豎向荷載作用下根-土界面指標(biāo)的特征探究

陳 新，李光范，胡 偉，豐 田，趙 璞

(海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

豎向荷載作用下根-土界面指標(biāo)的特征探究

陳 新，李光范，胡 偉，豐 田，趙 璞

(海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

為探索喬木根系在淺層土體中的摩阻特性，對土中喬木根系進(jìn)行了豎向拉出試驗.首先通過數(shù)據(jù)的整體特征，對喬木根系受拉過程的表現(xiàn)進(jìn)行階段的劃分，并建立相對應(yīng)的表征數(shù)據(jù)概念，同時對受拉過程進(jìn)行分析.試驗結(jié)果表明：喬木根系在土中受拉直至拔出的過程存在明顯的幾個階段，每個階段均呈現(xiàn)不同的特性，可以利用拉力-位移曲線進(jìn)行直觀判斷；同時，在施加豎向拉力的同時，對于不同傾斜角度(試驗研究的傾斜角度在30°～90°)的根系樣本，其所呈現(xiàn)的受拉特性也不相同，主要體現(xiàn)在：大量的特征指標(biāo)(包括剪切斜率、平臺位移、第二位移及松弛斜率)隨著傾斜角度的增大均表現(xiàn)出線性變化，或隨著傾斜角度的正弦值或余弦值表現(xiàn)出規(guī)律變化.研究成果為拓展喬木根系對邊坡防護(hù)的治理提供了一定的借鑒，對喬木的固土護(hù)坡及相關(guān)的植被護(hù)坡研究有積極的意義.

生態(tài)護(hù)坡； 喬木； 根系； 受拉特性； 滑坡

植被護(hù)坡的實現(xiàn)有賴于根系對邊坡土體粘聚強(qiáng)度的提高以及根系與土體之間所產(chǎn)生的摩擦力，進(jìn)而促進(jìn)土體抗剪強(qiáng)度的提高.研究表明，植被以這些顯著且重要的方式對邊坡表面與土體的穩(wěn)定性起到積極的保護(hù)作用[1-7]，植被護(hù)坡也因此成為邊坡防護(hù)的重要措施[8].國內(nèi)外的學(xué)者對植物根系與土體間的相互作用進(jìn)行了研究：L.P.H.Van Beek等[9-11]通過有限差分法、極限平衡法、有限元法評價了植物根系對邊坡土體的加強(qiáng)作用；王劍敏等[12-15]對木本植物、灌木植物根系的單根抗拉力、抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了研究，得到了根系抗拉力與直徑呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，抗拉強(qiáng)度與直徑呈現(xiàn)反相關(guān)的關(guān)系；周躍[16-17]等對高大喬木側(cè)根的斜向牽引作用進(jìn)行了試驗，通過研究發(fā)現(xiàn)側(cè)根對土體的抗張強(qiáng)度有提高作用； 宋維峰等[18]通過試驗得出，對灌木植物而言，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的差異，因此土體與根系之間會產(chǎn)生相互錯動，而土體與根系之間的摩擦黏結(jié)所產(chǎn)生的摩擦阻力對這種錯動會產(chǎn)生抵抗，因而土體與根系間的摩擦阻力與土體共同承擔(dān)和傳遞外部荷載，從而對邊坡土體起到了加固作用.

植物主要通過淺層根系的加筋作用和深層垂直根系的錨固作用來穩(wěn)固邊坡土體[1].大量研究是針對根-土復(fù)合體的物理力學(xué)性質(zhì)來設(shè)計室內(nèi)外的直剪和三軸試驗，但對于根系在土中受拉的特性研究卻鮮有見刊，為此，本文在已有的根-土相互作用研究的基礎(chǔ)上，對橡膠樹根進(jìn)行了模擬的土中拉拔試驗，研究了喬木根系在拉拔過程中的受力特性，并利用新的指標(biāo)及分析方法，實現(xiàn)了模型的簡單構(gòu)筑，旨在得到具有開拓性的研究思路，以便為植被護(hù)坡的相關(guān)研究提供參考.

