油松根系的固土力学机制

为深入了解林木根系固土力学机制,探讨不同条件下的根系固土作用,对油松根系进行了拉伸、拔出和根土复合体三轴试验。结果表明,油松根系的抗拉力随根系直径的增大成幂函数关系增加,而抗拉强度随直径的增大无明显变化规律;根系受拉的应力—应变曲线特征参数不同,以二次多项式模型拟合效果最好,均为单峰曲线,具有弹塑性材料的特征,极限应力和极限延伸率的大小与根系直径无明显的关系;根土界面最大摩擦力随着根径的增加呈现出近似线性的增长趋势。根径越大,根系越深,根土界面摩擦力就越大,进而对土壤的摩擦锚固作用就越强。相同根径时,根土复合体的抗剪强度随围压的增加而增大。相同围压下,根土复合体的抗剪强度随着根径的增加而增大。相同的根径和围压下,垂直埋根方式的根土复合体抗剪效果好于水平埋根方式。     

土壤含水率与干密度对油松根-土界面摩擦性能的影响

为研究土壤物理特性对植物根系固土性能的影响,通过对油松单根施加拔出荷载进行直接拉拔实验,分析土壤含水率与干密度对拔出过程中根-土界面摩擦性能的影响。结果表明：单根拉拔实验中根系有被拔出和被拉断2种破坏模式：根-土最大摩擦力与根系直径有明显的线性相关关系,通过建立单根简化模型分析根-土间的摩擦情况,证明与实验结论一致;且根系直径在一定范围内时,根-土的最大摩擦力随土壤含水率的升高先增大后减小,而随土体干密度的升高单调增大。     

基于ANSYS建立的油松单根复合体模型的验证

[目的]为了揭示林木根系固土的力学机制,以根土复合体为研究对象,应用有限元程序ANSYS 12.0,研究油松单根与土壤间的摩擦特性。[方法]将根土复合体视为根、土和根土接触面3部分组成的离散化模型,油松单根采用线弹性本构模型,土体采用理想弹塑性本构模型。根据三轴压缩试验及根系拉拔试验计算出的模型参数,运用非线性有限元法模拟在不同埋深,不同直径下的单根拉拔试验。分析根土复合体的摩擦力与滑移量的变化关系,绘制关系曲线。将数值分析结果与拉拔试验数据进行对比。[结果]有限元模拟结果与根系拉拔试验结果基本一致:根土间初始摩擦力和峰值摩擦力随根系的埋深和直径的增加而增大,峰值滑移量随根系埋深增加而增大。[结论]建立的单根复合体有限元模型可以用于根土摩擦特性的研究,并为进一步对多角度的立体群根根系进行数值分析提供依据。     

多花木兰和双荚决明分叉根拔出过程中根土界面摩擦特性

根系的不同分叉形态和分叉角度在拔出过程中释放的力对根系固土起重要作用,是根系固土力学性质的前置阶段。该研究以边坡绿化常用灌木多花木兰和双荚决明为研究对象,采用拉拔试验方法,研究分叉角度对根系拉拔摩擦力学性质的影响。试验结果表明,分叉根有3种拔出破坏模式：完全拔出、主根断裂和侧根断裂,多花木兰和双荚决明破坏模式以完全拔出为主,分别占总样本的82.61%和86.05%。3种破坏模式下的拉拔力与相对位移曲线（F-S曲线）初始阶段相似,在根系相对位移为0时,拉拔力已经产生,且分叉角度与初始滑移荷载呈显著正相关关系（多花木兰P=0.042,双荚决明P=0.003）。多花木兰和双荚决明分叉角度为60°～90°时,1～2 mm根径峰值位移分别为19.749和17.324 mm;多花木兰和双荚决明分叉角度为0°～30°时,>4～5mm根径峰值位移分别为7.253和4.891mm;根径相同时其峰值位移随分叉角度的增加而增加,根系分叉角度相同时,峰值位移随根径的增大而减小,根径越小,分叉角度越大,峰值位移越大。多花木兰和双荚决明根土界面摩擦系数均随分叉角度的增加而增大,多花木兰平均最大拔出力从大到小...     

