植物根系-人工网复合加强土力学强度模拟方法及系统与流程

本发明涉及一种植物根系-人工网复合加强土力学强度模拟方法及系统，属于生态护坡。

背景技术：

1、生态护坡不仅能够使得边坡具有一定的抗冲性、稳定性等必备的固坡要求，也能够兼具水土保持和保护生物多样性等方面的作用。随着土工合成材料的发展，出现了采用土工材料来增加单纯植被边坡的强度与稳定性的新生态护坡形式，并逐步在堤防、防波堤等护坡工程中得到应用，植物根系和人工网对土体的联合加筋作用使得复合加筋土的强度明显高于天然土体，提升了土体的抗水力侵蚀能力，同时也提高了护坡的整体稳定性。现有技术中，目前植物根系-人工网复合加强土实际应用中确定力学性能参数时多依靠物理试验，但由于受植物自然生长的客观过程影响，物理试验的方法效率很低，需要数月甚至更长的时间开展试验，同时植物根系生长还具备一定的随机性和不可控性，这也使得物理试验结果的重复性比较差，这两个方面都严重影响了植物根系-人工网复合加强土应用于实际工程的时效性和可靠性。由于植物根系和人工网联合加筋的复杂性，目前的数值理论方面基本采用变形约束作用和摩擦加筋原理来刻画复合加筋土的强度增强，多采用力学参数等效替代等方法来体现植物根系和人工网联合加筋对土体强度的提高作用，虽然便于了工程实际使用，但不能刻画根系-人工网-土体三者的相互作用内在机理，更无法提供准确可靠力学性能参数，这也越来越不能满足基于变形控制的工程设计要求，从而也制约了植物根系-人工网复合加强土护坡结构的推广应用。

2、但目前其理论研究还鲜有开展，远远落后于工程实践，因此阐明土体颗粒、植物根系、土工垫层三者间相互作用的机理和荷载传递方式，具有重要的理论意义，对于其推广应用具有重要的工程价值。

3、已有的数值模拟研究，提出了使用数值计算模拟根系加筋土直剪试验的基本方法，包括本构模型、加载方式、位移施加等，对于土工垫加筋主要研究变形约束作用和摩擦加筋原理，但是对于植物根系—土工垫联合加筋的数值模拟鲜有开展，目前尚缺少合理有效的植物根系、三维土工网垫的等效概化方法。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种植物根系-人工网复合加强土力学强度模拟方法及系统。该方法可以快速确定植物根系-人工网复合加强土力学强度。

2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、本发明第一个目的是提供一种植物根系-人工网复合加强土力学强度模拟方法，包括以下步骤，

4、获取所选人工网和植物根系的物理参数；根据所选人工网和植物根系的物理参数确定数值模拟中圆柱形土样的尺寸；

5、基于数值模拟中圆柱形土样的尺寸，根据所选人工网和植物根系的物理参数，建立土样数值模型中的人工网数值模型和植物根系数值模型；

6、在土样数值模型上施加荷载，提取和分析加载过程中的数据，包括荷载-变形曲线和植物根系的最大拉应力计算值；

7、对比最大拉应力计算值与实际抗拉强度，确定圆柱形土样的抗剪强度值：

8、如果最大拉应力计算值超过实际抗拉强度，则查询等于实际抗拉强度时的外部荷载施加值作为抗剪强度值；

9、否则，根据荷载-变形曲线确定抗剪强度值。

10、作为本发明进一步改进，所述获取所选人工网和植物根系的物理参数，包括：

11、根据选择的植物根系-人工网复合加强土方案，得到所选人工网的物理参数，包括：得到所选植物的根系重量、直径范围，通过拍照并分形的方法对根系形态进行刻画，并获得主、副根数量，计算单位体积植物根系-人工网复合加强土中的含网量和含根量。

12、作为本发明进一步改进，所述根据所选人工网和植物根系的物理参数确定数值模拟中圆柱形土样的尺寸，包括：

13、根据人工网的物理参数，确定数学模拟中所采用植物根系-人工网复合加强圆柱形土样的尺寸，包括圆柱形土样的厚度和直径；圆柱形土样厚度取人工网厚度和所应用护坡工程坡面厚度两者的较大值；圆柱形土样直径取值满足大于10倍人工网平均直径和15倍植物根系最大直径的要求。

14、作为本发明进一步改进，所述建立土样数值模型中的人工网数值模型和植物根系数值模型，包括：

15、根据人工网物理参数和圆柱形土样中含垫量，计算出拟建立土样数值模型中人工网的总长度，并采用空间网状桁架结构模拟人工网，建立人工网数值模型；

16、根据植物根系物理参数、根系形态和圆柱形土样中含根量，计算出拟建立土样数值模型中植物根系的总长度，并采用间距均匀垂直分布方式模拟植物根系，建立植物根系数值模型。