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

2.1.1 試驗用土的處理 試驗土樣為我國海南地區(qū)常見的紅粘土(圖1)，含水量為10%左右，密度為1.33 g·cm-3，在對其進(jìn)行基本物理力學(xué)性質(zhì)的試驗后，得到相關(guān)指標(biāo)(表1).為避免大直徑土塊對試驗的影響，在試驗前對土樣進(jìn)行過篩處理，并攤鋪在室內(nèi)，靜置約三周，使其含水量逐漸趨于穩(wěn)定，以有利于配置試驗所需的目標(biāo)含水量.

表1 試驗用土的物理性質(zhì)

圖1 試驗用土

圖2 試驗用樹根

2.1.2 試驗用根系 試驗選取橡膠樹根系作為試驗用喬木根系樣本(圖2).考慮到實際的根系生長情況及試驗的要求，本試驗使用的樣本根系在土中皆為近似豎直向下生長的樹根，長度在300～600 mm，直徑在10～30 mm.

由于試驗涉及同一樹根的多次使用，因此為保證根系樣本在試驗周期內(nèi)始終保持較為新鮮的狀態(tài)，所有試驗用根系樣本在試驗周期內(nèi)均被采取了較好的養(yǎng)護(hù)措施.具體的養(yǎng)護(hù)方法是：將樹根埋置在已準(zhǔn)備好的高約250 mm的試驗土槽(1 500 mm×400 mm×250 mm，裝滿紅粘土)中，并使用噴霧器定期噴濕土壤，以保持通風(fēng).

2.1.3 試驗裝置 本試驗的試驗裝置(圖3)主要由以下幾部分組成：試驗箱(長2 000 mm、寬1 000 mm、高500 mm)、拉力裝置(數(shù)顯式拉力機(jī)、數(shù)顯式卡尺、拉力機(jī)試驗架、鋼絲繩)、鋼架(高2 000 mm)、不銹鋼抱箍及定滑輪裝置.

2.2 試驗方法(1)由于野外實測的紅粘土含水量平均在10%左右，故試驗以10%作為目標(biāo)含水量，在試驗箱的底部鋪置防水布，將配置好含水量的(9.0%～10.5%)試驗用土填入試驗箱，分五層壓實，使其填土高度達(dá)到485 mm，然后對其表面進(jìn)行薄膜覆蓋.在試驗過程中，每兩天對其表面進(jìn)行一次含水量的測定，當(dāng)含水量在8.5%～10%時，利用噴霧器進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)水，并覆膜24 h以上；當(dāng)含水量低于8.5%時，則對試驗土箱內(nèi)不同深度的土進(jìn)行含水量的測定，并采取整體換土或分層換土的方式繼續(xù)試驗.

(2)確定試驗用土符合試驗要求后，將根系樣本從試驗土槽中取出，用毛刷清理根系表面的附著土，使肉眼觀察不到根系表面的附著土顆粒，此后，將根系樣本放入試驗土箱中進(jìn)行埋置，并使根系露出土面70 mm，在根系樣本基本固定后，利用角度傾斜計軟件進(jìn)行根系傾斜角度的確認(rèn).之后整平表層填土，并按試驗預(yù)定時間覆膜靜置.

(3)在根-土復(fù)合體自然固結(jié)達(dá)到試驗要求后，將鋼絲繩一端連接至拉力機(jī)的頂部，另一端則通過不銹鋼抱箍連接在根系露出部分(距土面20 mm)處，即不銹鋼抱箍底部距根土結(jié)合處的距離為20 mm，使其可通過定滑輪系統(tǒng)傳遞拉力(定滑輪距土平面580 mm).轉(zhuǎn)動拉力裝置的轉(zhuǎn)動搖把，逐漸將根系樣本從土中拉出，并利用計算機(jī)讀取拉力信息.待根系樣本基本脫離土體時，試驗結(jié)束.

