土體含水率與根系埋深對銀杏樹苗抗拉拔性能的影響

傅胤榕，仉文崗,b

(重慶大學 a.土木工程學院；b.山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045)

隨著城市化進程的不斷推進和綠色生態文明的發展，城市綠化覆蓋率不斷提升，綠化樹在城市建設中起到凈化城區空氣、降低環境噪音、美化城市道路等多種作用。近年來，東南沿海省份陸續遭受“莫蘭蒂”、“蓮花”等臺風入境，遭受強風和暴雨，部分城市行道樹倒伏率接近30%，個別林木樹種倒伏率達到59%，總受損率達96%以上[1]。由于林木傾倒導致城市交通道路阻斷、車輛及公共基礎設施受損，甚至造成嚴重的人員傷亡，因此，強風、暴雨引起的林木傾倒破壞現象不容輕視。

學者們對林木倒伏和根土相互作用方面進行了大量研究，取得了一系列成果。在根系研究方面，向師慶等[2]根據對北京地區主要林木根系的挖掘研究，將林木根系歸納為垂直根型、斜生根型、水平根型等主要根型；Yang等[3]建立了根系錨固強度模型，模擬了根系連續錨固破壞過程，提出根組分對樹木錨地的等級影響如下：主根>迎風淺根>垂直淺根>迎風垂根>其他影響較小的組分，揭示了根系個體破壞與樹木總體傾倒破壞之間的根本聯系；王可鈞等[4]重點分析了林木根系的抗拉性能和生長方向與土質坡體穩定性的關系，針對根系固坡的力學特性進行了簡析。不少學者對現場試驗獲得的相關數據進行分析，Coutts[5]使用絞車試驗對云杉進行了現場拉拔試驗，測量包括抗拉拔力、傾斜角、土壤和根系位移等方面，表明根的數量和尺寸分布的重要性；劉秀萍[6]采用野外試驗與室內試驗相結合的方式，構建了刺槐、油松樹種根系形態分布模型，通過對根系與黃土接觸面單元摩阻特性的試驗研究，揭示了影響根土接觸面摩阻特性的因素。在單根參數方面，鄭力文等[7]通過對油松單根施加拔出荷載進行拉拔實驗,分析土壤含水率、干密度、加載速率等因素對拔出過程中根-土界面摩擦性能的影響；夏振堯等[8]、管世烽等[9]通過干密度改變和多梯度含水率室內試驗，測定了麥冬和多花木藍根系根土界面的抗拉拔力特性,為根土界面摩擦特性的進一步研究提供依據；呂春娟等[10]選取了5 種常見喬木根系進行室內單根拉伸試驗，發現了喬木根系極限抗拉力和直徑之間存在的關系，揭示了植被根系的固土力學機制；劉小光等[11]通過直接拉拔試驗研究了加載速率、根系埋深和不同樹種對根系與土體摩擦特性的影響，揭示了根系拉拔破壞過程中位移-抗拉拔力關系曲線的階段性變化。此外，通過有限元軟件對根系形態的模擬，Rahardjo等[12]探究了土體抗剪強度參數和根系幾何形狀與林木傾倒最大風力的關系，研究了粗粒土改良對樹木穩定性的影響；Fourcaud等[13]采用了有限元法對飽和軟黏土和土壤中的根系拔出進行二維模擬，模擬了樹根破壞時板滑移面形狀和旋轉軸位置，估算了覆土過程中土體和根系的應力分布，確定了不同生根方式下不同根系在樹根錨固中發揮的作用。學者們針對根系形態理論和小部分根段的抗拉、摩擦特性兩個方面開展了大量研究，然而，林木傾倒與根系整體的關聯性大，局部根段研究無法較好地反映其根系對林木抗拉拔性能的作用，目前，針對全根段抗拉拔性能的研究較少，需進一步探索研究。

