无裂缝植物根系对中原地区土遗址边坡的力学作用研究

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  1.土遗址保护研究现状与进展
  我国土遗址种类丰富、类型全面。按照不同分类标准,可将土遗址分为不同的类型。古文化遗址大多保存在地下,有些经过发掘后已经回填,如陕西姜寨遗址:只有少量的进行室内展示,如陕西半坡遗址、甘肃大地湾遗址等,这些遗址主要是室内遗址。而大遗址的保护和研究在不断的进步与发展中。
  2.河南大遗址的类型与区域特征
  河南省作为中原地区的主要发源地,历史悠久,其为全国文物大省,遗址比较类型齐全,如遗址、古城址、古建筑、古墓葬、石窟寺及石刻等不可移动文物均有所发现。河南省共计189处六批全国重点文保护单位。全国重点保护大遗址河南省内16处以洛阳和郑州最多,洛阳7处,郑州5处。
  3.植物根系对土遗址稳定性的影响
  植物本身对土遗址具有保护与破坏的双重作用植物根系的力学作用是对土遗址最主要的破坏方式之一,植物表层根系对土壤颗粒有约束作用,深部根系对其有锚固作用,而树根自身可以对建筑物造机械破坏,根尖会产生酸性物质,其会引起土遗址发生化学风化从而导致根系腐烂,存在一定的隐患,这些不利因素都会对土遗址保存造成一定的影响。
  4.植物根系对斜坡的加筋作用
  植物根系含根量随深度逐渐减少,其分布呈網状。根系相当于一种柔性加筋材料,类似于土木工程中的土木格栅。土和根系的相互作用共同组成了根一土复合材料,根系与土的复合体相当于加筋土,其远比土木工程中的加筋土复杂,其在空间上来看是一个三维体,故可看做是加筋土分布,具有与加筋土的受力特性,从而对土体具有一定的加筋作用,提高加筋体的整体强度。
  5.有限元软件建模分析
  通过建立有限元数值模型,以达索SIMULIA公司开发的abaqus软件为计算工具,以强度折减有限元法为基本原理,研究常见植物的根系形态,以及根土相互作用的形态,分析常见根系与土体相互作用的力学模型,建立计算实例分工况进行有限元分析,探索根系在边坡中的形态和土体的应力应变状态,进而了解根系作用在边坡上时,其对边坡的破坏作用。
  为了能够明显的对比出不同树根对土坡的破坏程度,选用尺寸大小一样的边坡进行计算。边坡土体的基本参数如下:截取底边L=17.5m,高H=10m,厚度A=1.6m的土方,坡度为1:1.5,γ=20KN/m?,粘聚力c=40KPa,内摩擦角φ=55.46°(即强度折减系数为0.5,这是为了防止土体本身不稳定),弹性模量E=100MPa,泊松比μ=0.25。
  对土体,采用了常规的理想弹塑性本构模型,土体的破坏采用Mohr-Coulomb
  破坏准则。设置其最大主应力MAXP=100KPa,其损伤演化选取能量的、线性最大的、幂法则的。
  对于桩体(树根)由于其形态的不定性,故不提供图片实例,其基本参数为:γ=24KN/m?,弹性模量E=30000MPa,泊松比μ=0.2.
  下面通过改变根系形态等因素建立有限元数值分析探求影响植物根系破坏边坡的因素。
  土体是否破坏判断标准:在土体破坏后,土体中你会产生相应的失效单元,呈青色或者灰白色,如图:(1) (2) (3) ,若显示为图中所示状态,则为破坏或失效单元。
  6.计算结果与分析
  工况1:在边坡上设置一根树根,未设置预设裂缝的情况下,树根对土体的影响。
  分析结果:在设置单根树根作用在边坡上时,除了本体沉降以外,土体没有发生任何破坏,土体各层次受力分明,并且树根深入边坡滑动面一下,起到锚固固坡的作用。
  工况2:在边坡设置一根主直根(带侧根),未设置预设裂缝的情况下,树根对土体的影响。
  分析结果:当设置一根主直根在边坡上时,不设置裂缝,土体整体各层次受力分明,在侧根和土体交接部分,有许多细小的土体单元已经失效或者坏死,如树根未被取出,侧根周围土体单元部分失效。在树根被提取出来,单独观察土体的变化,由青色单元蔓延的比较紊乱可以判断,侧根孔洞周围的土体受力已经不均匀,且孔洞周围的土体单元,有明显的失效迹象。
  7.结论与展望
  通过以上分析对植物根系破坏边坡的数值模拟研究得出如下结论:
  (1)通过建立有限元数值模型,以达索SIMULIA公司开发的abaqus软件为计算工具,以强度折减有限元法为基本原理,研究常见植物的根系形态,以及根土相互作用的形态,分析常见根系与土体相互作用的力学模型,建立计算实例分工况进行有限元分析。
  (2)在相同状态下的边坡,相比而言,单根对边坡的破坏性较小,主直根(带侧根)对边坡的破坏性较大。
  (3)植物根系在一定条件下对边坡有加筋的作用。
  作者简介:付晨,福建农林大学作物科学学院、福建农林大学海峡联合研究院根系生物学中心,研究方向,作物科学。
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