紫花苜蓿-伊犁黄土根土复合体强度特性

杨贵侠; 杨小玲; 袁胜洋; 刘先峰; 胡相坤

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2507491

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (28) :12306-12317 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2507491

建筑科学

紫花苜蓿-伊犁黄土根土复合体强度特性

杨贵侠 ¹^,² ,
杨小玲 ¹^,² ,
袁胜洋 ¹^,²^,^* ,
刘先峰 ¹^,² ,
胡相坤 ³

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Strength Characteristics of Alfalfa-Yili Loess Root-soil Composite

YANG Gui-xia ¹^,² ,
YANG Xiao-ling ¹^,² ,
YUAN Sheng-yang ¹^,²^,^* ,
LIU Xian-feng ¹^,² ,
HU Xiang-kun ³

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摘要

为明确紫花苜蓿根系对伊犁黄土强度特性的影响,针对紫花苜蓿根系开展了抗拉试验和不同根系直径、根土截面比的根-土复合体直剪试验,并开展了直剪试验数值仿真,明确了不同根系直径下的最优根土截面比及塑性区域的变化规律。结果表明:紫花苜蓿根系抗拉力随根系直径的增大呈线性增加;根系抗拉强度随根系直径增大呈幂函数减小规律。紫花苜蓿根-土复合体剪切为应变硬化型,随着根土截面比增大,塑性变形范围增大,抗剪强度峰值增大;同一根土截面比下,随着根系直径增加,抗剪强度减小。同一根系直径下,根-土复合体黏聚力随着根土截面比增大而增大;同一根土截面比下,随着根系直径增大,根-土复合体的黏聚力下降;根-土复合体内摩擦角整体与素土相差不大。黏聚力-根土截面比变化曲线呈二次函数关系,随着根系直径的增大,变化曲线会由“凸”向“凹”转变,0~1 mm根径时最优根土截面比约为1.5%,1~2 mm根径时最优根土截面比略微大于1.5%,2~3 mm根径时最优根土截面比大于2.7%;同一根土截面比时,根系直径减小能有效增大塑性区域,从而增大抗剪强度。

Abstract

To clarify the influence of alfalfa roots on the shear strength of Yili loess, tensile tests on alfalfa roots and direct shear tests on root-soil composites with different root diameters and root-soil cross-sectional ratios were carried out. Meanwhile, numerical simulations of direct shear tests were conducted to determine the optimal root-soil cross-sectional ratio under different root diameters and the variation law of plastic zones. The results show that the tensile force of alfalfa roots increases linearly with the increase of root diameter, the tensile strength of roots decreases following a power function with the increase of root diameter. The shear behavior of alfalfa root-soil composites exhibits strain hardening characteristics. With the increase of root-soil cross-sectional ratio, the range of plastic deformation expands and the peak shear strength increases. Under the same root-soil cross-sectional ratio, the shear strength decreases with the increase of root diameter. For the same root diameter, the cohesion of the root-soil composite increases with the increase of root-soil cross-sectional ratio. Under the same root-soil cross-sectional ratio, the cohesion of the root-soil composite decreases as the root diameter increases. The internal friction angle of the root-soil composite is generally similar to that of plain soil. The variation curve of cohesion versus root-soil cross-sectional ratio follows a quadratic function relationship. With the increase of root diameter, the curve transforms from “convex” to “concave”. For roots with diameters of 0~1 mm, the optimal root-soil cross-sectional ratio is approximately 1.5%. For 1~2 mm diameters, it is slightly larger than 1.5%. For 2~3 mm diameters, it exceeds 2.7%. Under the same root-soil cross-sectional ratio, reducing the root diameter can effectively expand the plastic zone, thereby increasing the shear strength.