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果本文試驗數(shù)據(jù)來自長度為370 mm、520 mm和直徑分別為10 mm、15 mm的橡膠樹根系樣本.對于根系與土平面所成夾角這一變量的研究，是通過在豎向拉力下改變根系的傾斜角度來模擬實際情況中喬木樹根受拉一側(cè)的受力情況，試驗選取的角度分別為30°、45°、60°、75°、90°.(由于根系與土平面夾角小于30°時的試驗數(shù)據(jù)較不穩(wěn)定，故不納入本次研究中)每個角度的試驗進(jìn)行3次，并選擇其中整體較為居中的數(shù)據(jù)作為最終分析的數(shù)據(jù).最終作為分析的試驗數(shù)據(jù)如圖4(a-b)所示，就根系受拉拔的整體情況而言，根系受拉拔的過程均存在明顯的拉力增大與下降的過程.在實際的滑坡過程中，下滑土體將推力作用于主根及樹干，主根及樹干再將所受的力傳遞給各水平側(cè)根，并通過側(cè)根與土體的摩擦阻力來平衡下滑土體的剩余推力[1].在邊坡中，喬木的水平根系一部分沿上坡方向生長，另一部分則沿下坡方向生長，但由于植物根系不能承受壓力，所以沿下坡方向生長的水平根系不能對抑制土體的下滑起明顯的作用，故沿上坡方向生長的水平根系承擔(dān)了大部分由下滑土體產(chǎn)生的和通過主根及樹干施加的拉力.本試驗即是模擬這部分根系的受力情況來進(jìn)行研究和分析的.

3.2 根系拉拔階段的模型根據(jù)試驗結(jié)果，在根系受拉初始階段，拉力隨著位移的增加快速上升，達(dá)到峰值并持續(xù)一段位移后，拉力值又隨著位移的增加而急速下降，降至一定的程度又繼續(xù)緩慢的下降，最后，在根系即將脫離土體前，反映圍土阻力的拉力值迅速降低至零.

根據(jù)上述根系受拉階段的特點，將喬木根系在這一過程中的形態(tài)變化情況劃分為五個階段：剪切破壞階段(第一階段)、平臺階段(第二階段)、圍土松弛階段(第三階段)、圍土摩擦階段(第四階段)及脫離階段(第五階段)(如圖5所示).其主要的劃分依據(jù)是根系的受力反映在位移-拉力曲線中的特點，第一階段反映的是喬木根系在土中受到拉力后，來自豎直方向的拉力試圖打破根系表面與土顆粒之間的緊密結(jié)合，而推動產(chǎn)生的發(fā)生在根-土結(jié)合面的對原根-土結(jié)構(gòu)的剪切破壞，此階段的初始圍土處于緊固狀態(tài)；平臺階段中，拉力值多次觸及拉力峰值，雖有小幅升降，但整體偏于穩(wěn)定，圍土處于半緊固半松弛狀態(tài)；第三階段反映的是緊實的根-土結(jié)合面處的結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，根系周圍的土體逐漸由緊密結(jié)構(gòu)向紊亂結(jié)構(gòu)過度，直至圍土完全形成松散碎土，在這一階段中，抵抗拉力的土中力包括剪切力和摩擦力，該階段末的圍土處于松弛狀態(tài)；第四階段反映的是根系圍土結(jié)構(gòu)被破壞，在形成結(jié)構(gòu)較為松散的碎土后，在根系被拉出土體的過程中，摩擦力持續(xù)發(fā)生在根-土接觸面上的受力情況，在這一階段，摩擦力成為抵抗拉力的主要力.然而，在實際情況中，從第一階段初到第二階段末，很大程度上決定著喬木根系的整體受拉特性，在實際的邊坡阻滑過程中，這一部分的各項指標(biāo)起到了決定性的作用，故將該部分的根系受拉特點作為分析的重點部分.

試驗是通過以下特征值來進(jìn)行分析的：(1)第一階段位移(第一位移)，即在初始的拉力快速上升階段的位移長度；(2)拉力峰值(臨界拉力)，即整個拉拔過程中最大的拉力值；(3)剪切斜率，即第一階段末的最終拉力與第一階段位移的比值；(4)平臺長度，即平臺階段的位移總長度；(5)第二階段位移(第二位移)，即第二階段的位移總長度；(6)松弛斜率，即第二階段拉力初始值與終值的差，與第二階段位移的差；(7)第三階段平均拉力，即第三階段圍土摩擦過程中的平均拉力.

3.3 試驗分析試驗過程中對根系施加拉力時，主要受到拉力機(jī)拉力、圍土壓力和根系周圍摩擦力.根-土拉出破壞過程中的施加豎向力時的根系受力情況如圖6所示，圍土摩擦情況如圖7所示.其中：

F—拉力機(jī)施加的拉力；F0—由F產(chǎn)生的在根系A(chǔ)點處的合力；Fa—根系A(chǔ)點處的圍土壓力；Ff—根系A(chǔ)點處的圍土摩擦力；L0—A點距根系樣本末端的距離；L—根系樣本末端至直接受拉點的距離.

