固，对深层土体的加固作用相对不如浅层显著。植物覆盖较好的边坡，在雨蚀、风力荷载等外界因素作用下，仍能长期保持其稳定性，而若坡面植物遭到破坏则边坡发生不稳定的几率将显著增加。因此，植物根系增强边坡稳定性作用的研究需多学科交叉开展更深层次的研究。

(5)植物根－土复合体中的根系在剪切过程中对剪切力的响应，即发生剪切变形的结果通常分根伸长、根滑移、根断裂等类型。今后的研究中，需进一步分别评价根系上述三种响应类型对复合体抗剪强度的影响以及对边坡稳定性贡献的差异性。

(6)植物丰富的侧根系在增强土体强度、提高边坡稳定性方面起着重要的作用。有关侧根系的斜向牵引效应定性方面的研究较多，定量研究却显得相对缺乏，因此今后研究中需进一步定量研究侧根的斜向牵引效应，以完善根系增强土体强度理论。

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