冀西北地区白桦根系-土壤界面摩擦性能

林木根系通过摩擦锚固作用实现对土体的固持。以冀西北地区白桦的根系为对象,通过垂直拉拔试验,探究根径、根系土中埋深、土壤含水率、海拔、根系生长方向等因素对根系-土壤界面摩擦性能的影响。结果表明:根土摩擦力随着埋深、根径的增大而增大,同根系直径满足幂函数关系,决定系数大于0.82,拟合良好;土壤含水率由11.85%增大至17.85%,根土摩擦力先增后减,最大拔出力对应土壤含水率范围在13.85%～17.85%之间;不同海拔位置、不同生长方向的根系,其根土界面摩擦力也有所差异。冗余分析结果表明,根系直径和海拔对根土摩擦力贡献接近且较高。研究结果对冀西北地区林木树种的选择和生态环境的保护具有重要的意义。     

贺兰山3种乔木单根及根土复合体力学特性

为研究和比较贺兰山山杨、青海云杉、油松单根和根土复合体的力学特性,通过单根拉伸、三轴压缩、饱和渗透试验测定了3种乔木单根和根土复合体的力学参数及土水特征曲线。结果表明:3种乔木单根力学特性存在显著差异,且直径对单根的力学特性有显著影响。单根最大拉力与直径成幂函数相关,随直径增大而增大;单根抗拉强度、杨氏模量与直径成对数函数相关,随直径增大而减小。山杨单根平均最大拉力(0.38kN)青海云杉(0.25kN)油松(0.17kN);山杨单根平均抗拉强度(33.39 MPa)青海云杉(27.79MPa)油松(18.45MPa);山杨单根平均杨氏模量(0.17GPa)青海云杉(0.12GPa)油松(0.11GPa)。3种乔木根土复合体的黏聚力、弹性模量存在显著差异,但摩擦角没有显著差异(平均值30.48°)。山杨根土复合体的黏聚力(10.65kPa)青海云杉(8.97kPa)油松(7.13kPa);山杨根土复合体的弹性模量(2.17 MPa)青海云杉(2.52 MPa)油松(4.21 MPa)。3种乔木根土复合体的土水特征曲线、渗透函数曲线都存在极显著差异,山杨根土复合体的渗透能力油松青海云杉。研究结果对于评价山杨、青海云杉、油松稳定边坡能力和建立贺兰山边坡稳定性分析数值模型都具有重要参考价值。     

油松根系固土的基本力学特性

植被根系的力学性质对于斜坡的稳定性是一个重要因素。为确定油松根系的基本力学特性,对油松不同标距不同直径根段进行拉力试验。结果表明：所有根系随直径级的增大,抗拉力以幂函数显著增大,抗拉强度却以幂函数减小,对于直径D≤1mm的根系,抗拉强度显著增加。标距对抗拉力影响不显著,对抗拉强度影响显著。油松的应力应变曲线为单峰曲线,具有弹塑性材料特征。首次初步将油松根系的应力应变曲线简化为3个阶段：线性弹性段、非线性弹性段和塑性段。在理论推导和数据分析的基础上,建立了油松根系的三阶抛物线本构模型。这些研究探明了油松作为水土保持先锋树种固土的力学机理,对护坡植物的选择和优化组合具有重要的参考价值。     

