傅胤榕 仉文崗

摘 要：中國是受熱帶臺(tái)風(fēng)災(zāi)害影響最為嚴(yán)重的國家之一，由于強(qiáng)風(fēng)暴雨作用引起的林木根系拔出及傾倒破壞致使交通中斷、車輛受損、人員傷亡等次生災(zāi)害與日俱增。為進(jìn)一步研究土體物理特性對(duì)林木抗拉拔性能的影響，采用自主設(shè)計(jì)的根系橫向加載試驗(yàn)系統(tǒng)，通過對(duì)銀杏樹苗施加定速率橫向加載的拉拔試驗(yàn)，模擬外力荷載下根系的傾倒過程。試驗(yàn)設(shè)置了5組梯度含水率和4種埋深工況分析土體含水率、根系埋深對(duì)拔出過程中抗拉拔力的影響。研究表明：在粉質(zhì)砂土中，黏聚力根系位移抗拉拔力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(dá)到峰值3個(gè)階段;最大抗拉拔力隨含水率提升呈現(xiàn)先升后降的總體趨勢(shì)，與土體黏聚力變化的總體趨勢(shì)相同，當(dāng)含水率趨近飽和含水率時(shí)，最大抗拉拔力衰減顯著;當(dāng)含水率一定時(shí)，根系的最大抗拉拔力隨著根系埋深的增加，在試驗(yàn)設(shè)置的埋深區(qū)間內(nèi)呈線性趨勢(shì)增長。

關(guān)鍵詞：含水率;根系;抗拉拔力;埋深;模型試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU431 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：2096-6717（2019）05-0042-07

Abstract：China is one of the countries most seriously affected by the tropical typhoon disasters. Root pull-out and toppling damage caused by severe storms and rains occur frequently. Secondary disasters such as traffic disruption， vehicle damage and casualties are increasing. In order to investigate the effect of soil physical properties on the anti-overturning performance of trees， the pulling test of Ginkgo biloba seedlings under constant lateral loading rate was carried out through a self-designed lateral root loading test system to simulate the dumping process of roots under external load. Five sets of gradient water content and four buried depths were set to analyze the influence of soil moisture content and the root depth on the pull-out resistance during the pull-out process. The research indicates that in silty sand， the change of the anti-overturning force in the root displacement-drawing force curve can be summarized as three stages： gentle rise， steep rise and slowly rising to reach the peak. The anti-overturning force with the increase of moisture content showed the first rise. The overall trend of the post-fall is the same as the overall trend of the change of soil cohesion. When the moisture content approximates the saturated moisture content， the maximum anti-overturning force is significantly reduced. When the moisture content is constant， the maximum anti-overturning force of the root system increases linearly with the depth of the root system in the buried depth range set by the test.

Keywords：moisture content; root system; anti-overturning force; burial depth; model tests

? 隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)和綠色生態(tài)文明的發(fā)展，城市綠化覆蓋率不斷提升，綠化樹在城市建設(shè)中起到凈化城區(qū)空氣、降低環(huán)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(xù)遭受“莫蘭蒂”、“蓮花”等臺(tái)風(fēng)入境，遭受強(qiáng)風(fēng)和暴雨，部分城市行道樹倒伏率接近30%，個(gè)別林木樹種倒伏率達(dá)到59%，總受損率達(dá)96%以上[1]。由于林木傾倒導(dǎo)致城市交通道路阻斷、車輛及公共基礎(chǔ)設(shè)施受損，甚至造成嚴(yán)重的人員傷亡，因此，強(qiáng)風(fēng)、暴雨引起的林木傾倒破壞現(xiàn)象不容輕視。

