黄土高原造林边坡应力应变特征及其稳定性分析

该文以刺槐林、油松林固坡为例,运用有限元方法分析刺槐和油松林边坡的应力和变形特性,探讨不同根型树种对边坡稳定性的影响。结果表明:油松能将表层土体的应力通过根系传递到深层,起到弱化浅层土体应力的作用,提高边坡的稳定性。刺槐林边坡坡脚向土体内侧存在一个位移集中带,是边坡不稳定的主要部位;在边坡偏上部出现位移集中带,最大位移也出现在边坡偏上部,是边坡变形滑动时“滑出”的位置。油松林边坡未出现上述两种情况,说明油松林显著提高了边坡的稳定性,油松根系的固土作用及增加边坡稳定性效果要好于刺槐林边坡。      

刺槐林边坡稳定性有限元分析

该文以刺槐林固坡为例,将根土复合体看作是由土体、根系以及土体与根系之间的接触面单元所联系起来的有机体,运用有限元方法分析了刺槐林木根系边坡的应力和变形特性,探讨了刺槐根系对边坡稳定性的影响。结果表明:无林边坡坡脚向土体内侧存在一个应力和位移的集中带,根系的存在使得有林边坡在坡脚集中带的区域范围减小;根系周围位移等值线变化剧烈,有林边坡最大水平位移发生在边坡根系分布区;斜坡中同一位置处有林边坡的垂直位移明显小于无林边坡的;边坡最大、最小主应力等值线随土层深度的增加而增加,有林边坡最大主应力、最小主应力的最大值小于无林边坡的,说明有林边坡更趋于稳定。     

降雨条件下刺槐林边坡稳定性分析

基于野外调查和室内试验分析,该文运用非线性有限元法分析了降雨条件下刺槐林边坡的应力应变情况。结果表明:降雨使得土壤含水量增加,基质吸力减小,边坡的抗剪强度降低,使原本稳定的边坡可能发生边坡失稳;土壤含水量增加,边坡坡角处向坡体内的水平位移集中带范围明显增加,边坡顶部的应力水平变化梯度增加,容易在应力水平变化梯度较大的地方形成滑落面,造成滑坡;林木根系将边坡的应力向土层深部传递,弱化根系层应力,减小土体的应力集中;根系吸收坡体内的水分,使得坡体内非饱和区域含水量增加缓慢,对边坡稳定性有利。     

林木根系固土作用数值分析

林木根系的固土作用是通过影响土体的应力、应变(位移)状态来实现的.该文将根土复合体看作是由土体、根系以及土体与根系之间的接触单元所联系起来的有机体,采用Duncan-ChangE-μ模型和非线性界面单元模型对根系固坡问题进行了应力应变分析,以油松为对象,模拟了油松根系与黄土相互作用的应力场,探索了有限元数值分析方法在根系固土机理研究领域的应用.研究结果表明,根系能使坡面表层的应力传递到土层深层,并弱化一定深度土层土体的应力,尤其是根底边缘附近的浅层土体应力减小的幅度较大,表明根系固土的影响范围局限于土体浅层.采用有限元法计算坡面在无林与有林两种条件下的边坡安全系数分别为1·821和1·984,有油松根系存在的边坡其安全系数比天然边坡计算的安全系数提高了10%,说明根系具有一定的固土作用.     

刺槐林边坡稳定性的条分法分析

该文利用瑞典条分法研究了林木根系对边坡稳定性的影响,分析了造林密度、林龄、坡长、坡度和降雨等因素对刺槐林边坡稳定性的影响。结果表明:①造林密度增大、林龄增长,边坡最小安全系数均减小,边坡稳定性略微降低,影响可以忽略不计。②边坡坡长增加、边坡坡度增加,滑动面最小安全系数均减小,边坡稳定性明显降低。③降雨条件下,土壤含水量增加,边坡最小安全系数减小,边坡越来越不稳定。结合边坡最危险情况下的造林密度、林龄、坡长、坡度和降雨条件,分析无林边坡与造林边坡的稳定性。结果表明,在相同的条件下,造林边坡的最小安全系数比无林边坡大、稳定性更高,林木根系能提高边坡的稳定性。     