Graphical abstract

关键词

紫花苜蓿根系 / 伊犁黄土 / 抗剪强度 / 直剪 / 根土截面比 / 根系直径

Key words

alfalfa root / Yili loess / shear strength / direct shear / root-to-soil cross-sectional ratios / root diameter

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杨贵侠, 杨小玲, 袁胜洋, 刘先峰, 胡相坤. 紫花苜蓿-伊犁黄土根土复合体强度特性[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(28): 12306-12317 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507491

YANG Gui-xia, YANG Xiao-ling, YUAN Sheng-yang, LIU Xian-feng, HU Xiang-kun. Strength Characteristics of Alfalfa-Yili Loess Root-soil Composite[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(28): 12306-12317 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507491

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中国西北地区黄土广泛分布,生态环境脆弱,水土流失与地质灾害频发^[1-2],伴随西北地区交通基础设施的快速推进,工程建设不可避免地扰动沿线原生地貌,导致边坡大面积裸露,进一步加剧了水土流失与地质灾害风险,不仅造成经济损失,也对人民生命财产安全构成威胁。生态防护是一种新型的护坡方式,能有效减少边坡坡面侵蚀、加固边坡浅层土体,还能修复交通沿线的生态环境,近年来在边坡防护工程中得到了广泛应用。紫花苜蓿(Medicago sativa L.)作为西北地区乡土草本植物,具有根系发达、抗逆性强、耐瘠薄及改良土壤等优良性状,常被作为先锋物种应用于该地区边坡生态防护实践。在此背景下,定量表征根系对边坡土体的力学增强效应,已成为当前西北地区生态护坡研究的核心议题^[3]。

植物对边坡土体加固作用可分为水文效应和力学效应两个方面。水文效应方面,非饱和土因强降雨转变为饱和土,导致强度下降,极易发生边坡失稳或稳定性退化^[4],而植物通过减少降雨时的水流入渗或是通过蒸腾作用降低土体水分,从而增大土体黏聚力稳固土体。相较于水文效应,中外学者更聚焦于力学效应方面的研究,植物根系可对边坡浅层土体进行加筋、锚固等,达到显著提高边坡浅层土体稳定性的作用^[5-6],Frydman等^[7]研究表明,随着根系数量的提高,边坡土体的稳定性增大。通常根系加固土体受到根土截面比、生长时间、根系形态等条件的影响^[7-10]。段钊等^[11]在紫花苜蓿根-土复合体的三轴剪切试验中得出随着根土截面比(即根系横截面积之和与土体横截面积的比值)增大,根-土复合体强度增大这一结论,Docker等^[12]和Valizade等^[13]通过直剪试验也验证了该结论。随着植物生长,根-土复合体强度也会产生变化,毛正君等^[8]研究表明,随着紫花苜蓿生长时间增加,根土复合体黏聚力和强度显著增大。通常植物生长直接导致根系形态的变化,从而对根-土复合体力学效应产生影响,Meng等^[14]基于不同形态根系直剪试验结果指出植物根系形态会直接影响土体抗剪强度;随着植物生长,除根系形态产生变化外,根系直径的增加也是影响根-土复合体强度的重要因素之一^[15]。赵记领等^[16]研究发现,乔木根系直径对根-土复合体抗剪强度具有较大影响,但试验中仅考虑到根系直径对抗剪强度的影响,忽略了随着根系直径变化根土截面比也会变化的情况。综上可知,当前大多根-土复合体相关研究仅集中在单一根系条件对土体强度的影响上,鲜有研究综合考虑根系直径与根土截面比的协同变化对土体抗剪强度及塑性区域变化规律的影响。

鉴于此,以紫花苜蓿根系加固下的伊犁黄土为研究对象,通过开展紫花苜蓿根系抗拉试验、根-土复合体直剪试验,探究根系直径和不同根土截面比下根-土复合体强度、黏聚力及内摩擦角变化规律,并基于抗拉试验和直剪试验,开展直剪试验的数值模拟,揭示紫花苜蓿根系对伊犁黄土的影响机理。研究成果对于深入了解植物根系加固土壤作用机理和推进根-土相互作用模拟方面的研究具有重要参考意义。

