水平荷載作用下多花木藍(lán)根系拉拔試驗(yàn)研究

管世烽，夏振堯，張　倫，胡文靜，張守德，許文年

(1．三峽大學(xué) a．三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心; b．水利與環(huán)境學(xué)院；c．土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌　443002； 2．廣西大藤峽水利樞紐開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，南寧　530029)

水平荷載作用下多花木藍(lán)根系拉拔試驗(yàn)研究

管世烽1a,1b,2，夏振堯1a,1c，張倫1c，胡文靜1c，張守德1b，許文年1a,1c

(1．三峽大學(xué) a．三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心; b．水利與環(huán)境學(xué)院；c．土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌443002； 2．廣西大藤峽水利樞紐開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，南寧530029)

摘要：為探索灌木植物根系與土壤界面摩擦力的影響因素，通過(guò)改變土壤干密度條件，采用直接施加水平拉拔荷載的方法進(jìn)行單根拉拔試驗(yàn)，研究了多花木藍(lán)單根的抗拉拔力。結(jié)果表明：①多花木藍(lán)單根的抗拉拔力與位移關(guān)系曲線可分為陡峭上升、陡峭下降和平緩下降3個(gè)階段，在試驗(yàn)開(kāi)始階段呈線性關(guān)系，隨后表現(xiàn)出顯著的非線性關(guān)系；②在同一土壤干密度條件下，多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力隨著根徑的增加而呈線性增大趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.9；③當(dāng)根徑一定時(shí)，多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力隨著土壤干密度的增加而增大；④根在土壤干密度ρd為1.35，1.45，1.55 g/cm3時(shí)的拉拔破壞模式均表現(xiàn)為摩擦破壞，而土壤干密度ρd=1.65 g/cm3，根徑r=0.586 mm是根的拉拔破壞模式從摩擦破壞到拉斷破壞的臨界點(diǎn)，表明當(dāng)根徑r<0.586 mm時(shí)，根的破壞模式表現(xiàn)為拉斷破壞，而當(dāng)根徑r>0.586 mm時(shí)，根的破壞模式表現(xiàn)為摩擦破壞。因此，根徑、土壤密度影響根土界面的抗拉拔力。

關(guān)鍵詞：固土機(jī)理；根-土界面；拉拔試驗(yàn)；抗拉拔力；土壤密度

1研究背景

植物根系具有固持土體的能力，根系的存在改變了土的力學(xué)性能是其固土機(jī)理之一。植物固土主要通過(guò)根系的加筋和錨固作用來(lái)實(shí)現(xiàn)[1-2]，根-土復(fù)合體在外力作用下，其變形小于素土[3-4]。根土-復(fù)合體在外荷作用下的破壞模式總體上可概括為2種[5]，即拉斷破壞和摩擦破壞。當(dāng)土體遭受破壞產(chǎn)生滑動(dòng)面時(shí)，根系將所承受的荷載向土體深層傳遞，并向周圍擴(kuò)散，降低根-土復(fù)合體的應(yīng)力水平，改善土體變形性能。宋維峰等[6]認(rèn)為，對(duì)灌木植物而言，根系提高土體強(qiáng)度的主要原因之一是土體與根系變形模量存在一定差異，故根系和土體在共同變形過(guò)程中存在相互錯(cuò)動(dòng)，該錯(cuò)動(dòng)被根系與土體之間存在的摩擦黏結(jié)產(chǎn)生的摩擦阻力所抵抗，該土體與根系之間的摩擦阻力，與土體聯(lián)合起來(lái)共同承受和傳遞外部荷載，從而對(duì)邊坡土體起到加固作用?？梢?jiàn)，土體與根系之間的摩擦阻力直接影響著根系加固邊坡土體的顯著性效果。

根系與土體之間的摩擦特性研究，目前常借鑒土壤與其他材料的界面摩擦特性研究方法，如采用直剪試驗(yàn)研究喬木與灌木根系與土體界面摩擦特性[3,6]，采用拉拔試驗(yàn)?zāi)M加筋材料被拔出的特性[7-10]。本文基于前人研究結(jié)果，以常用水土保持植物——多花木藍(lán)(IndigoferaamblyanthaCraib)的根系為對(duì)象，采用施加直接水平拉拔荷載的單根拉拔試驗(yàn)，研究根系抗拉拔力的變化規(guī)律及其影響因素，為根土界面摩擦特性的研究提供基礎(chǔ)和依據(jù)。