黄土高原植物根系增强土体抗剪强度的模型与试验研究

为研究黄土高原植物根系固土力学机制,通过Wu & Waldron(WWM)模型和Fiber Bundle(FBM)模型, 确定了黄土高原地区主要造林树种油松、刺槐、荆条和丁香4种植物根系对土体抗剪强度的增强作用,并用原位直剪试验对其进行了验证。应用ABAQUS有限元软件构建造林边坡稳定性分析模型,通过数值模拟的方法从边坡尺度上量化4种不同植物根系固土作用。结果表明:通过原位直剪试验的验证,发现评价植物根系对土体抗剪强度增强作用的WWM、FBM模型均存在一定的误差,因而建议进一步完善该理论模型。同时,基于原位直剪试验测定的根系对土体抗剪强度的增强作用,进行边坡稳定性分析,发现4种植物造林边坡稳定性均高于裸坡,边坡安全系数平均提高4.38%,最大等效塑性应变平均减小50.08%,最大水平位移平均减小40.83%,最大竖向位移平均减小14.84%;4种植物措施中,荆条造林措施对浅表层土体的固土效果最佳。研究结论为评价造林边坡的稳定性,揭示根系固土的力学机理提供理论基础和科学依据。      

狗牙根根系形态对边坡稳定性的影响

基于野外调查和室内试验,将根土复合体看作由土体、根系所联系起来的有机体,运用非线性有限元计算方法分析在雨水侵蚀力和坡面径流侵蚀力作用下,狗牙根根系须根数量和长度对边坡表层土体稳定性的影响．结果表明：根系的存在能有效提高边坡表层土体整体稳定性,边坡表层总应力和水平应力随着狗牙根须根数量的增多和须根长度的增大而逐渐增大,边坡土体水平位移量、竖向位移量、总位移量随着狗牙根须根数量的增多和须根长度的增大而逐渐减小．因此,选择合适根系分布形态的护坡植物对稳定边坡表层土体具有十分重要的意义．     

造林土质边坡浅层平面滑坡模型的初步研究

造林土质边坡容易发生浅层平面滑坡。基于极限平衡理论,综合考虑土质边坡上林木根系的力学加固土壤作用和水文增加基质吸力效应,以及林木附加自重对边坡稳定的负面效应,建立了一个用来评价造林土质边坡浅层平面滑坡的分析模型。所有模型参数中土壤内摩擦角和边坡坡度的微弱变化能引起边坡安全系数较大浮动,而林木附加自重的变化对安全系数的影响较小。造林土质边坡浅层滑坡分析模型中林木根系对土壤的力学加固作用采用了修正的植物根系提高土壤抗剪强度的简单力学增强模型,相比以往类似边坡稳定性模型,分析模型显著提高了预测边坡稳定的准确性。      

树木根系固土力学机制研究综述

近30 a来,由于科学技术的发展和生态环境建设的需要,根系固坡力学机制研究成为学科交叉的新领域。鉴于此,概述了近30 a来固土力学机制的研究进展及今后研究方向。综观根系固坡的研究历程,研究集中在林木根系抗拉、锚固、根系-土壤复合体提高抗剪强度等方面。今后应加强对根系纤维素、半纤维素的定量分析,探讨不同植物根系弹性、抗拉力及应力-应变关系的差异,加强水土保持树种搭配的理论研究,从不同力学特性的根系相搭配的角度来研究根系固土护坡的功效。在边坡的稳定方面,应用有限单元方法研究根土复合体边坡的应力场、位移场的变化及边坡的稳定性情况,并用有限元的方法解决实际生产中的边坡造林中树种选择、造林密度等问题。     

库布齐东段典型人工固沙林土壤水分时空变化特征

以库布齐沙漠东段典型人工固沙林（油蒿林、沙柳林、柠条林）为对象,利用TRIME-PICO土壤水分观测系统对2017-2019年生长季迎风坡顶部、中部和底部0～180 cm土层深度土壤含水量进行连续监测,探讨区域植被类型和环境因子对土壤水分时空变化的影响。结果表明,研究区平均土壤含水量年际变化受降雨量影响表现为:2019年（9.7%）>2018年（8.6%）>2017年（4.3%）;因植被生长特性差异,土壤含水量表现为:油蒿林（7.9%）>沙柳林（7.8%）>柠条林（6.9%）;不同坡位土壤含水量略有差异,油蒿林和柠条林表现为:迎风坡底部>中部>顶部,而沙柳林为:迎风坡底部>顶部>中部;不同样地土壤含水量垂直变化明显,均呈现先减小后缓慢增大的趋势,含水量最大值均出现在浅层（0~40 cm）,由于降雨入渗和植被根系分布的不同,最小值在中层和深层均有出现;3种样地土壤水分时间变异系数为0.2~0.4,浅层时间变异性较大,深层较为稳定;土壤水分与垂直变异系数呈负相关。总体上,季节变化和土层深度在时间和空间维度对土壤水分有较大影响,土壤水分和植被生长既相互作用又相互制约。     