1 试验方法及方案

1.1 根系抗拉试验

基于袁胜洋等^[17]的研究,紫花苜蓿作为伊犁地区的乡土护坡植物,在边坡生态修复中表现出良好的适应性^[18],因此选用其根系作为试验对象。为保证根系新鲜,参考杨贵侠等^[19]的方法,采用室内温室种植的紫花苜蓿,温室环境温度控制在18~25 ℃,相对湿度控制在55%~75%。选取生长周期为3个月、根长约20 cm的健康植株根系用于后续测试。根系抗拉强度测试采用单根拉伸法,试验仪器为手摇式拉力测量仪(最大量程为100 N,精度为0.01 N),如图1所示。试验前,使用游标卡尺(精度0.01 mm)分别测量待测根系两端及中部的直径,以其算术平均值作为最终单根直径。在试验过程中,紫花苜蓿根系两端用魔术贴包裹以防止夹具损伤根系,基于仪器刻度均匀旋转手轮逐渐增大拉力,控制拉伸速度为5 mm/min^[20]直至根系断裂。仅当断口位于根系中段(非夹持区)时,视为有效试验^[21],并记录单根拉断时所受到的拉力,共开展60余次根系抗拉试验。

1.2 直剪试验方案及试样制备

试验土体为巩留至尼勒克高速公路边坡的伊犁黄土,其土粒相对密度G_s=2.72,土体液限w_L=29.2%,塑限w_P=19%。现场边坡浅层覆土干密度为1.23~1.51 g/cm³,天然含水率为6.18%~6.73%,现场浇水后含水率在10%。在室内紫花苜蓿种植试验中,得到紫花苜蓿最佳生长的伊犁黄土干密度为1.3 g/cm³,结合原状伊犁黄土干密度情况,本次素土及根-土复合体直剪试验中土壤干密度定为1.3 g/cm³,含水率定为10%。伊犁黄土过2 mm筛子,将土体烘干后加水增湿至目标含水率,并放入密封袋中24 d进行水分平衡。采用分层静力压实法先制备长宽高均为8 cm的正方体试样,共分4层(每层2 cm),再利用定向取样器制备61.8 mm(直径)×20 mm(高)的直剪试验试样[图2(b)]。根-土复合体试样制备过程中,先将根系依照0~1、1~2、2~3 mm直径进行分类,每一层填筑中均匀将根系平行平铺,再将填筑土壤进行压实等操作,其余流程与素土试样制备相同,其中方形土样通过模具底部顶片推出,调转方向进行环刀取样(即保证根系与剪切面是垂直的)。

参照《铁路工程土工试验规程》(TB 10102—2023)开展快剪试验,试验仪器使用直剪仪如图3所示,剪切速率为1 mm/min,剪切位移达到10 mm时停止剪切,素土直剪试验方案如表1所示。

根-土复合体通常以根土截面比衡量土壤中的含根情况,结合张乔艳等^[22]、田佳等^[23]对常见根土截面比调研结果,拟采用0.15%、0.4%、0.8%、1.2%、1.5%共5个根土截面比开展直剪试验;为探究紫花苜蓿不同根系直径情况下的根-土复合体强度特性,将根系直径分为0~1、1~2、2~3 mm共3个直径组。根-土复合体直剪试验方案如表2所示。

2 试验结果及分析

2.1 根系抗拉试验

紫花苜蓿根系抗拉力随根系直径变化情况如图4所示,抗拉力与根系直径呈正相关关系,即随着根系直径增大,抗拉力大体呈线性增加。

根系抗拉强度的计算公式^[24]为

(1)$T=\frac{4{F}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{\mathrm{\pi }{D}_{\mathrm{t}}^{2}}$

