基于根土相互作用机理的根锚固作用研究

设计和实施治理重力侵蚀的生物工程措施需对树木根系对土体的锚固特性进行深入的分析和研究。 本文基于弹塑性力学、土力学、水土保持学、数学等原理和方法，采用有限元数值模拟、野外实验和室内实验相结合的技术路线，研究根的形态结构差异对土体抗倾覆力的影响及根对土体的锚固作用。研究内容分为两个阶段：(1)以单株鲱骨(Herringbone)状根构型为研究对象建立二维有限元模型，通过控制侧根与主根的夹角、删减根系不同部分等方法，建立了12种不同几何形态的鲱骨状根结构，并分别验证其在黏土和砂土中的抗倾覆力，由此，定量评价根系的不同部分和土的差异分别对土体抗倾覆力的贡献率。(2)以我国四川崇州综合林场为实验基地，与室内直剪实验相结合，验证根系对土体的锚固作用，并建立三维有限元模型分别模拟素土与含根土块的剪切实验，将有限元数值模拟结论与实验结论相结合。 主要的研究成果如下： (1)根的存在确实对土体起到了锚固作用，另外，树木根系的几何形态结构和土壤类型在影响根的锚固作用中分别起到非常重要的作用。 (2)浅层侧根的作用是不可低估的，在黏性土中浅层侧根在对土体的抗倾覆力中起主要作用，其贡献率约占35％——40％。 (3)根、土复合体在整个破坏过程中形成一个旋转轴，此轴的位置随根形态、土壤类型的变化而变化。 (4)根系受力状况直接影响根的生长发育。应力大的一侧根的生长速度要大于应力小的一侧，因而有些枝节长成“I”型或“T”型。 (5)以柳杉为例，根系的抗拉阻力与根径呈现出明显的指数函数关系。