根系試驗的指標(biāo)數(shù)據(jù)(表1)，大部分的指標(biāo)數(shù)據(jù)與根系傾斜角度的變化呈現(xiàn)一定的聯(lián)系：第一階段，位移隨根系傾斜角度的增大而逐漸減小，拉力峰值與根系傾斜度的關(guān)系沒有顯著地關(guān)聯(lián)，剪切斜率隨根系傾斜度的增大而逐漸增大，拉拔過程中平臺長度隨根系傾斜度的增大而增大；第二階段，位移隨根系傾斜角度的增大而增大，松弛斜率隨根系傾斜角度的增大而減小.

對不同情況下的各項指標(biāo)數(shù)據(jù)與根系傾斜角度、角度的正弦值和余弦值進(jìn)行擬合，獲得多組擬合數(shù)據(jù)，從中選取置信度較高的擬合曲線作為進(jìn)一步研究的對象，其目的有二：一是通過指標(biāo)數(shù)據(jù)與根系樣本傾斜角度的關(guān)系，探究其內(nèi)在的聯(lián)系；二是利用這些內(nèi)在的聯(lián)系，驗證根系在拉拔階段模型的合理性.

表1 根系試驗指標(biāo)數(shù)據(jù)表

第一位移隨著根系傾斜角度的增大而減小.這說明在30°～90°的根系傾斜區(qū)間內(nèi)，當(dāng)根系傾斜角度偏小時，其所受到的根系上覆土層的壓力較大，從而引起克服豎向拉力的摩擦力與壓力值較大、過程較長，這也體現(xiàn)在不同傾斜角度的根系拉拔試驗中，根系在脫離土體后，根系傾斜角度越小，土體表面的破壞面積越大，從第一位移與根系傾斜角度的余弦值和正弦值的關(guān)系(圖8)中也可以看出，第一位移與根系傾斜角度的余弦值呈現(xiàn)正相關(guān)的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，與正弦值呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系.

剪切斜率隨根系傾斜角度的增大而增大.由剪切斜率與根系傾斜角度正弦值的關(guān)系也可以得到相同的結(jié)論，即剪切斜率與根系傾斜角度的正弦值呈現(xiàn)正相關(guān)的線性關(guān)系.剪切斜率反映了根-土緊實結(jié)構(gòu)在抵抗豎向拉力時表現(xiàn)出來的抵抗能力，其值愈高，則表明原有的根-土緊固結(jié)構(gòu)越有效.

平臺長度隨根系傾斜角度的增大而增大，同時平臺長度與根系傾斜角度的正弦值亦呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系，它反映出根系傾斜角度愈大，其所經(jīng)歷的臨界拉力階段愈長，拉拔過程對破壞根系所需的做功也就愈大，根系對土體的穩(wěn)固作用也就愈可靠.與此同時，該階段拉力值多次觸及拉力峰值，雖有小幅升降，但整體偏于穩(wěn)定，其原因在于該階段的圍土與樹根的接觸狀態(tài)較恒定，同時又有一定的樹根埋深，故根土間的摩擦力在數(shù)值上較穩(wěn)定.

第二位移隨根系傾斜角度的增大而增大，擬合曲線則反映出第二位移與根系傾斜角度的余弦值存在較為顯著的負(fù)相關(guān)線性關(guān)系.第二位移的實質(zhì)是表征根系受拉拔過程中圍土由半緊固半松弛狀態(tài)向完全松弛狀態(tài)的過渡.數(shù)據(jù)的結(jié)果反映到實際的邊坡固土中時，即是根系傾斜角度愈大，其受拉到達(dá)臨界拉力后，根-土緊固結(jié)構(gòu)向失效過渡的時間就愈長，固土的效果就愈好.