黄土区灌木柠条锦鸡儿根-土间摩擦力学机制试验研究

为系统研究灌木植物根系的拉拔摩擦力学机制,该项研究在西宁盆地黄土区的自建试验区内选取生长期为2 a的柠条锦鸡儿作为供试种进行根系拉拔摩擦试验。试验结果表明:柠条锦鸡儿主根的作用主要为提供根-土间静摩擦力,侧根的作用则主要表现为增大根-土间最大静摩擦力、根-土间最大摩擦力及根-土间最大摩擦力对应的根系位移;柠条锦鸡儿根-土间最大摩擦力随着根系总表面积、根系总体积、根系总长、根系总干质量、侧根数5个根系形态学指标的增加而增大,根-土间最大摩擦力与5个根系形态学指标之间可建立幂函数关系,且通过相关性分析可知,根系总表面积是与柠条锦鸡儿根-土间最大摩擦力相关程度相对较为显著的根系形态学指标;在本试验条件下(土体质量含水率15.1%,密度1.65g/cm3)由单根(不含侧根的主根)拉拔摩擦试验所得到的柠条锦鸡儿主根与土体间静摩擦系数为0.738 9±0.04,该值显著大于区内不含根系土体内摩擦系数0.504 0±0.03,表明柠条锦鸡儿根-土界面间的摩擦力值及抵抗变形的能力大于不含根系土体。该项研究结果对于进一步探讨研究区灌木根系的拉拔摩擦力学机制,以及科学有效地防治坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害具有指导意义和实际应用价值。     

基于两种计算模型的油松与元宝枫根系固土效能分析

[目的]定量分析北方常见植物(油松、元宝枫)根系对提高土壤抗剪能力的作用,为更好地评价植物根系固土效能提供理论基础。[方法]选取不同根系面积比(RAR)的油松(Pinus tabulaeformis)根土复合体、元宝枫(Acer truncatum)根土复合体及素土分别进行了不同垂直压力下的直剪试验,得出了油松根土复合体、元宝枫根土复合体及素土的抗剪强度增量。并通过根系的拉伸试验测定了植物根系的抗拉强度,同时使用Wu的根土复合体模型和Pollen的纤维束模型对抗剪强度增量进行模拟并与实际测定的抗剪强度增量进行对比分析。[结果](1)根系主要通过增强土壤的黏聚力来增强土壤的抗剪切强度;(2)植物根系抗拉强度、拔出强度与根系直径都符合幂函数关系,抗拉强度和拔出强度大小存在阈值,根系大于2mm时,根系拔出强度小于根系抗拉强度,小于2mm时则反之;(3)Wu的根土复合体模型高估植物根系固土效果值平均为26.81%,而纤维束模型对根系提高土壤抗剪强度则平均高估9.82%。[结论]相对于Wu模型,纤维束模型对土壤的固土效果的计算更为准确。     

不同乔木根系的抗拉力学特性

为了揭示植被根系的固土力学机制,筛选合适的水土保持树种,选取华北地区5种常见乔木油松、蒙古栎、白桦、落叶松和榆树根系进行室内单根拉伸试验。结果表明,5种乔木根系极限抗拉力和直径之间存在显著的幂函数关系;油松和白桦根系抗拉强度随着直径增大以幂函数递减,蒙古栎、落叶松和榆树根系的抗拉强度随直径增大均以对数函数递减。拉伸过程中,根系对外界拉力的敏感性是在一定范围内的波动,5种乔木平均敏感性依次为白桦＞落叶松＞榆树＞油松＞蒙古栎。5种乔木根系不同直径的应力应变曲线特征参数不同,但均为单峰曲线,具有弹塑性材料特征,拟合曲线三阶抛物线模型能很好地反映其基本特征。不同树种不同直径的抗拉力学特征存在很大的差别,其内在原因还需要进一步的研究。     

喀斯特区2种护坡灌木单根拉拔摩擦试验

为探讨喀斯特地区边坡绿化灌木的力学特性,以4年生双荚决明和多花木蓝为研究对象,采用单根垂直拉拔的方式进行根系与土体间的摩擦试验.结果 表明:试验力与位移关系特征曲线有3个明显的阶段:黏性摩擦阶段、脱黏摩擦阶段以及键合摩擦阶段;双荚决明和多花木蓝根径和埋深均与摩擦力呈现极显著正相关关系,而单位面积上的摩擦力无显著差异;双...     