式(1)中:F_max为单根最大抗拉力,N;D_t为根系直径,mm;T为单根的抗拉强度,MPa。

根系抗拉强度如图5所示,根系抗拉强度与直径呈负相关关系,整体上抗拉强度-直径曲线呈幂指函数变化规律。以根系直径0.75 mm为界,可分为抗拉强度快速下降和缓慢下降两个阶段:①快速下降阶段,抗拉强度受直径影响较大,随着根系直径增大,抗拉强度快速减小;②缓慢下降阶段,抗拉强度受直径影响较小,随着根系直径增大抗拉强度逐渐降低趋于平稳。

2.2 直剪试验

根-土复合体试样抗剪强度-位移曲线如图6所示,由于篇幅限制,以部分试验结果为例,图6(a)~图6(c)分别为素土和根系直径为0~1 mm时的0.4%、1.5%根土截面比试样抗剪强度-位移曲线,图6(d)、图6(e)为不同根系直径下根土截面比为0.4%和1.2%的试验结果。根-土复合体在剪切时,通常呈现应变硬化型,即随着剪切位移增大,抗剪强度会快速上升,但当剪切到一定程度后,抗剪强度上升速度会逐渐变缓,这与段钊等^[11]的研究结果相似。根-土复合体剪切过程主要分为3个阶段:①最初剪切时为弹性变形阶段,此时抗剪强度-位移曲线斜率较大且基本保持不变,根系变形较小,仅提供少部分抗剪力或不提供,剪力主要由土体承受;②当剪切位移达到一定值后,试样由弹性变形阶段转为塑性变形阶段,此时根系与土壤间的摩擦力转化为抗剪力,并且根系承受摩擦力带来的拉力,使得抗剪强度-位移曲线依旧具有较小斜率上升的趋势;③当剪切力达到峰值后,试样开始处于变形破坏阶段,此时根系摩擦开始产生滑动或根系开始产生断裂,抗剪强度-位移曲线趋于平缓或小幅度下降。

随着根土截面比的增加,弹性阶段峰值会逐渐减小,特别是在100 kPa的法向固结应力下,这是由于随着根土截面比的增加,根-土之间因摩擦而产生的抗剪力在弹性阶段起到更大的作用,而这样的摩擦是非弹性的;随着根土截面比的增大,塑性变形阶段会提前开始,并提高剪切力峰值,导致抗剪强度-位移曲线在塑性阶段呈现持续上升的规律,并且随着根土截面比的增大,塑性变形阶段的斜率会逐渐增大,刘建平等^[25]得到的根-土复合体抗剪强度-位移曲线也呈现相似规律,总的来说随着含根量增大,塑性变形阶段占比越大,最大剪切应变增大,并且抗剪强度峰值增大。同一根土截面比下,随着根系直径的增大,剪切过程中的弹性变形阶段变短,塑性变形阶段增加,并且塑性变形阶段的斜率增大,这可能是由于同一根土截面比下,随着根系直径增大,根-土间的界面摩擦减小,从而在试样弹性变形阶段根-土摩擦所产生的抗剪强度较小,而由根-土摩擦所产生的抗剪强度是非弹性的,导致细根相较于粗根有更小的弹性变形阶段和更大的抗剪强度峰值。随着根土截面比增大,上述规律会更加凸显,这是由于根系数量的增加,导致根-土间的界面摩擦增大,从而在弹性变形阶段起到更大作用。