17、作为本发明进一步改进，所述采用空间网状桁架结构模拟人工网时，需满足桁架结构总长度与圆柱形土样中实际人工网总长度相等，并保持垂直穿过圆柱形土样的人工网丝数量、总截面积与实际圆柱形土样中保持一致，且人工网采用只抗拉不抗压的柔性材料属性模拟；

18、植物根系数值模型中的根系直径模拟值不大于实际根系平均直径，模型根系数量与实际圆柱形土样中主、副根数量总和一致，并通过调整根系模拟间距，使得垂直穿过圆柱形土样的根系截面积总和与实际圆柱形土样根系总截面积保持一致；植物根系采用只抗拉不抗压的柔性材料属性模拟。

19、作为本发明进一步改进，所述在土样数值模型上施加荷载，提取和分析加载过程中的数据，包括：

20、在土样数值模型上施加水平向或竖直向荷载，并逐步增大荷载，记录沿荷载施加方向圆柱形土样所产生的位移，直至加载结束；

21、提取圆柱形土样数值模型中加载荷载和荷载施加方向圆柱形土样变形随时间变化数据，并绘制荷载-变形曲线；同时分别从人工网数值模型、植物根系数值模型提取人工网、植物根系的应力云图和最大拉应力计算值。

22、作为本发明进一步改进，建立土样数值模型中的人工网数值模型和植物根系数值模型之后还包括：

23、在土样数值模型与人工网数值模型、土样数值模型与植物根系数值模型之间还分别设置过渡单元体；

24、其中，过渡单元体的最大尺寸应小于人工网数值模型和植物根系数值模型中所采用直径的1/10。

25、作为本发明进一步改进，所述在土样数值模型上施加荷载中，荷载加载结束条件为整体数值模型计算不收敛，或圆柱形土样在荷载施加方向的变形已超过圆柱形土样尺寸的1/4~1/3，或本级施加荷载增量小于上级荷载增量的10%且实际计算机时大于上级荷载计算机时的5倍。

26、作为本发明进一步改进，所述根据荷载-变形曲线确定抗剪强度值，包括：

27、根据所得到的荷载-变形曲线确定植物根系-人工网复合加强圆柱形土样的抗剪强度值，若荷载-变形曲线为弱化型，则取荷载峰值为植物根系-人工网复合加强圆柱形土样的抗剪强度；若荷载-变形曲线为增强型，则取施加荷载最终值为植物根系-人工网复合加强圆柱形土样的抗剪强度。

28、本发明第二个目的是提供一种植物根系-人工网复合加强土力学强度模拟系统，包括：

29、参数获取模块，用于获取所选人工网和植物根系的物理参数；根据所选人工网和植物根系的物理参数确定数值模拟中圆柱形土样的尺寸；

30、模型建立模块，用于基于数值模拟中圆柱形土样的尺寸，根据所选人工网和植物根系的物理参数，建立土样数值模型中的人工网数值模型和植物根系数值模型；

31、荷载施加模块，用于在土样数值模型上施加荷载，提取和分析加载过程中的数据，包括荷载-变形曲线和植物根系的最大拉应力计算值；

32、抗剪强度值确定模块，用于对比最大拉应力计算值与实际抗拉强度，确定圆柱形土样的抗剪强度值：如果最大拉应力计算值超过实际抗拉强度，则查询等于实际抗拉强度时的外部荷载施加值作为抗剪强度值；否则，根据荷载-变形曲线确定抗剪强度值。

33、本发明所达到的有益效果：

34、本发明该方法通过测量、计算、建模、加载和分析等步骤，能够全面评估植物根系-人工网复合加强圆柱形土样的抗剪强度，为相关工程设计和应用提供重要依据。尤其是充分考虑了植物根系-人工网复合加强土中土体与植物根系、人工网的相互作用，特别是植物根系与人工网对土体的空间加强作用，解决了植物根系-人工网复合加强土实际应用中确定力学强度时多依靠物理试验、多采用等效力学参数等方法存在的低效、重复性差、无法刻画内在机理的问题，所提的确定植物根系-人工网复合加强土力学强度方法更符合植物根系-人工网复合加强土的实际工作特点，为植物根系-人工网复合加强土力学强度的有效便捷确定，为其在生态护坡中的优化设计，特别是护坡稳定设计，提供了衡量指标和参考依据。