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华北四种常见乔木根系固土的力学特性研究

作　者: 王萍花
导　师: 陈丽华
学　校: 北京林业大学
专　业: 水土保持与荒漠化防治
关键词: 乔木根系抗拉强度应力-应变关系三轴压缩抗剪强度
分类号: S718.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

为探索乔木阻止浅层滑坡、固持水土的力学机制,本文采用室内轴向拉伸试验对华北土石山区4种常见乔木：油松、白桦、落叶松和蒙古栎进行单根拉伸试验,测定其单根的抗拉力学特性；定性分析了直径、树种、标距以及拉伸速率等因素对抗拉强度、最大抗拉力和应力-应变关系的影响；在此基础上,进一步定量分析建立了单根抗拉强度的综合模型和描述应力-应变关系的经验模型。然后,选取油松根系作为试验根样与华北木兰围场取回的土样一起制备成根土复合体试样,采用全自动三轴压缩仪对复合体进行剪切试验,对复合体的剪切特性进行研究分析。主要研究成果如下：(1)4种乔木根系抗拉强度的水平：白桦>蒙古栎>油松>落叶松；4个研究树种根系的抗拉强度均与直径呈负相关关系；在同一径级下,标距与抗拉强度呈负相关关系；拉伸速率对其根系抗拉强度水平的影响均不太明显。(2)乔木单根的应力应变曲线整体都为单峰曲线,没有出现明显的径缩现象。四种乔木的应力应变曲线都表现出弹塑性材料特征,只是在受拉的初期阶段,表现为弹性材料特征；应力超过弹性极限,根系变形迅速进入弹塑性变形阶段。(3)引入了树种、标距作为控制变量,对4个树种根系构建林木单根抗拉的力学特性综合模型,其数学表达式为P=a(S,L)+b(S,L)/D。此模型在一定程度上能反映林木单根的力学作用机制,有一定的实际指导意义。(4)建立了一个反映林木单根本构关系的经验模型,并从数学角度,对模型进行了理论论证,推导给出了模型相关参数的计算方法。(5)加根能够明显提高土体抵抗剪切破坏的能力,且垂直加根的效果强于水平加根的效果,围压的增加和埋入根段直径的增大都使这种加强效果更为明显。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-10
1. 引言  10-20
  1.1 国内外研究现状  11-17
    1.1.1 单根拉伸  11-14
      1.1.1.1 影响单根拉伸特性的因素  11-12
      1.1.1.2 单根拉伸特性指标  12-13
      1.1.1.3 单根本构关系  13
      1.1.1.4 拉伸试验仪器  13-14
    1.1.2 根土复合体抗剪  14-17
      1.1.2.1 影响根土复合体抗剪特性的因素  14-17
      1.1.2.2 根系增强作用机理  17
      1.1.2.3 剪切试验仪器  17
  1.2 根系固土力学机制研究存在的问题及展望  17-20
2.根系力学性质分析相关理论  20-32
  2.1 强度理论  20-23
    2.1.1 材料破坏的两种形式  20
    2.1.2 四个常用的古典强度理论  20-23
      2.1.2.1 最大主应力理论(第一强度理论)  20
      2.1.2.2 最大应变理论（第二强度理论）  20-21
      2.1.2.3 最大剪应力理论(第三强度理论)  21-22
      2.1.2.4 能量理论(第四强度理论)  22-23
    2.1.3 莫尔强度理论  23
  2.2 加筋理论  23
  2.3 锚固理论  23
  2.4 本构关系模型  23-32
    2.4.1 线弹性类本构模型  25-26
    2.4.2 非线弹性类本构模型  26-29
      2.4.2.1 邓肯-张(DUNCAN-CHANG)模型  26-27
      2.4.2.2 K-G模型  27-29
    2.4.3 弹塑性类本构模型  29-32
      2.4.3.1 屈服条件  29-30
      2.4.3.2 增量理论(流动理论)  30-31
      2.4.3.3 全量理论(形变理论)  31-32
3. 试验材料与研究方法  32-40
  3.1 试验材料  32
    3.1.1 根系材料  32
    3.1.2 试验土样  32
  3.2 研究方法  32-40
    3.2.1 室内单根拉伸试验  32-35
