基于新型拉伸裝置的根-土復(fù)合體抗拉強(qiáng)度

牛家永 ，周永毅 ，張建經(jīng) ，段 達(dá) ，陳克朋

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州450018）

植物在防治水土流失、預(yù)防淺層滑坡和阻止地表侵蝕等方面發(fā)揮著不可替代的作用，且具有改善生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)投入低、綠色環(huán)保、易養(yǎng)護(hù)修復(fù)等優(yōu)勢(shì).近年來(lái)，我國(guó)在山區(qū)進(jìn)行大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的同時(shí)，更加注重工程創(chuàng)面退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建，植被護(hù)坡理念正逐漸得到國(guó)內(nèi)外研究者的重視[1].

植物根系與邊坡土體存在復(fù)雜的相互作用，可以概括為淺表層細(xì)根的加筋作用、深層粗根的錨固作用和側(cè)根牽引作用[2].通過(guò)根-土相互作用提高邊坡土體的抗剪強(qiáng)度，從而達(dá)到增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性的作用.關(guān)于根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度特征，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量卓有成效的研究：趙玉嬌等[3]通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)研究了根系與剪切面的夾角對(duì)兩種灌木植物根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響；栗岳洲等[4]對(duì)4種寒旱環(huán)境草本植物開展了室內(nèi)直剪試驗(yàn)，探討了含根量與抗剪強(qiáng)度增量的關(guān)系，并提出在最優(yōu)含根量下根-土復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值；盧海靜、Ajedegba等[5-6]分別在青藏高原東北部和美國(guó)得克薩斯州對(duì)不同植物的根-土復(fù)合體開展了現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)，均認(rèn)為根系對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度有顯著增強(qiáng)作用.然而，關(guān)于根-土復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度特征卻鮮有文獻(xiàn)報(bào)道.土體的抗拉強(qiáng)度控制著拉伸裂縫的開展，在土質(zhì)邊坡、土石壩工程、河岸結(jié)構(gòu)和垃圾填埋場(chǎng)等土工結(jié)構(gòu)中通常被作為一個(gè)重要的影響因素[7-8].例如，在土質(zhì)邊坡中裂縫的存在可以顯著改變邊坡的力學(xué)和水力性質(zhì)，在不均勻沉降、干燥或者地震等外荷載作用下，坡頂易產(chǎn)生拉伸裂縫，破壞邊坡的整體性，阻斷土顆粒間的應(yīng)力傳遞，同時(shí)裂縫可以為降水入滲提供通道，加劇土壤侵蝕.Michalowski[9]通過(guò)在莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則中采用拉伸截?cái)嗟姆椒ㄑ芯苛送馏w抗拉強(qiáng)度對(duì)淺層滑坡穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為對(duì)于緩坡和無(wú)滲流的情況，土體抗拉強(qiáng)度對(duì)于邊坡安全系數(shù)影響較小，然而，在有滲流情況下，隨著坡度的增大，土體抗拉強(qiáng)度的影響愈發(fā)明顯.當(dāng)在坡面進(jìn)行植被防護(hù)時(shí)，水平根系發(fā)達(dá)的植物可通過(guò)根-土界面的摩擦特性對(duì)邊坡土體起到水平牽引作用，阻止拉伸裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展.由于根系的抗拉強(qiáng)度較大，且根系在土體中具有加筋作用，因此理論上可增加根-土復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度.但是很少有研究涉及根-土復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度特征和根系貢獻(xiàn)程度的定量分析.

