基于仿生材料的根系固土力學機制

姜 堯，及金楠，劉 迅，蔡尚妍，李奕良，范雪松

(北京林業大學水土保持學院 山西吉縣森林生態系統國家野外科學觀測研究站，100083,北京)

植物根系具有穩定斜坡、控制重力侵蝕、防治淺表層滑坡和崩塌等作用[1-4]。大量研究[5-7]表明，根土復合體可以顯著提高土體的抗剪強度。但目前，有關根系固土的研究[8-10]大多通過試驗方法探究天然植物根系加固土體的效果，還有部分學者[11-12]利用有限元等方法通過數值模擬探究根系固土的力學性能。但存在以下問題：1)天然根系紛繁復雜、種類繁多、對環境的可塑性高、生長周期長、隱蔽性突出，使根土間相互作用的研究、多因素共同作用下的定量分析等工作難以開展；2)大批量采集根系進行試驗研究，對環境具有一定破壞性。

根據土的摩爾庫侖破壞理論，內摩擦角是評價根系加固作用一個重要的指標；然而，目前針對內摩擦角方面的研究相對較少，且結論尚不明確。陳潔等[13]研究發現隨著含根量的增加，內摩擦角增大。呂建根等[14]認為含根量對內摩擦角影響不大。王月等[15]研究發現隨著根長密度、根表面積密度的增大,土壤內摩擦角φ隨之均呈對數增長。分析比較后發現結論存在分歧的主要原因為天然植物根系內摩擦角的變化不明顯，且易受外界因素干擾，導致結論出現不同甚至相反的現象。

因而，筆者為控制復雜因素的協同干擾、簡化試驗流程，采用仿生材料聚乳酸(polylactic acid，PLA)、標準砂與黃原膠凝膠模擬根土復合體……