植物根系抗倾覆性能的模型试验及数值分析研究

论文摘要

中国是受台风侵袭最严重的国家之一,强风暴雨使林木倾倒破坏导致城市交通道路阻断,车辆及公共基础设施受损等损失频发,对人民生命和财产安全构成了极大的威胁。而自然界中林木根系组成及形态复杂,不同种类林木的抗倾覆性能差异较为显著,因此,研究不同林木根系的倾倒破坏过程中就显得尤为重要。此前研究人员主要着眼于林木原位拉拔试验、单根抗拉强度试验或单一根型的有限元模拟,对于横向加载试验以及不同根型的横向对比方面的研究较少。本文开展了植物根系抗倾覆性能的模型试验,以及三维有限元数值计算分析,其研究内容和结论如下:（1）通过试验土样的直剪实验研究了天然土的抗剪强度特性,并通过改变含水率的方式分析了试验土样c、φ值和抗剪强度随含水率的变化趋势。结果表明:在含水率在7%22%的试验区间内,土体的抗剪强度随着含水率的增加呈现先增大,随后逐渐减小的变化规律,在含水率ω=13.0%时达到抗剪强度峰值。此外,随着含水率升高,土体黏聚力先增后降,内摩擦角受含水率变化影响较小。（2）使用自主设计的横向加载装置对银杏树苗施加定速率横向加载的拉拔试验,分析了土体含水率、根系埋深对拔出过程中根系抗倾覆力的影响。研究表明根系位移-抗倾覆力曲线中抗倾覆力的变化可以概括为平缓上升、陡峭上升和缓慢上升达到峰值三个阶段,对应模型试验中树干弹性变形、根土体开始错动和大部分土体剪破达到抗倾覆力峰值三个阶段。根系的最大抗倾覆力随着含水率由低到高呈现先升后降的总体趋势,实测接近饱和含水率时根系的最大抗倾覆力衰减最为显著。根系埋深的增加能够有效的增加林木根系的最大抗倾覆力,在试验设置的埋深区间内呈指数相关。（3）建立了考虑尺寸效应的垂直根系、水平根系以及散生根系的有限元模型,使用PLAXIS 3D有限元软件模拟了垂直根型、水平根型和散生根型三种常见根型的横向加载破坏过程,输出了根系全破坏过程的位移-荷载曲线。并通过缺根模拟的方式,得出了不同根系类型的及侧根缺失下的抗倾覆力和加载位移峰值,揭示了不同根系类型及其侧根对于林木整体抗倾覆强度和刚度的影响。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 主要符号
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 根系形态特征和空间分布
•     1.2.2 林木根系的锚固作用
•     1.2.3 根面积比
•     1.2.4 土壤类型
•     1.2.5 根系抗拉强度
•     1.2.6 树自重和风力
•     1.2.7 降雨作用
•   1.3 本文的主要研究内容及技术路线
•     1.3.1 本文的主要研究内容
•     1.3.2 本文技术路线
• 2 土壤中根系抗倾覆破坏的理论分析
•   2.1 根系生长形态
•     2.1.1 树木根系各种形态规律
•     2.1.2 树木的根型归纳
•   2.2 林木根系-土壤相互作用力学模型
•     2.2.1 根系倾覆破坏模式分析
•     2.2.2 垂直根系-土体锚固作用力学分析
•     2.2.3 水平根系-土体锚固作用力学分析
•     2.2.4 散生根型-土体锚固作用力学分析
•   2.3 本章小结
• 3 主根倾覆破坏模型试验研究
•   3.1 引言
•   3.2 试验土样剪切强度试验
•     3.2.1 试验仪器
•     3.2.2 试样制备
•     3.2.3 试验方案
•     3.2.4 试验过程
•     3.2.5 试验结果及分析
•   3.3 根系拉拔试验
•     3.3.1 试验装置
•     3.3.2 试验材料
•     3.3.3 试验方案
•     3.3.4 试验过程
•     3.3.5 试验结果及分析
•   3.4 本章小结
• 4 不同根型拉拔破坏数值模拟研究
•   4.1 PLAXIS软件简介
•   4.2 单主根倾覆破坏数值与试验对比
•   4.3 模型建立
•     4.3.1 根系简化模型
•     4.3.2 计算模型建立和基本假定
•     4.3.3 有限元计算的基本参数
•   4.4 数值模拟结果分析
•     4.4.1 根土加载破坏机理分析
•     4.4.2 根系形态对倾覆性能的影响
•     4.4.3 侧根缺失对抗倾覆性能的影响
•   4.5 本章小结
• 5 结论与展望
•   5.1 主要研究成果及结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 附录
•   A.攻读硕士期间的主要学术成果
•   B.攻读硕士期间的主要参与的科研项目及学术会议
•   C.学位论文数据集
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 傅胤榕

导师: 仉文岗

关键词: 根系,抗倾覆,模型试验,数值模拟,破坏

来源: 重庆大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 重庆大学

基金: 重庆市留学回国人员创业创新支持计划项目(cx2017123)《强风暴雨作用下林木根系拔出破坏机理研究与防治》

分类号: Q947.6

DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.000619

总页数: 91

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