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林木根系与均质土间相互物理作用机理研究

宋维峰  
【摘要】:植物根系固土是近年来多学科交叉研究的热点问题,受到广泛关注。 本文基于弹塑性力学、土力学、水土保持学、森林生态学、数学等原理和方法,采用野外实验与室内实验相结合,实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实验研究,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;采用三轴实验,分析了水平、垂直、复合加根方式对根-土复合体应力应变的影响;运用有限元方法,模拟了根-土复合体的位移场、应力场,分析了单株造林和群株群根对土体应力、应变的影响。其目的在于揭示根土相互物理作用的机理,为评估根系对非饱和土土坡稳定性的影响和进行边坡治理提供一定的理论依据。 主要研究成果如下: 1.针叶树油松属于垂直根型树种,阔叶树刺槐属于水平根型树种,两树种的水平根与胸高直径、水平根与主根、胸径与根系生物量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.拉伸实验表明,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。影响根系抗拉性质的因素主要有根长、根径、根形等。通过对油松应力应变关系的分析,构建了油松根系的双曲线本构模型和二阶抛物线模型。 3.首次对根系与土介质的接触面摩阻特性进行了实验研究,结论是土壤密度、含水量、垂直压力以及树种根系特性是影响根土接触面的摩阻特性的主要因素。土壤密度与根土界面摩擦系数和土的摩擦系数之比成正相关;土壤含水量与根土界面摩擦系数负相关;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。同时,通过直剪摩阻实验,确定了根土接触面的本构模型及参数。 4.通过三轴实验,揭示了水平、垂直、复合加根方式对根土复合体强度的影响,确


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