土體的抗拉強(qiáng)度在土體強(qiáng)度特性分析和強(qiáng)度模型構(gòu)建方面具有不可忽視的影響[10-11]，已得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[12-13].但是，土體的抗拉強(qiáng)度相對(duì)于其抗剪強(qiáng)度在數(shù)值上小很多，且通過(guò)現(xiàn)有試驗(yàn)裝置難以準(zhǔn)確測(cè)定.目前主要采用直接測(cè)試方法對(duì)土體的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，吉恩躍等[14]、崔猛等[15]、黃偉等[16]、張緒濤等[17]均采用自行研制的土工單軸拉伸試驗(yàn)裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的試驗(yàn)儀器進(jìn)行土體抗拉強(qiáng)度研究，表明此類新型試驗(yàn)裝置的合理性和可靠性，為相關(guān)試驗(yàn)的開展提供了新思路和新方法.鑒于此，本文通過(guò)自主設(shè)計(jì)研制的新型土體單軸拉伸試驗(yàn)裝置開展了不同含根量下根-土復(fù)合體的單軸拉伸試驗(yàn)，定量研究根系對(duì)土體抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)作用并探討根-土復(fù)合體的拉伸破壞機(jī)理.

1 根-土復(fù)合體單軸拉伸試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

在現(xiàn)有單軸拉伸試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，借鑒各種試驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)，如直接測(cè)試方法優(yōu)于間接測(cè)試方法、試樣平臥式放置優(yōu)于立式放置、采用擴(kuò)大端部的固定試樣方式優(yōu)于黏結(jié)固定方式等，并改進(jìn)一些裝置上的缺點(diǎn)，如試樣固定段和拉伸段連接處易產(chǎn)生應(yīng)力集中、無(wú)法動(dòng)態(tài)獲取全過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變曲線、位移和拉力傳感器精度低、加載夾具和制樣模具分離、加載速率下限較低且不可調(diào)整等，自行設(shè)計(jì)研制了一種應(yīng)變控制式單軸拉伸試驗(yàn)裝置，由加載模塊、數(shù)字控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、制樣加載夾具4部分組成.加載模塊包括步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、電源、絲桿裝置、導(dǎo)軌、滑塊和承臺(tái)，以上構(gòu)件均安裝在試驗(yàn)臺(tái)的固定底板上，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)安裝在絲桿螺母座上的承臺(tái)穩(wěn)定勻速地水平移動(dòng).直線導(dǎo)軌滑塊裝置采用滾珠接觸的方式，其最大靜摩擦力可忽略不計(jì)，并且可防止試樣在拉伸過(guò)程中發(fā)生偏移.數(shù)字控制模塊包括伺服脈沖控制器和電源，通過(guò)編程可使最小拉伸速率達(dá)到0.005 mm/min，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速和多種模式轉(zhuǎn)動(dòng)，便于滑動(dòng)底板快速?gòu)?fù)位，提高試驗(yàn)效率.數(shù)據(jù)采集模塊包括激光位移計(jì)、高精度拉力傳感器和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀.激光位移計(jì)量程為（250 ± 150）mm，精度為 0.001 mm.拉力傳感器量程為 0～0.2 kN，精度為0.03%.動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采樣頻率為0～100 kHz，并可進(jìn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析處理.將制樣模具直接作為加載夾具，可防止移動(dòng)土樣造成不必要的擾動(dòng)，模具采用啞鈴型，并在拉伸段和擴(kuò)大段的連接處進(jìn)行圓角處理，避免應(yīng)力集中.制樣模具詳細(xì)尺寸如圖1所示.制樣模具的左塊和右塊分別通過(guò)螺栓固定在兩塊承臺(tái)上，左承臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)向左移動(dòng)，設(shè)定為移動(dòng)端；右浮動(dòng)承臺(tái)通過(guò)拉力傳感器與固定板連接，設(shè)定為固定端.整套單軸拉伸試驗(yàn)裝置如圖2所示.

