《Biogeotechnics》：A Novel Methodology for Modeling the Effects of Geometrical Uncertainties in Tree Root-Soil Geometry on Tree Uprooting
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在树木受风力等作用易倒伏问题上，研究人员开展 “树根 - 土壤系统抗倒伏能力建模” 研究。他们结合空间殖民算法（SCA）与有限元法（FEM），发现模型能模拟多种情况，为评估树木稳定性提供依据，对城市和自然环境树木管理意义重大。
在城市和自然环境中，树木扮演着至关重要的角色，它们不仅美化环境、提升生活品质，还对维持生物多样性和调节局部气候有着重要作用。然而，强风等外力作用下，树木面临着倒伏的风险，这不仅会对周边的生命、健康和财产造成威胁，还会破坏生态平衡。以往的研究在探究树木根系与土壤相互作用机制时存在诸多难题。一些经验回归模型虽能简单估算抵抗弯矩，但无法深入研究土壤 - 根系相互作用机制。而有限元模型（FEM），从简单的将根系模拟为放置在土壤表面的等效弹簧板，到复杂的考虑详细根系分布的模型，都存在各自的局限性。简单模型难以完全捕捉根系 - 土壤系统的失效机制，复杂模型则依赖昂贵、费力且计算要求高的根系检测分析，并且根系结构复杂多变，受环境和遗传因素影响大，给模型构建带来极大挑战。
为了解决这些问题，研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们提出了一种新颖的方法，将空间殖民算法（SCA）与三维有限元模型相结合，用于高效分析树根 - 土壤相互作用。该研究成果发表在《Biogeotechnics》上，为深入理解树木稳定性和抗倒伏能力提供了新的视角和方法。
在研究方法上，研究人员主要运用了以下关键技术：
- SCA 模拟根系结构：利用 SCA 的灵活性和随机性，在土壤体积内模拟根系生长。通过设定三维边界，填充随机吸引点，迭代生成根系分支，从而构建出具有几何不确定性的根系模型。
- 有限元模型构建：将 SCA 生成的根系几何模型导入 Plaxis 3D 岩土软件中，构建三维有限元根系 - 土壤模型。其中，根系分支采用 “嵌入式梁” 模拟，土壤采用非线性材料行为模拟，通过接口单元模拟根系与土壤的相互作用。
研究结果如下：
- 根系几何模型构建：SCA 通过建立三维边界，在边界内随机分布吸引点，迭代生成根系分支。例如，以半椭球体定义根系分布体积，调整其轴长可模拟不同树种根系特征。通过特定公式计算分支半径，并根据树种统计数据校准模型超参数，使生成的根系几何更符合实际。
- 力学模型分析：在构建的根系 - 土壤有限元模型中，模拟风荷载等侧向力作用。研究发现，嵌入式梁模型虽存在对侧向力承载能力的高估，但在模拟根系细长桩行为时与体积桩模型相近，且建模简单，避免了体积桩建模中的网格生成难题。
- 案例研究验证：通过案例研究，对比 SCA 生成的根系模型与简化板模型，发现简化板模型在模拟失效机制和应变分布上存在局限，而新模型能有效展示根系 - 土壤区域的应变分布，更真实地反映失效过程。同时，研究还分析了根系几何随机性对模型结果的影响，发现其对破坏荷载和旋转刚度有显著影响。
研究结论和讨论部分指出，该模型具有高度灵活性，能模拟不同环境下的根系系统，通过结合不同树种的统计信息，可实现更精确的根系几何模拟。虽然嵌入式梁模型存在一定局限性，如对侧向剪切分量无限制可能导致高估树木基部的倾覆弯矩，但综合考虑，其在模拟根系 - 土壤相互作用机制方面仍具有显著优势。该研究成果对于预测和减轻城市及自然环境中树木倒伏风险意义重大，为城市树木管理和生态保护提供了有力的工具。未来，通过进一步校准模型和完善理论，有望更广泛地应用于各种实际场景，提升对树木稳定性的管理和保障能力。