      3.2.1.1 试验仪器  32-34
      3.2.1.2 试验方法  34-35
      3.2.1.3 试验设计  35
    3.2.2 室内三轴剪切试验  35-40
      3.2.2.1 试验仪器  35-36
      3.2.2.2 试验方法  36-37
      3.2.2.3 试验设计  37-38
      3.2.2.4 试样制备  38-40
4. 林木单根拉伸的定性分析  40-52
  4.1 抗拉力的分析  40-43
    4.1.1 最大抗拉力与直径的关系  40-41
    4.1.2 不同树种根系最大抗拉力的比较  41-42
    4.1.3 不同标距下最大抗拉力的比较  42-43
    4.1.4 不同拉伸速率下最大抗拉力的比较  43
  4.2 抗拉强度的分析  43-47
    4.2.1 抗拉强度与直径的关系  44
    4.2.2 不同树种抗拉强度的比较  44-46
    4.2.3 不同标距下抗拉强度的比较  46
    4.2.4 不同拉伸速率下抗拉强度的比较  46-47
  4.3 应力-应变曲线的分析  47-52
    4.3.1 直径对应力应变曲线的影响  47-48
    4.3.2 不同树种相同径级下应力应变曲线的比较  48-49
    4.3.3 不同标距相同径级下应力应变曲线的比较  49-50
    4.3.4 不同拉伸速率相同径级下应力应变曲线的比较  50-52
5.林木单根拉伸的定量分析  52-74
  5.1 单根拉伸试验数据概况  52
  5.2 单根拉伸试验数据的降噪预处理  52-57
    5.2.1 降噪原理与方法  52-54
      5.2.1.1 小波降噪  52-53
      5.2.1.2 移动平均平滑法  53-54
    5.2.2 降噪结果分析  54-57
      5.2.2.1 平滑降噪分析  54-55
      5.2.2.2 小波降噪分析  55-56
      5.2.2.3 平滑处理与小波降噪的对比分析  56-57
  5.3 单根拉仲试验数据的挖掘  57-62
    5.3.1 正态性检验  57-58
    5.3.2 相关性分析  58-59
    5.3.3 径级分类  59-61
    5.3.4 非参数检验  61-62
      5.3.4.1 将拉伸速率作为控制标量的检验分析  61
      5.3.4.2 将标距作为控制变量的检验分析  61
      5.3.4.3 将树种作为控制变量的检验分析  61-62
  5.4 单根拉伸的强度力学综合模型  62-66
    5.4.1 固定控制变量情况下,抗拉强度的回归模型  62-64
      5.4.1.1 变量转换  62-63
      5.4.1.2 回归模型的确立  63-64
    5.4.2 引入控制变量后,抗拉强度的综合模型  64-66
      5.4.2.1 综合模型的建立  64-65
      5.4.2.2 综合模型的求解  65-66
  5.5 林木单根的本构模型  66-74
    5.5.1 本构模型的边界条件  66-67
    5.5.2 本构模型的初步建立  67
    5.5.3 本构模型的理论分析及论证  67-69
    5.5.4 模型的试验验证  69-73
    5.5.5 模型参数讨论  73-74
6. 根土复合体抗剪特性分析  74-80
  6.1 根土复合体的主应力差-轴向应变关系  74-76
    6.1.1 不同埋根方式下复合体的极限主应力差  75-76
    6.1.2 不同围压下复合体的极限主应力差  76
    6.1.3 不同直径根段复合体的极限主应力差  76
  6.2 根土复合体的抗剪强度  76-77
    6.2.1 不同埋根方式下复合体的抗剪强度  77
    6.2.2 不同直径根段复合体的抗剪强度  77
  6.3 影响根土复合体剪切特性的可能因素  77-80
7.结论与讨论  80-84
  7.1 结论  80-81
  7.2 讨论  81-84
参考文献  84-90
个人简介  90-92
导师简介  92-94
获得成果目录  94-96
致谢  96

华北四种常见乔木根系固土的力学特性研究

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