花棒根-土复合体直剪试验的有限元数值模拟与验证

为深入了解花棒(Hedysarum scoparium)根系在增强土壤抗剪强度中的作用机理,同时减少试验成本和挖掘根系对环境的破坏,该文采用有限元数值模拟的方法研究了宁夏毛乌素沙地5 a生人工种植花棒根系的根截面积比(root area ratio,RAR)和垂直荷载对根-土复合体抗剪强度的影响,并对模拟结果进行了试验验证。研究表明:花棒根-土复合体的抗剪强度与垂直荷载的关系符合摩尔库伦(Mohr–Coulomb)屈服准则,花棒根系对土壤的抗剪强度有显著的提高作用。随RAR的增加,花棒根系表观黏聚力(root apparent cohesion,SR)呈线性增加(R2>0.9)。在相同的RAR下,花棒根-土复合体抗剪强度相对于素土抗剪强度的增长率随垂直荷载的增加逐渐降低,符合对数函数变化规律(R2>0.9);在相同的垂直荷载下,随RAR的降低,花棒根-土复合体抗剪强度相对于素土抗剪强度的增长率呈线性递减(R2>0.9);在较低垂直荷载的情况下,花棒根系提高土壤抗剪强度的作用更明显。研究发现与素土相比花棒根-土复合体的剪应力峰值出现较晚,当土壤出现明显塑性变形时,花棒根系的固土能力才能体现出来。数值模拟结果和室内试验结果显示:利用该文所建立的花棒根-土复合体直剪试验的有限元数值模型,模拟计算的根-土复合体抗剪强度与室内试验结果基本一致,相对误差绝对值的平均值1.87%,花棒根-土复合体的直剪试验可以通过该研究所建立的有限元数值模型来模拟。研究结果对于深入了解植物根系加固土壤的作用机理和推进根-土相互作用的数值模拟研究具有重要参考意义。