圖1 制樣模具Fig.1 Sample preparation mold

圖2 單軸拉伸試驗(yàn)裝置Fig.2 Uniaxial tensile test device

1.2 試樣制備及試驗(yàn)方案

1.2.1 試樣制備

本研究所用植物為灌木植物胡枝子（Lespedezabicolor），其廣泛分布于我國(guó)西北、西南、華北及華中等省區(qū)，具有土壤適應(yīng)性強(qiáng)、抗寒性強(qiáng)、耐鹽堿、耐貧瘠、再生性強(qiáng)等特點(diǎn)，是工程邊坡生態(tài)防護(hù)和植被恢復(fù)的優(yōu)勢(shì)植物[18].胡枝子根系較為發(fā)達(dá)，為散生型，根系主要集中在5～25 cm的土層中，其水平向根系長(zhǎng)直且密集，側(cè)根發(fā)育，無(wú)明顯垂直主根.根據(jù)根系受力變形特點(diǎn)認(rèn)為，胡枝子根系對(duì)土體抗拉強(qiáng)度有一定影響.試驗(yàn)所用胡枝子取自四川成都新都區(qū)唐家河附近野外場(chǎng)地，采用現(xiàn)場(chǎng)挖掘法將胡枝子根-土復(fù)合體整體挖出，裝在大號(hào)塑料袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，并種植于試驗(yàn)箱中備用，如圖3所示.

圖3 胡枝子生長(zhǎng)情況Fig.3 Growing status of Lespedeza bicolor

試驗(yàn)所用土體同樣取自于野外場(chǎng)地，同時(shí)用密封袋裝取適量土樣帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土體的物理性力學(xué)指標(biāo)，如表1所示.

表1 試驗(yàn)用土體的物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of test soil

試驗(yàn)開始前需先確定制樣模具拉伸段橫截面內(nèi)水平根系的數(shù)量，方法為統(tǒng)計(jì)根-土復(fù)合體優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)方向 15 cm × 15 cm 橫截面內(nèi)水平根系的數(shù)量，通過(guò)二者面積比換算得到制樣模具拉伸段橫截面內(nèi)的根系數(shù)量為1.41根.隨后挑選直徑大致相同的根系，用清水將表面泥土沖洗干凈，剪去根系兩端，控制每根長(zhǎng)度為15 cm，如圖4所示.用游標(biāo)卡尺量取根系直徑，測(cè)得平均直徑為3.2 mm，選取12個(gè)根系進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，測(cè)得其平均抗拉強(qiáng)度為11.51 MPa，將其余根系包裹在濕毛巾內(nèi)備用.為了進(jìn)一步得到根系直徑與單根抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，對(duì)根系直徑在0.5～7.0 mm范圍內(nèi)的胡枝子根系進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)可知，根系抗拉強(qiáng)度隨根系直徑的增加呈冪函數(shù)遞減趨勢(shì)，可用式（1）進(jìn)行擬合.

圖4 根系試樣Fig.4 Root sample

式中：P為單根抗拉強(qiáng)度，MPa；d為根系直徑，mm.

1.2.2 試驗(yàn)方案

將試驗(yàn)土料風(fēng)干、碾碎、過(guò)2 mm篩后，按照與原場(chǎng)地相同的含水率進(jìn)行配制，將配好的土料密封靜置一晝夜后使用.為探討含根量N對(duì)根-土復(fù)合體抗拉強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)根-土復(fù)合體中含根量（N）分別為 0、1、2、3、4、6 根.重塑土樣在制備過(guò)程中，控制土體密度為1.65 g/cm3，與原場(chǎng)地采樣位置的土體密度保持一致.當(dāng)含根量為1、2、3根時(shí)，根系放置在重塑土樣的1/2高度處.當(dāng)含根量為4、6根時(shí)，考慮到在同一層布置會(huì)使根系排列過(guò)于密集，影響試樣結(jié)果，所以將根系分兩層布置，分別布置于1/3和2/3高度處，每層各一半根系.胡枝子根系水平幅范圍一般在50 cm左右，垂直幅范圍在25 cm左右，可知在實(shí)際中根系對(duì)邊坡土體的影響是在一個(gè)范圍內(nèi)的.Liang等[19]通過(guò)有限元模擬發(fā)現(xiàn)，根系較深且分布較廣的植物相較于只有單根強(qiáng)壯根系的植物具有更好的穩(wěn)定邊坡作用.因此，試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了不同數(shù)量根系的分布方式以簡(jiǎn)單模擬根系的影響范圍.根-土復(fù)合體制備過(guò)程如圖5所示.