2材料選取與試驗(yàn)方法

2.1試驗(yàn)材料

植物選取宜昌市三峽大學(xué)校園內(nèi)植被修復(fù)邊坡中的灌木植物多花木藍(lán)。多花木藍(lán)，為豆科木藍(lán)屬多年生落葉灌木，多生于1 200 m以下的山坡，在林緣、路邊、荒山陽(yáng)面坡、灌叢都較常見(jiàn)；它具有抗旱、耐寒、耐瘠薄、根系發(fā)達(dá)的特點(diǎn)，能固定土壤，增加土壤通透性，能有效截留降水，因此，可以防治水土流失，還能和其他草種混播在高速公路、鐵路兩側(cè)的坡面土壤中，是一種優(yōu)秀的水土保持及綠化護(hù)坡植物。植物植株于2014年7月采用整株挖掘法挖掘，選取長(zhǎng)勢(shì)較好且具有代表性的多花木藍(lán)植株20株，將其挖出后置于靜水中洗去土壤，待根系表面的水漬晾干后，采用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析多花木藍(lán)根系根徑情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其根徑以0～0.5 mm最多，0.5～1.0 mm次之。然后用剪刀分別剪取根較直、表面較平整的單根作為拉拔試驗(yàn)材料，剪取的根長(zhǎng)為100 mm，由于0～0.5 mm根徑的根較細(xì)，操作時(shí)易受人為干擾而造成試驗(yàn)結(jié)果偏差，因此，根徑范圍選取為0.5～1.0 mm，并用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)測(cè)量單根平均直徑，將測(cè)量后的單根放入自封袋并編號(hào)，然后放入冰箱內(nèi)保鮮儲(chǔ)存，且于24 h內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)土壤選擇三峽庫(kù)區(qū)常見(jiàn)的紫色土，位于湖北省宜昌市秭歸縣水田壩鄉(xiāng)龍口村，經(jīng)緯度坐標(biāo)31°13′37″N，110°41′16″E，海拔高度272 m。紫色土土樣采集于2014年6月下旬，選擇邊坡中部的0～20 cm表層土。將土放在室內(nèi)潔凈通風(fēng)的環(huán)境中風(fēng)干，剔除未分解的植物根系及殘?bào)w、昆蟲(chóng)尸體、石塊等雜物，將大塊土捏碎；將風(fēng)干土過(guò)孔徑5 mm標(biāo)準(zhǔn)分樣篩制備試驗(yàn)土樣，并采用篩分法測(cè)定土樣的顆粒組成，紫色土的基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1。采用烘干法測(cè)定土壤天然含水量，采用環(huán)刀法測(cè)定土壤干密度。采用電位法測(cè)定pH值。

表1　紫色土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用烘干法測(cè)定風(fēng)干且過(guò)篩后土壤的含水率w0，因天然含水率為17.76%，將試驗(yàn)土樣目標(biāo)含水率wi設(shè)計(jì)為17.76%，然后用天秤量風(fēng)干土質(zhì)量m，根據(jù)式(1)和式(2)分別計(jì)算目標(biāo)含水率wi條件下制備土樣所需要的加水量mwi和土質(zhì)量，即：

(1)

(2)

式中：mwi為制備土樣時(shí)所需的加水量(g)；m為制備土樣時(shí)稱量的風(fēng)干土質(zhì)量(g)；mi為制備試樣時(shí)所需的土質(zhì)量(g)；wi為土樣設(shè)計(jì)含水率(%)；w0為風(fēng)干土含水率(%)；ρd為土壤干密度(g/cm3)； V為裝土盒容積(cm3)。

將稱量的風(fēng)干土樣m平鋪于搪瓷盤(pán)內(nèi)，并分別用量筒量取mwi，然后將水均勻噴灑在土樣上，拌勻后裝入盛土容器內(nèi)蓋緊，潤(rùn)濕一晝夜，制備成目標(biāo)含水率土樣。