根系生态护坡的机理及试验研究

针对公路边坡开挖可能导致生态破坏和边坡失稳等问题，分别从理论上分析植物根系生态护坡的力学机理和从试验上研究根系的抗拉锚固能力.理论研究表明，根系提高土的抗剪强度主要是通过根-土接触面的摩擦力把土中的剪应力转换成根的拉应力来实现的；根系在生长时分泌了大量高分子聚合物，将其表面附近的土颗粒聚集起来，从而抵抗边坡土体受水流等因素的侵蚀.刺槐幼株根系的抗拉强度试验研究表明：侧根抗拉强度最大值大于主根的抗拉强度最大值，其最大值可达91.41 MPa；与HPB235钢材强度设计值210 MPa相比，该株刺槐根系的抗拉强度可达到其1/4～1/2.     

面向采摘机械手的蒜薹力学特性试验研究

为确定蒜薹的机械化采摘参数,以收获期蒜薹为对象,进行不同部位蒜薹的拉伸和压缩试验,以及整根蒜薹的拉伸试验。结果表明:拉伸初期,拉应力与应变近似线性增长,表现出弹性材料的特征;当应变增大到一定值时,拉应力随着应变缓慢增大,表现出弹塑性材料的特征。从顶部到根部,蒜薹的最大拉应力单调递减,最大压力总体呈现减小的趋势,蒜薹的弹性性能逐渐减弱,相同压力下的压缩变形量依次减小。当拉伸速度为20mm/min时,90%的蒜薹在根部断裂,此时最大拉应力为(1.2±0.1)MPa,最大应变为0.15±0.04。采摘机械手夹持蒜薹的最佳部位为蒜薹中部以上,夹持载荷应4.1N/mm。可用对数函数和多项式函数分别表达蒜薹的拉应力与应变及压力与压缩变形量的关系。     

红黏土塑性混凝土防渗墙与覆盖层变形协调及应力变形分析

利用ABAQUS有限元模拟软件,对云南某黏土斜墙土石坝进行有限元分析,探究坝基中红黏土塑性混凝土防渗墙对覆盖层影响的变化规律。结果表明,在校核洪水位下,0.3、0.4和0.5 m防渗墙的铅垂向位移与覆盖层协调性较好;0.3 m厚防渗墙与覆盖层协调性稍差于0.4、0.5 m厚防渗墙;墙顶垂直应力值为墙底垂直应力值的58%左右,分布较为均匀,有利于墙体的安全;大小主应力值均以压应力为主,其中大主应力值在墙体与基岩连接处出现极小范围的拉力区,但拉应力值远小于抗拉强度0.19 MPa,小主应力最大值为-0.62 MPa,远小于抗压强度值1.69 MPa。     

重车碾压作用下X65管道力学响应及影响因素

随着中国城市化进程的加快,道路与管道交叉的情况日益增多,使管道运行安全受到威胁.以X65管道为研究对象,通过现场试验开展了空载、半载、满载3种动载荷作用下管道力学响应状态研究.基于试验结果建立考虑管土非线性相互作用的参数化数值计算模型,实现了车辆动载荷的精准模拟,数值计算结果与试验结果误差小于5％.在此基础上,探究了重...     

小兴安岭天然白桦林生态系统碳储量

采用相对生长方程与碳/氮分析测定法,测定小兴安岭天然白桦林在7个立地类型(阳坡上、中、下部和阴坡上、中、下部及谷地)的生态系统碳储量(植被和土壤)、净初级生产力与年净固碳量,揭示立地类型对白桦林碳汇功能的影响规律。结果表明:1)小兴安岭白桦林植被碳储量((49.39±3.09)~(89.20±10.17)t/hm2)在谷地、阳坡下部和阴坡上、中部4个立地类型显著高于阳坡上、中部及阴坡下部3个立地类型(38.2%~80.6%,P＜0.05)。2)其土壤有机碳储量((147.30±21.39)~(273.67±22.67)t/hm2)在阴坡上、中部和谷地最高,显著高于阳坡上、中部和阴坡下部(27.9%~85.8%,P＜0.05),阳坡下部居中,仅显著高于阴坡下部(53.3%,P＜0.05),阳坡上、中部和阴坡下部相对较低。3)其生态系统碳储量((207.88±16.07)~(357.85±20.80)t/hm2)在谷地、阳坡下部和阴坡上、中部4个立地类型显著高于阳坡上、中部和阴坡下部3个立地类型(33.2%~72.1%,P＜0.05)。4)其植被净初级生产力((5.80±0.26)~(8.87±1.17 )t/(hm2·a))在阳坡下部和阴坡上、中部3个立地类型相对较高,显著高于阴坡下部(31.2%~52.9%,P＜0.05),阳坡上、中部与谷地3个立地类型居中,高于阴坡下部(15.5%~26.4%,P＞0.05),阴坡下部最低。5)其年净固碳量((2.76±0.10)~(4.15±0.32)t/(hm2·a))在阳坡下部和阴坡上、中部3个立地类型相对较高,显著高于阴坡下部(27.9%~50.4%,P＜0.05),阳坡上、中部与谷地3个立地类型居中,高于阴坡下部(12.3%~23.9%,P＞0.05),阴坡下部最低。因其植被年净固碳量低于我国陆地植被平均固碳量(15.3%~43.7%),故小兴安岭天然白桦林属于碳汇功能相对较低的森林类型。      