學(xué)者們對(duì)林木倒伏和根土相互作用方面進(jìn)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(jù)對(duì)北京地區(qū)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(qiáng)度模型，模擬了根系連續(xù)錨固破壞過程，提出根組分對(duì)樹木錨地的等級(jí)影響如下：主根>迎風(fēng)淺根>垂直淺根>迎風(fēng)垂根>其他影響較小的組分，揭示了根系個(gè)體破壞與樹木總體傾倒破壞之間的根本聯(lián)系;王可鈞等[4]重點(diǎn)分析了林木根系的抗拉性能和生長方向與土質(zhì)坡體穩(wěn)定性的關(guān)系，針對(duì)根系固坡的力學(xué)特性進(jìn)行了簡(jiǎn)析。不少學(xué)者對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，Coutts[5]使用絞車試驗(yàn)對(duì)云杉進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)，測(cè)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(shù)量和尺寸分布的重要性;劉秀萍[6]采用野外試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方式，構(gòu)建了刺槐、油松樹種根系形態(tài)分布模型，通過對(duì)根系與黃土接觸面單元摩阻特性的試驗(yàn)研究，揭示了影響根土接觸面摩阻特性的因素。在單根參數(shù)方面，鄭力文等[7]通過對(duì)油松單根施加拔出荷載進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)，分析土壤含水率、干密度、加載速率等因素對(duì)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(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定了麥冬和多花木藍(lán)根系根土界面的抗拉拔力特性，為根土界面摩擦特性的進(jìn)一步研究提供依據(jù);呂春娟等[10]選取了5 種常見喬木根系進(jìn)行室內(nèi)單根拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了喬木根系極限抗拉力和直徑之間存在的關(guān)系，揭示了植被根系的固土力學(xué)機(jī)制;劉小光等[11]通過直接拉拔試驗(yàn)研究了加載速率、根系埋深和不同樹種對(duì)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(guān)系曲線的階段性變化。此外，通過有限元軟件對(duì)根系形態(tài)的模擬，Rahardjo等[12]探究了土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)和根系幾何形狀與林木傾倒最大風(fēng)力的關(guān)系，研究了粗粒土改良對(duì)樹木穩(wěn)定性的影響;Fourcaud等[13]采用了有限元法對(duì)飽和軟黏土和土壤中的根系拔出進(jìn)行二維模擬，模擬了樹根破壞時(shí)板滑移面形狀和旋轉(zhuǎn)軸位置，估算了覆土過程中土體和根系的應(yīng)力分布，確定了不同生根方式下不同根系在樹根錨固中發(fā)揮的作用。學(xué)者們針對(duì)根系形態(tài)理論和小部分根段的抗拉、摩擦特性兩個(gè)方面開展了大量研究，然而，林木傾倒與根系整體的關(guān)聯(lián)性大，局部根段研究無法較好地反映其根系對(duì)林木抗拉拔性能的作用，目前，針對(duì)全根段抗拉拔性能的研究較少，需進(jìn)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(duì)根系抗拉拔性能的影響作用，從而為強(qiáng)風(fēng)暴雨作用下林木傾倒防治提供一定的理論依據(jù)。本文著眼于強(qiáng)風(fēng)、暴雨作用后土壤在降雨作用下含水率升高、林木受橫向風(fēng)力作用的情況，通過室內(nèi)模擬絞車試驗(yàn)，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(duì)林木傾倒破壞的影響。

1 模型試驗(yàn)

1. 1 試驗(yàn)裝置

開展橫向拉拔荷載室內(nèi)試驗(yàn)的裝置是自主設(shè)計(jì)的根系橫向加載試驗(yàn)系統(tǒng)，該裝置由拉拔力試驗(yàn)機(jī)、滑輪傳動(dòng)軸、模型箱和含水率監(jiān)測(cè)裝置4部分組成。拉拔力試驗(yàn)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格為：1）橫梁移動(dòng)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(dòng)軸為介于拉拔力試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)通過向上移動(dòng)吊臂帶動(dòng)鋼索，經(jīng)滑輪傳動(dòng)軸改變力的方向后對(duì)樹木施加橫向拉拔力。吊臂上搭載壓力傳感器，并通過TM2101pro測(cè)控系統(tǒng)軟件記錄拉拔距離。模型箱尺寸長×寬×高為600 mm×600 mm×400 mm，側(cè)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(cè)量，含水率數(shù)據(jù)記錄處理采用配套的CYY-3055型8通道數(shù)據(jù)采集儀。模型箱鋼制底板試驗(yàn)機(jī)鉚釘固定形成整體剛度。裝置整體形態(tài)如圖1所示。

1.2 試樣材料與方案

試樣材料：模型試驗(yàn)樹木根系選用銀杏樹苗，為深根性樹種，主根明顯并起主導(dǎo)作用，側(cè)根較少且處從屬地位。選取幾何形態(tài)相近的樹苗，去除其細(xì)小分支，保留垂直主根備用。選取土壤為重慶地區(qū)粉質(zhì)砂土，原狀土通過現(xiàn)場(chǎng)取土實(shí)驗(yàn)計(jì)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(yàn)中重塑土樣制備也以此為基準(zhǔn)。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(tài)如圖3所示。

