黄河源区蜿蜒河岸处根系土壤的实验室拉伸性能研究及冻融循环下的离散元（DEM）建模

《Cold Regions Science and Technology》：Laboratory tensile properties and DEM modelling of rooted soils under freeze-thaw cycles at meandering riverbanks in the Yellow River Source Region

本研究通过实验室拉伸测试与离散元模拟，分析了冻融循环次数、根系含量及种类组成对黄河源区高寒草甸根土复合体抗拉强度的影响，发现冻融循环显著降低强度，根系含量增加可提升强度，但单一根系种类比例过高会削弱整体性能，为河岸稳定性评估提供理论依据。

　　

洪晨泽|朱海丽|吴越晨|张海龙|徐鹏凯|刘亚斌|李国荣|胡夏松

青海大学地质工程学院，中国西宁810016

摘要

黄河源区（YRSR）的高山草甸土壤的抗拉力学性能是控制河岸弯曲稳定性的关键因素。为了阐明冻融循环和草甸退化如何影响河岸根土复合体的抗拉强度，我们研究了兰木措河沿岸不同退化程度的河弯。我们对重构的根土样品进行了单轴抗拉试验，并在三种参数设置下进行了离散元（DEM）模拟：冻融循环次数、根系含量和根系种类组成。然后，我们分析了根土中冻融损伤的微观机制及其相关的根系增强过程。结果表明，经过七次冻融循环后，抗拉强度下降了45%。根系含量为1%的样品的抗拉强度比根系含量为4%的样品低61.1%。减少莎草根的比例会削弱根土复合体的抗拉强度。从第一次到第七次冻融循环，抗拉和剪切断裂接触比例增加，第四次循环后增长速度放缓。增加根系含量可以降低抗拉和剪切断裂接触比例。冻融作用降低了根系的峰值拉力及表面接触力，并增加了这些力的屈服位移。较低的莎草比例和减少的根系含量导致峰值根系拉力及表面接触力减小，并使屈服位移提前发生。敏感性分析表明，土壤的有效模量和抗拉强度分别是决定复合体弹性模量和抗拉强度的主要因素，而软化模量则主要受根系特性和根土界面接触参数的影响。

引言

黄河源区（YRSR）位于青藏高原（QTP）的永久冻土-季节性冻土过渡带内，是黄河的重要水源保护区（Feng等人，2006年）。高山草甸约占该地区总面积的61.40%（Zhao，2021年）。自20世纪70年代以来，在气候变化、过度放牧和高原啮齿动物侵害的共同影响下，这些草甸的退化加速（Zhang等人，2006年；Qin等人，2017年），导致区域生态水文条件发生显著变化（Bense等人，2012年）。冻融循环和草甸退化的程度直接影响河岸弯曲处草甸土壤的力学稳定性。定量分析这些影响并阐明其背后的机制对于解释源区河岸的侧向演变以及保护河岸生态系统具有重要的理论和实际意义。

在YRSR，河岸的上层由交织的植物根系和土壤形成的毡状根土复合层构成。与下层的细沙和砾石砂共同构成了典型的双层河岸结构（Zhu，2018年）。下层河岸受到持续的水力侵蚀，使上层成为悬挑结构。当后部锚固点的弯曲引起的拉应力超过材料的抗拉强度时，就会发生拉断裂，从而导致河岸坍塌（Zhu等人，2020年）。因此，上覆根土复合体的抗拉能力对悬挑河岸的稳定性至关重要。交织的根系将土壤颗粒结合成一个整体，从而通过增加表观凝聚力并提供额外的抗拉增强来加固河岸。人们普遍认为，根纤维通过根土界面的摩擦将土壤内部的应力转化为根系本身的拉力，从而提高复合体的抗拉强度和弹性响应（Li等人，2017年；Su等人，2022年；Saadati等人，2023年；Zou等人，2024年）。然而，YRSR的生态环境脆弱，气候条件复杂。在草甸退化和反复冻融循环的共同影响下，定量评估河岸草甸土壤的抗拉性能和根系增强效果仍然具有挑战性。一方面，不同退化程度的河岸草甸植被群落的地下根系系统存在显著差异。随着草地的退化，根系结构从以草和莎草为主的细纤维根系转变为以杂草为主的粗轴状直根（Niu等人，2018年）。此外，不同退化程度下的根土质量比、根系形态和力学性能差异产生了不同的空间应力场（Zhang等人，2025年）。因此，退化草甸中的根系对土壤剖面的抗拉强度的贡献不均。另一方面，冻融循环会破坏土壤骨架并增大孔隙体积（Li等人，2023年；Chen等人，2024年），从而改变土壤的宏观力学性能和根土相互作用（Jafari和Esna-ashari，2012年；Zhou等人，2018年；Meeravali等人，2020年）。因此，有必要在草甸退化过程中定量评估根系结构、根系丰度和力学性能的变化对根土层内冻融损伤的影响，并分析其作用机制，以解释河岸悬挑结构的不稳定性及河岸坍塌的机理。