為更好地分析林木受橫向拉拔作用下的傾倒破壞過程，研究不同因素的改變對根系抗拉拔性能的影響作用，從而為強風暴雨作用下林木傾倒防治提供一定的理論依據。本文著眼于強風、暴雨作用后土壤在降雨作用下含水率升高、林木受橫向風力作用的情況，通過室內模擬絞車試驗，分析了在外力荷載下林木根系傾倒的破壞過程，通過改變含水率以及根系埋深，探究不同含水率及根系埋深對林木傾倒破壞的影響。

1 模型試驗

1. 1 試驗裝置

開展橫向拉拔荷載室內試驗的裝置是自主設計的根系橫向加載試驗系統，該裝置由拉拔力試驗機、滑輪傳動軸、模型箱和含水率監測裝置4部分組成。拉拔力試驗機的主要技術規格為：1)橫梁移動速度v=1～10 mm/s;2)荷重精度≤0.5%，荷載上限100 kN；3)最大行程1 000 mm。滑輪傳動軸為介于拉拔力試驗機與模型箱之間的T字型鋼架，鋼架上帶有可固定滑輪，拉拔力試驗機通過向上移動吊臂帶動鋼索，經滑輪傳動軸改變力的方向后對樹木施加橫向拉拔力。吊臂上搭載壓力傳感器，并通過TM2101pro測控系統軟件記錄拉拔距離。模型箱尺寸長×寬×高為600 mm×600 mm×400 mm，側面軸線上，距離底面100、200、300 mm處分別打平行雙排孔，用于兩針型含水率傳感器探頭插入測量，含水率數據記錄處理采用配套的CYY-3055型8通道數據采集儀。模型箱-鋼制底板-試驗機鉚釘固定形成整體剛度。裝置整體形態如圖1所示。

圖1 拉拔荷載試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulling test

1.2 試樣材料與方案

試樣材料：模型試驗樹木根系選用銀杏樹苗，為深根性樹種，主根明顯并起主導作用，側根較少且處從屬地位。選取幾何形態相近的樹苗，去除其細小分支，保留垂直主根備用。選取土壤為重慶地區粉質砂土，原狀土通過現場取土實驗計算得出原土樣含水率為13.3 %，干密度為1.65 g/cm3，在模型試驗中重塑土樣制備也以此為基準。篩前工樣如圖2所示。受模型箱大小限制，選取的銀杏根系根莖在28～32 mm之間，根條形態如圖3所示。

圖3 銀杏根系圖

拉拔試驗方案：根據模型試驗需求，稱取適量土壤，依據對應試驗組的含水率需求進行土樣配制。用環刀取部分配制好的重塑土樣，開展直接剪切試驗。隨后，將測定后符合試驗要求的土壤采用稱重分層裝填、分層擊實的形式，使用夯錘將試驗土體每10 cm裝填擊實1次，共計4層。裝填至一定高度土層時，于模型箱中央埋入樹苗，后繼續裝填。裝填完成后，將含水率傳感器探頭插入模型箱側面鉆孔中，進行含水率校對及變化監測，采用伸縮鋼圈將鋼索與樹根主干連接固定。裝填完成后，試樣靜置2 h以確保傳感器讀數精確，待各監測點含水率讀數與試驗所需含水率數值相差<0.5%時，認定該土樣含水率符合試驗條件，隨后啟動試驗機施加外力荷載，以恒定速率8 mm/s進行拉拔試驗，直至采集系統記錄到外力荷載達到峰值后停止拉拔試驗，輸出根系拉拔破壞全過程位移-抗拉拔力(S-F)曲線。通過控制變量法改變含水率或根系埋深，進行多組拉拔破壞試驗。模型試驗工況中根系埋深選取為15、20、25、30 cm，含水率控制區間為7%～22%。為減小試驗離散型偏差對試驗結果影響，每組工況重復進行多次試驗。試驗結束后土體破壞面具體形態如圖4所示。

