摘 要

本文借助有限元软件ABAQUS对根-土复合体开展有限元数值模拟直剪试验，对植物根系与土体的耦合抗剪作用的影响范围进行了研究与探讨，在植物根系与土体的耦合作用研究方向上做出了探索性的工作。

论文研究的过程与结果揭示了根土复合体发生定量剪切位移后，根系所受的剪力和拉力沿根系长度路径方向的变化趋势与量值、根系附近土体剪力沿着相同路径方向的变化趋势与量值；用以判断根系受剪影响范围、受拉影响范围和影响卓越范围，以及它们同土体的受剪影响范围和影响卓越范围的关系。

研究表明：在根土复合体发生定量剪切位移过程中，根系主要承受拉力，根系拉力值gt;土体剪力值gt;根系剪力值；根系受剪影响范围和土体受剪影响范围比较吻合，并且小于根系受拉影响范围；根系受拉影响卓越范围与土体受剪影响卓越范围较为吻合，并且大于根系受剪影响卓越范围。

本文的特色：基于有限元数值模拟的手段，探索性的对植物根系与土体的耦合抗剪作用范围展开了研究与讨论。

关键词：数值模拟；根-土复合体；直剪试验；耦合作用影响范围

Abstract

In this paper, ABAQUS, a finite element software, is used to simulate the direct shear test of the root soil complex. The influence range of the coupling shear resistance of the plant root and soil is studied and discussed, and the research direction of the coupling effect of the plant root and soil is explored.

The process and results of this paper reveal that after the quantitative shear displacement of the root soil complex, the shear force and tensile force of the root along the length path direction of the root system and the shear force of the soil near the root system along the same path direction change trend and value, so as to judge the shear influence range, tensile influence range and influence excellent range of the root system, as well as their same soil mass The relationship between the scope of shear influence and the scope of influence excellence.

The results show that: in the process of quantitative shear displacement of root soil complex, the root system mainly bears tension, the root tension value gt; soil shear value gt; root shear value; the influence scope of root system shear is consistent with that of soil shear, and smaller than that of root system; the excellent scope of root system shear is consistent with that of soil shear, and larger than that of root system Superior range of shear effect.

Characteristics of this paper: Based on the means of finite element numerical simulation, the scope of coupled shear resistance of plant roots and soil is studied and discussed.

Key Words：numerical simulation；root-soil complex；direct shear test；influence range of coupling action

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 论文的主要工作 3

第2章 研究内容及数值模拟方案 4

2.1 研究内容 4

2.2 模型建立方案 4

2.2.1 土壤模型 4

2.2.2 根系模型 4

2.2.3 其他条件 5

2.3 数值模拟方案 5

2.3.1 模型布置方案 5

2.3.2 数据获取方案 7

2.3.3 数据处理方案 8

2.4 小结 8

第3章 成果展示及分析处理 9

3.1 成果展示及简析 9

3.2 讨论 32

3.3 小结 33

第4章 结论与展望 34

4.1 本文结论 34

4.2 本文的不足与展望 34

参考文献 35

致谢 37

第1章 绪论

1.1 研究背景

近几十年以来，我国致力于进行基础设施建设，尤其是在公路建设之中取得了相当大的进展，这使得我国的公路建设实现了跨越式的发展。在公路的施工过程之中，由于公路施工跨度大，会产生大规模的边坡开挖和填筑，这对于原有的生态环境会造成不可逆转的破坏，同时在公路的建设过程之中存在大量的高填深挖等施工步骤，路堤路堑的形成必然会导致土应力的重新分配，这将对原有的土体结构造成破坏，由于原有的植被和土体结构被破坏，人为重塑的坡体结构在自重、地下水等因素的作用下会发生不同程度的蠕动变形，进而发生崩解，滑坡、坍塌等失稳现象。鉴于此，绿色环保主题在国家交通道路的建设中越发受到重视。

植物护坡技术的应用很好的体现了绿色环保主题，对于此项技术的研究也越来越多。植物护坡技术是利用植被对边坡土体起到的防止水土流失的作用为原理来稳定加固边坡土体，同时对原有的由于工程施工而遭到破坏的生态环境进行一定的恢复的一项技术。在公路边坡上种植植被，通过地上植被的枝叶阻挡雨水直接打击到土壤，保护地表土层免受雨水侵蚀、径流冲刷，从而起到防止水土流失的作用，植物吸收土层中的水分能够减少土体间的孔隙水压力，增加土体边坡的稳定性，植物根系是其关键之处，通过植物根系对土体的加筋作用，能够有效增强土体的抗剪强度，通过植物根系的锚固作用，又能够有效的使表层土体与深层土体或基岩锚固在一起，使得稳定性大大增强。因此开展植物根系与土体的耦合作用的研究，对于植物边坡防护和生态环境保护有重要的理论意义与现实意义。

在公路边坡上种植植被，通过地上植被的枝叶阻挡雨水直接击打到土壤，保护地表土层免受雨水侵蚀、径流冲刷，从而起到防止水土流失的作用，植物吸收土层中的水分能够减少土体间的孔隙水压力，增加土体边坡的稳定性，植物根系是生态防护的关键之处，通过植物根系对土体的加筋作用，能够有效增强土体的抗剪强度，通过植物根系的锚固作用，又能够有效的使表层土体与深层土体或基岩锚固在一起，使得稳定性大大增强。

1.2 国内外研究现状

Ming Yang,Pauline De´fossez,Fre´de´ric Danjon，and Thierry Fourcaud^【1】利用有限元的方法对树木抗风稳定性进行了有限元模拟，提供了第一个由单根的机械强度得出的松紫菀树锚定强度模型，为其他种类的树种及土壤条件提供了参考；Andrew Simon,Andrew J.C.Collison^【2】的相关研究中对4种树种和2种草种的河岸植被对河岸稳定性的力学和水文效应进行了研究，研究结果论证了水文效应在控制河岸稳定性方面的重要性，并强调了根据水文、生态和生态标准选择河岸植被的必要性；Bruce Abernethy，Ian D.Rutherfurd^【3】对河岸树根分布及强度与河岸加固的关系进行了研究；Der-Guey Lin, Bor-Shun Huang, Shin-Hwei Lin^【4】对马基诺竹土壤-根系抗剪强度及其对边坡稳定性影响进行了三维数值研究，研究表明了马基诺竹根土复合体的抗剪强度有明显增强，但对边坡稳定性的贡献并没有预期的那么大；Murielle Ghestem,Guillaume Veylon,Alain Bernard,Quentin Vanel.Alexia Stokes^【5】对植物根系形态和结构特征对土壤抗剪性能的影响展开了研究，研究表明根系的存在提高了材料的抗剪强度和变形能力；E Comino,P Marengo^【6】通过室内试验对三种灌木的根系抗拉强度进行了研究；Garg Ankit^【7】展开了对不同植被类型的抗拔力及其与植物特性和土壤水力特性的关系的研究。