有限元强度折减法在林木根系固土护坡中的应用研究

摘要

随着社会经济的不断发展，为不断满足人们自身的生存的需要和对优越物质生活水平的不断追求，全国各地各项基础设施建设的不断实施，这些工程项目均使自然界最初的生态环境遭受到不同程度的摧毁。特别是公路、铁路的修建，矿产资源的开发，水利工程的兴修等大型基础设施的兴建，不仅扰动了原始地表植被使植被覆盖率大大降低，还破坏了原始土体的结构和稳定性，以至于促进滑坡、泥石流及其它地质破坏的发生。在讲求人类与自然和谐统一的当今时代，这些工程建设所带来的环境问题、安全隐患等不容忽视。
　　土体自身虽具有一定的抗剪和抗压强度性能，但是抗拉强度很低，在土内加入一些材料，不仅可以加强土体的抗剪和抗压强度，同时可以增强土体的抗拉强度。虽然近年来植物护坡技术在边坡防护中应用越来越广泛，目前植物固土护坡的应用在诸多工程项目都有采用，但是仅限于实际应用比较多，理论支持比较匮乏的阶段。植物加固稳定性方法的研究尚处于探索阶段，为了使植物护坡理论依据更加完善，本文通过以均质土坡为例，选取了黄土体作为研究对象，以黄土边坡上林木中油松、刺槐根系为研究对象，针对林木根系的固土机理，采用有限元强度折减法使边坡土体强度逐渐减小，使未扰动的边坡达到临界破坏边缘，采用有限元软件ANSYS计算出滑动面及其安全系数，并通过对林木根系加筋锚固后的不断模拟计算，获得最优的植树准则。
　　设置黄土坡度为25°、35°、45°三种情况下，土体选用理想弹塑性本构模型，根系选用线弹性模型，根系与土体之间假设为根土协调变形，由于本文中研究的边坡为二维平面，根据不同DP准则的特点，选用DP4准则作为边坡土体的屈服准则。采用有限元强度折减法结合有限元软件ANSYS针对植树前和植树后均质土坡的稳定性分别实行分析计算。应用植物护坡技术时，在保证边坡稳定的基础上，提出了一些关于林木种植的最优方法，得出了一些结论，所做的主要研究和所得结论如下:
　　1.介绍了植物不同根系对土体边坡的筋式作用和锚固作用及理论力学作用的基本原理，也介绍了工程上边坡稳定分析中常用的有限元强度折减法的应用到植物护坡的理论及优点，并将该方法与植物护坡结合起来，为植物护坡方法提出新的理论依据。
　　2.通过采用ANSYS软件在对林木根系固土护坡的稳定性进行分析，发现选择理想弹塑性本构模型与DP4准则处于计算精度范围内。
　　3.随着黄土坡度的不断增加，土体的最小安全稳定系数减小，边坡的稳定性降低，发生滑坡的概率也越来越大。
　　4.以油松、刺槐两种林木为研究对象，经稳定性计算得出随着林木根系扎根深度的增加，边坡稳定性不断增大。林木种植在坡角处时，相比较其他位置更有利于提高边坡的稳定性。
　　5.边坡为25°时，对于边坡稳定性的贡献只有从坡脚起前两棵树较为明显，刺槐最佳树距为3.5m，油松最佳树距为3m;边坡为35°时，对于边坡稳定性的贡献较为明显的刺槐为前3棵，油松为前4棵，刺槐最佳树距为3m，油松最佳树距为2.5m;边坡为45°时，对于边坡稳定性的贡献较为明显的刺槐为前4棵，油松为前5棵;刺槐最佳树距为2.5m，油松最佳树距为2m。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 植物根系固土护坡的发展概况

1．2 国外研究现状

1．2．1 植物生长与根系抗拉的关系

1．2．2 植物根系化学成分含量与抗拉强度的关系

1．3 国内研究现状

1．3．1 草本植物根系固土的研究现状

1．3．2 农作物根系固土的研究现状

1．3．3 乔灌木根系固土的研究现状

1．4 有待于解决的问题

第二章 绪论

2．1 课题研究的背景与意义

2．2 课题研究的主要内容和方法

2．2．1 研究内容

2．2．2 研究方法和技术路线

第三章 林木根系固土护坡的力学原理

3．1 植物浅根对土体的筋式作用

3．2 林木深根和土体间的锚固作用

3．3 小结

第四章 有限元强度折减法的理论基础

4．1 有限元方法的理论基础

4．1．1 常用方法有限元方法

4．1．2 有限元极限分析法的优点及应用已知条件

4．2 林木根系与土体复合体的有限元离散化模型

4．3 有限单元法原理

4．4 有限元强度折减法的原理

4．5 土体本构模型与屈服准则

4．6 小结

第五章 林木根系固土的有限元数值分析

5．1 ANSYS程序简介

5．2 有限元模型的建立

5．2．1 PLANE82单元

5．2．2 LINK1单元

5．2．3 土体模型

5．2．4 根系模型

5．3 约束条件及荷载

5．4 有限元计算的材料参数

5．5 根系固土数值分析

5．5．1 分析目的

5．5．2 25°边坡根系固土分析

5．5．3 35°边坡根系固土分析

5．5．4 45°边坡根系固土分析

5．6 结果分析

第6章 结论与展望

6．1 本文结论

6．2 本文的不足与展望

参考文献

致谢

发表的论文及参加课题