根土相互作用和冻融损伤在控制复合体的宏观性能中起着主导作用。研究表明，增强材料和土壤基质的干密度是抗拉强度的主要控制因素，且冻融引起的抗拉强度损失主要发生在前五个循环内（Li等人，2018年）。此外，增强材料显著提高了冻融循环后土壤的无约束抗压强度（Zaimoglu，2010年）；例如，3%的聚丙烯纤维含量可使冻融后的无约束抗压强度提高约60%，并减少冻胀约70%（Ghazavi和Roustaie，2010年）。然而，目前对于冻融作用对不同植物根土复合体造成的力学损伤及其背后的机制仍不完全清楚。离散元方法（DEM）是一种将颗粒尺度行为与宏观力学响应联系起来的工具（Zhang等人，2018年；Li等人，2019年），被认为是从微观角度研究这些性质的重要方法。同时，复合材料的力学测试通常涉及大变形和断裂；在这种情况下，DEM在模拟不连续多相介质的大变形行为方面具有显著优势。最新研究表明，DEM数值模型可以有效研究纤维形态、纤维刚度和纤维含量对复合材料力学性能的影响（Yang等人，2021年；Zhang等人，2024b）。此外，这些模型还可以提取微观参数，包括内能、协调数、根内应力和裂纹密度（Yang等人，2021年；Yang等人，2022年；Yang，2023年），从而为量化根土力学相互作用提供了可靠的方法。

在河岸草甸退化过程中，地表植被种类、地下根系结构和根系生物量含量会发生显著变化（Xing等人，2022年；Lin等人，2024年）。此外，YRSR经历反复的季节性冻融循环。目前，关于这两种因素共同作用下草甸土壤抗拉力学性能的研究仍然有限（Li等人，2020年）。因此，本研究重点关注YRSR的高山草甸土壤。通过规定不同的冻融循环次数、根系含量和根系种类，我们对重构的根土复合样品进行了单轴抗拉试验，并使用颗粒流代码（PFC）进行了离散元模拟。与以往关于冻融循环下根土系统的离散元模拟不同，本研究系统地研究了不同根系组成和根系含量的变化如何影响冻融条件下根土的抗拉强度。在微观尺度上，引入了冻融损伤指标来研究根土中冻融劣化的微观力学机制。同时，本研究特别关注与悬挑型河岸坍塌相关的抗拉行为，而不是以往研究中常见的压缩或剪切响应。通过定量评估冻融循环和草甸根系对河岸抗拉强度的影响，我们阐明了冻融退化下复合体的微观应力重分布和损伤演变机制。这些发现加深了人们对冻融循环和草甸退化共同导致河岸坍塌的理解，为退化草甸的管理和河岸植被恢复提供了实际指导，并从多个重要角度推进了根土系统冻融行为的研究。

研究区域

研究区域位于青海省黄南藏族自治州河南县的兰木措河，如图1(a)所示。其地理坐标为北纬34°26′–35°02′，东经101°23′–101°35′。该地区位于青海省的东北部，是典型的季节性冻土带。2019–2024年的温度数据来自中国气象局国家气候中心（http://data.cma.cn）。

建立数值模型

本研究使用PFC3D建立了根土复合模型。抗拉模具的尺寸与样品的实际尺寸相匹配。在数值模型中，土壤颗粒是根据测量的粒径分布生成的。然而，由于抗拉模具相对较大，如果使用实际的粒径分布，会产生过多的颗粒数量。为了提高计算效率，直径小于0.25毫米的颗粒被替换为直径为0.25毫米的颗粒。

单轴抗拉试验结果

实验室单轴抗拉试验的结果如图9所示。不同冻融（FT）循环下的抗拉强度在图9a中展示。随着FT循环次数的增加，样品的抗拉强度逐渐下降，FT-7时达到3.48千帕。FT-1、FT-4和FT-7的强度梯度损失率分别为13.7%、17.8%和10.3%。值得注意的是，FT-4和FT-7之间没有显著差异，这表明冻融循环对土壤的影响

讨论

以往对冻融过程中土壤微观结构的研究表明，结构变化通常集中在早期阶段，随着冻融循环次数的增加，其影响逐渐减弱（Yang等人，2024年）。在本研究中，根土复合体的抗拉强度和抗拉断裂接触比例在连续冻融循环中的演变趋势相似。

结论

本研究结合了实验室测试和数值模拟，研究了冻融循环、根系含量和根系种类组成如何影响河岸草甸的抗拉力学性能。我们进一步分析了冻融引起的微观损伤和根系增强机制。主要结论如下：

(1)

冻融循环降低了河岸根土复合体的抗拉强度，这种削弱效应在FT-4之后逐渐减弱

作者贡献声明

洪晨泽：撰写——原始草稿、方法论、调查、数据分析。朱海丽：撰写——审稿与编辑、软件使用、资金获取。吴越晨：调查、数据分析。张海龙：调查、数据分析。徐鹏凯：数据分析。刘亚斌：调查。李国荣：监督。胡夏松：监督。

利益冲突声明

作者声明没有已知的个人关系或财务利益可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42062019、40022283）的支持。我们感谢青海大学超级计算中心提供的软件支持。