試樣為重塑土，控制土壤初始干密度ρd=1.35 g/cm3，根據(jù)公式(2)計(jì)算裝土盒體積V時(shí)目標(biāo)含水率wi條件下制備試樣所需的土質(zhì)量mi，并從制備的目標(biāo)含水率土樣中稱量制備試樣所需的土質(zhì)量mi，然后按土力學(xué)試驗(yàn)規(guī)范重塑制樣方法將剪取制備的多花木藍(lán)單根水平埋于長(zhǎng)為100 mm、寬為100 mm、高為100 mm的立方體裝土盒中心，分層壓實(shí)，制備成多花木藍(lán)單根根-土復(fù)合體；然后采用改裝的HP-50型艾德堡數(shù)顯推拉力計(jì)試驗(yàn)裝置對(duì)多花木藍(lán)單根根-土復(fù)合體進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，其加載速度控制為10 mm/min。若在土壤初始干密度條件下，多花木藍(lán)單根未產(chǎn)生拉斷，則以干密度變化量為0.1 g/cm3增加土壤干密度，直至單根出現(xiàn)拉斷。單根拉拔試驗(yàn)裝置及過(guò)程見(jiàn)圖1(a)和圖1(b)。采用改裝的HP-50型艾德堡數(shù)顯推拉力計(jì)試驗(yàn)裝置對(duì)制備的多花木藍(lán)單根進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，其加載速度控制為10 mm/min。單根抗拉試驗(yàn)裝置及過(guò)程見(jiàn)圖1(c)。

圖1　單根試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)過(guò)程Fig.1　Pictures of test equipment and process

圖2　最大抗拉力與根徑的關(guān)系Fig.2　Relationship between maximum tensile resistance and root diameter

3結(jié)果與分析

3.1根徑對(duì)根的最大抗拉力的影響

設(shè)置了多花木藍(lán)單根平均直徑在0.5～1.0 mm的抗拉試驗(yàn)，其最大抗拉力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出：①多花木藍(lán)單根的最大抗拉力隨根的平均直徑的增大而顯著增加;②多花木藍(lán)單根的最大抗拉力與根的平均直徑之間存在顯著的線性關(guān)系，其擬合方程為

y = 62.079x-29.943 ，(R2=0.978 5) 。

(3)

3.2根的抗拉拔力與位移的關(guān)系

在不同干密度條件下，多花木藍(lán)單根的拉拔試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3?？刂仆寥莱跏几擅芏圈裠=1.35 g/cm3進(jìn)行單根拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3(a)所示，結(jié)果表明根徑在0.5～1.0 mm之間的單根均被整體拔出，拉拔破壞模式為摩擦破壞，而沒(méi)有發(fā)生拉斷破壞。然后以Δρd=0.1 g/cm3增加土壤干密度進(jìn)行單根拉拔試驗(yàn)，直至土壤干密度ρd=1.65 g/cm3時(shí)，根徑為0.587 mm和0.633 mm的2組試驗(yàn)單根被拉斷，破壞模式為拉斷破壞，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3中的(b)、(c)、(d)。

可將圖3不同土壤干密度條件下多花木藍(lán)單根的抗拉拔力隨位移增加的變化曲線分為陡峭上升、陡峭下降和平緩下降3個(gè)階段，如圖3(d)曲線AB段、BC段和CD段；隨著拉拔位移的增加，單根的抗拉拔力首先呈線性上升趨勢(shì)達(dá)到最大值，且最大值對(duì)應(yīng)的拉拔位移在10 mm左右波動(dòng)，達(dá)到最大值后呈非線性迅速不斷減小趨勢(shì)，并出現(xiàn)上下波動(dòng)，最后趨于0。這是因?yàn)椋涸诟焕伍_(kāi)始時(shí)，由于根自身的彈性模量，在土體中的位移幾乎為0，根-土接觸面處土顆粒隨著拉拔發(fā)生提升、錯(cuò)動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)，并伴隨著土體積的變化，這一過(guò)程需借助外力完成，因此，在拉拔開(kāi)始初期，拉拔力迅速達(dá)到最大值，然后隨著拉拔過(guò)程的繼續(xù)，根周圍土顆粒的移動(dòng)和重新排列，使根土界面趨于平滑，根與土顆粒之間的摩阻力逐漸減小并趨于穩(wěn)定，拉拔力也隨之減小并趨于穩(wěn)定，最后趨于0。這一結(jié)論與劉小光等[11]、張興玲等[12]、邢會(huì)文[13]研究植物根系與土壤間的摩擦力特性所得到的結(jié)論一致。

圖3　不同土壤干密度條件下抗拉拔力與位移的關(guān)系Fig.3　Relationships between anti-pullout force and displacement in the presence of different soil dry densities

