植被根系会与土壤颗粒紧密结合,构成具有一定空间异构性的天然复合材料,不仅能有效减少径流对坡面的冲蚀,防止土壤资源流失,还改善了当地水文资源条件。已有诸多研究对植物根系的力学特性以及固持土壤、提高堆积体安全系数能力进行了分析,但根系与土壤的耦合机制(本构关系)搭建尚需进一步探索。现有理论多停留对单根或单个根束阶段,缺少精度高、实用强的仿真建模方法,难以估算大量根系对土壤的加固效果,普遍存在着理论结果与试验数值相差较大的现象。本文以山西省吉县地区数种抗旱优势灌草、乔木作为研究对象,发现其根系不仅具有竖向纵深生长的特性,许多植物的竖向根在坡体剖面中呈现出均匀排布状态,形成了具有周期性分布的长纤维复合材料。基于该现状,本文基于周期性结构与均匀化理论,参照钢筋、混凝土的仿真技术,选取根土复合体的仿真模型横截面作为该复合材料本构关系模型,通过该“单胞”模型和数值仿真运算得到根系对土壤的增益效果。为进一步验证该“单胞”模型数值运算结果的准确性,使复合体中的根系符合周期性排布。以山西试验地所采集的刺槐根、侧柏根、油松根及当地黄土进行三轴试验,将参数带入“单胞”模型中与仿真数据进行对比,证实了该方法具有较高的准确性。为开发含林边坡的多尺度耦合力学模型,尝试从周期复合材料角度揭示含根系固土机制,利用实体单元和均匀化两种建模方式,分析林木根系对浅层坡体力学性质的影响,最后通过数值模拟估算不同类型的边坡安全系数。研究结果如下:(1)基于根土复合体本构关系方程,成功利用有限元方法建立了平面“复合单胞”仿真模型。通过改变弹性模量、单胞尺寸等因子探究对其极限载荷的影响,以及复合体三轴压缩试验,从理论和试验角度均验证了该方法的准确性。(2)通过建立素土边坡与含植物根系边坡模型,证明草本(以披碱草为例)和乔木(以油松、刺槐和侧柏为例)根系能改善边坡浅层土体的应力场,边坡模型内的根系分布区受到的剪应力更加均匀,稳定性得到提升。(3)通过实体根系边坡模型与均匀化根系边坡模型的数值仿真结果对比,两种建模方法具有相近精度,但是均匀化方法极大地减少了模型计算工作量,节省了约95.58%的单元数。(4)30°边坡模型中,无草边坡安全系数为F=4.28,根系对边坡的稳定性平均提高约2.92%;当坡角增大到45°时,无草边坡安全系数下降为2.90,而含草边坡平均安全系数提升了13.45%,根系固土效果更加显著。(5)通过油松、刺槐、侧柏三种乔木根系的三轴压缩试验,证实理论模型与试验结果的平均误差仅为4.9～13.3%。这可能是由于试件存在少许弧形边缘造成的,也侧面说明本文方形平面“单胞”模型适用性强、准确度高。