圖5 根-土復(fù)合體制備過(guò)程Fig.5 Preparation process of root-soil complex

在制備好的試樣放在拉伸試驗(yàn)裝置的承臺(tái)上之前，首先在承臺(tái)上對(duì)應(yīng)位置涂抹凡士林，以消除黏土試樣和承臺(tái)之間的黏結(jié)摩擦力.采用較快的拉伸速率會(huì)使根-土界面的摩擦力和土顆粒間的黏結(jié)力發(fā)揮不充分，而較慢的拉伸速率會(huì)使土樣的含水率改變，并且影響試驗(yàn)效率，因此，本研究的拉伸速率取為 0.05 mm/min.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 位移-拉應(yīng)力關(guān)系曲線

圖6為不同含根量根-土復(fù)合體的位移-拉應(yīng)力曲線，拉應(yīng)力為拉力傳感器所測(cè)得的拉力與拉伸段橫截面面積的比值（橫截面面積s= 34.18 m2）.

圖6 根-土復(fù)合體位移-拉應(yīng)力關(guān)系Fig.6 Relationship between displacement and tensile stress of root-soil composite systems

由圖6 可知：素土的位移-拉應(yīng)力曲線（N= 0）表現(xiàn)為單峰型，僅存在一個(gè)峰值，即土體的抗拉強(qiáng)度，且曲線形狀及變化趨勢(shì)與已有文獻(xiàn)一致[20]，驗(yàn)證了本研究試驗(yàn)裝置的可靠性，黏性土存在一定的抗拉強(qiáng)度，忽略土體的抗拉強(qiáng)度較為保守；根-土復(fù)合體的位移-拉應(yīng)力曲線均表現(xiàn)為雙峰型，在拉應(yīng)力達(dá)到第一峰值以后，隨著位移的持續(xù)增加，根-土復(fù)合體的拉應(yīng)力在下降后又逐漸上升，達(dá)到第二峰值，除了N= 6 根外，N= 1～4 根時(shí)的位移-拉應(yīng)力曲線均表現(xiàn)為相同的變化規(guī)律；隨著含根量的增大，第二峰值逐漸增大，當(dāng)N= 6根時(shí)，第二峰值超過(guò)第一峰值.分析素土和根-土復(fù)合體中第一峰值和第二峰值所對(duì)應(yīng)的位移量可以發(fā)現(xiàn)：隨著含根量的增大，第一峰值對(duì)應(yīng)的位移量有小幅增加，但變化不大，根-土復(fù)合體第二峰值所對(duì)應(yīng)的位移基本一致；第一峰值為根-土復(fù)合體的整體抗拉強(qiáng)度，此峰值出現(xiàn)在位移量較小時(shí)，既包括土體本身的抗拉強(qiáng)度，又包括根-土相互作用所提供的抗拉強(qiáng)度.第一峰值過(guò)后土體開裂，土體抗拉強(qiáng)度逐漸消失，第二峰值由根系與土體間的最大靜摩擦力控制，該峰值的大小與根系表面粗糙程度、根系長(zhǎng)度、直徑、數(shù)量、土體重度和上覆壓力有關(guān).由此可知由于根系的貢獻(xiàn)度不同，根-土復(fù)合體表現(xiàn)出了不同的拉伸破壞機(jī)制.

2.2 含根量與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

以第一峰值為根-土復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度分析含根量變化對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響，圖7給出了根-土復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度值和第二峰值與含根量的關(guān)系.圖中：σt為抗拉強(qiáng)度；σ2為拉應(yīng)力第二峰值.

圖7 第一峰值和第二峰值隨含根量變化曲線Fig.7 Variation curves of the first peak and the second peak with root content

由圖7可知：根-土復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度和第二峰值均隨著根系數(shù)量的增大和增大，自然條件下（N=1，2根）根-土復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)率較素土為28.01%和58.13%；當(dāng)根系數(shù)量達(dá)到一定量后，第二峰值將超過(guò)根-土復(fù)合體本身的抗拉強(qiáng)度.

