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考虑根系形态分布的固土模型优化研究

2020-12-02阅读(965)

考虑根系形态分布的固土模型优化研究

论文摘要

边坡失稳和水土流失是常见的地质灾害,其结果往往导致严重的经济和社会损害,植被是维持生态平衡的重要因素,植被覆盖降低了边坡失稳和侵蚀的风险。因此,研究不同根系构型对根-土复合体强度的影响规律,揭示根系固坡机理,建立根系固土模型,具有重要的理论意义和工程应用价值。论文依托国家自然科学青年基金项目“基于根系构型定向调控的植物边坡固土机理研究”（项目编号:51608545）,通过理论分析研究和试验研究相结合的方法,对香根草根系形态特征、根系抗拉强度与含根土体强度等方面进行了深入的研究,主要的研究成果如下:（1）通过获取不同生长期香根草根系的形态参数,总结了不同根系形态参数随生长期的变化规律,香根草根系的数量和根长随生长期均呈指数型增长,横向延伸宽度和根系干重随生长期在一定范围内呈线性增长,根系直径基本不随生长期的延长而发生变化。（2）通过在香根草种植区进行现场拉拔试验和采集香根草根系进行室内拉伸试验,得到了香根草根系的抗拉拔强度以及拉伸时的应力应变关系。试验结果表明:香根草根系拉伸应力应变关系表现为弹塑性,且抗拉强度随着直径的增大而减小,其弹性模量最大可达750MPa。（3）通过对不同须根含量下的重塑含根土进行三轴试验研究,验证了在一定含水率下,随着须根含量的增加,根-土复合体的剪切强度不断增大,粘聚力也不断增大。香根草须根体积含量为0.18%时,根-土复合体的粘聚力值相对未加筋土增加了69.6%,内摩擦角值增加了 13.5%。（4）建立了考虑根土相互作用的二元本构模型。二元模型能够较好的体现根-土复合体三轴剪切的应力应变关系,并且可以根据根系体积含量与分布函数较好的预测根-土复合体的模量和强度值。（5）通过对不同根系形态下的重塑含根土进行直剪试验研究,探明了不同根系生长形态下根-土复合体的抗剪强度特性,建立了考虑根系空间分布角度的土体抗剪强度的关系表达式,阐明了不同分布形态的根系影响边坡稳定的规律。在边坡土体发生剪切时,只有根系受拉才能够发挥其加筋作用以抵抗土体的下滑力。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1 绪论
  •   1.1 研究背景及意义
  •   1.2 国内外研究现状及发展趋势
  •     1.2.1 根系抗拉强度的相关研究
  •     1.2.2 植物根系分布形态的相关研究
  •     1.2.3 根—土复合体力学性能的相关研究
  •   1.3 研究内容及方法
  • 2 植物根系生长构型
  •   2.1 概述
  •   2.2 香根草根系构型研究
  •     2.2.1 香根草模型箱试验
  •     2.2.2 香根草根系构型参数统计分析
  •   2.3 本章小结
  • 3 香根草根系力学性能研究
  •   3.1 概述
  •   3.2 试验材料与方法
  •     3.2.1 试验设备
  •     3.2.2 试验材料准备
  •     3.2.3 试验步骤
  •   3.3 香根草拉伸试验结果分析
  •     3.3.1 香根草单根抗拉力
  •     3.3.2 香根草单根抗拉强度
  •     3.3.3 香根草拉伸应力应变关系
  •   3.4 香根草拉拔试验结果分析
  •   3.5 本章小结
  • 4 考虑根系形态分布的根-土复合体本构模型
  •   4.1 概述
  •   4.2 根—土复合体的本构模型框架
  •     4.2.1 模型假设
  •     4.2.2 应力应变增量表达式
  •     4.2.3 根加筋元弹性变形模量
  •     4.2.4 基本元的切线变形模量
  •   4.3 根—土复合体三轴剪切试验
  •     4.3.1 试验设备
  •     4.3.2 试验材料
  •     4.3.3 试验方法
  •   4.4 试验结果分析及本构模型计算
  • 1-σ3）与轴向应变（ε1）的关系'>    4.4.1 主应力差（σ1-σ3）与轴向应变（ε1）的关系
  •     4.4.2 根—土复合体的强度指标
  •     4.4.3 根纤维加筋土模型参数
  •     4.4.4 试验结果与模型对比
  •   4.5 本章小结
  • 5 考虑根系形态分布的根-土复合体三维力学模型
  •   5.1 概述
  •   5.2 根—土复合体直剪试验
  •     5.2.1 试验材料与设备
  •     5.2.2 试验方法与步骤
  •     5.2.3 试验结果分析
  •   5.3 根—土复合体三维力学模型
  •     5.3.1 Wu-Waldron模型介绍
  •     5.3.2 Wu-Waldron模型改进
  •     5.3.3 模型数值分析
  •     5.3.4 模型计算与试验对比
  •   5.4 不同分布形态的根系对边坡稳定性的影响
  •   5.5 本章小结
  • 6 结论与展望
  •   6.1 研究工作的总结
  •   6.2 未来工作的展望
  • 参考文献
  • 附录（攻读学位期间取得的学术成果）
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 徐安东

    导师: 李珍玉

    关键词: 植物护坡,根系构型,根土复合体,抗剪强度指标,本构关系

    来源: 中南林业科技大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

    专业: 地质学,建筑科学与工程

    单位: 中南林业科技大学

    基金: 国家自然科学青年基金项目“基于根系构型定向调控的植物边坡固土机理研究”(项目编号:51608545)

    分类号: TU43

    总页数: 80

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