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根系对土体具有显著的加固作用。由于天然植物根系种类繁多、根构型复杂多变，关于根系影响土体内摩擦角的机制研究相对较少且结论尚不明确。以聚乳酸为原材料，使用3D打印技术制作仿真根纤维、标准砂模拟土体、黄原胶凝胶模拟根系分泌物，使用干燥标准砂模拟土壤排除黏聚力影响，通过室内直剪试验研究黄原胶凝胶质量分数、根截面积比一定时根数量和直径协同变化、根数量和根直径对土体内摩擦角的影响，以分析土体加固机制。

试验材料

本研究选用仿生材料聚乳酸PLA模拟植物根系——具有成本低、易加工、可降解和生物毒性低等优点，是一种性能良好的3D打印材料，应用十分广泛。向师庆等依照林木各类根的生长发育情况及其相对粗壮发达的优势根，将根型分为水平根型、垂直根型等5类。本试验选用垂直根型：以垂直根、整个根系中占优势，其水平根或斜生根较弱或者没有。此外，根系固土研究中常使用抗拉强度来评价材料的力学特性。利用uniplus3D打印机，根据试验要求，打印长度为20mm，直径为1.29、2.50、2.89、3.50和5.00mm的根样各20根。试验开始前，将制备好的根纤维利用WDW-E万能试验机采用单根拉伸方法测定抗拉强度。经测定，本研究所采用根纤维均落在20~60MPa范围内。根据Baets等的研究结论，植物根系的抗拉强度一般在5~MPa之间；因而，根纤维满足选用模型需求。综合以上3点：本试验选用PLA为根纤维材料，利用3D打印技术生产仿真垂直根纤维，模拟天然根。

试验方法

制样时，使用天平分别称量根纤维及对应凝胶质量，将凝胶均匀涂抹在根纤维表面后再次称量根纤维及凝胶质量，以保证凝胶添加的一致性。试验利用DJY-4L四联等应变直剪仪速率控制器。试验要求对准上下剪切盒，插入固定销，在剪切盒内放置透水石，将准备好的根纤维在剪切盒内按设计方案摆放好，用钢丝网保持其位置和状态，根纤维以垂直状态排列。使用天平称量g标准砂，将称量好的标准砂缓慢、均匀地倒入剪切盒中。最后，在试样顶部放置透水石，盖上盖，调整杠杆，拔固定销。分别在、、和kPa的法向压力作用下，将每组试样以0.8mm/min的速率剪切并记录剪切位移，绘制剪应力-位移曲线，每组试验重复3次。根据数据和曲线拟合得出各组根-土复合体的内摩擦角?，并比较分析各组的差异。

试样模型示意

主要研究成果

1)黄原胶凝胶质量分数和内摩擦角呈正相关关系，这种关系在达到一定程度后不再明显。在本试验中，凝胶质量分数为3%时，内摩擦角达到峰值，为52.16°。

黄原胶凝胶质量分数对内摩擦角的影响

2)根直径、数量增加引起含根量增加，从而使内摩擦角增大。在本试验中，根直径为5mm，根数量为5时内摩擦角达到峰值，为55.22°。

根数量对内摩擦角的影响

根直径对内摩擦角的影响

3)RAR一定时，含根量一定时，内摩擦角受根直径影响先增大后减小。在本试验中，根直径为2.89mm，根数量为3时土壤内摩擦角达到峰值，为52.19°。

RAR恒定，根直径和根数量协同变化对内摩擦角的影响

本研究由北京市级大学生创新创业训练计划项目“基于仿生材料的根系固土力学机制研究”(S201922030)；国家自然科学基金青年科学基金“基于应变控制的根系固土纤维束模型研究”(31616)资助往期推荐:

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《中国水土保持科学》是由中国科学技术协会主管，中国水土保持学会主办的综合性学术期刊。3年创刊，双月刊，公开发行，4年成为中国科技核心期刊，年入选中国科学引文数据库（CSCD），年入编北京大学《中文核心期刊要目总览》，年入选Scopus数据库。

长按

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