紫色土埂坎根-土复合体土水特性与抗剪强度

研究根-土复合体土-水特征曲线与抗剪强度的关系,可为紫色土埂坎根-土复合体强化机理的揭示与埂坎稳定性的维持提供科学依据。选取三峡库区典型紫色土坡耕地埂坎草本植物根—土复合体为研究对象,结合Hyprop2土壤水分特征曲线测量仪、滤纸法与直剪试验,拟合土-水特征曲线,揭示基质吸力对根-土复合体抗剪强度的影响。结果表明:(1)根-土复合体土-水特征曲线明显分为边界效应区、过渡区与非饱和残余区,3种常用模型(B-C、VG、F-X)中F-X模型拟合该曲线效果最好,根-土复合体饱和含水率、进气吸力、残余区含水率以及相同体积含水率下的基质吸力均高于素土。(2)随着体积含水率降低,根-土复合体黏聚力先增大后减小,试验范围内黏聚力最大值51.25 kPa出现在体积含水率约23%时,内摩擦角则线性增大。相同体积含水率下,根-土复合体黏聚力较素土最大增加50%,内摩擦角提升不大。(3)基质吸力对根-土复合体抗剪强度的增强作用具有阶段性特征,各阶段临界吸力值与土-水特征曲线一致,过渡区(基质吸力为3~500 kPa)土体抗剪强度提高明显,进入非饱和残余区后(基质吸力>500 kPa)由于黏聚力下降,土体抗剪强度增速减慢,根-土复合体抗剪强度随基质吸力增大而提升的幅度大于素土。通过建立埂坎根-土复合体土-水特征曲线和抗剪强度的关系,可估测实际工况下的埂坎土体抗剪强度,进而为坡耕地埂坎的建设、维护管理以及坡耕地侵蚀阻控提供理论依据。     

花棒沙柳根与土及土与土界面直剪摩擦试验与数值模拟

花棒和沙柳是毛乌素沙地中分布最广泛的优良防风固沙树种,在固定流动沙丘和半流动沙丘上效果明显。为了探索花棒和沙柳根-土界面的摩擦特性,该文选取毛乌素沙地5 a生人工种植花棒、沙柳的根系为研究对象,通过直剪摩擦试验研究界面类型、土壤含水率和垂直荷载对花棒、沙柳根-土界面以及素土-素土界面摩擦特性的影响,并采用有限元软件对直剪摩擦试验进行数值模拟。结果表明:花棒和沙柳根系对土壤抗剪强度的提高作用与根-土界面的黏聚力无关,与摩擦角有关。花棒根-界面的摩擦角显著高于素土-素土和沙柳根-土界面(P0.05)。土壤含水率的变化对根-土界面的黏聚力与摩擦角的影响规律相似,旱季和雨季对根系提高土壤抗剪强度的作用有显著影响(P0.05)。根-土界面的抗剪强度与垂直荷载的关系同样满足莫尔-库伦准则,本构关系为双曲线。花棒根-土界面抗剪强度极显著高于素土-素土界面和沙柳根-土界面(P0.01),从抵抗根-土位移的角度,花棒的固沙效果优于沙柳。该文所采用的应力、位移边界条件和Coulomb摩擦模型,模拟计算的根-土界面和素土-素土界面的抗剪强度与试验结果基本一致(最大相对误差10%),因此根-土界面的直剪摩擦试验可以通过本文所建立的有限元数值模型来模拟。研究结果可为根系固土作用的理论研究和防风固沙树种的筛选提供参考。     

