Finite elements modelling and analysis of the effect of vegetation on forested slopes stability

par Jinnan Ji

Thèse de doctorat en Ecosystèmes

Sous la direction de Thierry Fourcaud.

Soutenue le 16-12-2011

à Montpellier 2 en cotutelle avec South China botanical garden (Guangzhou, Chine) , dans le cadre de Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015) , en partenariat avec AMAP - botAnique et BioinforMatique de l'archItecture des Plantes (laboratoire) .

Le jury était composé de Thierry Fourcaud, Frédéric Gerard, Franck Bourrier, Zhiqiang Zhang, Yanhui Wang.

Les rapporteurs étaient Federico Preti.

  • Titre traduit

    Modélisation et analyse par éléments finis de l'effet de la végétation sur la stabilité des pentes en zones forestières


  • Résumé

    L'ingénierie écologique, qui est décrite comme «la gestion de la nature», a d'abord été proposée par Odum en 1971. Dans les dernières décennies, l'ingénierie écologique a été largement consacrée à lutter contre l'érosion des sols et les mouvements de masse, tout en permettant d'assurer la durabilité des écosystèmes. L'objectif de cette thèse est d'évaluer l'impact de peuplements forestiers sur la stabilité de pentes de dimension finie, en considérant à la fois les effets mécaniques et hydrologiques des racines peu profondes contre les glissements de terrain. Deux sites forestiers monospécifiques et équiennes, plantés respectivement de Robinia pseudoacacia et Platycladus orientalis, ont été sélectionnés sur le Plateau du Loess en Chine et utilisés comme sites d'étude. Le Facteur de Sécurité (FoS) de ces pentes ont été calculées en utilisant un modèle éléments finis 2D qui prend en compte la distribution des racines dans les couches superficielles du sol.Des mesures de terrain et des tests de laboratoire ont été effectués afin d'estimer les principaux paramètres du modèle, à savoir la distribution des surfaces relatives de racines dans le sol (Root Area Ratio), la résistance à la traction des racines, ainsi que les propriétés mécaniques et hydrologiques du sol nu. La contribution des racines à la résistance au cisaillement du sol a été considérée par l'intermédiaire d'une « cohésion additionnelle » calculée à l'aide de modèles fournis par la littérature. Six modèles existants ont été testés. Cette thèse est composée de deux chapitres principaux portant sur: (1) l'effet mécanique de l'hétérogénéité spatiale de la distribution des racines à l'échelle de pente; (2) l'influence de la distribution des racines sur le couplage entre la diffusion de l'eau interstitiel et les contraintes mécaniques dans le sol et son impact sur la stabilité des pentes.Les simulations amènent aux conclusions principales suivantes: (1) les pentes en terrasse sont en théorie 20% plus stables que les pentes rectilignes, sans tenir compte des effets hydrologiques; (2) le FoS atteint une valeur asymptotique lorsque l'on augmente la cohésion des racines; (3) les variations de la cohésion des racines observées sur le terrain ont peu d'effet sur la stabilité des pentes. Toutefois le renforcement de la partie basse des pentes, où les racines ont un plus grand impact positif sur le FOS, peut permettre de diminuer le risque de glissement; (4) l'effet des fortes précipitations sur la stabilité de la pente pourrait probablement être atténué par la présence de racines, mais cet effet dépend des caractéristiques des racines et de leur influence sur le débit d'eau dans le sol.


  • Résumé

    Ecological engineering, which is described as ‘the management of nature', was first proposed by Odum in 1971. In the past few decades, ecological engineering has been largely devoted to combat soil erosion and mass movement all over the world, because of its benefit on sustainable ecosystems. The objective of this thesis is to evaluate the impact of forest stands on the stability of finite slopes, considering both the mechanical and hydrological effects of roots against shallow landslides. Two monospecific and even-aged forest sites planted with Robinia pseudoacacia and Platycladus orientalis respectively were selected on the Loess Plateau of China and used as study sites. Slope Factors of Safety were calculated using a 2D finite element model that takes into account the distribution of roots in the shallow layers of soil.Field site experiments and laboratory tests were performed in order to estimate the main parameters of the model, i.e. distribution of root area ratio within the soil, root tensile strength, as well as bare soil mechanical and hydrological properties. The contribution of roots to soil shear strength was considered through an additional cohesion calculated with models provided by the literature. Six existing models were tested. This thesis is composed of two main chapters that make the focus on : (1) the mechanical effect of the spatial heterogeneity of root distribution at the slope scale; (2) the influence of root distribution on the coupling between pore fluid diffusion and mechanical stress and its impact on slope stability. This study brings to the following main conclusions: (1) terraced slopes were 20% more stable than rectilinear slopes, disregarding the differences in hydrological regimes between the two sites; (2) FoS could reach an asymptotic value when increasing root additional cohesion; (3) variations of the actual root cohesion do not affect much slope stability. However more attention should be given to the reinforcement of the bottom part of the actual slopes, where roots have a larger positive impact on the FoS; (4) the effect of heavy precipitations on slope stability could probably be overcome or at least mitigated by root system network, but this depends on root characteristics and their resulting effect on soil water flow.

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