不同根系直径下的峰值强度情况如图7所示,当根系直径在0~1 mm时,与素土抗剪峰值强度相比,加入0~1 mm根系能显著提高土体抗剪强度;在同一根土截面比下,随着竖向应力的增大,抗剪强度峰值增大;在同一竖向应力下,随根土截面比的提高,抗剪强度峰值增大。根系直径为1~2 mm时,与素土相比,根土截面比为0.15%和0.4%的试样在竖向应力为12.5 kPa时,抗剪强度峰值低于素土,其余试样抗剪强度峰值均高于素土。1~2 mm根系直径的根-土复合体强度随着根土截面比和竖向应力的变化规律与0~1 mm时的根系直径相似,抗剪强度峰值随着根土截面比和竖向应力的增大而增大。根系直径在2~3 mm时,与素土抗剪强度相差不大,这可能是由于根系直径为2~3 mm时根系数量较少,根土摩擦界面面积较小,竖向应力较小时,不能提供足够的侧向土压力增大根-土之间的摩擦力;随着竖向应力的增大,根土复合体抗剪峰值强度与素土抗剪峰值强度差距增大。与0~1 mm和1~2 mm根径时的根-土复合体抗剪强度变化规律相似,随着根土截面比的增大,根土复合体强度增大,但随着竖向应力的增大,峰值强度逐渐增大。

不同根系直径下的不同根土截面比试样黏聚力及内摩擦角如图8所示,根据摩尔库仑原理可得素土黏聚力和内摩擦角分别为18.2 kPa和 37.9°。0~1 mm根径时,随着根土截面比的增大,黏聚力增大,均明显高于素土黏聚力。1~2 mm根径时,随着根土截面比的提高,土壤黏聚力大体呈现上升的趋势,当根土截面比较小时,根-土复合体黏聚力与素土黏聚力相差不大,随着根土截面比的提高,根-土复合体黏聚力呈上升趋势,与素土黏聚力差距逐渐增大,这是由于随着根土截面比的增大,根系所带来的附加黏聚力增大,从而导致黏聚力的上升^[23]。2~3 mm根径时,根土截面比较小时呈现黏聚力增大的趋势,当根土截面比提高到一定程度后,黏聚力趋于稳定,根-土复合体黏聚力整体上均高于素土,但差距不大,这可能是由于根系直径较大时,由根系提供的附加黏聚力减小,并且当根系直径较大时根系在剪切中的截面弹性变形增大,进一步导致附加黏聚力的减小。内摩擦角受根系直接影响较小,0~1 mm根径时,内摩擦角随着根土截面比的提高变化不大,介于37°~42°;1~2 mm根径时,随着根土截面比的提高,根-土复合体内摩擦角大体呈现下降趋势,但基本高于素土内摩擦角;2~3 mm根径时,随根土截面比的增大,根-土复合体内摩擦角逐渐增大;但整体上内摩擦角变化不大,这与Meng等^[14]的研究相似。

不同根系直径下的根-土复合体抗剪强度峰值如图9所示,根-土复合体抗剪强度与根系直径大体呈负相关关系,即随着根系直径的增大,根-土复合体抗剪强度减小,这可能是由于在剪切面上的根土截面比一定,随着根系直径增大,根系与土壤间的摩擦界面减小,从而导致抗剪强度降低,但通常情况下随着根系直径增大,土体抗剪强度增大,这是由于植物生长随着根系直径增加,细小的副根发育程度较高,土体强度会提高,但在试验中并未考虑副根。同一根土截面比下,随着根系直径的增加,抗剪强度峰值下降呈现快速下降然后变缓的趋势,这说明当根系直径增大到一定程度后,由根-土界面摩擦产生的抗剪强度效果会减弱。