灌木植物根系相對(duì)于草本植物根系根徑較大，根長(zhǎng)較長(zhǎng)，且單位面積含根量較少，雖然本文所取原場(chǎng)地中胡枝子單位面積含根量為1～2根，此種灌木植物單位面積含根量超過(guò)2根的情況很少出現(xiàn)，但為了定量分析根系數(shù)量與根-土復(fù)合體抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系，為其他水平根系構(gòu)型灌木植物的根-土復(fù)合體抗拉強(qiáng)度計(jì)算提供參考，本文結(jié)合加筋土理論和莫爾-庫(kù)倫理論對(duì)根-土復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行理論分析.根-土復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度可看作由土體本身的抗拉強(qiáng)度σ0（如式（2））和根系提供的抗拉強(qiáng)度增量Δσf兩個(gè)部分構(gòu)成.

式中：ζ為莫爾圓外推所得單軸抗拉強(qiáng)度的折減系數(shù)，ζ= 0時(shí)代表完全拉伸截?cái)酄顟B(tài)，土體無(wú)抗拉強(qiáng)度[21]；φ為土體的內(nèi)摩擦角，（°）；c為土體黏聚力.

根系在土體中相當(dāng)于加筋作用[22]，因此根系的抗拉強(qiáng)度增量為

式中：l為根系的潛在拔出長(zhǎng)度，m；τ為根-土界面抗剪強(qiáng)度，kPa.

根-土界面抗剪強(qiáng)度由常規(guī)直剪摩擦試驗(yàn)得到，試驗(yàn)儀器為ZJ型應(yīng)變控制直剪儀，將根系表皮削下滿布粘貼于與剪切盒直徑相同的圓木塊上，放置于下盒中，根系走向與剪切方向相同.在上盒中放入含水量與密度相同的土料.考慮到根系在實(shí)際土層中所受上覆壓力較小，分別在 25、50、75、100 kPa 的垂直壓力下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)流程參照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50123—2019[23]進(jìn)行.根-土界面抗剪強(qiáng)度可表示為[24]

式中：ca為根-土界面黏聚力；p為垂直壓力，kPa.通過(guò)常規(guī)直剪試驗(yàn)獲得ca= 3.768 kPa，φ= 20.70°.

將式（4）代入式（3）中可得

由式（5）可知：抗拉強(qiáng)度增量與上覆垂直壓力有關(guān)，當(dāng)埋深較淺時(shí)，垂直壓力較小，摩擦力主要表現(xiàn)為黏結(jié)摩擦力；當(dāng)埋深較深時(shí)，垂直壓力較大，摩擦力主要表現(xiàn)為非黏結(jié)摩擦力.

采用式（5）對(duì)不同含根量根-土復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度增量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比結(jié)果如圖8所示.

圖8 抗拉強(qiáng)度增量計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.8 Comparison between calculated value and test value of tensile strength increment

由圖8 所知：當(dāng)N= 1，2，3 根時(shí)，抗拉強(qiáng)度增量的計(jì)算值與試驗(yàn)值的較為接近，相對(duì)誤差分別為14.14%、10.27%、11.94%；當(dāng)N≥ 4根時(shí)，計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差較大.由于理論計(jì)算中假設(shè)根系均勻地分布在拉伸土樣的1/2高度處，而在試驗(yàn)中當(dāng)根系數(shù)量為4根和6根時(shí)，根系分別布置在1/3和2/3高度處，根系的空間分布差異會(huì)造成結(jié)果偏差較大，抗拉強(qiáng)度增量計(jì)算值整體上大于試驗(yàn)值，其主要原因是理論值假設(shè)根系的潛在拔出部分充分發(fā)揮了根-土界面的抗剪強(qiáng)度特性，而在實(shí)際狀態(tài)下，根-土界面的摩阻特征未被充分調(diào)動(dòng).而且由于根系表面各部分粗糙程度有所差異，根系形態(tài)被概化圓柱形，導(dǎo)致根系與土體間的接觸表面積發(fā)生變化，從而使結(jié)果產(chǎn)生差異.此外，根-土復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度還與土體的基質(zhì)吸力和土顆粒間的毛細(xì)壓力有關(guān)，這需要開展進(jìn)一步的研究.