圖4 根系橫向拉拔土體破壞面形態Fig.4 Failure surface morphology of soil

2 結果與分析

2.1 含水率對土體抗剪強度的影響

土樣的直剪實驗根據《土工試驗規程》[14]開展，分別取含水率ω為7.0%、10.0%、13.0%、16.0%、19.0%和22.0%，共計6組土樣，每組土樣4個，根據環刀容積及所需的干密度，制備土樣所需的濕土量按式(1)計算。

m0=(1+0.01ω0)ρdV

(1)

式中：m0為濕土質量；ω0為濕土含水率；ρd為試樣的干密度；V為試樣體積(環刀容積)。

對同一含水率下的4組土樣分別施加100、200、300、400 kPa法向應力進行快剪試驗，剪切速率控制在0.8 mm/min。根據量力環系數的轉換關系，得到不同垂直壓力作用下的抗剪強度，以垂直壓力為橫坐標，剪切強度為縱坐標，繪制剪切強度與垂直壓力的關系曲線，將圖上各點采取線性擬合，直線的傾角即為土的內摩擦角φ，截距為土的黏聚力c，從而得到不同含水率下土樣的c、φ值，土樣的抗剪強度按式(2)計算。

τf=c+σtanφ

(2)

式中：τf為土體的抗剪強度；c為土體的黏聚力；σ為法向應力；φ為土體的內摩擦角。

根據試驗得到不同含水率下土體受各級垂直壓力作用下的法向應力及推算出的土體強度指標，見表1。其中，x為法向應力，y為剪應力。

表1 不同含水率下土體剪切強度指標Table 1 Shear strength at different moisture content

由圖5～圖6可知，黏聚力隨含水率的變化曲線分為兩部分：當含水率ω<13%時，土體黏聚力隨著含水率的增大顯著增加；當含水率ω>13%時，隨著含水率的進一步增大，黏聚力降低。在ω=22%時，黏聚力急劇減小，接近于0，這表明該含水率已接近土體的飽和含水率。含水率對內摩擦角變化的影響要小于黏聚力，內摩擦角隨含水率增大變化不明顯，在28.8°～32.9°間變化。土體的抗剪強度與黏聚力的變化規律類似，也隨著含水率的增加先增大，隨后逐漸減小。林鴻州等[15]、黃琨等[16]研究的非飽和土抗剪強度規律也得到了類似結論。

圖5 不同含水率下與土體抗剪強度與法向應力關系曲線Fig.5 Relationship between shear strength and normal stress of soil in different moisture

圖6 黏聚力c和內摩擦角φ隨土壤含水率變化關系曲線Fig.6 Relationship between cohesion c and internal friction angle φ as a function of soil moisture

2.2 根系埋深對根系抗拉拔力的影響

分析S-F曲線可以得知(圖7)，在控制拔出速率恒定的情況下，改變根系埋深進行銀杏根系模擬絞車試驗得到的S-F曲線存在著明顯的階段特性。由圖7可以看出，以30 cm埋深為例，在達到最大抗拉拔力對應的峰值位移前，抗拉拔力曲線呈現平緩上升(AB段左側)、陡峭上升(AB段與CD段之間)和緩慢上升達到峰值(CD段右側)3個階段。分析這3個階段可得出：在平緩上升階段，可以觀測到該階段土體表面并未發生明顯破壞，但樹干部分發生彎曲，抗拉拔力主要由樹干受橫向位移而產生彈性形變的抵抗力提供；隨著橫向荷載進一步增大，根系達到最大靜摩擦力后，開始與土體之間發生錯動，土體下方根系朝模擬迎風側剪出，土體上部枝干擠壓模擬背風側土壤，因此，抗拉拔力激增，形成了陡峭上升階段；繼續施加橫向位移，大多數根系周圍土體已發生錯動，達到抗拉拔力峰值，隨后土體剪破導致林木徹底破壞失穩，發生傾倒破壞。

