植物根系具有明显的固土护坡效应，对提高边坡稳定性具有不可忽视的作用。植物根系加固边坡的稳定性和位移变形问题一直是国内外研究的热点和难点，目前研究多采用简化的理想根系模型或等代土层法，而忽视了根系的结构对计算结果的影响，但由于植物根系不仅在三维空间中具有复杂形态和明显的拓扑结构特征，还随时间动态生长变化，同时根系力学特性也具有明显的非均匀性，因而导致研究结果往往难以反映边坡的真实受力情况。
　　论文从基础的分形几何和L系统理论入手，由浅入深的介绍了植物根系构型的理论和方法，然后基于参数L系统等计算机图形学方法和植物学理论建立了根系三维力学模型建模方法，在此基础上于MATLAB平台开发了植物根系三维力学模型构建程序MechRoot。通过开展黑麦草种植试验和力学性质研究，建立黑麦草不同生长时间根系几何及力学模型，开展根土复合体直剪试验数值模拟，并将结果与室内直剪试验结果对比分析，验证了该模型的可靠性，并探讨了生长时间、剪切深度和层次结构对根土复合体抗剪强度的影响。通过开展根系加固边坡的数值模拟，提出了植株间距、生长时间和坡度对边坡浅表层位移变形的影响规律。论文主要工作与结论如下：
　　(1)MechRoot采用一级根、二级根等形式的层次结构描述根系形态特征，每级根的具体形态结构采用基部长度、尖端长度等参数定量描述，通过特定的公式和矩阵实现了根系重力生长、随机弯曲等特性的参数化模拟，采用参数L系统实现了上述功能在程序中的表达和联动。通过构建典型的野刺芹、鸦葱、粉苞苣、连翘、刺槐等典型的草本植物、灌木和乔木根系几何模型验证了MechRoot根系模型的高仿真性。
　　(2)黑麦草根系的最大抗拉力与根径呈幂函数关系，T=14.187D2.171，抗拉力随根径的增大而快速增大。黑麦草根系的最大弹性模量与根径呈幂函数负相关关系，E=25.595?0.713，弹性模量随根径增大而快速减小。基于上述两式构建的黑麦草根系力学模型可以很好的还原黑麦草根系的真实力学特征。
　　(3)不同剪切深度处黑麦草根土复合体抗剪强度均随时间呈S型增长，即前期缓慢增加，中期快速增长，后期缓慢增长并趋于一个稳定值。数值模拟和室内试验得到的150mm深度处根土复合体抗剪强度随生长时间均呈现出S型曲线，在28天时，室内直剪试验的根土复合体抗剪强度相比素土提高了27.51%，而数值模拟的根土复合体抗剪强度比素土提高了35.08%，可以基本证明数值模拟和根系力学模型的可靠性。
　　(4)在黑麦草根系分布范围内，黑麦草根土复合体抗剪强度随剪切深度的增加先增大后减小，在100mm~200mm范围内抗剪强度最大。根横截面积比(RAR)在深度方向上的变化趋势与根土复合体在深度方向上抗剪强度的变化趋势相似，根土复合体的抗剪强度与RAR的分布存在一定的关系。随着根系层次结构的增加，根系对土体的加固效果愈加显著，而传统的根系模型严重低估了根系对土体的加固效果，验证了根系结构对土体抗剪强度的显著影响。
　　(5)随着根系间距的缩短，边坡浅表层最大位移降低率η快速增加，但增速逐渐减缓，如式η=?0.082eu/0.1245+20.153。随着边坡坡度的增加，边坡浅表层最大位移降低率η在0~30°之间缓慢增加，在30~60°之间快速增加，在60°以上时缓慢增加，最终趋于一个定值，如式η=26.161/1+100.083(42.05?α)。随着黑麦草根系的生长，边坡浅表层最大位移降低率η快速的增加，但增速逐渐减缓，如式η=?45.31e-t/4.92+15.96。
　　(6)最大x-位移降低率和最大z-位移降低率随各因素的变化规律与最大位移降低率η基本一致，且根系对边坡的横向变形有更好的抑制效果。随着间距的缩小，根系所受最大拉力先增大后减小。随着坡度的增加，根系所受最大拉力快速增大。随着根系的增长，根系所受最大拉力反而逐渐下降，表明根系所受的力得到了分担。根系所受的最大拉力不超过6.55N，均在根的抗拉力承受范围以内，没有破坏迹象。