黃土高原是中國水土流失和淺層滑坡災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)之一,而植被根系能有效抑制淺層滑坡。黃土高原草系分布廣泛,根系在空間配置上具有鮮明的周期重復(fù)特征,計算大量根系的邊坡固土效果非常復(fù)雜。該文利用漸進(jìn)均勻化理論,構(gòu)建"根系-土體"復(fù)合土體本構(gòu)關(guān)系,通過與已有研究對比說明,該文所述方法計算三維本構(gòu)關(guān)系具有較高精度。為說明均勻化方法在含根群邊坡中的準(zhǔn)確性和高效性,該文基于有限元軟件ANSYS,進(jìn)一步模擬了含草邊坡和無草邊坡的應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律。數(shù)值模型設(shè)置為3組,分別是無草邊坡模型、含草邊坡的分離式模型,以及基于該文均勻化理論的含草邊坡模型。該文進(jìn)一步采用觀察等效塑性應(yīng)變區(qū)是否貫通作為邊坡失穩(wěn)臨界狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn),利用強(qiáng)度折減法計算了邊坡安全系數(shù)。研究表明:1)漸進(jìn)均勻化理論不僅能準(zhǔn)確地構(gòu)建根土復(fù)合體本構(gòu)關(guān)系,而且極大地減少了模型計算工作量（減少了95.58%的單元數(shù)）。2)披堿草根系能改善邊坡淺層土體的應(yīng)力場,使得根系分布區(qū)內(nèi)的剪應(yīng)力更加均勻,使坡體淺層更趨于穩(wěn)定。3)當(dāng)邊坡坡度較小時（坡角為30°）,無草邊坡安全系數(shù)較大（F=4.28）,根系對邊坡的穩(wěn)定性加持較小（平均僅提高2.92%）;當(dāng)坡角增... 

【文章來源】：農(nóng)業(yè)工程學(xué)報. 2020,36(09)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

具有周期性長纖維復(fù)合材料特征的根系分布

圖1 具有周期性長纖維復(fù)合材料特征的根系分布以具有周期性細(xì)觀“單胞”結(jié)構(gòu)Y的根土復(fù)合體為例，假設(shè)在空間坐標(biāo)系x某處存在此復(fù)合材料?，其全部邊界為S，并分別受體力f和面力t作用。根據(jù)虛位移原理，控制方法為[21]

本文以披堿草根系為研究對象，播種當(dāng)年，節(jié)根入土深度可達(dá)70 cm，第二年能達(dá)110 cm以上[18]。在灌溉條件下，雖然根深可達(dá)100 cm，但是50 cm土層以下，根系極少，約占總根量的4%[18]。為突出根系固土效果，本文根長統(tǒng)一取為50 cm，根半徑取為0.11 cm，根系體積填充率為0.01，“單胞”尺寸取為a=2 cm。由于“單胞”具有對稱性，計算中僅取1/4“單胞”進(jìn)行計算，如圖3所示。根系和土體的材料參數(shù)主要通過文獻(xiàn)[18]獲得，如表1所示。2.2 本構(gòu)關(guān)系計算

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]根系和裂隙對土體水力和力學(xué)特性影響數(shù)值模擬[J]. 吳美蘇,周成,王林,譚昌明.  巖土力學(xué). 2019(S1)
[2]植物根系分布形態(tài)及含根復(fù)合土強(qiáng)度特性試驗[J]. 孔綱強(qiáng),文磊,劉漢龍,王成青.  巖土力學(xué). 2019(10)
[3]不同生長期多花木蘭根系抗拉拔特性及其根系邊坡的穩(wěn)定性[J]. 鄭明新,黃鋼,彭晶.  農(nóng)業(yè)工程學(xué)報. 2018(20)
[4]基于植物生長過程的根系固土機(jī)制及Wu模型參數(shù)優(yōu)化[J]. 朱錦奇,王云琦,王玉杰,馬超.  林業(yè)科學(xué). 2018(04)
[5]基于連續(xù)斷裂過程的根系黏聚力Wu氏模型修正系數(shù)的確定[J]. 及金楠,田佳,瞿文斌.  林業(yè)科學(xué). 2017(11)
[6]三類邊坡失穩(wěn)判據(jù)的統(tǒng)一性[J]. 涂義亮,劉新榮,鐘祖良,杜立兵,王鵬.  巖土力學(xué). 2018(01)
[7]賀蘭山云杉林根土復(fù)合體提高邊坡穩(wěn)定性分析[J]. 田佳,及金楠,鐘琦,余鵬程,楊麗嬌,袁博.  農(nóng)業(yè)工程學(xué)報. 2017(20)
[8]基于位移變化率和強(qiáng)度折減有限元的邊坡失穩(wěn)判定方法[J]. 江勝華,汪時機(jī),李偉清,鮑安紅.  農(nóng)業(yè)工程學(xué)報. 2017(15)
[9]花棒根-土復(fù)合體直剪試驗的有限元數(shù)值模擬與驗證[J]. 田佳,曹兵,及金楠,李才華,郭婷,謝彥斌,袁博.  農(nóng)業(yè)工程學(xué)報. 2015(16)
[10]寒旱環(huán)境鹽生植物根系固土護(hù)坡力學(xué)效應(yīng)及其最優(yōu)含根量探討[J]. 栗岳洲,付江濤,余冬梅,胡夏嵩,朱海麗,李光瑩,虎嘯天.  巖石力學(xué)與工程學(xué)報. 2015(07)

博士論文
[1]根土復(fù)合體極限載荷的數(shù)值計算方法和實驗研究[D]. 楊璞.清華大學(xué) 2008



本文編號：3504438