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《北京林业大学》 2008年 博士论文
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林木根系固土有限元数值模拟

刘秀萍  
【摘要】: 本文基于土力学、弹塑性力学、水土保持学、森林生态学、数学等原理和方法,采用野外试验与室内试验相结合,试验测定与理论分析相结合的技术路线,通过调查分析我国黄土高原地区主要造林树种刺槐、油松的根系形态分布规律,构建了这两个树种根系形态分布模型;在研究油松根系抗拉应力应变关系的基础上,建立了油松根系的本构模型;通过对刺槐、油松根系与黄土接触面单元摩阻特性的试验研究,揭示了影响根土接触面摩阻特性的因素,确定了接触面单元的本构模型;采用三轴压缩试验,分析了水平、垂直、复合加根方式对根-土复合体应力应变关系的影响;运用有限元方法,模拟了根-土复合体的应力场、位移场,分析了造林、树种、造林密度、边坡形态和降雨等因素对边坡应力、应变的影响。采用瑞典条分法分析了造林密度、林龄、边坡形态和降雨等因素对边坡稳定性的影响。揭示了根土相互物理作用的机理,对黄土高原的土壤侵蚀防治、边坡治理和造林优化设计提供一定的理论依据。 主要研究成果如下: 1.针叶树种油松属于垂直根型树种,阔叶树种刺槐属于水平根型树种。两树种的水平根基径与胸径、主根与胸径、根系生物量与胸径之间均呈幂函数关系;基于Fitter和Rose的根系形态和发展规则,建立了油松、刺槐根系的形态分布模型。 2.林木单根抗拉试验表明,油松根系在受拉的初期阶段,应力、应变呈线性关系,属于弹性变形阶段;当应力超过抗拉强度极限的50%~70%时,应力与应变关系逐渐偏离直线,属于塑性变形阶段。影响根系抗拉特性的主要因素有根长、根径、根形等。通过对油松抗拉应力应变关系的分析,构建了油松根系的双曲线本构模型、二阶抛物线模型和三阶抛物线模型。 3.根系与土壤接触面摩阻特性试验表明,土壤密度、土壤含水量、埋深以及树种根系特性是影响根土接触面摩阻特性的主要因素。根土界面摩擦系数和土的摩擦系数之比与土壤密度成正相关关系;根土界面摩擦系数与土壤含水量负相关;根系在土层中越深,根土界面摩擦系数越大;根系的粗糙度影响根土接触面摩阻特性,仅从摩擦角度来讲,刺槐的固土效果好于油松。通过直剪摩阻试验,确定了根土接触面的本构模型及参数。 4.根土复合体的强度特性试验,揭示了水平、垂直和复合含根方式对根土复合体强度的影响,确定了根土复合体的本构模型及主要参数。试验表明,不同加根方式的加根强度效果为复合加根垂直加根水平加根,也就是说复合根型的树种固土效果最好,其次为垂直根型树种,再次是水平根型树种;影响根土复合体强度的主要因素有根型、根量、土壤含水量、土壤密度等,从侧面验证了根系的加筋作用机理和降低坡体孔隙水压力的作用。 5.将根土复合体看作是由土体、根系以及土体与根系之间的接触面单元所联系起来的有机体,运用有限元数值分析方法分析了造林边坡的应力和变形特性,创新性的探讨了造林、树种、造林密度、边坡形态和降雨等因素对边坡稳定性的影响。通过有限元分析得出结合研究区气候条件和土壤条件在边坡顶部和底部适当造林可以减小边坡顶部张拉区范围和边坡底部剪应力区范围;有限元方法和瑞典条分法分析均表明,随边坡坡度、坡长和降雨量增加,造林边坡稳定性降低,根系可以吸收坡体内的水分,使得坡体内非饱和区域含水量增加缓慢,对边坡稳定性有利。 6.研究结果表明根系的固土作用,主要发生在浅层0-5m的范围,对大于5m的深层应力应变的影响不显著。可见植物措施适宜于低边坡的加固和浅层滑坡的防治,对于高边坡的加固和深层滑坡的防治作用不明显。 7.运用有限元方法能够模拟土体与根系的相互作用,可形象直观地把林木根系对边坡的应力向土层深部传递的作用,以及弱化根系层应力的作用显现出来。在造林的实践中,可以运用有限元方法定量的分析造林边坡的应力应变情况,这对于选择适宜的造林树种和造林密度有帮助。


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