不同根系直径下的根-土复合体黏聚力及内摩擦角如图10所示,根-土复合体黏聚力与根系直径大体成反比关系,即随着根系直径的增大,黏聚力逐渐减小,这与图8中的情况相似,可能是由于根系直径的增大,提供的黏聚力反而减小。根-土复合体内摩擦角变化规律以根土截面比为0.4%分为两类,当根土截面比小于或等于0.4%时,根-土复合体内摩擦角随根系直径呈先增大后减小的规律,这可能是因为当根系直径为0~1 mm时,在直剪过程中根系易被土体颗粒挤压变形,难以提供有效的机械咬合作用,随着根系增大到1~2 mm时,根系在剪切中不易变形,能更有效限制颗粒滑动,当根系直径增大到2~3 mm时,由于根土接触面积减小,从而导致内摩擦角的降低;当根土截面比大于0.4%时,根-土复合体的内摩擦角大体呈现先减小后增大的规律,这可能是因为根系直径较小时,密集的根系形成了“网格”,对土颗粒的移动阻碍极强,但随着根系直径的增加,根系数量减小,这种“网格”效应被弱化了,当根系直径持续增大后,由于粗根自身强度大,抵抗变形能力强,且相较于低根土截面比时,此时的粗根存在部分“网格”效应,不仅能限制土体的变形还能阻止颗粒的滑动,因此呈现摩擦角上升的趋势。

3 直剪试验数值模拟

为进一步揭示根系直径对伊犁黄土抗剪强度的影响机理,通过FLAC^3D数值仿真软件开展根-土复合体直剪试验的数值仿真,研究不同根系直径下的最优根土截面比。

3.1 模型建立及参数选取

直剪模型建立的尺寸和根系布置等情况与直剪试验方案一致,仿真模型如图11所示,模型边界条件与试验部分一致,模型分为上下两部分,采用shell单元模拟剪切盒,下部剪切盒进行边界固定,根据室内直剪试验,模型上下剪切盒中部留有2 mm剪切缝。剪切盒内部试样直径为61.8 mm,高为20 mm。Xu等^[26]在FLAC^3D模拟不同深度根-土复合体直剪试验中,将根系视为锚杆材料,据此,本次数值模拟试样中的根系采用锚杆进行模拟,通过改变锚杆数量和截面直径的方式完成模拟不同根系直径和根系含量。采用位移边界条件代替剪切传动,在上部剪切盒施加位移,使用应力边界条件代替垂直加载设备,顶盖上施加不同竖向应力,固定下剪切盒,即可完成直剪数值模拟。

直剪数值模拟过程中采用以下基本假定:①终止试验的标准以剪切位移达到1 cm为准,剪切速率恒定;②忽略土样自重;③根系直径假定为0.5、1.5和2.5 mm。

模拟步骤如下:①用实体单元模拟直剪试样,并划分网格;②设置Shell单元模拟剪切盒;③土体设为Mohr-Coulomb材料,剪切盒选为Elasticity材料,弹性模量为20 GPa,泊松比为0.287,厚度为2 mm;④设置边界条件,上盒施加x、z两个方向的位移约束,下盒施加x、y和z方向的位移约束(其中y方向为竖向方向);⑤在顶盖上施加竖向应力;⑥土体上部释放x方向约束,并施加x方向的水平位移,用Step命令控制上盒匀速水平位移1 cm。在剪切过程中通过遍历剪切面单元求取平均值,获得数值仿真的抗剪强度-位移曲线。

通过改变根系单元直径和数量分别控制根土截面比为0.15%、0.4%、0.8%、1.2%、1.5%、1.8%、2.1%、2.4%和2.7%开展数值仿真,将根土截面比为0.15%、0.4%、0.8%、1.2%、1.5%的试验数据对数值仿真相关参数进行标定,获取部分数值仿真参数,数值模拟模型参数如表3所示,黄土泊松比等参数参考《地基与基础》^[27]中的黄土参数给出,紫花苜蓿根系参数根据抗拉试验给出,其中抗拉强度分别为根系直径0.5、1.5和2.5 mm时的抗拉强度。

3.2 计算结果及分析

数值模拟结果与试验结果对比如图12所示,以根系直径为0~1 mm时根土截面比为0.15%和1.5%的抗剪强度-位移曲线为例,模拟结果能较好还原直剪试验过程中试样的抗剪强度-位移曲线,但相较于试验存在小幅度波动情况,这可能是数值仿真中使用固定根系直径的原因。

