林分根系空间分布与水平阶整地对土质坡面稳定性的影响 ——以我国黄土高原刺槐林和侧柏林为例

论文摘要

植被固坡技术广泛应用于浅层滑坡的治理中。林木根系对表层土体的加固作用通过表观附加粘聚力予以表达,且很多文献已对各树种根系附加粘聚力进行过论述。但是林木根系在坡面尺度上固土能力的空间异质性甚者对坡体稳定性影响的研究,至今仍是空白。本文以黄土高原半干旱区19年生的刺槐（Robinia pseudoacacia）人工林和21年生的侧柏（Platycladus orientalis）人工林为对象,研究了坡面尺度上根系分布的空间异质性对土质坡面稳定性的影响。分别在三个不同坡位（坡上、坡中和坡下）对距标准木树干中心不同距离、不同方向处挖铅直剖面。以10cm x 10cm为单元,对铅直剖面进行网格划分,记录每个网格内落在不同径级内根数量。计算根截面积比（RAR）并分析了根截面积比的空间分布。对根径≤10mm的根的抗拉强度和杨氏模量通过单根拉伸试验测定。由RAR、根的抗拉强度和杨氏模量三个参数,通过六种不同的假设模型计算根系表观附加粘聚力。建立二维有限元模型进行坡面稳定性分析,分析由根系表观附加粘聚力而引起的安全系数的改变。主要研究结论如下：（1）刺槐根与侧柏根的生物力学特性表现出显著的尺度效应。根系的抗拉强度与杨氏模量都随直径的增加而减小,且刺槐根的强度约是侧柏根的两倍。（2）刺槐根系的平均RAR显著高于侧柏根系的平均RAR。RAR分布随坡位变化呈显著差异,位于坡底的刺槐根RAR显著高于其他坡位,而位于坡中的侧柏根RAR显著高于其他坡位。在铅直向,RAR随土层深度的增加而先增加后减少；在水平向,RAR随离根基距离的增大而减少。（3）根系表观附加粘聚力按照六种不同的外荷载分配方式进行模拟,发现WM计算得到的根系表观附加粘聚力值最大,而WM-Hbis计算得到的根系表观附加粘聚力最小,FBMs计算得到的根系表观附加粘聚力值介于二者之间。此外,根系表观附加粘聚力在坡面尺度上的空间分布规律与RAR分布显著相关。（4）在不考虑生态水文效应的影响下,针对不同坡形、不同的植被覆盖状况,对造林坡面进行数值仿真模拟。坡面稳定性分析结果显示,带有水平级阶的典型坡面的安全系数高于自然坡的20%。敏感度分析显示,安全系数随根系表观附加粘聚力的增加呈渐进线变化。两样地的根系表观附加粘聚力接近“安全系数-根系表观附加粘聚”曲线的平稳阶段,因而,改变处于平稳阶段的根系表观附加粘聚力,并不显著影响,坡面的安全性能。此外,坡面稳定性对位于坡底的根系附加表观粘聚力敏感与其它坡位。创新性成果为：（1）首次对黄土高原地区主要造林树种的根系固土能力在坡面尺度上空间异质性进行研究。（2）首次对该领域内现有的计算根系固土能力的理论模型（Wu模型,修正Wu模型,依据四种不同假设条件的纤维束理论模型）进行综合对比。（3）在短期内,根形态结构不会发生明显的变化。过去,我们极力关注寻找精确计算根系表观附加粘聚力的方法,以提高对根际土层安全性能评估的准确性。本文关于根系表观附加粘聚力敏感度分析的结论指出,在提高坡面安全性能的问题上,根系的功效存在阀值。当根系附加粘聚力超过这一阀值时,其对边坡安全系数的提高并不显著。该结论指出花费大量的精力探讨最精确的计算根系附加粘聚力模型并不是最急待解决的问题,而需要将侧重点转移到寻找根密度的阀值,从而指导合理造林。该结论对根系固坡领域的研究发展方向起到一定的引导作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 生态工程措施的由来
• 1.1.2 植被与土质边坡的相互作用
• 1.2 研究综述
• 1.2.1 根系固土的研究史
• 1.2.2 单根的生物力学特性
• 1.2.3 根群固土能力
• 1.2.3.1 田间直剪法
• 1.2.3.2 理论模拟法
• 1.2.4 根系的研究法
• 1.2.5 土质坡面稳定性分析
• 1.2.5.1 坡面稳定性分析的研究意义
• 1.2.5.2 土坡稳定性分析的研究方法及发展趋势
• 1.2.5.3 安全系数
• 1.2.5.4 植被根系对安全系数的影响
• 1.3 林木根系固土研究存在的主要问题与发展前景
• 1.4 研究目的
• 2. 研究区域概况
• 2.1 研究区概况
• 2.2 研究的内容、技术路线与方法
• 2.2.1 研究的主要内容
• 2.2.2 技术路线
• 2.2.3 研究树种的选取
• 2.2.4 研究样地的选取
• 2.2.5 数据采集的内容及方法
• 2.2.5.1 样地设置及林木根系分布调查法
• 2.2.5.2 林木根系拉伸实验
• 2.2.5.3 土体抗剪强度参数的测定
• 2.2.5.4 统计分析方法
• 3. 根系分布的空间异质性
• 3.1 根截面积比的空间分布
• 3.2 各径级根系的根截面积比分布
• 3.2.1 距根基水平距离50cm远处各径级的根截面积比
• 3.2.2 距根基水平距离25cm远剖面上各径级的根截面积分布
• 3.3 各径级内根数量分布
• 3.3.1 距根基水平距离50cm远处各径级的根数量分布
• 3.3.2 距根基水平距离25cm远剖面上不同径级的根数量分布
• 3.4 小结与讨论
• 4. 林木单根强度
• 4.1 抗拉强度
• 4.2 杨氏模量
• 4.3 小结与讨论
• 5. 林木根系的附加表观粘聚力
• 5.1 距根基水平距离50cm远处根系的附加表观粘聚力
• 5.2 距根基水平距离25cm远处根系的表观附加粘聚力
• 5.3 小结与讨论
• 5.4 纤维束模型运算代码
• 5.4.1 "FBM-H1"源代码
• 5.4.2 "FBM-H2"源代码
• 5.4.3 "FBM-H3"源代码
• 5.4.4 "FBM-H4"源代码
• 6. 造林边坡稳定性分析的数值模拟
• 6.1 ABAQUS有限元法在根系固坡中的应用
• 6.1.1 ABAQUS有限元软件的机构、原理
• 6.1.1.1 ABAQUS软件基本概况
• 6.1.1.2 ABAQUS功能模型
• 6.2 有限元的基本方程
• 6.3 所选用的土的本构模型
• 6.3.1 Mohr-Coulomb模型的特点
• 6.3.2 传统Mohr-Coulomb定律屈服准则
• 6.3.3 扩展的Mohr-Coulomb定律屈服准则
• 6.3.4 模型参数
• 6.4 坡面稳定性分析
• 6.4.1 安全系数的原理
• 6.4.2 安全系数的计算方法
• 6.5 模型的构建
• 6.5.1 几何模型及其参数
• 6.5.2 边界条件及其外荷载
• 6.5.3 材料特性
• 6.5.4 模拟内容
• 6.6 结果与分析
• 6.6.1 极端情景分析
• 6.6.2 灵敏度分析
• 6.7 讨论
• 7. 结论、讨论与创新点
• 7.1 结论
• 7.2 讨论
• 7.3 创新点
• 7.4 研究前景与展望
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介1
• 导师简介2
• 导师简介3
• 致谢