拉拔試驗(yàn)方案：根據(jù)模型試驗(yàn)需求，稱取適量土壤，依據(jù)對(duì)應(yīng)試驗(yàn)組的含水率需求進(jìn)行土樣配制。用環(huán)刀取部分配制好的重塑土樣，開展直接剪切試驗(yàn)。隨后，將測(cè)定后符合試驗(yàn)要求的土壤采用稱重分層裝填、分層擊實(shí)的形式，使用夯錘將試驗(yàn)土體每10 cm裝填擊實(shí)1次，共計(jì)4層。裝填至一定高度土層時(shí)，于模型箱中央埋入樹苗，后繼續(xù)裝填。裝填完成后，將含水率傳感器探頭插入模型箱側(cè)面鉆孔中，進(jìn)行含水率校對(duì)及變化監(jiān)測(cè)，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(shù)精確，待各監(jiān)測(cè)點(diǎn)含水率讀數(shù)與試驗(yàn)所需含水率數(shù)值相差<0.5%時(shí)，認(rèn)定該土樣含水率符合試驗(yàn)條件，隨后啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)施加外力荷載，以恒定速率8 mm/s進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，直至采集系統(tǒng)記錄到外力荷載達(dá)到峰值后停止拉拔試驗(yàn)，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(jìn)行多組拉拔破壞試驗(yàn)。模型試驗(yàn)工況中根系埋深選取為15、20、25、30 cm，含水率控制區(qū)間為7%～22%。為減小試驗(yàn)離散型偏差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響，每組工況重復(fù)進(jìn)行多次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后土體破壞面具體形態(tài)如圖4所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響

土樣的直剪實(shí)驗(yàn)根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)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(jì)6組土樣，每組土樣4個(gè)，根據(jù)環(huán)刀容積及所需的干密度，制備土樣所需的濕土量按式（1）計(jì)算。m0=（1+0.01ω0）ρdV

（1）式中：m0為濕土質(zhì)量;ω0為濕土含水率;ρd為試樣的干密度;V為試樣體積（環(huán)刀容積）。

對(duì)同一含水率下的4組土樣分別施加100、200、300、400 kPa法向應(yīng)力進(jìn)行快剪試驗(yàn)，剪切速率控制在0.8 mm/min。根據(jù)量力環(huán)系數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，得到不同垂直壓力作用下的抗剪強(qiáng)度，以垂直壓力為橫坐標(biāo)，剪切強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，繪制剪切強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系曲線，將圖上各點(diǎn)采取線性擬合，直線的傾角即為土的內(nèi)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(qiáng)度按式（2）計(jì)算。τf=c+σ tan φ

（2）式中：τf為土體的抗剪強(qiáng)度;c為土體的黏聚力;σ為法向應(yīng)力;φ為土體的內(nèi)摩擦角。

根據(jù)試驗(yàn)得到不同含水率下土體受各級(jí)垂直壓力作用下的法向應(yīng)力及推算出的土體強(qiáng)度指標(biāo)，見表1。其中，x為法向應(yīng)力，y為剪應(yīng)力。

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(dāng)含水率ω<13%時(shí)，土體黏聚力隨著含水率的增大顯著增加;當(dāng)含水率ω>13%時(shí)，隨著含水率的進(jìn)一步增大，黏聚力降低。在ω=22%時(shí)，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(duì)內(nèi)摩擦角變化的影響要小于黏聚力，內(nèi)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(qiáng)度與黏聚力的變化規(guī)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(qiáng)度規(guī)律也得到了類似結(jié)論。

2.2 根系埋深對(duì)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(jìn)行銀杏根系模擬絞車試驗(yàn)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(dá)到最大抗拉拔力對(duì)應(yīng)的峰值位移前，抗拉拔力曲線呈現(xiàn)平緩上升（AB段左側(cè)）、陡峭上升（AB段與CD段之間）和緩慢上升達(dá)到峰值（CD段右側(cè)）3個(gè)階段。分析這3個(gè)階段可得出：在平緩上升階段，可以觀測(cè)到該階段土體表面并未發(fā)生明顯破壞，但樹干部分發(fā)生彎曲，抗拉拔力主要由樹干受橫向位移而產(chǎn)生彈性形變的抵抗力提供;隨著橫向荷載進(jìn)一步增大，根系達(dá)到最大靜摩擦力后，開始與土體之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，土體下方根系朝模擬迎風(fēng)側(cè)剪出，土體上部枝干擠壓模擬背風(fēng)側(cè)土壤，因此，抗拉拔力激增，形成了陡峭上升階段;繼續(xù)施加橫向位移，大多數(shù)根系周圍土體已發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，達(dá)到抗拉拔力峰值，隨后土體剪破導(dǎo)致林木徹底破壞失穩(wěn)，發(fā)生傾倒破壞。

[6] 劉秀萍. 林木根系固土有限元數(shù)值模擬[D]. 北京： 北京林業(yè)大學(xué)， 2008.