圖7 不同埋深下根系破壞S-F曲線Fig.7 Root failure S-F curve under different buried

控制土壤含水率為13%，改變根系埋深進行多組試驗得出的數據如圖8所示，可以分析得出：在根系埋深15～30 cm的區間內，隨著埋深的增加，林木根系的最大抗拉拔力有顯著提升，呈現較明顯的線性相關關系，回歸方程為

F=25.06x-325.85(R2=0.964 4)

(3)

式中：F為最大抗拉拔力；x為根系埋深；R2為確定性系數。

從圖8也可以看出，達到最大抗拉拔力時，加載的橫向位移也隨著根系的埋深而隨之增大，在15～30 cm埋深區間內成線性增大趨勢。通過分析可以得知，在同等條件下，加深根系埋深使得抵抗根系變形作用的土體增加，根土接觸面積的增大也能夠有效提升林木的抗拉拔力，即能承受更強的風荷載作用而不發生傾倒破壞。

圖8 各級埋深下峰值抗拉拔力、峰值位移的關系曲線Fig.8 Relationship between peak anti-overturning force and peak displacement at all

2.3 土壤含水率對根系抗拉拔性能的影響

采用控制變量法研究含水率對根系抗拉拔性能的作用效果，使用20、25 cm埋深工況開展相同埋深下含水率變化的拉拔試驗，重點研究含水率變化對根系最大抗拉拔力的影響。試驗過程中，采集到不同含水率下根系最大抗拉拔力繪制折線圖。由圖9可知，不同根系埋深試驗所得抗拉拔力都有明顯、相似的變化趨勢，最大抗拉拔力隨著含水率由低到高呈現先升后降的總體趨勢，最大抗拉拔力出現在含水率13%～16%附近，在兩組不同埋深下，當含水率ω>15%后出現明顯拐點。實測22%含水率根系的最大抗拉拔力衰減最為顯著，為峰值抗拉拔力的71%(25 cm埋深)和75%(20 cm埋深)。

圖9 固定埋深下含水率與最大抗拉拔力的關系曲線Fig.9 Relationship between water content and maximum drawing force at fixed

3 結論

通過不同含水率及根系埋深的模擬拉拔試驗，基于粉質砂土隨含水率變化的抗剪強度變化情況，探究了在不同含水率變化情況下不同工況根系拔出破壞過程及S-F曲線，可以得到以下結論：

1)根系破壞過程S-F曲線中，抗拉拔力的變化可以概括為平緩上升、陡峭上升和緩慢上升達到峰值3個階段。對應模型試驗中，樹干彈性變形、根土土體開始剪切錯動和大部分土體剪破達到抗拉拔力峰值3個階段。到達抗拉拔力峰值后，土體剪破導致林木傾倒破壞。

2) 當含水率一定時，根系的最大抗拉拔力隨著根系埋深的增加顯著上升，在試驗設置的埋深區間內呈線性趨勢增長，相關系數達0.96以上。表明增加根系埋深能夠顯著提高林木的抗拉拔性能。

3) 控制根系埋深相同時，最大抗拉拔力隨著含水率由低到高呈現先升后降的總體趨勢，最大抗拉拔力出現在含水率13%～16%附近，在22%含水率根系的最大抗拉拔力衰減最為顯著，為峰值抗拉拔力的71%(25 cm埋深)和75%(20 cm埋深)。

試驗只研究了土壤含水率、根系埋深變化對于銀杏根系抗拉拔性能的影響，其內部機理還需進一步的控制試驗，從而對含水率變化引起的土壤基質吸力變化、根-土摩擦界面改變等因素進行研究。此外，試驗通過對橫向拉拔具有明顯垂直主根、斜生根系較少的銀杏樹種得出上述結果，還未涉及水平根系與其他側向大分支樹種的試驗。今后可以進行具有比對性的試驗或數值研究。