松弛斜率隨根系傾斜角度的增大而增大.擬合數(shù)據(jù)反映出松弛斜率與根系傾斜角度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的聯(lián)系(圖13).本質(zhì)上講，松弛斜率所表達(dá)的過程是根系在土中被拉拔時由圍土緊固向徹底的圍土松弛轉(zhuǎn)變的階段，拉力隨著位移迅速降低，直至圍土徹底松弛，此時根系周圍的摩擦力基本維持在某個水平上.擬合數(shù)據(jù)說明，隨著根系傾斜角度的增大，根系圍土由半緊固半松弛狀態(tài)向完全松弛狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程逐漸變得緩和，在根系傾斜角度較小時，根系受拉后的松弛階段拉力是極為劇烈的，它反映在實際情況中時，即是小傾斜角度根系受到拉力時，在越過臨界拉力后會迅速失去穩(wěn)固土體的作用，而大傾斜角度根系在受拉并經(jīng)歷臨界拉力后，會有較長的松弛階段，仍然會持續(xù)較長一段時間的對土體的穩(wěn)固作用.

4 結(jié) 論

豎向力作用下，喬木根系在土中的拉出過程具有明顯的階段性的，且每階段的圍土、根-土結(jié)構(gòu)都具有各自的特點.第一階段反映的是喬木根系在土中受到拉力后，來自豎直方向的拉力試圖打破根系表面與土顆粒之間的緊密結(jié)合，而推動發(fā)生在根-土結(jié)合面的對原根-土結(jié)構(gòu)的剪切破壞；平臺階段中，拉力值多次觸及拉力峰值，雖有小幅升降，但整體偏于穩(wěn)定；第二階段反映的是緊實的根-土結(jié)合面處的結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，根系周圍土體逐漸由緊密結(jié)構(gòu)向紊亂結(jié)構(gòu)過度，直至圍土完全形成松散碎土，在這一階段中，抵抗拉力的土中力包括剪切力和摩擦力；第三階段反映的是根系圍土結(jié)構(gòu)被破壞而形成結(jié)構(gòu)較為松散的碎土后，在根系被拉出土體的過程中摩擦力持續(xù)發(fā)生在根-土接觸面上的受力情況，在這一階段，摩擦力成為抵抗拉力的主要力.

在根系拉拔階段的模型基礎(chǔ)上，研究發(fā)現(xiàn)，根系處于不同的傾斜角度時，其在受豎向力拉拔的過程中，也表現(xiàn)出不同的特性.通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可以以指標(biāo)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，具體評價根系受拉拔時的表現(xiàn)，并對不同傾斜角度的根系的受力情況做了對比，具體表現(xiàn)為：第一階段位移隨根系傾斜角度的增大而逐漸減小，剪切斜率隨根系傾斜度的增大而逐漸增大，拉拔過程中平臺長度隨根系傾斜度的增大而增大，第二階段位移隨根系傾斜角度的增大而增大，松弛斜率隨根系傾斜角度的增大而減小.

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Exploration of the Index Characteristic of the Tree Roots-soil Joint Under Vertical Tension

Chen Xin, Li Guangfan, Hu Wei, Feng Tian, Zhao Pu

(Institute of Civil Engineering, Hainan University, Hainan Haikou 570228, China)

In the report, to explore the friction characteristics of the tree roots in the shallow stratum, the vertical tensile performance of the tree root in the soil was determined. The overall characteristics of the data were used to divide the performance of the process of tree root tensile stage, the corresponding characterized concept was established, and the tensile process was analyzed. The results suggested there are several obvious stages during the extracting process of the tree roots, and showing different characteristics, which can be judged by the pulling force-displacement curves. At the same time, when the vertical tension was applied, the tensile properties of the root samples under the different Angle (the tilt Angle in the study of the test: 30 ° ～ 90 °) are different. With the increase of angle, or with the changes of the sine or cosine value the angle, the linear changes of a lot of characterization data (including the shear displacement of the slope, platform, the second slope displacement and the shear displacement of the relaxation) were observed. The results will help for the use of tree root for the slope protection, and are valuable for vegetation slope protection.

ecological slope protection; trees; the root system; tensile properties; landslide

2016-08-08

海南省社會發(fā)展科技專項(SF201456)；海南省科協(xié)青年科技英才創(chuàng)新計劃項目(201506)

陳新(1992-)，男，山東泰安人，海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院2016級碩士研究生， E-mail：sinnreich@163.com

李光范(1959-)，男，吉林延邊人，博士，教授，研究方向：環(huán)境巖土工程， E-mail：lgf1728@163.com

1004-1729(2016)04-0363-07

TU 4

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2016.0055