林木根系与均质土间相互物理作用机理研究

论文摘要

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

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 1 国内外林木根系固土力学机理研究进展和发展趋势
• 1.1 根系的研究历史
• 1.2 根系固土研究
• 1.2.1 研究概述
• 1.2.2 根系抗拉研究
• 1.2.2.1 单根抗拉
• 1.2.2.2 群根抗拉及其固土能力
• 1.2.3 根系锚固作用研究
• 1.2.4 根系-土壤复合体剪切试验研究
• 1.3 林木根系固土研究存在的主要问题与发展趋势
• 2 研究区域自然概况和试验流域基本情况
• 2.1 研究区域自然环境概况
• 2.1.1 地理位置
• 2.1.2 地形地貌
• 2.1.3 气象水文
• 2.1.4 植被状况
• 2.1.5 土壤侵蚀特征
• 2.2 试验研究流域基本情况
• 2.2.1 土壤状况
• 2.2.1.1 罗玉沟土壤
• 2.2.1.2 吕二沟土壤
• 2.2.2 气象与水文
• 2.2.3 植被
• 2.2.4 土壤侵蚀
• 3 研究的内容、技术路线与方法
• 3.1 研究目标
• 3.2 研究内容
• 3.3 总体研究思路与技术路线
• 3.4 研究方法
• 3.4.1 树木根系形态分布的研究方法
• 3.4.1.1 根系形态调查方法
• 3.4.1.2 样地的选择
• 3.4.2 树木根系拉伸试验研究方法
• 3.4.2.1 试验仪器
• 3.4.2.2 试验材料
• 3.4.2.3 试验方法
• 3.4.3 根系与土的接触面特性直剪摩擦试验方法
• 3.4.3.1 试验设备
• 3.4.3.2 试验材料
• 3.4.3.3 试验方法
• 3.4.4 加根黄土的抗剪切试验方法
• 3.4.4.1 试验仪器
• 3.4.4.2 试验土样
• 3.4.4.3 试样制备
• 3.4.4.4 试验方法
• 3.4.4.5 试验设计
• 4 林木根系固土的理论基础
• 4.1 加筋理论
• 4.1.1 根土复合体的强度特性及破坏模式
• 4.1.2 加根效果的分析模式
• 4.1.3 似（准）粘聚力理论
• 4.1.4 摩擦加筋理论
• 4.2 锚固理论
• 4.3 根系固土研究模型
• 4.3.1 须根理论模型（W氏模型）
• 4.3.2 垂直根系木本植物根-土相互作用力学模型
• 4.3.3 水平根系根-土相互作用力学模型
• 4.4 小结
• 5 树木根系形态分布研究
• 5.1 树木根系的各种形态
• 5.2 树木的根型
• 5.3 油松、刺槐根系形态特征
• 5.3.1 油松、刺槐各种形态根系的数量特征
• 5.3.2 油松、刺槐水平根和垂直根基部直径与胸径关系
• 5.3.3 刺槐、油松水平根和主根不同长度部位直径变化规律
• 5.3.4 刺槐、油松根型
• 5.3.5 刺槐、油松单株根系生物量及相对生长模型
• 5.4 油松、刺槐根系形态模型
• 5.4.1 模型描述
• 5.4.2 方法评价
• 5.4.3 模型拟合
• 5.4.3.1 油松根系形态分布模型拟合
• 5.4.3.2 刺槐根系形态分布模型的建立
• 5.5 小结
• 6 林木根系应力应变关系研究
• 6.1 根系受拉应力与应变关系分析
• 6.2 林木根系本构模型
• 6.2.1 双曲线模型
• 6.2.2 二阶抛物线模型
• 6.2.3 三阶抛物线模型
• 6.3 影响根系抗拉特性的主要因素
• 6.3.1 根系外在形态特性
• 6.3.2 根径
• 6.3.3 根长
• 6.4 小结
• 7 根系与土的接触面特性研究
• 7.1 垂直压力对根土接触面摩阻特性的影响
• 7.2 土的密度对根土接触面摩阻特性的影响
• 7.3 土壤含水量对根土接触面摩阻特性的影响
• 7.4 树种对根土接触面摩阻特性的影响
• 7.5 根土接触面应力应变关系
• 7.5.1 接触面单元设置
• 7.5.2 根土接触面应力应变
• 7.6 小结
• 8 根土复合体强度特性分析
• 8.1 加根对土体抗剪强度的影响
• 8.2 加根对应力与应变关系的影响
• 8.3 根土复合体极限主应力差分析
• 8.4 加根效果评价
• 8.5 根土复合体的抗剪强度分析
• 8.6 小结
• 9 树木根系与土体相互作用的有限元数值模拟
• 9.1 有限元方法的基本思路和解题步骤
• 9.1.1 有限元方法的基本思路
• 9.1.2 有限元方法的解题步骤
• 9.2 根土相互作用的有限元计算模型
• 9.2.1 根土复合体的有限元离散化模型
• 9.2.2 根土复合体各类型单元的本构模型
• 9.2.2.1 土体的本构关系与有限元计算模型
• 9.2.2.2 根系的本构关系与有限元计算模型
• 9.2.2.3 土-根系相互作用面的本构关系及其力学模型
• 9.2.2.4 三种不同单元的劲度矩阵
• 9.3 有限元模拟的几何模型
• 9.4 有限元计算的基本参数
• 9.5 数值模拟结果分析
• 9.5.1 单株树作用下的应力、应变模拟结果分析
• 9.5.1.1 边坡应力场分析
• 9.5.1.2 边坡位移场分析
• 9.5.2 多株树作用下的应力、应变模拟结果分析
• 9.5.2.1 多株林木边坡有限元几何模型
• 9.5.2.2 多株树造林边坡应力模拟与分析
• 9.5.2.3 多株树造林边坡应变模拟与分析
• 9.6 小结
• 10 结论与建议
• 10.1 结论
• 10.2 建议
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 成果目录清单
• 致谢