Thermo-hydro-mechanical modeling of unsaturated vegetated slopes

Abstract

(English) The top layer of soil on a slope is highly dynamic, influenced by atmospheric forces and the presence of vegetation. The vegetation condition plays a crucial role in determining the amount of water transpiration and evaporation from the slope surface, thus affecting slope performance by altering temperature, water content, and pore water pressure within the soil mass. Many numerical models often neglect the vegetation impact on soil performance. To capture these effects, this study employs a finite element model in CODE_BRIGHT that integrates vegetation and climate-driven interactions, aiming to bridge the gap between reality and simulation. A specialized boundary condition is developed to simulate soil–vegetation–atmosphere (SVA) processes with hydraulic hysteresis, linking canopy resistance to solar radiation, vapor pressure deficit, and soil saturation. Model validation using three years of field data from the Agropolis slope in Barcelona shows strong agreement, confirming its ability to reproduce vegetation effects on slope hydrothermal behavior. Results reveal pronounced daily temperature variations in the root zone, higher temperatures on south-facing slopes, and stronger drying under vegetation during hot, dry periods. Parametric analysis identifies leaf area index (LAI), root density, and vegetation fraction as key factors influencing soil moisture. Root density and LAI most strongly affect water retention, dense roots lower summer saturation by up to 40%, while high LAI reduces surface drying by 30%. Vegetation fraction enhances winter storage but intensifies summer drying. To better represent unsaturated soils, a hysteretic soil–water retention model is implemented in CODE_BRIGHT, coupling suction and void ratio changes to improve accuracy in scenarios such as rainfall-induced landslides. Finally, an enhanced Barcelona Basic Model (BBM-VEG) is formulated within a thermo-hydro-mechanical (THM) framework. The model introduces a strain-dependent reinforcement factor (Rpveg), correlated with root mass fraction and activation strain, allowing soil stiffness and strength to evolve dynamically. Validated with triaxial and tensile tests, it accurately captures the mechanical response of rooted soils. Slope simulations under hydraulic (infiltration rates of 0.001–0.003 and 0.0005 kg/s) and thermal (15–60 °C) cycles show that vegetation limits infiltration, enhances evapotranspiration, expands the unsaturated zone, and reduces deformation by up to 70% compared to bare slopes. (Català) La capa superior del sòl en un talús és altament dinàmica, influïda per les forces atmosfèriques i la presència de vegetació. L’estat de la vegetació té un paper crucial en la determinació de la quantitat de transpiració i evaporació d’aigua des de la superfície del talús, afectant així el seu comportament mitjançant l’alteració de la temperatura, el contingut d’aigua i la pressió intersticial dins de la massa de sòl. Molts models numèrics sovint descuiden l’impacte de la vegetació en el comportament del sòl. Per capturar aquests efectes, aquest estudi utilitza un model d’elements finits a CODE_BRIGHT que integra les interaccions impulsades per la vegetació i el clima, amb l’objectiu de reduir la bretxa entre la realitat i la simulació. Es desenvolupa una condició de contorn especialitzada per simular els processos sòl–vegetació–atmosfera (SVA) amb histèresi hidràulica, vinculant la resistència del dosser amb la radiació solar, el dèficit de pressió de vapor i la saturació del sòl. La validació del model amb tres anys de dades de camp del talús d’Agropolis a Barcelona mostra una forta concordança, confirmant la seva capacitat per reproduir els efectes de la vegetació en el comportament hidrotermal del talús. Els resultats revelen variacions diàries pronunciades de temperatura a la zona radicular, temperatures més elevades als talussos orientats al sud i un assecat més intens sota vegetació durant períodes càlids i secs. L’anàlisi paramètrica identifica l’índex d’àrea foliar (LAI), la densitat radicular i la fracció de vegetació com a factors clau que influeixen en la humitat del sòl. La densitat radicular i el LAI afecten amb més intensitat la retenció d’aigua: arrels