本文是一篇土木工程论文，本文依托兰州市青白石黄土区，选取该区优势草本植物狗尾草，分析草本植物对降雨边坡冲刷侵蚀性能的影响。主要通过室内物理力学试验、渗透试验、室内降雨模型试验以及有限元数值模拟，分析了不同植被覆盖度和根系含量等因素对边坡侵蚀破坏及土水参数的的影响。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
黄土广泛分布于中国西北地区，具有独特的工程地质特性，如高孔隙率、低抗剪强度、易湿陷性和易侵蚀性[1]。这些特性使得黄土地区极易发生水土流失、滑坡、崩塌、泥石流、坡面泥流等地质灾害，尤其是在降雨集中地区或人类活动频繁的区域[2]。并且黄土地区大多属于旱温差较大的半干旱、半湿润气候区，季节性降雨集中，雨后干旱交替频繁[3]。这种气候条件容易导致浅层黄土斜坡坡面发生侵蚀和水分流失，形成黄土泥流[4]。近年来，随着气候变化和人类活动的加剧，黄土地区的生态环境问题日益突出，地质灾害频发（图1-1），对生态环境和人类生命财产安全构成了严重威胁[5]。
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传统的坡面防护工程，如混凝土护坡、挡土墙等，虽然在一定程度上能够减少坡面侵蚀，但其施工成本高、生态破坏大，且难以与自然环境相协调[6]。因此，寻求一种既经济又环保的边坡防护方法成为工程界和学术界关注的焦点。
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1.2 研究现状
1.2.1 植物护坡水文效应
植被对斜坡稳定性的水文效应呈现出双重特性[11, 12]。首先，植物的茎叶能够有效减缓雨水对坡面的侵蚀，同时通过截留和引导降雨，对坡面起到一定的防护作用；其次，植物根系的生长会扩大土体中的孔隙，增强土壤的渗透性，从而加速降雨的入渗，导致边坡土体含水量迅速增加，这对坡面稳定性产生负面影响[13, 14]。近年来，针对植被对边坡水文效应的研究逐渐增多，学者们对此展开了广泛的探讨和分析。
陈洪松等通过在野外模拟降雨试验，指出荒草地产流时间主要取决于土壤初始含水量，相较于裸土边坡，有草覆盖的边坡在降雨条件下能够有效拦截雨水，拦截作用可至93%以上，另外还发现，不是只有坡面完全被草覆盖有这么大的拦截作用，仅在坡中及坡体下部区域用杂草铺盖，就能起到与整体坡面全覆盖时几乎一致的抑制效果，同时加快土体水分向更深层迁移[15]。刘冬民等通过室内模型实验发现，坡面植被类型的不同时，降雨转化为地表径流及雨水的分布特征也有所差异。例如，黑麦草能够促使雨水转化为地表径流，使更多的水分在地表流失，从而达到有效减少雨水入渗作用；而丁香则由于枝叶能起到截流保护边坡作用，维持边坡的渗透性[16]。此外，丁香和黑麦草的存在还使渗流方向向坡脚偏移。毛长义和鲍学英采用IGAHP与CRITIC组合赋权方法，结合可拓物元模型进行计算，建立了一套科学有效的水文效应评价指标体系与评价方法[17]。杨春霞等通过冲刷试验分析发现，草被覆盖及其覆盖度大小对坡面流水力学参数有显著影响。草被措施降低了坡面流流速、水深、紊动性及挟沙能力，同时减小了径流剪切力，且随着覆盖度的增加，这种作用越显著[18]。Curran和Hession指出，植物对坡面水文效应的影响主要体现在其地上茎叶部分能够截留降雨，并且能够缓冲和将高速下落的雨滴分散成若干更小雨滴，降低其动能[19].
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第二章 根系复合土物理力学试验
2.1 黄土的基本物理性质试验
2.1.1 试验方法及过程
草本植物的根系主要分布在边坡土体的表层，提供微小裂隙，其根系与表层土体紧密结合，对土粒形成网兜包裹效应。根系具有较大的抗拉强度，在复合土体受力过程中，土体中的剪应力通过根土间的相互作用，逐渐转移到根系中，使根系受拉，从而增加了土体的抗剪强度。本章将以草本植物狗尾草根系复合土的重塑土样为对象，对试验区土样进行基本物理实验测定，来研究根系复合土抗剪强度及渗透性能的特点，主要进行在不同根系含量以及含水量的情况下的抗剪强度试验及渗透试验。
根据标准，用烘干法测定含水率（图2-1）；而土体的干密度ρd数据是通过环刀法来测定的，再通过计算得到密度????（图2-2）；采用液塑限联合测定法测定土样液、塑限（图2-3）。利用激光粒度分析仪测定土样的粒径分布情况（图2-4、图2-5）。
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2.2根系复合土直剪试验
2.2.1试验方案
直剪试验作为基础的土体物理性质试验，目前试验的方案已经十分成熟，采用如图2-6所示的ZJ 型–应变控制式直剪仪，可以很好的得到试验结果，该仪器的百分表量程是10mm，而百分表的最小分度值是0.01mm，实验中选取的环刀的高度为2cm，环刀直径为6.18cm，底面积为30cm2。
本试验是为了得出根系复合土抗剪强度性能与狗尾草根系含量及含水量之间的关系。参考文献及考虑当地气候条件，最终综合考虑试验设置土样为10%、15%、20%、25%四个含水率梯度；根系含量则以第二章中计算的研究区土体中根系重量占比0.9%，在其附近确定选取为含根量为0% 、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%五个梯度。试样快剪试验是在不同的法向应力下进行的，选取的四个不同的法向应力分别为50kPa、100kPa、200kPa、300kPa；在根系土试样制作过程中，将狗尾草根系的细根均匀地搅拌在称量好的土样中。
