直剪试验中土体含水率对根系失效方式的影响

摘要

植物根系在土体剪切过程中的受力状态和失效方式随含水率的变化会影响根系固土能力,而根增抗剪强度的模型计算时往往忽略该方面的考虑,使估计值远高于实验值.为准确估计非饱和状态下根系的固土能力,以香根草根-土复合体为对象,设计以土壤含水率和根系密度为变量的大盒直剪试验及单根拉拔试验,观察含根土体的抗剪强度和根系失效方式,基于此对根增抗剪强度进行估计.结果 表明:1)在含水率相同的情况下,根增抗剪强度与根系密度呈正相关;根系密度一定的情况下,根增抗剪强度与含水率呈负相关.2)直径在0.2～2.2 mm单根样品的抗拉力和抗拉强度区间分别为3～19N和5～ 29 MPa,根系的抗拉强度Tr和抗拉力t随直径D增大分别呈负幂函数和正幂函数(Tr=11.514D-0.8855,t=9.576 3D1.095);根系的拔出力p随直径变化也服从正幂函数(p=αDβ,α＞0,β＞0),且含水率越高,α值越小.3)ω1％、ω2％、ω3％、ω4％4个含水率梯度下Wu模型根增抗剪强度值分别为试验值的1.834、1.864、1.889、1.873倍,而考虑含水率-失效方式计算的根增抗剪强度值分别为试验值的1.337、1.028、0.788、0.481倍.因此:1)不饱和状态下,根系固土能力的大小主要与剪切过程中的拔出根数量比有关,直剪试验过程中含水率越高,根系的拔出根数量比越大,能充分发挥抗拉强度的根系数量越少,根增抗剪强度越小,根系固土的能力越弱;2)根系的抗拉强度、抗拉拔力与直径均呈幂函数关系,且随着含水率升高,抗拔力的拟合衰减系数增大;3)考虑含水率及根系失效方式后,所得根增抗剪强度的估计值比Wu模型更接近实验值.