花棒根-土复合体直剪试验的有限元数值模拟与验证

• 作者: 及金楠 曹兵 李才华 田佳 袁博 谢彦斌 郭婷
• 来源期刊: 农业工程学报
• 学科: 农学
• 关键词: 有限元法 数值方法 抗剪强度 根-土复合体 直剪试验 数值模拟 花棒
• 年，卷（期）: 2015,（16）
• 所属期刊栏目: 农业水土工程
• 页码范围: 152-158
• 页数: 7页
• 分类号: S157.2
• 字数: 6855字
• 语种: 中文
• DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.16.021

摘要

为深入了解花棒（Hedysarum scoparium）根系在增强土壤抗剪强度中的作用机理，同时减少试验成本和挖掘根系对环境的破坏，该文采用有限元数值模拟的方法研究了宁夏毛乌素沙地5 a生人工种植花棒根系的根截面积比（root area ratio，RAR）和垂直荷载对根-土复合体抗剪强度的影响，并对模拟结果进行了试验验证。研究表明：花棒根-土复合体的抗剪强度与垂直荷载的关系符合摩尔库伦（Mohr–Coulomb）屈服准则，花棒根系对土壤的抗剪强度有显著的提高作用。随RAR的增加，花棒根系表观黏聚力（root apparent cohesion，SR）呈线性增加（R2>0.9）。在相同的RAR下，花棒根-土复合体抗剪强度相对于素土抗剪强度的增长率随垂直荷载的增加逐渐降低，符合对数函数变化规律（R2>0.9）；在相同的垂直荷载下，随RAR的降低，花棒根-土复合体抗剪强度相对于素土抗剪强度的增长率呈线性递减（R2>0.9）；在较低垂直荷载的情况下，花棒根系提高土壤抗剪强度的作用更明显。研究发现与素土相比花棒根-土复合体的剪应力峰值出现较晚，当土壤出现明显塑性变形时，花棒根系的固土能力才能体现出来。数值模拟结果和室内试验结果显示：利用该文所建立的花棒根-土复合体直剪试验的有限元数值模型，模拟计算的根-土复合体抗剪强度与室内试验结果基本一致，相对误差绝对值的平均值1.87%，花棒根-土复合体的直剪试验可以通过该研究所建立的有限元数值模型来模拟。研究结果对于深入了解植物根系加固土壤的作用机理和推进根-土相互作用的数值模拟研究具有重要参考意义。

作者信息

序号	姓名	单位	发文数	被引次数	H指数	G指数
1	曹兵	宁夏大学农学院	119	952	15.0	24.0
2	郭婷	宁夏大学农学院	5	31	3.0	5.0
3	及金楠	北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室	15	129	7.0	11.0
4	田佳	宁夏大学农学院	19	105	6.0	9.0
5	袁博	宁夏大学农学院	3	26	3.0	3.0
6	李才华	宁夏大学农学院	3	46	3.0	3.0
7	谢彦斌	宁夏大学农学院	1	14	1.0	1.0