板料冲压成形过程摩擦特性数值仿真

为了掌握摩擦力在冲压成形过程中的变化规律及不同润滑条件对摩擦特性和成形质量的影响,该文依据摩擦理论和有限元理论,提出等效摩擦系数的概念,将摩擦力产生的机理与有限元数值仿真技术有机结合,分析不同润滑条件下板料冲压成形过程中的摩擦特性。研究表明:摩擦系数增大将导致冲压成形后期摩擦力快速增加,产品成形质量评价指标降低;在润滑条件确定的情况下,可知成形过程中摩擦力的主要成分是黏着区产生的摩擦力,黏着区、边界润滑膜区、犁削区和润滑小池区产生的摩擦力占总摩擦力百分比的比值为65.3∶16.9∶15.6∶2.2。通过研究不同节点摩擦力随时间变化曲线发现,板料减薄区和起皱区的摩擦力变化规律完全不同。研究对进一步提高板料冲压成形质量有着理论和工程意义。     

贺兰山油松林根系空间分布特征研究

通过根钻法对贺兰山油松林木细根分布特征进行了研究,结果表明:在40 cm以上土层中,各径级根系均有大量分布,而在40 cm以下土层中根系分布逐渐减少;92.9％的＜2 mm的细根集中分布于0 60 cm土层中,0 10 cm表层中的细根量占30.8％;油松根系具有深根性特征,但粗根集中于40 cm以上土层中,占粗根总量的88.6％;在距油松样木不同距离处的土壤中,油松细根随着距样木距离的加大而不断减少,一般在距样木2.0m的位置,油松细根量减至最低,同时细根根长、表面积、体积及根尖数都在此处降至最低.     

土壤粒径对灌木植物根-土摩阻特性影响

为了系统性研究灌木植物根系的固土力学效应,探讨土体对根系的摩阻特性,以4种不同土壤粒径（原级配,1.0~2.0,0.5~1.0,<0.5 mm）和3年生的典型护坡植物种火棘及紫穗槐为研究对象,采用室内直剪的方式对根系进行根—土界面直剪摩擦试验。结果表明：（1）根—土及土—土界面的摩阻强度与垂直荷载呈明显的正线性关系;随土体粒径的增加,根—土及土—土界面的摩阻强度、摩擦系数、黏聚力和摩擦角均呈现下降趋势,且在相同粒径范围内,火棘根—土界面摩阻特性显著优于紫穗槐和素土;（2）根—土界面与素土界面的剪应力随位移的增长速率呈现先增大后减小的趋势;根—土界面剪应力与位移关系曲线呈现曲折蜿蜒式上升,而素土曲线表现为平缓式上升;（3）土体粒径越小,根土间接触面的比表面积越大,细小的土壤颗粒与根表面发生镶嵌,加大接触面的咬合力,使摩阻能力加大。研究结果对进一步探讨灌木植物根—土相互作用力学机制,以及利用灌木植物提高试验区边坡土体稳定性、防治坡面浅层滑落具有一定的理论指导意义。     

交变温度对航天轴承摩擦力矩的影响机理

针对空间环境温度在-60~80℃之间交替变化影响航天轴承摩擦力矩的问题,该文利用接触力学和运动学等理论,建立了固体润滑轴承摩擦力矩的数学模型,并分析了内、外圈的摩擦力矩。基于弹性力学、热学和变形协调关系,分析了交变温度影响航天轴承过盈量和预紧力的规律。在此基础上,结合摩擦力矩模型探究了交变温度对航天轴承摩擦力矩的影响机理。通过理论分析研究了交变温度对航天轴承的过盈量、预紧力的影响,进而揭示了交变温度对摩擦力矩的影响规律,并进行了试验验证。研究结果表明:交变温度与内圈过盈量负相关,与外圈过盈量正相关;过盈量增加引起内圈摩擦力矩增大量大于外圈;预紧力随交变温度升高而增大,当交变温度从-60升高到80℃时,与常温时相比预紧力变化范围为-40~40 N;预紧力、环境温度的增加都将引起摩擦力矩增大;摩擦力矩随交变温度增加而增大,随交变温度降低而变小,且摩擦力矩达不到初始时刻的最大值和最小值。研究结果为减缓摩擦力矩变化提供参考。     

