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若尔盖高原地区根-土复合体冻胀特性研究

植物根系；根-土复合体；冻融特性；柔性加筋；冻胀研究

若尔盖高原地区是典型的季节性冻土区，目前若尔盖地区生态系统复杂多样，受气候、地理条件和人为活动等因素的影响，引起水土流失，草地发生退化。冻融作用是使土壤结构遭到破坏，土壤的抗侵蚀能力下降，增强了土壤分离能力。植物根系的固结缠绕作用能够提高土体强度，同时植物作为一种天然绿色的加筋材料，不仅能够加强土体的稳定性，同时植被的存在能够起到涵养水土，改善生态环境，预防土地沙化的作用，根系在土体的加筋作用形成的植毡保温层对土体中负温的传递有一定的延缓作用，植物根系通过固结缠绕，即通过对土体的摩擦加筋，使得土体在冻结过程中，冻胀率减小。所以，以若尔盖土体以及草本植物根系为研究对象，研究若尔盖地区含根系土体的力学性质以及土体短期低温作用下冻胀特性。本次的主要研究内容如下：

通过室内试验测得若尔盖土体的基本物理力学性质，研究植物根系在常温状态和冻融循环之后抗拉力及抗拉强度的变化情况。研究表明：根系在经过冻融循环之后，抗拉力和抗拉强度均呈现减小趋势。

通过三轴剪切试验对比研究素土和根-土复合体（根系含量：1%、2%、4%）经过冻融循环之后土体力学性质的变化。研究发现：根系含量越高，对土体的加强作用越明显。根系的存在对土体的粘聚力影响较大，对土体的内摩擦角影响不显著。结合改进的柔性加筋理论，基于冻融循环，结合根重密度RMD与根系经过冻融循环抗拉力的劣化作用，建立根系抗拉力(T)与冻融循环(n)的拟合关系，建立了抗剪强度计算增强值与冻融循环次数的关系。通过计算值和试验值对比，当RMD≥0.0129 g/cm³，测试样本的抗剪强度增量指标接近模型上限值，当RMD≥0.05 g/cm³，测试样本的抗剪强度增量指标位于模型上下限中间，随着含根量的增高，根系并不会完全发生作用。

对素土及根-土复合体进行封闭不补水单向冻结实验，对比研究素土及根-土复合体的温度变化、水分重分布、冻胀率发现：根系的存在对负温传递有阻碍作用，对土体有一定的保温效果；根系的存在使土体中的水分重分布减弱，土体中水分迁移状况减弱，大部分水为原位冻结；一定范围内的根系含量对土体冻胀率起着抑制作用。对比发现根系含量为2%的情况下，对土体保温、阻碍水分迁移以及抑制冻胀率的效果最好。

以根系含量为2%的土体进行数值模拟研究，利用有限元软件COMSOL中的PDE开发模块进行数值求解，通过计算结果与实验数据对比，验证了模型的可靠性。后续改变模型中的参数研究土体密度、含水率、冷端温度、冻融循环对土体冻胀率的影响。