高寒山区植物根系固化边坡机理分析

发布时间：2017-07-30 23:12

  本文关键词：高寒山区植物根系固化边坡机理分析

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【摘要】：我国交通基础设施建设规模大,高速公路、铁路进入高寒山区,造成大量人工边坡的形成,导致沿线本已脆弱的生态环境受到破坏,不利于经济建设的可持续发展。植物护坡技术将稳定边坡和生态恢复有机地结合起来,通过其根系与岩土的相互作用对边坡进行防护、加固,在满足坡体整体稳定的同时,恢复沿线的生态环境,是一种有效的生态护坡手段。首先,论文从植物生物特性的护坡效应和植物根系固坡的力学效应两方面对植物的护坡作用进行阐述,分析了边坡稳定性的基本理论、研究意义以及其影响因素,并介绍了两种常用的边坡稳定性分析方法,即极限平衡法和有限单元法。其次,论文通过离心试验的原理分析,确定了根系固坡模型的试件尺寸及制备材料,并针对植株间距及根系的不同入土深度,拟定出植株加固边坡的8种工况,随后开展各工况下离心试验,得到以下结论:1)通过观察离心模型试验过程中的坡体变形,发现素土边坡的破坏具有突发性,而根系固坡边坡破坏表现出一定的渐进性,破坏状态持续时间更长,破坏时的加速度更大。由此说明,植物固坡边坡能够通过根系分布进行应力调整,使坡体各部分在受力和变形上形成统一整体。2)通过观察离心试验后关键点的位移情况,发现合理的植株间距对坡体关键点位移限制作用更大,说明优化植株间距能够有效拓展其根系在土体空间中的分布范围,强化根与根、根与土之间的联结。3)通过观察离心试验停机后关键点的位移情况,发现在素边坡上植入更深根系的植株,其根系会发挥出更大的力学作用,从而限制坡体在竖直方向上的沉降以及水平方向的位移,有效约束坡体变形和破坏。第三,论文将有限元法引入植物固坡稳定性分析中,构建出植株根系简化模型以及植树边坡有限元模型,在此基础上以植株间距、植株数量及植株根系深度为变量进行分析,采用有限元强度折减分析方法,计算出各条件下边坡的安全系数以及与离心试验对应工况边坡关键点的位移。最后,论文将离心模型试验数据与有限元数值模拟结果进行对比验证,发现数值模拟结果具有良好的可靠性,同时得到了如下结论:1)植株间距过小,各根系在加筋及锚固区域易互相重叠,从而影响根段上拉力的发挥;植株间距过大,其浅层根系在地面以下难以互相联系而共同抵抗下滑力。由此可见,合理的植株间距能够有效提高边坡安全系数。2)边坡栽种植株面积越大,加筋、锚固效果越明显,边坡安全系数也就越大。同时,不同数量植株的固坡效果也受到种植方向的影响。3)理论上植株根系深度越深,对边坡的安全系数增加越有效,但这种效果会受到根系加固位置所在塑性区域深度的影响,即潜在滑动面越深,增加根系深度对边坡安全系数提升的贡献越大。论文以高寒山区植被固化公路边坡为研究对象,通过离心试验研究和数值模拟分析,得到了植物加固绿化边坡合理的相关参数,包括植株间距、植入深度、栽植面积、栽植方向等。研究成果对于植物边坡防护工程的设计与施工具有较好的指导意义。论文得到了交通土建工程材料国家地方联合工程实验室基金项目“高寒高海拔山区公路建设生态修复与评价技术研究(LHSYS-2013-010)”的资助。
【关键词】：高寒山区 植物固坡 边坡稳定 土工离心模型试验 有限元法
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU43
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 引言10-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 植物固坡技术研究现状11-13
• 1.2.2 根土复合体理论研究现状13-14
• 1.3 存在的问题及发展趋势14-15
• 1.4 主要研究内容及技术路线15-17
• 1.4.1 主要研究内容15-16
• 1.4.2 技术路线16-17
• 第二章 植物根系生物特性和固土力学基础17-30
• 2.1 植物根系的生物特性17-20
• 2.1.1 植物根系形态及分布17-18
• 2.1.2 生物特性的护坡效应18-20
• 2.2 根系固土的力学基础20-28
• 2.2.1 根系固土的力学理论21-24
• 2.2.2 根系固坡的研究模型24-28
• 2.3 本章小结28-30
• 第三章 边坡稳定理论及生态护坡技术30-36
• 3.1 边坡稳定性分析的意义30
• 3.2 影响土坡稳定性的因素30
• 3.3 边坡稳定性分析的方法30-32
• 3.3.1 极限平衡分析法31
• 3.3.2 有限元法31-32
• 3.4 边坡安全系数32
• 3.5 生态护坡技术32-35
• 3.5.1 边坡植草防护32-34
• 3.5.2 边坡植树防护34-35
• 3.6 本章小结35-36
• 第四章 植物防护边坡模型的离心试验36-50
• 4.1 土工离心试验发展概况36
• 4.2 土工离心试验原理36-37
• 4.3 试验方案37-45
• 4.3.1 试验设备37
• 4.3.2 试验区描述及试验材料选取37-41
• 4.3.3 试验工况41-43
• 4.3.4 模型制备43-44
• 4.3.5 离心机操作44-45
• 4.4 试验结果分析45-49
• 4.4.1 模型边坡破坏判定45
• 4.4.2 变形情况及试验结果45-49
• 4.5 本章小结49-50
• 第五章 植物根系固坡稳定性有限元分析50-77
• 5.1 有限元法的解题思路和步骤50-52
• 5.2 基于有限元法的ANSYS软件介绍52-53
• 5.3 有限元法在植物护坡中的应用53-57
• 5.3.1 研究对象的本构模型53-54
• 5.3.2 屈服准则54-55
• 5.3.3 非线性有限元方程组的求解55-56
• 5.3.4 边坡安全系数的确定56-57
• 5.4 植物护坡有限元分析模型57-61
• 5.4.1 根系简化模型57-58
• 5.4.2 植树护坡模型的建立58-60
• 5.4.3 无植株边坡有限元分析60-61
• 5.5 计算工况分析及结论61-73
• 5.5.1 植株间距61-64
• 5.5.2 植株数量64-70
• 5.5.3 植株根系深度70-73
• 5.6 有限元分析与离心模型试验对比73-76
• 5.7 本章小结76-77
• 第六章 结论与展望77-80
• 6.1 主要结论77-78
• 6.2 研究展望78-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-85
• 在学期间发表的论著及取得的科研成果85

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本文编号：596458