根土复合体极限载荷的数值计算方法和实验研究

植物根系在土壤中穿插、缠绕和网络,与土壤形成了一种天然的复合材料,对防止水土流失具有重要作用。人类有意识的通过种植植物进行固土护坡已有数百年的历史,但是对植物根系加固土壤的力学机理并不完全了解,仍有很多问题值得进一步研究。本文对青海省黄土高原地区优势固土护坡植物进行实地考察,发现受干燥气候等自然条件的影响,植物根系具有向深处生长的特性,并且在土壤中排布比较规则,可以被简化为周期性分布的长纤维增强复合材料。本文从复合材料细观力学的角度,对植物根系加固土壤的力学机理进行了数值计算和实验研究。 基于复合材料细观力学的均匀化理论和广义平面应变假设,本文提出了一种周期性长纤维复合材料代表性胞元的数值计算方法,通过选取复合材料横截面的代表性胞元作为研究对象,体现复合材料的细观结构特征,同时引进宏观尺度和细观尺度,构造基于细观摄动位移插值的广义平面应变单元,并建立了代表性胞元的弹塑性增量有限元计算格式。考虑到界面的非理想粘接,本文发展了一种基于细观摄动位移插值的广义平面应变界面单元,并建立了计算非理想界面复合材料胞元的数值计算格式。 本文在青海省对根土复合体的力学特性进行了实验研究,设计了一种周期性长纤维根土复合体三轴试验的实验方法,考虑到根土复合体试验的特殊性,提出了一种根土复合体试样制作的新方法,并对含根体积比为0.5%和1%的根土复合体进行了三轴试验,得到了根土复合体在0.01MPa围压下的轴向极限载荷和破坏模式。实验还测得了单根和素土的材料参数,并测得了实验现场原状土的含根体积比,为根土复合体的数值计算进行了准备。 采用非理想界面周期性复合材料胞元极限载荷的数值计算方法,本文建立了含根体积比为0.5%和1%的根土复合材料代表性胞元的有限元计算模型,对根土复合体的三轴试验进行了数值模拟,数值计算结果与实验值比较吻合。并计算了不同加载角度根土复合体的极限载荷,分析了影响根土复合体极限载荷的若干因素。