從圖3(d)可以看出，雖然單根發(fā)生拉斷破壞模式的曲線也呈現(xiàn)出類似單根發(fā)生摩擦破壞模式的曲線變化規(guī)律，但它與摩擦破壞的曲線變化規(guī)律之間存在差異，其差異最主要有2點(diǎn)：第一，當(dāng)單根被拉斷時(shí)，抗拉拔力達(dá)到最大值，此后根的抗拉拔力急劇減小且呈直線下降，而發(fā)生摩擦破壞的根的抗拉拔力減小幅度較小；第二，拉斷破壞的根的抗拉拔力趨近于0時(shí)對(duì)應(yīng)的拉拔位移減小。第一點(diǎn)差異的原因是根被拉斷，使根長(zhǎng)度減小，與根與土的接觸面積驟減，減小了根土間的摩擦力，從而拉拔力急劇減??；第二點(diǎn)差異的原因是因?yàn)楦焕瓟?，使根與土的接觸長(zhǎng)度減小，從而使被拔出的根的長(zhǎng)度變短，拔出的位移相應(yīng)減小，因此拉拔力更快趨于0。

圖4　不同土壤干密度條件下最大抗拉拔力與根徑的關(guān)系Fig.4　Relationships between maximum anti-pullout force and root diameter in the presence of different soil dry densities

3.3土壤干密度對(duì)單根最大抗拉拔力的影響

不同土壤干密度條件下最大抗拉拔力與根徑的關(guān)系如圖4所示。從圖4可以看出，在相同的土壤干密度條件下，多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力隨著根徑的增加而增大，其相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.90以上。說(shuō)明植物單根的直徑越大，根土接觸面就越大，根土界面摩擦力發(fā)揮得越充分，從而導(dǎo)致根的摩擦阻力就越大，根的抗拉拔力也就越大。這一結(jié)論與宋維峰等[6]的根系與土體接觸面相互作用特性試驗(yàn)中所得到的結(jié)論和曹云生等[14]研究植物根土界面摩擦力的影響因素所得到的結(jié)果一致。當(dāng)根徑一定時(shí)，多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力隨著土壤干密度的增加而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。土壤干密度越小，土顆粒之間的排列越松散，土顆粒與根表面的接觸越不充分，導(dǎo)致根土之間的咬合力越差；隨著土壤干密度的增加，土顆粒與根表面的接觸越緊密，使土體與根之間的咬合能力增強(qiáng)，導(dǎo)致根的摩擦力增大，從而使根被拉拔時(shí)根的抗拉拔力增大。這一結(jié)論與張永亮等[15]的檸條、沙柳根-土界面抗阻拉力特性研究中所得到的結(jié)論相一致。

圖5　最大抗拉拔力、最大抗拉力與根徑的關(guān)系曲線Fig.5　Curves of maximum anti-pullout force and maximum tensile resistance vs. root diameter

當(dāng)土壤干密度ρd=1.65 g/cm3時(shí)，多花木藍(lán)單根出現(xiàn)被拉斷的情況，即根的拉拔破壞模式為拉斷破壞，通過(guò)比較單根的最大抗拉力隨根徑增加的擬合曲線與單根的最大抗拉拔力隨根徑增加的擬合曲線(見(jiàn)圖5)可以看出，當(dāng)多花木藍(lán)根徑r=0.586 mm時(shí)，單根的最大抗拉拔力與最大抗拉力相等，這表明根徑r=0.586 mm是多花木藍(lán)單根拉拔破壞模式從摩擦破壞到拉斷破壞的臨界點(diǎn)。封金財(cái)?shù)萚16]指出根系受拉時(shí)，只有當(dāng)根和土體間摩擦力大于根的抗

拉力時(shí)根才會(huì)被拉斷，因此，當(dāng)根徑r<0.586 mm時(shí)，單根拉拔破壞模式表現(xiàn)為拉斷破壞，而當(dāng)根徑r>0.586 mm時(shí)，單根拉拔破壞模式表現(xiàn)為摩擦破壞。

