基于渐近均匀化理论的黄土高原草本植物固土效果模拟

发布时间：2021-11-19 06:02

　　黄土高原是中国水土流失和浅层滑坡灾害最严重的地区之一,而植被根系能有效抑制浅层滑坡。黄土高原草系分布广泛,根系在空间配置上具有鲜明的周期重复特征,计算大量根系的边坡固土效果非常复杂。该文利用渐进均匀化理论,构建"根系-土体"复合土体本构关系,通过与已有研究对比说明,该文所述方法计算三维本构关系具有较高精度。为说明均匀化方法在含根群边坡中的准确性和高效性,该文基于有限元软件ANSYS,进一步模拟了含草边坡和无草边坡的应力和应变分布规律。数值模型设置为3组,分别是无草边坡模型、含草边坡的分离式模型,以及基于该文均匀化理论的含草边坡模型。该文进一步采用观察等效塑性应变区是否贯通作为边坡失稳临界状态的标准,利用强度折减法计算了边坡安全系数。研究表明:1)渐进均匀化理论不仅能准确地构建根土复合体本构关系,而且极大地减少了模型计算工作量（减少了95.58%的单元数）。2)披碱草根系能改善边坡浅层土体的应力场,使得根系分布区内的剪应力更加均匀,使坡体浅层更趋于稳定。3)当边坡坡度较小时（坡角为30°）,无草边坡安全系数较大（F=4.28）,根系对边坡的稳定性加持较小（平均仅提高2.92%）;当坡角增... 

【文章来源】：农业工程学报. 2020,36(09)北大核心EICSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

具有周期性长纤维复合材料特征的根系分布

图1 具有周期性长纤维复合材料特征的根系分布以具有周期性细观“单胞”结构Y的根土复合体为例，假设在空间坐标系x某处存在此复合材料?，其全部边界为S，并分别受体力f和面力t作用。根据虚位移原理，控制方法为[21]

本文以披碱草根系为研究对象，播种当年，节根入土深度可达70 cm，第二年能达110 cm以上[18]。在灌溉条件下，虽然根深可达100 cm，但是50 cm土层以下，根系极少，约占总根量的4%[18]。为突出根系固土效果，本文根长统一取为50 cm，根半径取为0.11 cm，根系体积填充率为0.01，“单胞”尺寸取为a=2 cm。由于“单胞”具有对称性，计算中仅取1/4“单胞”进行计算，如图3所示。根系和土体的材料参数主要通过文献[18]获得，如表1所示。2.2 本构关系计算

【参考文献】：
期刊论文
[1]根系和裂隙对土体水力和力学特性影响数值模拟[J]. 吴美苏,周成,王林,谭昌明.  岩土力学. 2019(S1)
[2]植物根系分布形态及含根复合土强度特性试验[J]. 孔纲强,文磊,刘汉龙,王成青.  岩土力学. 2019(10)
[3]不同生长期多花木兰根系抗拉拔特性及其根系边坡的稳定性[J]. 郑明新,黄钢,彭晶.  农业工程学报. 2018(20)
[4]基于植物生长过程的根系固土机制及Wu模型参数优化[J]. 朱锦奇,王云琦,王玉杰,马超.  林业科学. 2018(04)
[5]基于连续断裂过程的根系黏聚力Wu氏模型修正系数的确定[J]. 及金楠,田佳,瞿文斌.  林业科学. 2017(11)
[6]三类边坡失稳判据的统一性[J]. 涂义亮,刘新荣,钟祖良,杜立兵,王鹏.  岩土力学. 2018(01)
[7]贺兰山云杉林根土复合体提高边坡稳定性分析[J]. 田佳,及金楠,钟琦,余鹏程,杨丽娇,袁博.  农业工程学报. 2017(20)
[8]基于位移变化率和强度折减有限元的边坡失稳判定方法[J]. 江胜华,汪时机,李伟清,鲍安红.  农业工程学报. 2017(15)
[9]花棒根-土复合体直剪试验的有限元数值模拟与验证[J]. 田佳,曹兵,及金楠,李才华,郭婷,谢彦斌,袁博.  农业工程学报. 2015(16)
[10]寒旱环境盐生植物根系固土护坡力学效应及其最优含根量探讨[J]. 栗岳洲,付江涛,余冬梅,胡夏嵩,朱海丽,李光莹,虎啸天.  岩石力学与工程学报. 2015(07)

博士论文
[1]根土复合体极限载荷的数值计算方法和实验研究[D]. 杨璞.清华大学 2008



本文编号：3504438