2.3 根-土復(fù)合體拉伸破壞機(jī)理

為了更好地認(rèn)識(shí)根-土復(fù)合體的拉應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并探究根-土復(fù)合體的拉伸破壞機(jī)理，以自然根系含量下（N= 1根）的位移-拉應(yīng)力曲線為例進(jìn)行分析.雖然在重復(fù)試驗(yàn)中所用根系的表面微觀結(jié)構(gòu)存在差異，但觀察所有試驗(yàn)中的位移-拉應(yīng)力曲線，其變化規(guī)律基本一致，均可用圖9所示的典型位移-拉應(yīng)力曲線描述.

圖9 根-土復(fù)合體位移-拉應(yīng)力典型關(guān)系曲線Fig.9 Typical relationship of displacement and tensile stress of root-soil composite system

由圖9可知：1）自然根系含量下根-土復(fù)合體的位移-拉應(yīng)力曲線可以概化為4個(gè)階段，即應(yīng)力增加階段（階段Ⅰ）、土體破壞階段（階段Ⅱ）、應(yīng)力再增加階段（階段Ⅲ）和根系滑移階段（階段Ⅳ），階段Ⅰ～Ⅳ的位移-拉應(yīng)力曲線均表現(xiàn)出了明顯的非線性變化特征.2）在階段Ⅰ中，根-土復(fù)合體的拉應(yīng)力在較短時(shí)間和較小位移量下急劇增大，在土樣中部的兩側(cè)模具交界面處和其左右兩側(cè)各1 cm處出現(xiàn)微裂縫，但土體仍處于彈性變形狀態(tài)，拉應(yīng)力增大至最大值，達(dá)到根-土復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度.根系在土體中發(fā)揮加筋作用，使抗拉強(qiáng)度相較于素土顯著提高.3）階段Ⅱ?yàn)橥馏w軟化階段，在第一峰值后土體的拉應(yīng)力不會(huì)立刻喪失，而是以一定的減小速率下降.土樣中部的初期微裂縫迅速擴(kuò)展延伸形成主裂縫，主裂縫兩側(cè)微裂縫也開始擴(kuò)展形成次裂縫，但次裂縫的長(zhǎng)度和寬度明顯小于主裂縫.階段Ⅱ結(jié)束時(shí)刻拉伸段兩側(cè)的主裂縫貫通，次裂縫停止擴(kuò)展，發(fā)生少量回彈，此時(shí)根-土復(fù)合體完全失去土體的抗拉強(qiáng)度.4）在階段Ⅲ中，由于土體已發(fā)生拉伸破壞，此時(shí)的拉應(yīng)力增量完全由根系與土體接觸面的摩擦力提供.5）隨著拉伸位移的增大，接觸面摩擦力達(dá)到最大靜摩擦力，出現(xiàn)第二峰值，在階段Ⅳ中，根系與土體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，根系與土體接觸面的摩擦力為滑動(dòng)摩擦力，拉應(yīng)力隨著位移的增大逐漸減小，直至根系被完全從左側(cè)土體中拔出.6）根-土界面的摩擦特性在根-土復(fù)合體不同的變形階段表現(xiàn)出不同的貢獻(xiàn)程度，主要在階段Ⅰ和階段Ⅲ發(fā)生作用，在土體破壞后，根系仍能提供較大的拉應(yīng)力，使土體產(chǎn)生延性破壞.

圖10為素土和N= 1根的根-土復(fù)合體的最終破壞形態(tài)，從圖10中可以看出：素土的破壞面在土樣中部，左右兩側(cè)無(wú)明顯裂縫產(chǎn)生；根-土復(fù)合體除了在土樣中部產(chǎn)生破壞面外，在土樣中部左右兩側(cè)各1 cm處出現(xiàn)了明顯的次裂縫，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是根系在土樣表現(xiàn)出明顯的加筋效應(yīng)，使土樣中部模具交界面處的抗拉強(qiáng)度增大，在相同的拉力作用下抵抗變形能力增強(qiáng)，從而將荷載傳遞至主裂縫旁邊的薄弱區(qū)，產(chǎn)生拉伸裂縫.