4結(jié)論

通過(guò)控制土壤天然含水率為17.76%，土層深度為50 mm，單根埋藏長(zhǎng)度為100 mm，采用加載水平荷載的方法對(duì)多花木藍(lán)進(jìn)行單根抗拉拔試驗(yàn)，研究了多花木藍(lán)單根的抗拉拔力，試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 多花木藍(lán)單根的抗拉拔力與位移關(guān)系曲線可概括為陡峭上升、陡峭下降和平緩下降3個(gè)階段；在試驗(yàn)開(kāi)始階段呈線性上升趨勢(shì)并達(dá)到峰值，且峰值對(duì)應(yīng)的位移在10 mm左右；隨著位移的增加，曲線表現(xiàn)出顯著的非線性減小趨勢(shì)，并出現(xiàn)上下波動(dòng)，最后趨于0。

(2) 在同一土壤干密度條件下，多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力隨著根徑的增加而呈顯著增大趨勢(shì)，并且這種增加呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.90以上，表明根徑越大在土體中埋藏的長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，根與土體間的摩擦力愈大，根的抗拉拔力也愈大。

(3) 當(dāng)根徑一定時(shí)，多花木藍(lán)單根的最大抗拉拔力隨著土壤干密度的增加而增大。根在土壤干密度為1.35，1.45，1.55 g/cm3時(shí)的拉拔破壞模式均表現(xiàn)為摩擦破壞，而當(dāng)土壤干密度為1.65 g/cm3時(shí)，細(xì)根首先被拉斷，破壞模式為拉斷破壞；根的最大抗拉拔力與最大抗拉力隨根徑增加的擬合曲線表明根徑r=0.586 mm是根的拉拔破壞模式從摩擦破壞到拉斷破壞的臨界點(diǎn)，即當(dāng)根徑r<0.586 mm時(shí)，根的破壞模式表現(xiàn)為拉斷破壞，而當(dāng)根根徑r>0.586 mm時(shí)，根的破壞模式表現(xiàn)為摩擦破壞。

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(編輯：劉運(yùn)飛)

GUAN Shi-feng1,2,4, XIA Zhen-yao1,3, ZHANG Lun3, HU Wen-jing3, ZHANG Shou-de2, XU Wen-nian1,3

(1.Collaborative Innovation Center for Geo-hazards and Eco-environment in Three Gorges Area, China Three

Gorges University, Yichang443002, China; 2.College of Hydraulic and Environmental Engineering,

China Three Gorges University, Yichang443002, China; 3.College of Civil Engineering and Architecture,

China Three Gorges University, Yichang443002, China; 4.Guangxi Datengxia Water Conservancy

Development Co. Ltd., Nanning530029, China)

Pull-out Test of Indigofera amblyantha CraibRoot under Horizontal Load

Abstract:In order to explore factors influencing the shrub plant roots and soil interface friction, we carried out the direct pull-out test on Indigofera Amblyantha Craib root to study its anti-pullout force under different soil dry densities. The results show that: (1) the curves of anti-pullout force vs. displacement of the roots can be divided into three phases of steep rise, steep fall and gentle decline, increasing linearly to peak value at the start phase, and then presenting non-linear trend; (2) the maximum anti-pullout force of Indigofera Amblyantha Craib root increases obviously linearly with the increasing of root diameter under the same soil dry density, and the coefficient of correlation reaches 0.9; (3) the maximum anti-pullout force of Indigofera Amblyantha Craib root increases with the increasing of soil dry density with given root diameter, and the modes of pull-out failure of all roots are friction failure when the soil dry density varies from 1.35 g/cm3 to 1.45 g/cm3 and 1.55 g/cm3, while when the density is 1.65 g/cm3, root diameter of 0.586 mm is the critical point from friction failure to tensile failure, which means that the pull out failure mode is tensile failure when the root diameter is less than 0.586 mm, and friction failure when the root diameter is larger than 0.586 mm. Therefore, root diameter and unit weight of soil have influence on the anti-pullout force of root-soil interface.

Key words:principle of soil fixation; root-soil interface; pull-out test; anti-pullout force; soil density

收稿日期：2015-03-23；修回日期：2015-04-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278281，41202250)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAC06B02-04)

作者簡(jiǎn)介：管世烽(1988-)，男，廣西桂平人，碩士研究生，研究方向?yàn)檫吰路雷o(hù)與生態(tài)修復(fù)技術(shù)，(電話)18178059336(電子信箱)guan20080@sina.com。 通訊作者：夏振堯(1981-)，男，湖北武漢人，教授，博士，主要從事邊坡生態(tài)防護(hù)方面的研究，(電話)0717-0398299(電子信箱)xzy_yc@126.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150201

中圖分類號(hào)：TU43；S151.92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2016)06-0024-05

2016,33(06):24-28