LIU X P. Finite element method numerical simulation of forest roots reinforcement[D]. Beijing： Beijing Forestry University， 2008.（in Chinese）

[7] 鄭力文， 劉小光， 涂志華， 等. 土壤含水率與干密度對(duì)油松根-土界面摩擦性能的影響[J]. 中國水土保持科學(xué)， 2014， 12（6）： 36-41.

ZHENG L W， LIU X G， TU Z H， et al. Effects of moisture content and dry density of soil on the friction characteristics between Pinus tabulaeformis root and soil [J]. Science of Soil and Water Conservation， 2014， 12（6）： 36-41.（in Chinese）

[8] 夏振堯， 管世烽， 牛鵬輝， 等. 麥冬和多花木藍(lán)根系抗拉拔特性試驗(yàn)研究[J]. 水土保持通報(bào)， 2015， 35（6）： 110-113.

XIA Z Y， GUAN S F， NIU P H， et al. Experimental study on pull-out resistive properties of ophiopogon japonicus and indigofera amblyantha roots [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation， 2015， 35（6）： 110-113.（in Chinese）

[9] 管世烽， 夏振堯， 張倫， 等. 水平荷載作用下多花木藍(lán)根系拉拔試驗(yàn)研究[J]. 長江科學(xué)院院報(bào)， 2016， 33（6）： 24-28.

GUAN S F， XIA Z Y， ZHANG L， et al. Pull-out test of indigofera amblyantha craib root under horizontal load [J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute， 2016， 33（6）： 24-28.（in Chinese）

[10] 呂春娟， 陳麗華， 周碩， 等. 不同喬木根系的抗拉力學(xué)特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2011， 27（Sup1）： 329-335.

LYU C J， CHEN L H， ZHOU S， et al. Root mechanical characteristics of different tree species [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2011， 27（Sup1）： 329-335.（in Chinese）

[11] 劉小光， 趙紅華， 冀曉東， 等. 油松和落葉松根與土界面摩擦特性[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào)， 2012， 32（6）： 550-556.

LIU X G， ZHAO H H， JI X D， et al. Friction characteristics of root-soil interface of pinus tabulaeformis and larix gmelinii [J]. Tribology， 2012， 32（6）： 550-556.（in Chinese）

[12] RAHARDJO H， HARNAS F R， LEONG E C， et al. Tree stability in an improved soil to withstand wind loading [J]. Urban Forestry & Urban Greening， 2009， 8（4）： 237-247.

[13] FOURCAUD T， JI J N， ZHANG Z Q， et al. Understanding the impact of root morphology on overturning mechanisms： a modelling approach[J]. Annals of Botany， 2007， 101（8）： 1267-1280.

[14] 土工試驗(yàn)規(guī)程：SL 237—1999[S]. 北京：中國水利水電出版社，1999.

Code of geotechnical testin： SL 237-1999 [S]. Beijing： China Water & Power Press， 1999. （in Chinese）

[15] 林鴻州， 李廣信， 于玉貞， 等. 基質(zhì)吸力對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度的影響[J]. 巖土力學(xué)， 2007， 28（9）： 1931-1936.

LIN H Z， LI G X， YU Y Z， et al. Influence of matric suction on shear strength behavior of unsaturated soils[J]. Rock and Soil Mechanics， 2007， 28（9）： 1931-1936.（in Chinese）

[16] 黃琨， 萬軍偉， 陳剛， 等. 非飽和土的抗剪強(qiáng)度與含水率關(guān)系的試驗(yàn)研究 [J]. 巖土力學(xué)， 2012， 33（9）： 2600-2604.

HUANG K， WAN J W， CHEN G， et al. Testing study of relationship between water content and shear strength of unsaturated soils [J]. Rock and Soil Mechanics， 2012， 33（9）： 2600-2604. （in Chinese）

（編輯 胡玥）