denses poden reduir la saturació estival fins a un 40%, mentre que un LAI elevat disminueix l’assecat superficial en un 30%. La fracció de vegetació millora l’emmagatzematge hivernal, però intensifica l’assecat estival. Per representar millor els sòls no saturats, s’implementa a CODE_BRIGHT un model histèric de retenció sòl–aigua que acobla la succió i els canvis en el volum de buits per millorar la precisió en escenaris com ara esllavissades induïdes per la pluja. Finalment, es formula un Model Bàsic de Barcelona millorat (BBM-VEG) dins d’un marc termo-hidro-mecànic (THM). El model introdueix un factor de reforç dependent de la deformació (Rpveg), correlacionat amb la fracció de massa radicular i la deformació d’activació, permetent que la rigidesa i la resistència del sòl evolucionin dinàmicament. Validat mitjançant assaigs triaxials i de tracció, el model captura amb precisió la resposta mecànica dels sòls amb arrels. Les simulacions de talussos sota cicles hidràulics (taxes d’infiltració de 0,001–0,003 i 0,0005 kg/s) i tèrmics (15–60 °C) mostren que la vegetació limita la infiltració, potencia l’evapotranspiració, amplia la zona no saturada i redueix la deformació fins a un 70% en comparació amb talussos nus. (Español) La capa superior del suelo en una ladera es altamente dinámica y está influenciada por las fuerzas atmosféricas y la presencia de vegetación. El estado de la vegetación desempeña un papel crucial en la determinación de la cantidad de agua transpirada y evaporada desde la superficie de la ladera, afectando así su comportamiento al modificar la temperatura, el contenido de agua y la presión de poros dentro de la masa del suelo. Muchos modelos numéricos suelen pasar por alto el impacto de la vegetación en el desempeño del suelo. Para capturar estos efectos, este estudio emplea un modelo de elementos finitos en CODE_BRIGHT que integra las interacciones impulsadas por la vegetación y el clima, con el objetivo de reducir la brecha entre la realidad y la simulación. Se desarrolla una condición de contorno especializada para simular los procesos suelo–vegetación–atmósfera (SVA) con histéresis hidráulica, vinculando la resistencia del dosel a la radiación solar, el déficit de presión de vapor y la saturación del suelo. La validación del modelo con tres años de datos de campo del talud de Agropolis en Barcelona muestra una fuerte concordancia, confirmando su capacidad para reproducir los efectos de la vegetación en el comportamiento hidrotermal de la ladera. Los resultados revelan variaciones diarias pronunciadas de temperatura en la zona radicular, temperaturas más altas en laderas orientadas al sur y una mayor desecación bajo vegetación durante periodos cálidos y secos. El análisis paramétrico identifica el índice de área foliar (LAI), la densidad radicular y la fracción de vegetación como los principales factores que influyen en la humedad del suelo. La densidad de raíces y el LAI afectan más intensamente la retención de agua: las raíces densas reducen la saturación estival hasta en un 40%, mientras que un LAI elevado disminuye la desecación superficial en un 30%. La fracción de vegetación aumenta el almacenamiento invernal, pero intensifica la desecación durante el verano. Para representar mejor los suelos no saturados, se implementa en CODE_BRIGHT un modelo histerético de retención agua–suelo, acoplando los cambios de succión y relación de vacíos para mejorar la precisión en escenarios como los deslizamientos inducidos por lluvia. Finalmente, se formula un Modelo Básico de Barcelona mejorado (BBM-VEG) dentro de un marco termo-hidro-mecánico (THM). El modelo introduce un factor de refuerzo dependiente de la deformación (Rpveg), correlacionado con la fracción de masa radicular y la deformación de activación, lo que permite que la rigidez y la resistencia del suelo evolucionen dinámicamente. Validado con ensayos triaxiales y de tracción, el modelo reproduce con precisión la respuesta mecánica de los suelos con raíces. Las simulaciones de laderas bajo ciclos hidráulicos (tasas de infiltración de 0.001–0.003 y 0.0005 kg/s) y térmicos (15–60 °C) muestran que la vegetación limita la infiltración, mejora la evapotranspiración, amplía la zona no saturada y reduce la deformación hasta en un 70% en comparación con laderas desnudas.