坡位对红松阔叶林物种多样性的影响1）

以黑龙江丰林国家级自然保护区为研究区域,依据地形地势自上而下将山体划分为上坡位、中坡位、下坡位和谷底,各选取15个样地进行野外调查,运用统计学方法研究坡位对红松（ Pinus koraiensis）阔叶林群落结构和物种多样性的影响。结果表明：中坡位和下坡位乔木层盖度显著高于上坡位和谷底,灌木盖度随坡位下降递减,而草本盖度则递增;中坡位和下坡位乔木物种丰富度和多样性显著高于上坡位和谷底,草本物种丰富度和多样性随坡位下降递增,而灌木物种丰富度和多样性随坡位变化无显著差异;谷底乔木物种均匀度显著低于上坡位、中坡位和下坡位,灌木和草本物种均匀度随坡位变化无显著差异。     

基于离散元法植物根系对黏性土坡稳定性的影响

针对传统有限元方法不能够从细观尺度研究植被固坡作用的问题,采用离散元模型结合强度折减法,研究植被护坡位置对黏土边坡稳定性的影响。模拟结果表明:1)应用离散元模型结合强度折减法得到的无护坡情况下边坡安全系数为1.08,应用有限元模型得到的安全系数为1.09,表明采用离散元模型结合强度折减法分析边坡稳定是可行的;2)植被护坡位置对黏土边坡稳定性具有不同程度的影响:仅在坡面、坡脚或者坡顶种植植被时,植被对边坡的稳定性影响很小;3)当在坡面与坡脚或者坡顶与坡底都种植植被时,植被对边坡的稳定性具有较大影响,且当在坡顶、坡面和坡底全都种植植被时,对边坡稳定性的影响最大,边坡稳定性最高。研究结果为实际工程中植被护坡铺设位置的选择提供了相应的理论依据。     

黄土高原弃耕地不同地形下植物群落演替初期的群落结构及多样性研究

采用样方调查方法对不同地形下典型黄土高原弃耕地植物群落发育初期阶段的植物群落物种组成及其相似性和多样性进行了研究。结果表明,不同地形下弃耕地植物群落演替初期的植物生活型结构不同,主要体现在以地面芽植物或一年生植物居多。植物群落演替初期坡顶和阴坡的群落相似性较大,而阳坡和坡底植物群落相似性较大。不同地形下植物群落多样性有差异,群落均匀度差异较小,各个多样性指数在不同地形的群落间的差异显著性不同,综合多个多样性指数值的大小,坡顶的植物群落多样性最大,而阳坡植物群落多样性最小。笔者推测,未来几年坡顶植物群落和阴坡植物群落将向多年生植物群落方向演替,而坡底和阳坡将向一年生植物群落方向演替。建议弃耕地植物群落学特性研究应长期进行,以便为黄土高原植被恢复和重建提供更加科学的依据。     

混凝土桥面铺装层层间抗拉分析

当桥面水泥混凝土出现裂缝时,针对垂直荷载作用下的防水层在裂缝上产生的变形,建立了计算防水层延伸率和抗拉强度的模型,可以有效计算出在此工况下防水层须具备的最小延伸率和拉伸强度。计算表明,延伸率低的防水层,要求有高的抗拉能力,而在裂缝宽度一定时,变形能力大的防水层适应能力强。利用有限元法分别对直接加铺沥青混凝土和设防水层的两种桥面铺装结构进行实体建模,研究了在行车荷载作用下,当沥青混凝土面层出现开裂时,桥面各铺装层的模量、厚度对铺装层层间法向拉应力的影响。结果表明,对直接加铺沥青混凝土面层的铺装结构,沥青面层厚度在一定范围内变化可以使铺装结构具有较好的受力性能,对于设防水层的桥面铺装结构,防水层模量是影响层间法向拉应力的主要因素。