论文摘要
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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摘要ABSTRACT引言1 国内外林木根系固坡研究进展和发展趋势1.1 根系固坡研究现状1.2 影响根系固坡效果的因素1.2.1 林木根系的分布形态1.2.2 根面积比1.2.3 根系的抗拉强度1.2.3.1 单根抗拉强度1.2.3.2 群根抗拉强度1.2.4 造林位置1.2.5 树体自重和风力1.2.6 降雨1.3 存在的主要问题与发展趋势2 林木根系固土的力学基础2.1 加筋理论2.1.1 根土复合体的强度特性及破坏模式2.1.2 根土复合体的根土相互作用理论2.1.2.1 似（准）粘聚力理论2.1.2.2 摩擦加筋理论2.2 锚固理论2.3 根系固土研究模型2.3.1 须根理论模型（W氏模型）2.3.2 垂直根系木本植物根-土相互作用力学模型2.3.3 水平根系根-土相互作用力学模型3 研究区概况与研究方法3.1 研究区域自然概况3.1.1 地理位置3.1.2 地形地貌3.1.3 气象水文3.1.4 植被状况3.1.5 土壤侵蚀特征3.2 试验研究流域基本情况3.2.1 土壤状况3.2.1.1 罗玉沟土壤3.2.1.2 吕二沟土壤3.2.2 气象与水文3.2.3 植被3.2.4 土壤侵蚀3.3 研究方法3.3.1 林木根系形态分布3.3.1.1 样地的选择3.3.1.2 根系形态调查方法3.3.2 林木根系拉伸试验3.3.2.1 试验仪器3.3.2.2 试验材料3.3.2.3 试验方法3.3.3 根系与土的接触面特性试验3.3.3.1 试验设备3.3.3.2 试验材料3.3.3.3 试验方法3.3.4 根土复合体的抗剪切试验3.3.4.1 试验仪器3.3.4.2 试验土样3.3.4.3 试样制备3.3.4.4 试验方法3.3.4.5 试验设计4 林木根系形态分布4.1 林木根系形态和根型4.2 林木根系形态特征4.2.1 各种形态根系的数量特征4.2.2 水平根和垂直根基部直径与胸径关系4.2.3 水平根和主根不同长度部位直径变化规律4.2.4 单株根系生物量及相对生长模型4.3 林木根系形态模型4.3.1 模型描述4.3.2 方法评价4.3.3 模型拟合4.3.3.1 油松根系形态分布模型拟合4.3.3.2 刺槐根系形态分布模型的建立4.4 小结5 根土复合体的强度5.1 林木单根抗拉强度5.1.1 根系受拉应力与应变关系分析5.1.2 林木根系本构模型5.1.2.1 双曲线模型5.1.2.2 二阶抛物线模型5.1.2.3 三阶抛物线模型5.1.3 影响根系抗拉特性的主要因素5.1.3.1 根系外在形态特性5.1.3.2 根径5.1.3.3 根长5.2 根系与土壤接触面特性5.2.1 不同因素对根土接触面摩阻特性的影响5.2.1.1 垂直压力5.2.1.2 土壤密度5.2.1.3 土壤含水量5.2.1.4 树种5.2.2 根土接触面应力应变关系5.3 根土复合体强度特性分析5.3.1 根系对应力与应变关系的影响5.3.2 根土复合体极限主应力差分析5.3.3 根系固土效果评价5.3.3.1 含根方式对含根效果的影响5.3.3.2 围压对含根效果的影响5.3.3.3 土壤含水量对含根系数的影响5.3.3.4 土壤干密度对含根强度系数的影响5.3.3.5 根径对含根强度系数的影响5.4 小结6 林木根系固土的有限元数值模拟6.1 基本理论6.2 有限元模拟的几何模型6.2.1 根系简化模型6.2.2 计算剖面及边界约束条件6.2.3 计算方法及荷载分级6.3 根土复合体的有限元计算模型6.3.1 根土复合体的有限元离散化模型6.3.2 根土复合体各类型单元的本构模型6.3.2.1 土体材料计算模型6.3.2.2 根系的本构关系与有限元计算模型6.3.2.3 土－根系相互作用面的本构关系及其力学模型6.3.2.4 三种不同单元的劲度矩阵6.4 有限元计算的基本参数6.5 林木根系固土作用分析6.5.1 造林对边坡稳定性的影响6.5.1.1 边坡应力6.5.1.2 边坡位移6.5.2 造林密度对边坡稳定性的影响6.5.2.1 边坡应力6.5.2.2 边坡位移6.5.3 树种对边坡稳定性的影响6.5.3.1 边坡应力6.5.3.2 边坡位移6.5.4 坡度对边坡稳定性的影响6.5.4.1 边坡应力6.5.4.2 边坡位移6.5.5 坡长对边坡稳定性的影响6.5.5.1 边坡应力6.5.5.2 边坡位移6.5.6 降雨对边坡稳定性的影响6.5.6.1 边坡应力6.5.6.2 边坡位移6.6 小结7 边坡稳定分析7.1 稳定计算常用方法7.1.1 瑞典条分法7.1.2 毕肖普法7.1.3 N. Janbu条分法7.1.4 Morgenstern-Price法7.2 稳定性计算7.2.1 造林密度对边坡稳定的影响7.2.2 林龄对边坡稳定的影响7.2.3 坡长对边坡稳定的影响7.2.4 坡度对边坡稳定的影响7.2.5 降雨对边坡稳定的影响7.2.6 无林边坡与造林边坡最危险情况最小安全系数计算7.3 结论8 结论与建议8.1 结论8.2 建议参考文献个人简介导师简介致谢
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