2.2.2 含根土样制备 将从现场所取土样烘干、碾碎过２mm筛，重塑土样制备过程如下（图2-7）：
（1）不同含水率土样制备：按照国标标准，烘干土样，并按要求制定不同含水率的土样，土样经过充分搅拌后装入样品袋，密封闷土24小时备用。
（2）准备根系：将从现场所取的狗尾草剪除地面以上部分，将留存的根系放置在通风干燥处自然风干，排除根系自身水分对试验结果产生影响，随后将得到的处理好的自然风干的根系统一剪至同一长度后备用。
（3）制备环刀样：在制样前，通常于模具和环刀内壁均匀涂抹一层凡士林，以达到减少摩擦的作用。将称量好的土料与根系充分搅拌后，缓慢填入压模，并抹平表面。为防止水分蒸发，拌合过程需尽快完成，装填时可借助小刀引导，以避免根系与土料分离，这样可以避免产生额外的变量因素，导致试验结果的稳定性遭受质疑。由于高含量根系会占据部分土体颗粒体积，含根率越高的土样，占据土体内部的体积越大，从而需要取掉一部分土样，避免影响环刀试样的干密度及实验精度，因此需在制样过程中预估根系密度，并相应调整土料用量，以确保目标干密度的准确性。
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第三章 根系复合土斜坡降雨侵蚀模型试验 ........................................ 31
3.1试验装置及方案 ............................... 31
3.1.1 试验装置 ............................................. 31
3.1.2 试验方案 ............................. 33
第四章 根系复合土斜坡降雨侵蚀数值模拟 ...................................... 41
4.1模型建立 ....................................... 41
4.1.1 软件简介 ..................... 41
4.1.2建模及参数选取 ............................ 42
第四章 根系复合土斜坡降雨侵蚀数值模拟 ........................... 41
4.1模型建立 ..................................... 41
4.1.1 软件简介 .......................................... 41
4.1.2建模及参数选取 ............................ 42
第四章 根系复合土斜坡降雨侵蚀数值模拟
4.1模型建立
4.1.1 软件简介
在渗流力学研究领域，数值仿真方法因计算机技术的迭代升级已成为核心分析手段。当前主流的计算体系包含有限差分法、有限单元法及边界元法等数学建模策略，并衍生出FLAC/FLAC3D、SEEP/W、ABAQUS、ANSYS等商业计算平台。其中，ABAQUS凭借其三大技术优势：多元化的单元库（涵盖一维至三维实体单元）、扩展性极强的材料本构体系（支持用户自定义模型）、以及稳定的非线性求解器（具备迭代算法优化功能），在边坡渗流失稳等涉及固液耦合的复杂问题研究中展现出独特价值。
作为集成化有限元分析系统，ABAQUS通过模块化架构实现功能协同。其核心模块（如Standard/Explicit）与辅助模块（CAE/Viewer）可动态交互，形成完整的技术闭环。典型分析流程分为三阶段： 1）前处理模块:涵盖几何建模（包含复杂曲面构建）、材料参数配置（渗透系数张量、孔隙率等渗流参数设置）及网格离散化处理（自适应加密技术应用）；2）求解计算模块:支持显式/隐式算法选择，提供并行计算加速方案，通过收敛监控界面实时反馈迭代残差与计算效率；3）后处理模块:可提取孔隙水压场时空分布数据，生成位移梯度张量云图，并集成数据可视化工具（如渗流路径追踪、破坏区域标记功能）。该软件的多物理场耦合计算能力，特别是渗流场-应力场同步求解技术，使其成为研究降雨入渗诱发边坡失稳问题的优选工具。其模块化设计理念显著提升了复杂工程问题的数值模拟效率。
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第五章 结论与展望
5.1 结论
本文野外采取优势草本植物狗尾草及土样，制作不同含根量的根土复合体，进行室内剪切试验，分析根-土复合体抗剪强度指标和最优含根量等，自制出模型箱与人工降雨设备，并通过监测设备精确采集出降雨过程中不同植被边坡的水文数据，最后采用ABAQUAS有限元软件，对不同植被不同切坡条件的边坡进行降雨侵蚀模拟分析。通过研究得出如下结论：
（1）在室内进行的直剪试验中，研究了素土与含有不同根系的复合土的抗剪强度特性。结果表明，根系含量为0.6%时抗剪强度达峰值，较素土提升约30%，主要归因于根系与土颗粒的机械咬合作用；但含水率升高至25%时，界面剪切强度下降40%，揭示水分对根-土黏结的弱化效应。植物根系的加入使得复合土的剪切强度依然遵循库伦强度理论。根系的存在显著提升了土体的剪切强度和黏聚力，但这种增强效果会先增加后减少。此外，根系对土体内摩擦角的提升作用相对较小。同时发现，根土复合土的抗剪强度会随着含水率的增加而降低。
（2）通过室内变水头渗透试验研究了含根量对根系复合土渗透特性的影响规律。结果表明：根系通过形成微裂隙使渗透系数提高1.5-2倍，根系含量每增加0.2%，渗透系数上升0.15×10⁻⁵cm/s。植物根系可明显提高土体的透水性能，根系含量增加促使土体孔隙增多，从而提高复合土渗透系数并增强其透水能力。
参考文献（略）