圖10 素土和根-土復(fù)合體的破壞形態(tài)Fig.10 Failure modes of plain soil and root soil composite system

本試驗(yàn)假定拉伸儀器的右側(cè)固定端為灌木植物根系生物量的主要分布區(qū)域，左側(cè)移動(dòng)端為水平根系所牽引的土體部分，移動(dòng)端緩慢向左移動(dòng)模擬坡頂或坡面裂縫的緩慢擴(kuò)展.上述假定主要通過(guò)擺放根系的粗段和細(xì)段來(lái)實(shí)現(xiàn)，由大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，根-土復(fù)合體的破壞現(xiàn)象基本是根系留在右側(cè)固定端，而左側(cè)移動(dòng)端只將土體拉出，這是由于根系粗段與土體間摩擦力較大，根系與土體之間存在鎖固力，而細(xì)段摩擦力較小，土體在拉力作用下易與根系分離.以上假定破壞模式也與實(shí)際中坡面淺層破壞后，破壞面上緣露出大量水平根系現(xiàn)象類似，如圖11所示.

圖11 國(guó)道 318 德格—甘孜段淺層滑坡Fig.11 Shallow landslide in Dege—Ganzi section of National Highway 318

根系對(duì)土體抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)作用除了可應(yīng)用于減緩或阻止坡頂拉裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，增加土質(zhì)邊坡坡頂或坡面上部淺表層的穩(wěn)定性，為邊坡淺層滑坡和表層溜坍提供破壞前兆和預(yù)警時(shí)間，也可用于優(yōu)化公路沿線邊坡綠化的植物選擇和配置[25]，在改善邊坡生態(tài)環(huán)境的同時(shí)保護(hù)邊坡淺表層的穩(wěn)定性.此外，定量評(píng)價(jià)根-土復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度在減緩彎曲河道凹岸和凸岸處的崩退破壞速率，保持河岸水土方面具有積極作用[26].如何將土體及根-土復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度特性應(yīng)用于工程實(shí)際中，還需要進(jìn)行更深一步的研究.

3 結(jié) 論

1）在現(xiàn)有土工單軸拉伸試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)研制了新型單軸土工拉伸試驗(yàn)裝置，該裝置由加載模塊、數(shù)字控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、制樣加載夾具4部分組成.試驗(yàn)裝置可開展多種土體材料的抗拉強(qiáng)度測(cè)試，加載速率調(diào)控范圍大，運(yùn)動(dòng)模式可變，可精確、動(dòng)態(tài)地獲取測(cè)試材料的全過(guò)程位移-拉應(yīng)力關(guān)系曲線，觀察拉伸破壞的演化過(guò)程.

2）素土的位移-拉應(yīng)力曲線表現(xiàn)為單峰型，而灌木植物胡枝子根-土復(fù)合體的位移-拉應(yīng)力曲線均表現(xiàn)為雙峰型，即在拉應(yīng)力達(dá)到根-土復(fù)合體的抗拉強(qiáng)度后，隨著拉伸位移的增大，根-土復(fù)合體的拉應(yīng)力在下降后又逐漸上升，達(dá)到第二峰值.隨著含根量的增加，根-土復(fù)合體的第一峰值和第二峰值均呈現(xiàn)出非線性增大的變化特征.在自然含根量下，本文提出的根-土復(fù)合體抗拉強(qiáng)度計(jì)算模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的擬合程度較好.

3）胡枝子根-土復(fù)合體的拉伸破壞過(guò)程可以分為4個(gè)階段：應(yīng)力增加階段、土體破壞階段、應(yīng)力再增加階段和根系滑移階段.其中，土體破壞階段存在應(yīng)力軟化特征，并且根-土界面的摩擦特性在拉伸破壞過(guò)程中表現(xiàn)出不同的貢獻(xiàn)程度，主要在應(yīng)力增加階段和應(yīng)力再增加階段發(fā)生作用.根-土復(fù)合體的破壞形態(tài)不同于素土，表現(xiàn)為在斷裂面左右兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生宏觀拉伸裂縫.