灌木柠条锦鸡儿根-黄土状盐渍土界面相互作用力学特性

为了进一步探讨西宁盆地黄土区灌木植物根系固土护坡力学效应,以区内优势灌木植物柠条锦鸡儿为研究对象,开展不同土体密度、含水量、含盐量和根径单因素变化条件下的单根垂直拉拔试验,探讨和分析了上述因素对灌木植物根-土界面相互作用力学特性的影响和作用机理。结果表明:在垂直埋深为25 cm及其他因素恒定的情况下,随着土体密度由1.20 g/cm³增长到1.60 g/cm³,单根最大抗拔出力由(28.60±2.83)N增长至(114.33±7.17)N,呈指数函数增长趋势; 随着土体含水量由6.00%增长到22.00%,单根最大抗拔出力由(152.80±10.07)N降低至(31.50±5.53)N,呈指数函数降低的变化趋势; 随着土体含盐量由0.59%增长至2.00%,单根最大抗拔出力呈现出先增大后减小的变化趋势,在含盐量为1.00%时,单根最大抗拔出力达到峰值(61.20±0.94)N,且二者关系符合二次函数关系; 在根径为2.74～9.57 mm范围内,随着单根平均根径的逐渐增大,单根最大抗拔出力由25.20 N线性增长至97.10 N。在此基础上,提出了垂直单根最大抗拔出力计算模型,并指出计算垂直单根最大抗拔出力所需的根-土界面综合黏聚力和综合摩擦角可通过根-土界面直剪试验获得。     

青藏高原东北部黄土区草本与灌木植物根-土相互作用力学机理及其模型研究

为研究草本和灌木根系在护坡中的力学机理,以西宁盆地为例,对青藏高原黄土区生长2年的草本芨芨草和灌木柠条锦鸡儿进行了野外观测和现场力学试验。结合研究区现场观察、试验和分析得出：芨芨草和柠条锦鸡儿根系的生长特征及力学特征均较其他乡土植物显著,护坡力学效应较强;试验区草本植物根系在土体中主要起加筋作用,灌木植物水平根系起牵引作用、垂直根系起锚固作用。通过建立根-土相互作用的力学模型得出：草本植物根系对边坡的加筋作用大小与根系数量、根系抗拉力以及根系在土体中的延伸方向均有关;灌木根系对土体的牵引效应与根系数量、直径和抗拉强度呈正相关,根系锚固力的大小主要取决于根系与土体间的摩擦力,且根系所受的摩擦力与根系半径、土层深度和土体重度呈正相关。对于坡度为40°的土质边坡,选择芨芨草、柠条锦鸡儿等根系发达的灌草植物进行护坡,其防护效果较好。     

河西灌区枸杞根系空间分布特征研究

采用土钻法对河西灌区枸杞的根系分布特征进行了调查。结果表明:枸杞细根根系、粗根根系集中分布在20—40cm土层内;细根和粗根生物量水平分布随着距树干距离的增加呈指数性下降;根据枸杞根系分布特点,枸杞合理的施肥方法应采用沟施或环施,位置距枸杞树干30~90cm,深度30cm左右;结合树木根系消弱系数,从量化的角度对不同树龄枸杞根系分布特征的进一步分析,发现随着距树干距离的增加,3a生、8a生枸杞细根根系消弱系数β值随着水平距离的增加先增大后减小,最大值在距树干60cm处,分别为0.960 3,0.984 0;而枸杞粗根根系的β值随着距树干距离的增大而增大,在距树干90cm处有较大范围的分布,对树木水分和养分的疏导起到了非常重要的作用。细根根系的β值大于粗根根系的β值,说明细根比粗根在垂直方向分布范围深,吸收利用深层土壤水分和养分的能力强,这种分布特征扩大了枸杞的吸收空间,有利于树木吸收深层的水分和养分,促进树木地上部分的生长和发育。