在模拟中,内摩擦角变化情况与试验相似,变化较小,据此不再对内摩擦角进行单独讨论,仅对黏聚力变化进行探究。根-土复合体黏聚力-根土截面比变化曲线如图13所示,其中根土截面比小于等于1.5%的试验数据,大于1.5%的是仿真数据,同一根土截面比下,随着根系直径的提高,黏聚力大体呈现下降趋势,当超过一定根土截面比后,根系直径较大的试样黏聚力会超过根系直径较小的试样。在根系直径为0~1 mm和1~2 mm时,随着根土截面比的提高,根-土复合体黏聚力呈先上升后下降的二次函数变化趋势,这可能是根土截面比较大时,根系数量较大,导致试样中的根与根之间的接触面增大,较多的根系能相互摩擦和错动,从而降低了根提供的附加黏聚力,并且随着根土截面比增大,剪切面上土体面积减小,由黄土提供的抗剪力减小,根系直接提供的抗剪力增大,而根系的抗剪性能小于土体,这与栗岳洲等^[28]和王元战等^[29]的研究结果类似;根系直径为2~3 mm时,根-土复合体黏聚力仅呈现上升趋势。随着根系直径的增大,黏聚力-根土截面比变化曲线会逐渐由“凸”向“凹”转变。随着根系直径的增大,黏聚力峰值对应的根土截面比增大,根系直径为0~1 mm时最优根土截面比为1.5%,根系直径为1~2 mm时最优根土截面比略微大于1.5%,根系直径为2~3 mm时最优根土截面比大于2.7%,这可能是由于根系直径的增大,最优含根量逐渐增大导致的。

以1.5%根土截面比为例,不同根系直径下的试样剪切塑性区域分布如图14所示。当试样中加入根系,会增大塑性剪切区域,这是因为在剪切中根系能通过与土壤之间的摩擦来抵抗剪切时的土壤分离,提高试样的整体性,形成更大的塑性区域,这与徐华等^[30]的研究相似。根系直径与塑性区大小成反比关系,即随着根系直径增大,塑性区域越小,这是因为随着根系直径的增大,根系数量和根-土摩擦界面减小,从而减小了根系对土体的影响范围和剪切过程中通过根-土摩擦提高的整体性。

4 结论

基于紫花苜蓿根系开展了抗拉试验,并针对伊犁黄土开展了不同紫花苜蓿根土截面比和根系直径下的直剪试验,结合抗拉试验及直剪试验结果开展了根系直剪试验的数值模拟,得出如下结论。

(1)紫花苜蓿根系抗拉力随直径增大而呈一次函数上升的趋势;随着根系直径增大,根系抗拉强度呈幂函数减小规律。

(2)紫花苜蓿根-土复合体剪切为应变硬化型,剪切过程分为弹性变形、塑性变形和剪切破坏三个阶段;同一根系直径下,随着根土截面比的增加,剪切过程中的塑性变形范围增大,抗剪强度峰值增大。

(3)不同根系直径下的根-土复合体黏聚力大体呈随着根土截面比增大而增大的规律,但当根系直径大于1 mm时,低根土截面比(0.15%)黏聚力低于素土;同一根土截面比下,随着根系直径增大,根-土复合体的黏聚力下降。同一根径下,根-土复合体内摩擦角随着根土截面比增大而增大,当根土截面比小于或等于0.4%时,根-土复合体内摩擦角随根系直径呈先增大后减小的规律;当根土截面比大于0.4%时,根-土复合体的内摩擦角大体呈现先减小后增大的规律,但整体与素土相差不大。

(4)黏聚力-根土截面比变化曲线呈二次函数关系,随着根系直径的增大,变化曲线会由“凸”向“凹”转变,0~1、1~2和2~3 mm根径最优根土截面比分别为1.5%、略大于1.5%和大于2.7%。同一根土截面比下,根系直径减小,能有效增大塑性变形区域,从而提高试样的抗剪强度。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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